（自然地理学专业论文）关于海州露天矿滑坡灾害的研究.pdf

关于海州露天矿滑坡灾害的研究 摘要 海州露天矿投产五十多年以来，由于露天开采和地下开采的相互影响，边帮几乎全 部处于采动后的岩移扰动范围内，区域内出现变形、塌陷、地面沉降、地裂缝等各种地 质灾害，并且有明显的增大趋势，其中滑坡灾害是发生频率最多、危害最大的一种地质 灾害。全面认识海州露天矿发生滑坡的原因、分布及治理措施三方面的内容有助于闭坑 后有目的的控制地质灾害的发生。影响海州露天矿发生滑坡的原因有五大因素。一是地 质构造因素如断层构造、单斜构造等；二是岩层特性如弱层、节理裂隙等；三是 水文地质条件如第四系冲积层松散孔隙水、侏罗系基岩裂隙承压水等；四是人为因素如 放炮、行车、不合理的开采活动等；五是煤自燃因素和自然风化因素。将闭坑后按可能 发生滑坡的地质背景归纳为不同的地质背景区( 危险性分区) 不能仅仅根据滑坡发生的 原因，而且还要全面了解其危害后果等其它因素综合考虑。其一地质构造和岩性因素， 以矿坑北坡为例运用极限平衡理论详细分析了地质构造和岩性因素对滑坡的影响，提出 由于9 号弱层以上岩体沿弱层顺层蠕变滑移，一定会造成地表拉张沉陷变形，同时边坡 出现滑坡的可能性也必然增大，现在稳定系数虽然大于1 ，但是越来越小，越来越接近 于不稳定：其二岩层岩性因素，以北坡e 。剖面为例运用有限元法，详细分析了矿坑北 坡的安全系数。结论是采场周边只有北帮k e 。区段边坡岩体沿9 。上弱层滑动，考 虑地表裂缝和f 中。断层带影响，确定滑坡区为f 中。至e 筠范围内，滑坡区面积为0 2 4k m 2 。 采场其余边坡基本稳定；其三气象与地下水因素，结论是滑坡的发生必须有较长时间的 前期降水，使地面长期浸泡，达到饱和或过饱和状态，然后遇有短时强降水诱发而形成。 北帮边坡坡缓梯级多易于储纳地下水，增加了滑坡发生的几率，南帮相以。其四边坡场 地重要性因素，结论是矿坑北面、东面人口集中，建筑物密集，工厂多，发生滑坡后危 害比校大，损失比较重，因此危险性强；其五煤自燃及风化因素，通过实地堪察着火点 数量，了解了各边坡的风化概况，提出北帮着火点数量最多，受其影响最重。综合分析 这五大因素，矿坑闭坑后北一区由于有许多大规模的断层和发达的岩石解理，地质复杂、 边坡又多工厂和住宅所以危险性最高，下西区由于强烈的开采活动导致危险性也很高； 东坡与南坡是逆层坡，危险性较小，其它各区相对安全，但在强烈的诱发因素条件下也 可能触发灾害的发生。滑坡治理的基本思路，第一是建立防灾减灾的理论，做好规划工 作。第二是采用工程措施如矿坑外缘建立环坑截水沟，坑底采场内修建蓄水仓，边坡修 建帷幕截流、水平放水孔工程、采取支挡、铆固和加固边坡的u 型挡墙以及格宾网防护 等。第三是是采用预裂爆破、分段装药和空气柱爆破等减震爆破的技术措施；第四是进 行监测预报，如围岩监测，人工监控和对异常现象的及时报告等。 关键词：矿山滑坡滑坡成因海州露天矿 i i 关于海州露天矿滑坡灾害的研究 a b s t r a c t h a i z h o uo p e n p i tm i n eh a sp u ti n t oo p e r a t i o nf o r5 0y e a r s ，d u et ot h e c o m b i n e d e f f e c to fo p e n p i tm i n i n ga n du n d e r g r o u n dm i n i n g ，w h i l ea l m o s ta l ls i d e s a r ei nt h es c o p eo fr o c km o v e m e n td i s t u r b a n c ea f t e rp o s t m i n i n g al a r g es c a l e o fd e f o r m a t i o n ，s u r f a c es u b s i d e n c e ，g r o u n df i s s u r e se t co c c u r r e di nt h ep i t t h e r ei sc u r r e n t l ys t i l li nt h ed e v e l o p m e n to fd e f o r m a t i o na n dt h ei n c r e a s i n g t r e n d l a n d s li d ei sv e r yf r e q u e n t l ya n di so n eo ft h em o s td a n g e r o u sg e o l o g i c a l d i s a s t e r sa sw e l l a f t e rc a r e f u li n v e s t i g a t i o nt h ec a u s e s 、d i s t r i b u t i o na n d t h em e a s u r e so fh a r n e s sa r ep o i n t e do u ti nt h isp a p e r t h e r ea r ef i v em a j o r f a c t o r si n d u c e dt h eo c c u r r e n c eo fl a n d s li d ei nh a i z h o uo p e n p i tm i n e f i r s t ， f a c t o r ss u c ha sg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ：s e c o n d ，al a y e rp r o p e r t i e s ，s u c ha sw e a k l a y e ra n dr o c kj o i n t sa n df i s s u r e s ，e t c ：t h i r d ，h y d r o g e nl o g i c a lc o n d i t i o n s ， s u c ha st h ew a t e rf r o mt h el o o s ep o r e so fq u a t e r n a r ya l l u v i u ml a y e r ，t h ep r e s s u r e w a t e ro fj u r a s s i cb e d r o c kf i s s u r e ：f o u r t h ，m a n m a d ef a c t o r ss u c ha sb l a s t i n g ， t r a f f i c ，e t c ：f i f t h ，t h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a la n dn a t u r a lw e a t h e r i n g f a c t o r s a tf i r s t ，t h i sa r t i c l ec h o s et h en o r t h e r ns l o p eo ft h ep i ta sa n e x a m p l e ，a n a l y z e dt h ei m p a c to fg e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dl i t h ol o g yo nl a n d s l i d e w i t hl i m i t - e q u i l i b r i u mt h e o r y ，p o i n t e do u tt h e r o c kb e d d i n ga b o v et h e9 t h w e a k l a y e rs l i p sa n dc r e e p sa l o n gt h e w e a ko r t h o r h o m b i cl a y e r ，t h i sw i l lo fc o u r s e m a k es t r e t c h ，s u b sid e n c ea n dd e f o r m a tio nh a p p e nt ot h es u r f a c e a tt h es a m e t i m et h ep o s s i b i l i t yo fl a n d s l i d e so ft h es l o p e sa r eb o u n dt oi n c r e a s e a l t h o u g h t h es t a b i l i t yc o e f f i c i e n ti sg r e a t e rt h a n1 ，b u ti sg e t t i n gs m a l l e ra n ds m a l l e r ， m o r ec l o s et oi n s t a b i l i t y ：t h e na g a i nc h o s et h ee 2 4p r o f i l eo ft h en o r t h e r ns l o p e a se x a m p l e ，a n a l y z e dt h es a f e t yc o e f f i c i e n to ft h en o r t h e r ns l o p eo ft h ep i t w i t ht h el i m i t e d e l e m e n tm e t h o d t h ec o n c l u s i o ni st h a to n l yt h en o r t h e r ns l o p e a r o u n dt h er o c ks l o p eo ft h ee 2 0 一e 2 5s e c t i o ns li d e sa l o n gt h e # 9w e a kl a y e r s c o n sid e r e dt h ec r a c k si nt h es u r f a c ea n dt h ei m p a c to ft h ec h a s mt oc o n f i r mt h e l a n d s l i d ea r e aa r ei nt h er a n g eo fe 1t oe2 5 ，t h el a n d s l i d ea r e ai s0 2 k m t h eo t h e rs l o p e sr e m a i nb a s i c a l l ys t a b l e ：t h i r d l y ，a n a l y z e dr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h em e t e o r 0 1 0 9 i c a lf a c t o r sa n dg r o u n d w a t e ra n dt h ei m p a c t o ft h e l a n d s li d e ，p o i n t e do u tt h a tt h eo c c u r r e n c eo fl a n d s li d e sm u s th a v eal o n g e r p e r i o do f t i m ep r e p r e c i p i t a t i o n ， s ot h a t l o n g t e r mg r o u n dw a t e rr e a c h e s s a t u r a t i o no ro v e r s a t u r a t i o n ，a n dt h e nl a n d s l i d e sw i l lb ei n d u c e db yt h ee v e n t o fh e a v ys h o r t t e r mf o r mr a i n f a l l a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h es h a p ea n d i i i a n g l eo ft h es l o p ea n a l y z e dt h ee x t e n to fi t si m p a c to nt h e s e c t i o n so ft h em i n e ： f o u r t h l y ，a f t e ra n a l y z i n gt h ei m p o r t a n t f a c t o r so f s l o p e s i nd i s t r i c t s ， c o n f i r m e dt h ea r e a st h a ta r ec a u s e dm o r es e r i o u sh a r mb ye v e n to fal a n d s li d e ： f i f t h l y ，t h r o u g ho n - t h e - s p o ti n v e s t i g a t i o na d d e du pt h en u m b e ro fi g n i t i o n p o i n t so fs p o n t a n e o u sc o m b l u s t i o no fc o a li nv a r i o u sd i s t r i c t s ，f o u n do u tt h e w e a t h e r i n go ft h es l o p e ：a c c o r d i n gt ot h e s ef a c t o r s ，t h ep a p e rp o i n t e do u tt h a t a f t e rt h em i n ei ss h u td o w n ，t h ef i r s tn o r t h e r nz o n e ，w h e r e ，d u e t ot h e l a r g e - s c a l em u l t i - c l e a v a g ec o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n su n d e r g r o u n da n dm a n y f a c t o r i e sa n dr e s i d e n c e so nt h eg r o u n d ， e x i t sp o t e n t i a ld a n g e r ； w e s t e r nz o n e i nt h eb o t t o mo ft h ep i t ，a sar e s u l to fs t r o n gm i n i n ga c t i v i t i e si sa l s oh i g h l y d a n g e r o u s ：t h ee a s t e r na n dt h es o u t h e r ns l o p e sa r el e s sd a n g e r o u sb e c a u s et h e y a r ei n v e r s es l o p e s ，a n dt h eo t h e rz o n e sa r er e l a t i v e l ys a f e k e yw o r d s ：ia n d s iid e sinm ir e c a u s e so fia n d si id e sh aiz h o uo p e n pitm in e h a i z h o uo p e n p i tm i n e i v 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文 中除特别加以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的 研究成果，其他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做 了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名： 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本文授权辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 并进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 签名日期：年月 日 关于海州露天矿滑坡灾害的研究 引言 滑坡研究源于2 0 世纪2 0 年代的瑞典，1 9 4 5 年以前，各个国家对滑坡的研究是独 立研究的，是零星的和片断式的，小规模的。二战后，随着经济的发展，各国遇到的滑 坡灾害逐渐增多，因此对滑坡的研究也就逐渐深入。1 9 5 0 年美国学者k t e r z a g h i 发表 的滑坡机理较全面的论述了滑坡产生的原因、过程、稳定性评价方法。1 9 5 4 年9 月在瑞典斯德哥尔摩召开的第一届土力学会议上，全面研究了滑坡稳定性的问题。1 9 5 8 年美国公路局滑坡委员会编写的滑坡与工程实践一书，是世界上第一本全i c i 叙述 滑坡防治的论著。1 9 6 4 年日本成立滑坡协会，出版季刊滑坡，这是当时国际上的关 于滑坡的专门刊物。1 9 6 8 年在布拉格举行第2 3 届国际地质大会期间成立了“滑坡及其 块体运动”委员会。从1 9 7 7 年到目前为止，国际滑坡学术讨论会已召开五次。尽管至 今还不能很准确地对滑坡原理作出解释，但目前的研究成果还是很值得肯定的。在国外， 太沙基( t e r z a g h i ，1 9 5 0 ) 【1 】是从滑带土孔隙水压力的变化来揭示滑坡机理，同时也考虑 了地质条件的控制作用；赫佛利( h a f e l j ，1 9 6 5 ) f m 摩根斯顿( m o g e n s t e r n ，1 9 7 1 ) 等从定 量地角度研究了孔隙水压对土体强度的影响；斯开普敦( s k e m p t o n ，1 9 6 6 ) h 研究了粘 土的残余强度理论和捷尔一斯捷潘尼扬( t e r - s t e r p a n i a n ，1 9 7 5 ) p j 研究了土体蠕变过 程。 我国对滑坡的系统研究是建国后才开始的。1 9 5 1 年西北铁道干线工程局成立“坍 方流泥 小组，1 9 5 6 年成立坍方研究站，1 9 5 9 年成立坍方科学技术研究所。徐邦栋等 在自己的研究中，从滑动带成因和形态方面阐述了我国铁路建设中常见的沿软弱构造面 滑动的滑坡；晏同珍【4 j 研究了滑坡发生的初始条件、原因及滑动方式；卢肇钧从应力状 态和应力路径、应变、孔隙水压力、加荷速率受力时间、土体不均匀性和不等向性方面 阐述了“土体的破坏机理 ；高根树【5 j 提出了两类高速滑坡滑动机理。1 9 7 1 年西北研究 所编写了滑坡防治一书，从1 9 7 6 年到目前为止，滑坡会议论文集滑坡文集共 有十三集，这些文章中交流了我国各部门关于滑坡防治与研究成果。廖小平、徐峻龄、 郑静提出了“冲击碰撞作用机理和连续可变的块体运动理论”；王家鼎l o j 研究了“强震 作用下低角度黄土斜坡滑移的复合机理”和“地震诱发高速滑坡的机理 ；唐静等提出 了“后部土( 岩) 体的楔劈作用以及弹射冲击波作用是突发性高速滑坡形成及发展的重要 机理 。 国外开展滑坡防治措施研究的很多，如q z a r u b av m e n c 介绍了欧洲百余个滑 坡的防治实例，r l s c h u s t e r & r k r i z e d 7 j 编写了滑坡分析与防治一书总结了美国 2 0 多年滑坡的研究和实践成果。在我国建国初期，由于对滑坡产生的条件、原因、规 律以及危害都缺乏认识，所以治理的方法和措施也不得当，只是在滑坡发生后才采取措 施，所以对滑坡的控制效果也不理想，常采用地表排水、清理土体减轻重量、建抗滑挡 3 关于海州露天矿滑坡灾害的研究 墙等。这些措施只是使滑坡处于暂时稳定状态，不能从根本上整治。7 0 年后，由于滑 坡灾害的增多，造成的损失加大，对滑坡的研究也开始深入，了解了一些滑坡产生的条 件、滑动规律和类型、分布的一些基本知识。因此治理上有所改进，但仍重视支挡构筑 物的作用如抗滑桩，挡墙来解决问题，而忽视滑坡的形成条件、发生原因、破坏机理及 几何边界条件。实践证明，不切合实际的支挡工程并不能根治滑坡，8 0 年代以来，滑 坡治理的思路逐步向综合防治方面发展，既采用支挡工程又进行了排水工程，效果明显 提高。这时有一种“在工程施工中先加固再开挖或边加固边开挖”的思想，这种方法是 很有效果的嗍。 海州矿露天的滑坡频率很大，破坡作用也很强，损失越来越多，闭坑后，由于管理 放松，一些支护工程不再有人维护，排水设施也不再运行，必然导致滑坡灾害更加增多。 与此同时边帮下继续进行的残煤开采活动、大面积残煤自燃、边帮范围内水的渗入及岩 石风化等因素的持续作用，都可能进一步造成大范围、严重地下岩层结构弱化，从而破 坏岩层结构的完整性，使围岩承载能力进一步降低。如果视而不见任由其发展，那么地 质公园和旅游度假区的建设工程、爱国主义教育和科研基地的建设工程等都将无法正常 进行。西北部的阜新发电厂和阜新矿业集团机电修配厂、北部太平街道和高德街道、国 铁新( v r 屯) 义( 县) 线将受到严重威胁，附近大量居民区的生活质量与安全也将受到严重 影响。因此提前掌握灾害发生的原因、分布和治理措施，就可以避免给城市经济的可持 续发展、环境保护、社会安全、人民安居等众多方面造成无法估计和难以弥补的危害和 损失。同时，海州露天矿闭坑后生态环境整治与综合利用对辽宁省乃至其它矿山城市灾 害治理与综合利用也有明显的借鉴意义，又对阜新市的经济发展、社会稳定、环境改善， 保证人民的生命财产安全，提高人民的生活水平和生活质量也具有重大意义。 1 海州露天矿概况 海州露天煤矿是我国最大的露天煤矿，被誉为新中国工业化历程上的“金钉子。 其诞生日还被镌刻在中华世纪坛华夏五千年文明史的3 0 0 米甬道的石壁上，而且1 9 5 4 年还发行了以“阜新露天煤矿 为标题的b 一2 邮票，1 9 6 0 年还发行了以阜新露天煤矿电 镐为图案的1 9 6 0 年版伍元人民币。海州露天矿发现于1 9 1 3 年，起初由民间用原始方法 开采，1 9 2 3 年归奉天省实业所管辖。“9 1 8 ”事变后，由南满铁道株式会社经营。1 9 3 4 年，归属满洲炭矿株式会社。1 9 3 6 年归阜新矿业所管辖。1 9 4 6 年归属国民党政府。1 9 4 8 年阜新解放后回到人民手中。1 9 4 9 年由孙家湾煤矿、太平煤矿合并成立海州煤矿，1 9 5 3 年7 月1 日正式定名为海州露天矿。是国家建国初期1 5 6 个重点工程项目之一，设计年 产量3 0 0 万吨，为当时亚洲最大的露天煤矿。2 0 0 5 年7 月1 日，海州露天矿正式闭坑破 产，它也是我国目前第一个闭坑的大型露天煤矿。截止2 0 0 2 年末，基本建设总投资达 4 到了3 9 ，8 3 6 2 9 万元。累计完成采煤2 4 ，7 8 4 6 1 万吨。累计完成剥离8 6 ，8 7 3 万一，累 计完成工业总产值9 69 8 亿元，累训上交利税总和3 34 5 亿元例。党中央关于振兴东北 老工业基地战略的实旌和国务院确立阜新市为资源转型城市试点后，根据海州露天煤矿 的实际情况，2 0 0 5 年海州露天矿矿山环境治理项目获得国家批准。按照先治灾、后恢复、 再利用的原则力争用3 至5 年的时间，完成海州露天矿地质灾害治理和矿山环境恢复， 逐步把海州露天矿建设成为集旅游休闲、科学普及、科研教学、爱国主义教育为一体的 国家矿山公园。 1 i 海州露天矿的区域地理环境 阜新海州露天矿位于医巫闾山余脉北麓，坐落于阜新市区南部，位于阜新市太平区 境内。地理坐标东经1 2 10 4 1 ，北纬4 l0 5 97 。阜新夏季多雨的气候对矿区环境与地质 灾害有重要影响。阜新属北温带亚温带亚湿润半干旱大陆性季风气候。年均气温7 6 ，活动积温( 大于等于1 0 ) 3 ，3 7 76 。年均降水量4 8 1 毫米，堆大水面蒸发 量1 ，7 8 9 毫米，无霜期1 5 4 天。阜新市高空处于西风环流带中，常有气旋( 低气压) 和 反气旋( 高气压) 由西向东移动【1 。特别是春季，气旋和反气旋常呈追逐式移动导致西 南与西北大风交替出现，气温因之忽高忽低。夏季，在副热带高压( 或其边缘) 控制下， 图1 海州薅天煤矿地理背景 f i g u r e l t h eg e o g r a p h i c a lb a c k g r o u n do fh a l z h o uo p e n c u tc o a lm i n e 5 关子海州露天矿滑坡灾害的研究 东南季风因地形抬升作用降水有所增多，高温高湿，多阴雨天气。冬季，受大陆冷 高压控制，西北季风使气温低而多晴天。阜新市地势由西北向东南呈阶梯式下降，山丘 多由西南向东北伸展，对来自西方的气流有下沉作用。西来气流含水汽较少。所以西来 系统过境雨水稀少【1 0 1 。 1 2 矿区的矿井分布及地质背景 矿区内共有阜新矿务局的1 1 对生产矿井和两个露天矿，年产量1 0 0 0 多万吨。此 外，矿区内还有数百个地方、集体煤矿和个体小煤窑。阜新海州露天煤矿全矿占地面积 为2 6 8 2 1 0 6 m 2 ，其中，排土场和排矸场1 4 8 1 0 6m 2 ，工业广场3 8 4 x1 0 6 m 2 ，住宅及 生活设施2 1 8x1 0 i n 2 ，露天矿采场面积6x 1 0 6m 2 。有2 8 个界平盘和8 个作业平盘l l ， 平盘边缘裸露断面清晰地显示出地质结构特点。露天矿开采场长3 9k m ，宽1 8k m ， 地表标高为海拔1 7 5m ，矿底平均海拔- 1 7 5m ，开采深度约3 5 01 1 1 ，最终设计采深3 5 0m 。 现在为残采期，最深处已超过3 7 0m ，预计还会加深，早已成为深大型露天采场，是中 国陆地的最低点。海州露天矿东、南、西部被开采矿井包围，东南部是高德煤矿，南部 是孙家湾街道，西南部是高德一号井、七坑和五龙煤矿，西部是平安煤矿。西北部是阜 新发电厂和阜新矿业集团机电修配厂，距矿坑北帮5 0 0 米。北部是太平街道和高德街道。 国铁新( 立屯) 义( 县) 线在采场距矿坑北帮6 0 0 米距离通过。辽河水系支流系河在矿坑北 1 1 0 0 米处通过。矿坑周围还有5 万多居民、4 所小学及3 所中学、2 0 余家工矿企业、8 6 1 0 5m 2 民用建筑。 阜新矿区所在的王营子海州及新邱区是阜新盆地中的聚煤中心，煤层厚度大、 层多，同时也是沉降强烈、地质灾害多发的区域。煤田基底由太古界及元古界地层组成， 中生界地层充填盆地内部，主要为非煤系地层白恶系中统孙家湾组和含煤地层白恶系下 统阜新组及沙海组【1 2 1 。孙家湾组与下伏阜新组呈不整合接触，岩性以紫红色砂岩、砾岩 为主夹少量薄层透镜状砂岩、粉砂岩，主要分布于孙家湾一带。阜新地区最为主要的出 露地质层面是阜新组，同时也是阜新的主要含煤地层。岩性以砂岩为主，中间夹薄层砾 岩、砂砾岩及少量粉砂岩、泥岩，有巨厚的煤层沉积，与下伏沙海组呈整合接触。本组 中部含6 个可采层群，煤层累计厚度8 卜1 2 0i l l 。其标准剖面在阜新海州露天矿的西帮， 从上到下为：( 1 ) 孙家湾层段：煤层夹灰色砂岩，页岩；( 2 ) 中间层段包括：深灰色 薄层泥岩，前灰色砂岩夹煤层；厚层砂岩夹灰色薄层泥岩；粗砂岩夹煤层；( 3 ) 太平 层段：前灰色厚层砂岩，粉砂岩夹煤层：( 4 ) 高德层段：灰色砂岩及粉砂岩；( 5 )沙 海层段：粉砂岩及细砂岩夹有薄煤层；( 6 ) 海州层段：粗砂岩及粉砂岩；沙海组上部 为灰绿色泥岩、砂岩，中部为青灰色砂质页岩夹油页岩，含可采煤层，下部为紫红色安 山质砾岩、砂岩泥岩互层；与下伏地层义县组呈角度不整合接触。本组共有5 个煤层群， 6 关丁海州露天矿滑坡灾害的研究 累计厚度1 4 4 1m ，多分布在沙海至清河门一带【1 2 1 。 2 矿坑危害最大的边坡地质灾害一滑坡的认识 2 。1 海州露天矿矿区灾害概况 海州露天矿为国家和地方经济发展做出了巨大贡献的同时，由于露天开采的作业方 式，改变了地形、地貌及岩体土体的应力应变条件，强烈地破坏了原来的地质环境。并 且采场范围大、矿坑深、岩土体工程地质及水文地质条件复杂，加上生产管理等其它因 素，海州矿产生了一系列复杂的地质环境问题。比如说1 9 9 5 年夏季，受降雨影响在矿 坑北侧自坑木厂向东出现两条长度超过i 0 0 0m 的裂缝，这些年来，裂缝宽度一直在增 加，最大宽度已达o 5m ，两条裂缝间地表沉陷严重，最大下沉深度近3m 。在矿坑北 侧及西南侧也已经出现大面积的区域变形、塌陷、地面沉降、地裂缝等类似的情况，目 前这些变形仍在发展，并有增大的趋势。据调查截止2 0 0 1 年4 月因矿区地质灾害而受 损的住宅面积8 24 2 4 m 2 ，受灾居民1 67 7 5 家，7 84 8 6 人；受损学校1 9 所，受损医院3 所，受损企事业单位用房、商业网点1 0 5 个，受到破坏的道路2 9 条，共3 5 2 6 千米， 供电线路5 0 5 千米，通信线路1 5 4 2 千米，受影响的农田1 4 0 0 5 2 万m 2 【u j 。 概括起来海州露天矿的环境问题主要有三大类，第一类是地质灾害类，表现为崩塌、 滑坡、泥石流、地面塌陷变形。由于开采使地表发生大面积不均匀沉降，地岩由原来平 衡状态变为不稳定的新的平衡状态，理论上从地层开采出多少体积的岩体就会有几乎相 等体积的地表沉陷量来响应，只是时间要延续几十年或几百年不等l l 训。又由于雨水和地 下水浸入，使煤系地层中的沉积岩发生软化、弱化，导致强度降低，加之采场边坡岩体 多为层状，从而引发采场边帮的滑坡灾害，继而诱发程度不等的地表变形、地裂缝和塌 陷坑等。再由这些直接的地质灾害引起了地表输电线路、输气管道、公路铁路的断裂， 建筑物地基开裂、基础受力不均、建筑物表面开裂等直接的经济损失。l l 圳第二类是水资 源污染类。矿层项板及底板的变形、破坏与垮落导致原来独立的含水系统发生交互连通， 这样浅层地下水补给了深层地下水，这些水流经矿区，一方面地下水面下降，地表缺水 干旱，地面下沉。另一方面这样污染了整个地下水系统，使原来相对静止的固体污染变 为水系统的动态污染源。此外煤矸石不仅压占大量土地，而且其含有的有害物质，如钠 离子、钙离子、硫酸根离子和炭酸根离子等，随淋溶水以溢流泉的形式溢出地表造成水 资源污染；第三类为大气污染类，首先是残煤自燃释放c h 4 、c 0 2 、c o 、s 0 2 等造成大 气污染；其次是因为区域内原有的植被和生态环境被矿区生产严重破坏，现已经没有或 很少植被覆盖，在废弃的矿区排土场上也基本无灌木和乔木植物生长，阜新地区干旱、 多风的气候，使海州矿周边成为矿区沙尘暴的重要源头【l 引。在这些环境问题中影响最严 7 关于海州露天矿滑坡灾害的研究 重的是矿区地质灾害，从1 9 5 3 年到2 0 0 4 年共发生滑坡8 5 次，如1 9 7 7 年底帮滑坡和 1 9 8 6 年底帮滑坡，滑动量分别为1 7 万m 3 、3 1 万m 3 ，造成重大的经济损失共计6 0 0 多万元【1 6 1 。特别是采场周边岩体产生滑移，导致地表出现严重变形，甚至产生明显的裂 缝，造成露天矿周边一定范围内的建筑物及城市基础设施遭到不同程度损坏，如不及时 大力度治理，灾害将有可能进一步加剧，造成更大范围和更大规模的灾难。 2 2 滑坡主要构成要素及地貌特征 滑坡是矿坑最常发生的一种地质灾害，也是矿区危害最大的、最主要的一种地质灾 害。从1 9 5 3 到2 0 0 4 年之间共发生了8 5 次滑坡，海州露天矿平均每年发生1 7 次滑坡， 可见发生之频繁。其中规模大的三次滑坡情况如表1 【1 2 1 。 表1海州露天矿三次大的滑坡纪实 t a b l e1 t h r e em a j o rd o c u m e n t a r yo fh a i z h o uo p e n p i tm i n el a n d s l i d e 斜坡上的岩土体由于各种原因在重力作用下沿一定的软弱面( 或软弱带) 整体地向 下滑动的现象叫滑坡，俗称“走土 、“垮山、“地滑”、“土溜 等。海州露天矿矿坑深 达3 6 0 多米，边坡陡峭，一般认为矿坑边坡上的土体、岩体或其它碎屑堆积物如煤矸石 等，主要是在重力和水的作用及其它原因的作用下，沿一定软弱面( 滑动面) 整体下滑 的现象称为矿区滑坡。 滑坡的主要构成要素及地貌特征 1 7 1 有： 滑坡体指滑坡的整个滑动部分，即斜坡上向下滑动的那部分土体或岩体，简称 滑体；由于整体下滑，土体大体上还会保持着原有的结构，它以滑动面与下伏未滑地层 分割开来，滑动体与周围不动土体在平面上的分界线称为滑坡周界，它圈定了滑坡作用 的范围。矿区发生滑坡体的规模大小不一，从十几立方米到最大的一次3 l 万多立方米 不等。 滑坡壁和滑坡台阶指滑坡体后缘与不动的山体脱离开后，暴露在外面的形似围 椅的壁状分界面；一般坡度为6 0 。 - - 8 0 。，高度数厘米至数米不等。滑坡壁是滑动面的 8 关于海州露天矿滑坡灾害的研究 出露部分，它的高度代表滑坡下滑的距离。滑坡壁上常留有擦痕。滑坡体下滑时，由于 上下各段滑动速度的差异，或滑动时间的先后不同，常产生分支滑动面，把滑坡体分裂 成几块滑体，滑体之间相互错断，构成阶梯状的地面，叫滑坡台阶。因滑体沿弧形滑动 面滑动，故滑坡台阶原地面皆向内倾斜呈反坡地形。这种反坡地形可由“醉汉树”( “醉 林) 反映出来。 图2 滑坡要素及形态图 f i g u r e2 t h ee l e m e n t sa n dp a t t e r n so fl a n d s l i d e 滑动面和滑动带指滑坡体沿下伏不动的岩、土体下滑的分界面，简称滑面，在 均质土体中滑动面呈圆弧形，在矿区往往沿弱层方向。通常用上陡下缓，中部接近水平， 前部出口常常形成逆向的反坡。滑动面有时只有一个，有时有几个，故可分出主滑动面 和分支滑动面。沿滑动面有时可见擦痕及磨光面。有时在滑动面附近的土体有一层明显 揉皱的结构扰动带，称为滑动带。滑动带的厚薄不一，从几厘米到数米不等。矿区滑坡 的滑动面通常并不完整，因前面的是陡峭的矿坑壁，所以前半部分通常都崩落到坑底。 滑坡裂缝一指滑坡活动时在滑体及其边缘所产生的一系列裂缝。位于滑坡体上( 后) 部多呈弧形展布者称拉张裂缝；位于滑体中部两侧，滑动体与不滑动体分界处者称剪切 裂缝；剪切裂缝两侧又常伴有羽毛状排列的裂缝，称羽毛状裂缝；滑坡体前部因滑动受 阻而隆起形成的张裂缝，称鼓张裂；位于滑坡体中前部，尤其在滑舌部位呈放射状展布 者，称扇状裂缝。矿区滑坡分布在顶部的可以看到裂缝但中下部位的则很难分辨出裂缝 了，因为矿区坡壁有着巨厚的自燃后产生的松散碎屑把裂缝给弥合了。 此外还有滑坡床、滑坡舌、滑坡洼等，以上滑坡诸要素及地貌特征只有在发育完全 的新滑坡才同时具备，并非任一滑坡都完全具备。矿区的滑坡很少有完整的地貌形态。 2 3 滑坡的类型 按物质组成可以将滑坡分成土质滑坡和岩质滑坡两大类。前者又可分粘土滑坡、黄 土滑坡和碎屑堆积层滑坡。后者可分为风化岩浆岩滑坡、沉积层滑坡和变质片岩滑坡等。 9 关于海小 l 露天矿滑坡灾害的研究 不同岩性滑坡，其工程地质力学性质不同。矿区的滑坡主要为碎屑堆积层滑坡和沉积层 滑坡。 按滑动面与岩体结构面之间的关系可划分为：同类土滑坡、顺层滑坡和切层滑坡。 矿区的滑坡主要为顺层滑坡。 按滑坡体厚度可划分为：浅层滑坡( 厚度仅数米) ；中层滑坡( 厚度为数米到2 0 米左右) ；深层滑坡( 厚度在2 0 米以上) 。这样划分便于进行稳定性评价和确定防治措 施。矿区的滑坡三种类型全有。 按运动形式可分为牵引式滑坡和推动式滑坡。滑坡体前部( 下部) 首先开裂起动滑 移，而后牵引中、上部岩土体依次开裂滑移的滑坡，称之为牵引式滑坡。滑坡体先从后 缘( 斜坡上部) 开裂，滑坡体后部的巨大势能逐渐向中、前部推进，在滑坡体前部滑移 面附近产生应力集中，当滑坡体前部的抗剪能力支持不住滑动体推力时便产生滑动，这 种滑坡称为推动式滑坡。由于这两种滑坡的力学机制和运动形式不同，对它们的整治措 施也不一样。若是牵引式滑坡，只需针对前部第一块坡体设置抗滑工程就能防治以后的 几块滑动；若是推动式滑坡，就需对整个滑体作防治工程。 按年代不同可分为古滑坡、老滑坡、新滑坡以及正在发展中的滑坡。滑坡的年代不 同，其稳定程度也不同。我们研究的矿区滑坡主要为正在发展中的滑坡。 2 4 滑坡的发育阶段 蠕动变形阶段：在斜坡内部如果某一部分抗剪强度小于剪切力就首先变形，产生微 小的滑动。以后变形逐渐发展，直到上部出现断续的拉张裂缝，随着拉张裂缝的出现， 渗水作用加强，使裂缝变形进一步发展，后缘裂缝进一步拉张变宽加深，继而两侧出现 剪切裂隙。同时坡脚附近的土层被挤压，而且比较潮湿，此时滑动面己隐伏潜存。蠕动 变形阶段长的可达数年，短的仅数月或几天。一般来说，滑坡规模越大这个阶段时间就 越长。 剧烈滑动阶段：滑动面已形成，岩体己完全破裂，滑体与滑床完全分离，滑带抗剪 能力已急剧下降，处于极限平衡状态。之后随切应力增大，裂缝距亦加大，后缘拉张主 裂缝联合成条大裂缝。斜坡前缘出现大量放射状鼓张主裂缝和挤压鼓丘。位于滑动面 出口处常有浊水渗出，预示着滑坡即将滑动，滑坡下滑的速度快慢不等，一般每分钟数 米或数十米，快速的滑动也有每秒中几十米的，这属于崩塌性滑坡。 渐趋稳定阶段：经剧烈滑动之后，滑坡体变形，重心降低，下滑能量渐渐减小，抗 滑力增大，位移速度越来越慢，并趋于停止。土体变得松散，透水性加大，含水量增高， 原有层理受到错开或揉皱。滑坡停止后，裂缝渐渐弥合，土体渐渐压实。 1 0 关于海州露天矿滑坡灾害的研究 2 5 矿区( 海州露天矿) 滑坡与山区滑坡的区别 矿坑边坡上的土体、岩体或其它碎屑堆积物如煤矸石等，主要是在重力和水的作用 及其它原因的作用下，沿一定软弱面( 滑动面) 整体下滑的现象称为矿区滑坡。矿区的 滑坡主要为碎屑堆积层滑坡和沉积层滑坡。滑坡体的规模大小不一，从十几立方米到几 十万立方米不等。矿区的滑坡很少有完整的地貌形态。滑动面通常也不完整，由于前半 部分通常都崩落到坑底，所以中下部位的裂缝则很难分辨。由此可见，矿区滑坡与山体 滑坡是不同的，是有联系又有区别的。具体体现以下几个方面。 ( 1 ) 诱发的原因不同。山体滑坡常发生在结构松散，抗剪强度和抗风化能力较低， 受水的作用后性质能发生变化的岩、土体上，如黄土、红粘土、页岩、泥岩、凝灰岩、 片岩、板岩、千枚岩等。山体滑坡常发生在坡度大于1 0 度，小于4 5 度，下陡中缓上陡、 上部成环状的坡形。海州露天矿区内部到处都覆盖着松散的煤矸石堆积层和煤层，因此 滑坡常发生在松散沉积层和煤系地层上。矿坑的坡度大都在3 0 到7 0 度之间，所以更容 易产生滑坡。山体滑坡常常受地震、降雨和融雪、地表水的冲刷、浸泡、河流等自然因 素而引发。矿区滑坡的主要诱发因素是人为因素，如开挖坡脚、坡体上部堆载、爆破、 矿坑蓄( 泄) 水、采煤活动等。 ( 2 ) 发生的频率不同。山体滑坡常由于自然原因触发，当前一次滑坡发生后，其再 次发生滑坡的条件发生改变，这样到下一次发生滑坡的条件满足时，时间间隔必然会很 长。矿区滑坡的主要诱发因子是人为因子，矿区每天几千人的作业和施工，几百台设备 的运转，大能量的爆破都可能引发滑坡的发生，因此出现的频率较山体滑坡多。 ( 3 ) 造成的危害不同。由于山体滑坡常发生于偏远地区且分散密度小，发生的频率 也不多，就某一个地区而言，只能偶尔破坏交通线、电线和零散的房屋，因此可以认为 单位面积上山体滑坡造成的损失相对很小，而矿区滑坡集中于矿坑之内，密度大而且生 产设施和人员都相对集中，矿区发生滑坡的几率也大往往造成交通线路，输电线路，排 水加固设施的破坏甚至人员的伤亡，财产损失严重，可见矿区滑坡的危害相对很大。 ( 4 ) 防灾减灾的措施不同。山体滑坡既有自然属性又有社会属性，发生地点多为人 口分散、经济落后，交通、通讯不便的偏远山区。因此防治应以躲灾、避灾，尽可能地 减少人畜伤亡及财产损失为主要目标，坚持“以人为本，预防为主，合理避让”的原则， 开展防灾、减灾工作。而矿区滑坡常常造成人员伤亡、设施的破坏，损失大。因此防治 措施则是以工程措施为主，综合运用各种措施，尽最大可能减少滑坡发生的机会，尽最 大可能减轻灾害发生后的损失。 3 海州露天矿滑坡形成的主要因素 矿区滑坡的种类主要包括：平面滑坡、楔体滑坡、圆形滑坡、倾倒滑坡、崩塌滑坡、 关于海州露天矿滑坡灾害的研究 复合滑坡等。无论何种形式的滑坡，对露天矿都可造成灾害。矿区发生滑坡的主要原理 是：露天矿未开采前，地应力经历了漫长的重新分配过程，基本上是平衡的。随着露天 采场开挖与延深，岩体在采场一侧出现临空状态，以水平方向为特征的构造应力不均匀 释放，失去侧向支撑力，岩体向采空区回弹、变形，当岩体应力超过其强度时，如果变 形程度逐渐加大，最终下滑力超过了岩层的抗剪力时，就会发生滑坡了，即形成矿区滑 坡【1 引。由此可知，滑岩体自身重力、构造力是导致滑坡的最基本的力。断层破碎带膨胀、 周期性动荷载作用、大气降水和地下水压力造成了卸荷裂隙、原有裂隙扩展、最终也会 造成边坡地表出现不同程度的变形。所以渗透力和震动力对滑坡的形成也起到了一定的 效果。 影响矿山稳定的因素很多，根据海州露天矿地质特征和发生的滑坡历史资料分析， 有些因素是次要的如地貌条件中的边坡角大小，5 0 多年来只有一次因为坡度过大而导致 滑坡的发生，而且规模也不大。而有些因素影响却是很大的。如弱层和断层因素( 其具 体数据见后面分析) 。正是基于这种认识，可以根据海州露天矿的具体情况现归纳出造成 滑坡灾害的五大控制性因素，地质构造、地层岩性、气象水文、残煤自燃和采矿工程。 3 1 矿区地质构造因素 阜新矿区位于阜新一义县盆地中，阜新一义县盆地总体走向n e 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