矿山地质灾害的成因及预防对策

张 峰

（安徽省地勘局第二水文工程地质勘查院，安徽 芜湖 241000）

我国各地矿业发展分散，不平衡现象严重，同时各种中小型矿山开采企业居多，不仅监督管理困难，而且在开采中各种安全问题突出，加之自身发展过程中使用的开采技术较为落后，同时开采环节没有相应的安全意识和安全措施，极易导致各种常见的矿山开采问题的发生，并加剧当地的自然环境的恶化。

1 常见矿山地质灾害

1.1 矿震

矿山开采过程中可能会出现地震活动即矿震。矿山正常开采过程中，采空区域的坚硬覆岩悬空面积增加，围岩的应力高度集中，岩体的应变能积累越来越多，因此影响范围也随之扩大，煤层、脆性岩层中可发出地声或微破裂的声音；伴随围岩的应力持续增加，微破裂的频次也明显增高，微破裂的规模、次数达到一定阈值时煤岩体就会出现破裂及振动；坚硬覆岩与母体脱离后迅速垮落，空气受到压缩而出现强大气流进而形成矿震。矿震灾害的发生会对矿山正常生产造成严重的危害。

1.2 地裂缝

地裂缝多见于海拔较高的山坡、山顶，其形态多为细条状。矿业开采作业活动是造成地裂缝形成的重要原因。地表地裂缝对应着地下采空区，采空区上覆岩体的裂隙带、重力作用下引起的地表不均匀沉降可造成地表形成地裂缝。地裂缝的存在可造成生产生活环境被破坏，引起人员伤亡，造成直接及间接经济损失，除此以外地裂缝的发生会造成当地水环境受到破坏，可引起水土流失加剧。

1.3 崩塌

崩塌指的是高陡斜坡上的岩土体与母体脱落后，以坠落、跳动及滚动等为主的移动现象及过程，多见于地势比较陡峭的山区，其形态为漏斗形，片状分布，总面积较大。崩塌的特点在于发生突然，下落速度快，水平位移小、垂直位移大。

崩塌的形成条件包括：就地质构造上，各种构造面切割、分离坡体，坡体的裂隙发育与崩塌的发生直接相关；就地形地貌上，凹形陡坡、孤立山嘴、坡度超过45°的高陡斜坡都容易发生崩塌；人工边坡、工程建筑物边坡等地貌部位都有利于发生崩塌。

崩塌的外界因素包括：地表水的浸泡及冲刷可造成岩土软化、坡体支撑被削弱，造成坡体的强度降低进而增加崩塌的发生风险；大量降水造成地表水渗入坡体，岩土及软弱面被软化，孔隙水压力产生从而引起崩塌；地震可造成坡体的平衡受到影响进而引起崩塌。

工程经济活动是重要的诱发崩塌的因素，矿产资源采集作业过程中有时会发生崩塌，其中有地下采矿的采空区引起地表崩塌，也有露天采矿场边坡崩塌。采掘作业的机械振动可能诱发崩塌。不合理的堆碴可能会诱发崩塌，例如在可能发生崩塌的地段堆渣弃土可造成崩塌体的负载增加进而增加崩塌的发生风险。

1.4 滑坡

滑坡指的是斜坡岩土体在水、重力及其他外营力等因素的影响下，沿着薄弱结构面剪切破坏的地质现象，滑坡的发生与人类活动、自然作用等存在密切关系。滑坡多见于相对较高的山坡，其形态常见簸箕形、弧形、m形。

滑坡形成的内因在于高陡的斜坡及比较松散的土体，滑坡的外因在于河流的冲刷，降雨、人类工程活动是最为主要的诱发滑坡的因素。人为工程活动造成斜坡的应力状态及外形发生改变，斜坡的支撑力降低，滑体下滑力增加从而引起滑坡。就水文地质因素上，风化带、软弱层容易阻隔、汇聚地下水，当上坡的侧方、上方存在大量地下水是，这些风化带、软弱层可能会成为滑动带从而引起滑坡。就地形地貌上，滑坡只发生与有一定坡度、处于一定地貌部位的斜坡，一般而言斜坡的坡度介于10°～45°、下陡中缓上陡、上部呈环状的坡形容易出现滑坡。就地质构造上，断层发育、岩性界面、层理面、裂隙及节理丰富的斜坡容易出现滑坡。就地层岩性上，滑坡的发生需要物质基础的支持，各种类型的土、岩都有构成滑坡体的可能，板岩、片岩、煤系地层、泥岩、页岩、黄土及软硬相间的岩层的结构较为松软，抗风化能力及抗剪强度都不强，受到水的作用后其性质容易出现变化，这些岩土体所构成的斜坡容易出现滑坡[1]。

1.5 地面塌陷

地面塌陷在山顶、山坡及底部都较为常见，其形态以圆形为主，当地面塌陷较多时则可为串珠状分布。从成因上划分，可将地面塌陷划分为自然塌陷和人为塌陷，自然塌陷包括重力塌陷、地震塌陷、暴雨塌陷等；人为塌陷包括振动或加载塌陷、采空区塌陷、坑道排水突水塌陷等。

2 矿山地质灾害的成因分析

矿山地质灾害的成因包括岩性因素、构造因素及人工活动因素，分别探讨如下。

就岩性因素上，粉砂岩夹煤层、变质砂砾岩等地质结构具有脆性强、变质程度高等特点，这些地质因素给地质灾害的形成奠定了前提。

就构造因素上，挤压区、应力拉张区等区域的柔性岩石容易出现变形，刚性岩石容易出现断裂而形成剪性解理面或者劈理面，这些构造因素造成岩石的性质发生了改变从而在很大程度上影响地质灾害的形成。除此以外沟谷等地区在降水量大的情况下时容易出现泥石流及山洪等灾害。

人工活动是造成矿山地质灾害的主要因素，例如过度坡脚开挖可造成山体稳定性被破坏，房屋建设、堆煤区等造成坡前临空，坡的稳定性被破坏从而出现地质灾害。又如地下矿层采出后，采空区周围的岩体原始应力平衡状态被破坏，应力重新分布后应力高度集中，顶层煤板的集中应力超过阈值时会造成顶层岩层出现断裂、变形、垮落等，造成上覆岩层变形、移动而引起地质灾害[2]。

3 矿山地质灾害的预防对策

3.1 预警体系的建立

3.1.1 专业监测

由于工程地质灾害发生频度高，灾害形式复杂多样，促使研究者不断积累经验，挖掘研发需求，目前已经研发出大量的自动化、高速化、高精度的监测产品，解决了监测预警技术手段落后，缺少信息集成与分析，依据不充分、标准不统一等一系列问题。

3.1.2 预警预报

获取地质灾害预警预报成果是开展监测预警工作的最主要目的。通过集成地质灾害调查成果、专业监测成果后，用相关预报模型经计算机运算后生成的地质灾害发生的可能性，可全方位监控地质灾害隐患点，及时准确地预报险情，对指导各级政府地质灾害防治工作，最大限度地保护人民群众和公共财产安全具有重要的意义。目前工程地质灾害预警预报主要包括区域性地质灾害气象风险预警与崩塌、滑坡、泥石流、地面裂缝、地面沉降专业监测。

3.1.3 信息发布

地质灾害信息发布是实现监测预警服务于政府与社会的最主要方式。监测预警成果通过手机短信、电视、广播、网络、报纸、电话、显示屏等宣传途径传达给各级政府领导、地质灾害防治管理人员、群测群防人员、受灾害威胁地区的广大群众，对指导当地政府采取防治对策、管理人员采取应对措施、群测群防人员加强监测、受威胁地区群众提前准备防灾避灾都有着非常重要的作用[3]。

3.2 具体灾害的防治对策

3.2.1 矿震的预防对策

（1）开采部署要合理。矿山综放开采时要制定合理的开采部署方案，这是确保减轻、避免矿震的发生的第一步。山综放开采预留的15m煤柱在制约覆岩及覆岩主关键层的运动方面具有非常关键的作用，为了缩减覆岩主关键层的悬空范围，避免采空区附近出现大量能量聚集，需要对工作面的煤柱进行严格控制，一般而言可不留煤柱或者将煤柱的宽度控制在3m～5m。主关键层的运动有规律可循，其具有周期性，停采线周围的覆岩容易出现大面积悬空，当矿井有地震活动时，开采时应按照断层-褶屈轴部-采空区-煤柱的顺序进行作业。

（2）压缩空气的处理。矿震发生后会产生的压缩气流会是矿震的外在表现，这些强大的气流对地下设施的危害性大，还是造成人员伤亡的重要原因，为了减少压缩空气造成的危害，需要结合应用泄风和堵风的措施。

泄风指的是使用井巷将压缩气流排出地面的方式，通过泄风可以有效避免冲击气流造成的危害。就井巷的选择上，可使用矿井的总回风巷或采取回风巷作为替代，当有必要时需要在矿井边界或采区边界专门掘进泄风井或泄风巷。使用专用巷道连接回风巷及采空区，在小巷内形成薄弱的密闭，当薄弱密闭被冲击气流推开时，即可将压缩空气快速引入泄风井巷以导引出井。当采用泄风井巷时，需要确保采空区周围的密闭工程有足够的强度，其强度要足以承受发生矿震时的冲击气流，要能按照路线将气流导引出井。泄风井巷的断面应足以应付大流量的压缩空气，确保设施及通风系统完好。

矿震时的压缩空气压力多在1MPa以下，可采取增加密闭强度的方法在采空区域内隔离被压缩的空气进而实现对压缩气流的控制。待工作面停采后，使用圆柱形、楔形混凝土结构密闭绝大多数外部构筑并嵌入巷道岩体中，增加黄土、矸石墙构成缓冲带，按照1MPa的压强设计密闭。选择巷道“T”字形交叉口构筑“T”字形密闭，“T”字形以岩体为依托，其可以有效提高阻抗力进而减轻、避免矿震压缩空气带来的冲击。

（3）覆岩主关键层注浆。矿山综采工作面的开采厚度较大，覆岩主关键层下位离层多，这造成主关键层容易出现较大面积的幅度。可对覆岩主关键层下位离层进行注浆加固以限制主关键层的运动，进而将支架压死，防治矿震灾害，注浆方法见图1。

图1 注浆减沉图示

具体施工时，从地表打孔直至下位离层带，在地面经压力泵及管路、钻孔将浆液（粉煤灰加水制备）注入离层带，浆液中的水经岩层裂隙流失，粉煤灰则在离层空间沉淀从而形成充填体以发挥减轻矿震危害、保护地面建筑物的效果。

（4）注浆填充采空区O形空间。长壁工作面采空区周边煤柱的支撑造成附近覆岩出现不充分的沉降及冒落，这造成采空区周围出现O形空间。这些空间中的空气是矿震时冲击气流的来源，因此需要采取注浆充填的措施来限制这些区域中的空气，根除冲击气流的来源，这能有效避免矿震危害的发生。注浆充填的方法减少了空气，还能避免煤炭自燃发火。

3.2.2 地裂缝的防治

地裂缝会对建筑安全带来严重的威胁，凡是跨越了地裂缝的建筑都会受到破坏，因此需要坚持以避让为主的原则来减轻地裂缝的灾害，防止地裂缝破坏。地裂缝防治时，可采取回填采矿的方法进行治理，将开矿弃渣用于对采空区的填充进而确保采空区围岩保持稳定，这能有效避免地裂缝的产生。对老矿区、已经闭坑的矿区存在的已经发育的地裂缝要及时进行治理，治理时需要开展调查来了解地裂缝的成因及几何特征。当地裂缝位于沉降盆地的边缘时，可使用灌浆的方法来进行治理。对踩空塌陷地裂缝进行治理时，除了使用灌浆加固、粘土分层夯实等措施以外，条件允许时还可以将其改造为地下水库。

3.2.3 崩塌的预防

崩塌仅涉及少数不稳定岩土体，一般而言崩塌不造成斜坡整体稳定性受到影响，也不会毁灭性破坏建筑物。整治崩塌的目的在于预防人身伤亡、建筑物破坏等，因此可将崩塌的预防措施划分避免崩塌危害的被动防护与防止崩塌发生的主动防护这两种，实际选择时应结合防治工程投资及维护费用、场地条件、地形地貌、崩塌风险水平、崩塌历史、潜在崩塌特征等。

崩塌的防治措施中，被动防护措施中，可通过金属栅栏、拦石墙、落石沟槽及安全网被动系统等实现拦截的目的；可通过隧道措施、调整工程位置及绕道等措施来实现避让；可通过棚洞及安全网被动系统实现堆落石等的引导。就主动防治措施上，可通过地表排水、清除危岩、控制爆破、削坡等措施来降低崩塌的发生风险；除此以外还可以采用支护、加固措施来限制崩塌，可采取护面墙、喷射混凝土、捆绑、锚固、支挡墙等措施。除此以外还需要加强对崩塌的监测预报及报警。

3.2.4 滑坡的防治措施

滑坡的治理可采取“砍头”“捆腰”及“压脚”的措施。“砍头”指的是使用开挖、爆破等手段减轻滑坡上部重量；“捆腰”指的是使用灌浆、锚固等手段对下滑山体进行锁定；“压脚”指的是填方反压滑坡体前缘、下缘从而增加坡脚的抗滑阻力。

（1）排水。滑坡的发生与地下水、地表水的活动密切相关，因此对滑坡进行预防时，需要采取措施将地下水、地表水排除以控制滑体中的水含量，提高滑带土的抗剪强度，确保滑坡体的整体稳定性足够。可采取设置排水沟、截水沟的方式来拦截滑坡范围以外的地表水，将滑体范围内的地表水排出范围；采取渗管疏干、水平钻孔群、设置有水平管道的垂直渗井、排水隧洞、边坡渗沟、截水盲沟等措施来疏干、拦截地下水从而减少、避免地下水影响滑坡。

（2）抗滑挡土墙。抗滑挡土墙的起效快，对山体平衡造成的影响小，在滑坡的预防中应用广泛。当滑坡的范围比较小时可仅采用抗滑挡土墙这一方法；当滑坡范围较大，比较复杂时，可综合运用抗滑挡土墙及其他措施。实际施工时首先要明确滑坡的滑动面层数、位置、推力大小及方向以及滑动范围等，明确挡墙基底情况，以免挡墙变形甚至挡墙伴随滑坡滑动等情况的发生。可结合实际情况选择桩板式、装配式、混凝土、浆砌石等不同的挡墙材料。

（3）抗滑桩。抗滑桩在滑床及滑体之间打入数根尺寸较大的锚固桩从而发挥抗滑效果，可选择应用钢筋混凝土、钢板及木材等作为材料制作抗滑桩。布置抗滑桩时，需要结合滑体的规模及形态来确定，充分考虑滑坡的推力、滑面的位置等。

3.2.5 减重加载

可采用对牵引地段、主滑地段进行减重，对抗滑地段进行加载的方法来对滑体的力学平衡条件进行调整从而发挥治理效果。当滑坡的滑动面上陡下缓，为推动式滑动时，可采取对牵引地段、后部主滑地段进行减重的方法来进行滑坡治理，确定减重量时需要进行滑坡的推力计算，对滑动面的推力进行计算以明确滑体的稳定性。当滑坡的前缘存在抗滑地段时，可采取对滑坡剪出口、滑坡前部附近填方压脚的方法来提高抗滑段的抗滑能力。

3.2.6 地面塌陷的防治

对塌坑较浅的土洞进行治理时，将其中的松土清理干净后填入碎石、块石，建立反滤层后覆盖粘土夯实。当存在重要建筑物时，可采用灌浆处理、设置钢筋混凝土板、开挖回填混凝土等方法堵塞洞底、坑底与基岩面的通道。

当土洞、塌陷坑比较深大，难以应用开挖回填的方法处理时，可采取梁板跨越的方法，在可靠的岩土体上放置两端。

采用强夯法夯实土体，使用这一方法可以消除软弱带及隐伏土洞，也可以用于夯实回填土从而提高土体的强度。

当塌陷、土洞的深度比较大，不能应用跨越结构时，可采用桩基将荷载传递给基岩。

可经岩溶洞口或钻孔，采用灌注法注浆填充以强化土层、填充岩溶间隙、阻断地下水流通道等。

4 结语

必须要充分了解矿产地质结构，明确地质灾害产生的原因，树立“防大于治”的工作意识，将地质灾害的可能性降到最低，并加强对矿产周围生态环境的保护力度，对矿产资源进行有效利用，构建科学合理的信息化矿产资源管理体系，避免矿山地质灾害给矿产资源开采工作带来困扰，促进矿产行业的长远发展。