環(huán)境工程地質(zhì)變化對城市安全的影響及其治理對策

1、環(huán)境工程地質(zhì)變化對城市安全的影響及其治理對策呂玉國1,孫世國2(1.撫順礦業(yè)集團(tuán)公司老虎臺礦,遼寧撫順113003;2.北方工業(yè)大學(xué),北京100083摘要:針對撫順礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤層巨厚和開采深度大,以及城市與礦區(qū)嵌套在一起的特點(diǎn),分析了城市發(fā)展建設(shè)與煤炭資源開發(fā)之間的矛盾與主要問題,并就大型露天采場與排土場的影響、地下開采形成塌陷區(qū)、沖擊地壓與矸石山的影響,以及地質(zhì)斷裂帶對城市安全的影響等問題進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞:環(huán)境工程地質(zhì);排土場;沉陷區(qū);安全中圖分類號:T D167文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1003-496X (200909-0099-03基金項(xiàng)目:北京市教委課題資助項(xiàng)目(K M20

2、07100009007;北京市“學(xué)科與研究生教育-巖土工程”資助項(xiàng)目;北方工業(yè)大學(xué)重點(diǎn)科研項(xiàng)目1概述在我國有許多礦區(qū)位于城市中心地帶,這是由于先建礦區(qū)再圍繞礦區(qū)建居民區(qū)及其配套的服務(wù)區(qū)的歷史產(chǎn)物;但隨著礦山開采規(guī)模的擴(kuò)大,由于城市建設(shè)與礦區(qū)開發(fā)之間缺乏總體規(guī)劃,從而造成了可采資源與城市建設(shè)之間產(chǎn)生尖銳的矛盾;一方面礦產(chǎn)資源需要回收,另一方面城市需要發(fā)展和建設(shè);如何能在保證城市安全的前提下最大限度地回收有用礦產(chǎn)資源,將是這些老礦區(qū)與城市發(fā)展中的主要矛盾;為此,將以撫順礦區(qū)為例,探討城市環(huán)境工程地質(zhì)變化對撫順城市發(fā)展建設(shè)的影響與未來治理對策。2斷裂帶活動變形對撫順市區(qū)安全影響的研究2.1構(gòu)造分布特

3、征撫順地區(qū)位于新華夏構(gòu)造體系的第二隆起帶與陰山-天山緯向構(gòu)造體系東延部分的復(fù)合部位,區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育,主要以渾河斷裂為主。渾河斷裂帶從渾河分水嶺草市一帶起,經(jīng)清原、南雜木、撫順、沈陽東部、蘇家屯直插下遼河平原,全長220k m 。該斷裂帶除在有些地段表現(xiàn)為一條之外,在大部分地段主要由兩條甚至多條平行的斷裂組成。斷裂在各段出露表現(xiàn)程度不一,例如,在清原縣草市至撫順段出露形跡清晰,沿北東6070方向展布,為兩條對沖型斷裂所形成的斷陷帶。該斷裂帶通過撫順市區(qū)中心沿東西方向展布,與主斷裂帶相平行還存在一系列次生斷裂帶,而斷裂帶的活動變化、以及礦山地下開挖擾動下誘發(fā)斷裂帶的活動,將威脅到城市各種設(shè)施

4、的安全。2.2市區(qū)垂直變形對城市安全的影響根據(jù)遼寧省地震大隊(duì)在1956-1985年間分別測定的高程值,通過整體平差、求出監(jiān)測點(diǎn)的下沉值,然后繪出遼寧地區(qū)的整體變形的等值線。從實(shí)測下沉位移場來看,30多年來,遼寧地區(qū)的總體變化特點(diǎn)是:由東南沿海緩慢地向北北西方向傾斜,傾斜量由0120mm 。但各地區(qū)變形量大小是不同的,大石橋一帶下沉189mm ,平均下沉6.3mm /a;遼陽一帶下沉110mm ,平均年下沉4mm /a,建平新鎮(zhèn)一帶下沉129mm ,平均年下沉4.3mm /a 。這3個(gè)沉降區(qū)的沉降特點(diǎn)是呈橢圓形,長軸走向與區(qū)域構(gòu)造走向是一致的。由于這兩次監(jiān)測在撫順地區(qū)沒有監(jiān)測點(diǎn),所以,無具體沉降

5、數(shù)值。但是在1964年與1978年,撫順市規(guī)劃院測量隊(duì)在市區(qū)進(jìn)行了全面檢測,其變形結(jié)果是:西起石油一廠,東至老挖掘機(jī)廠、老煤礦電機(jī)廠,中心地帶為市中心的站前街、南北臺街;由于受斷裂帶的活動影響與礦山開采變形的綜合影響,最大下沉值72mm ,平均年下沉5.2mm /a;渾河以北地區(qū),地面緩慢上升,平均年上升率為1.3mm /a 。綜上實(shí)測資料可以看出,在撫順地區(qū)地下開挖誘發(fā)的變形與斷裂帶的活動引起的變形或兩者的綜合疊加誘發(fā)的變形始終沒有停止;但它與礦山開采99問題探討煤礦安全(2009-09變形是如何作用,采礦作業(yè)是否會誘發(fā)其活動、開采變形是否會與斷裂帶活動產(chǎn)生疊加作用,頻繁的礦震是否會加劇斷裂

6、帶活動等一些列問題尚無答案,然而,這些問題遲早遲晚必須要解決,因?yàn)橹挥写_定變形對城區(qū)環(huán)境安全的影響范圍、影響程度,才能保證該地區(qū)人民生命與國家財(cái)產(chǎn)的安全。3礦山開采對環(huán)境安全的影響3.1地下工程開挖誘發(fā)沉陷變形的破壞作用采煤沉陷制約撫順生態(tài)發(fā)展,然而根據(jù)遙感資料,采煤引起的地面沉陷區(qū)面積達(dá)22.50k m 2。從目前撫順城區(qū)的變形現(xiàn)狀來看,礦區(qū)開采地面變形十分劇烈,沉陷區(qū)內(nèi)各種建筑物遭到嚴(yán)重的破壞。由于井工礦采用放頂煤開采方法,開采厚度在50100m 左右,當(dāng)?shù)叵麻_采一分層時(shí),下山方向開采影響角為57.1°開采二分層、三分層時(shí)其移動角還要減小,即影響范圍增大,從而產(chǎn)生更大的破壞區(qū)。同

7、時(shí)開采影響范圍內(nèi)的變形也非常嚴(yán)重,如2000年1月23日,在榆林地區(qū)地表突然塌陷,1d 左右時(shí)間,最大塌陷深度達(dá)20m 左右,致使108戶居民房屋被破壞,這類地質(zhì)災(zāi)害過去很少遇到,說明在撫順地區(qū)。又如在斷裂帶北側(cè)開發(fā)商新建商品房,尚未入住便產(chǎn)生變形和裂縫。按現(xiàn)有開采變形計(jì)算理論,采動變形不會影響到如此之大的范圍,那么,這種變形或破壞究竟是斷裂帶活動所致,還是礦山開采變形與其疊加的影響呢?或者是次一級斷裂帶活動變形的影響呢?這些問題,尚未進(jìn)行專門的研究。然而,未來撫順市區(qū)如何規(guī)劃與建設(shè)都要涉及到這些問題,因此,對這些問題進(jìn)行研究,確定其影響范圍、分析未來發(fā)展趨勢,這對撫順城市的發(fā)展及其環(huán)境安全將

8、具有重要的經(jīng)濟(jì)與社會意義,同時(shí)也為城市規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。3.2礦震對城市安全的影響撫順礦區(qū)是我國有記錄最早發(fā)生礦震的礦山,每年地震臺能記錄到的礦震次數(shù)達(dá)4500次以上,最大震級為ML 3.7。隨著開采深度的不斷增大,礦震頻度和能量均顯著增加。再加上撫順地區(qū)受渾河斷裂帶的控制,地震多發(fā)生在渾河斷裂帶兩側(cè)附近和撫順-沈陽之間。地震震級不大,但因?yàn)檎鹪瓷疃容^淺,其影響范圍一般<10k m ,所以有時(shí)有震感,頻率一般每年約46次左右。所有礦震記錄中ML 1.0的約占總數(shù)的17%略強(qiáng);2.0的礦震占ML 1.0以上礦震總數(shù)的4%左右;絕大多數(shù)礦震小于1.0級,但這些礦震對城區(qū)安全也存在潛在威脅,需

9、要研究相應(yīng)的對策與開采的防治措施。3.3露天開挖對城市安全的影響具有90多年開采歷史的東、西露天礦坑(13.2km 2,露天開采和剝離在撫順南部形成三大舍場,即東舍場、西舍場、汪良舍場,占地面積達(dá)到28.19km 2,占城市建成區(qū)總面積的1/3。由于舍場大面積的矸石裸露,缺少綠色植被覆蓋,破壞了城市景觀形象,加劇了城市的熱島效應(yīng)及二次揚(yáng)塵,同時(shí)也破壞了城市生態(tài)環(huán)境,并影響到人民的生活質(zhì)量。幾年后西露天礦采場閉坑,由此將在市中心南側(cè)的沖積平地上,留下了一個(gè)面積12.3km 2,容積17.86億m 3,最大垂直深度480m 的亞洲第一人工大坑;搬不走填不滿,由此將給城市的安全帶來嚴(yán)重的隱患。4城市

10、未來建設(shè)與發(fā)展對策4.1采沉區(qū)與露天坑的環(huán)境治理開采沉陷區(qū)的產(chǎn)生,人為地破壞了相對穩(wěn)定的地表生態(tài)系統(tǒng)。沉陷后地層分布的變化又引起了地表水系與地下潛水層分布的改變;在地表形成季節(jié)性或長年積水區(qū),造成耕地面積減少,影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。同時(shí)沉陷變形還造成地面建筑、市政設(shè)施、道路、樹林發(fā)生嚴(yán)重破壞,使一部分農(nóng)民失去土地,增加社會不穩(wěn)定因素。目前這些區(qū)域需要進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)和合理的開發(fā)利用,并把這些區(qū)域建設(shè)成協(xié)調(diào)的城市生態(tài)系統(tǒng),使環(huán)境清潔優(yōu)美、人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展,生態(tài)良性循環(huán)的體系。4.2矸石山與排土場的復(fù)墾幾大煤礦的煤炭資源均已萎縮,預(yù)計(jì)將在2020年前全部關(guān)閉;廢棄的采場和矸石山占地面積近40km 2,占全

11、市建成區(qū)面積36%。而矸石山排放的廢氣和二次揚(yáng)塵污染大氣環(huán)境,矸石風(fēng)化排出的鹽類污染土壤和地下水,是城市生態(tài)治理的重點(diǎn)。矸石山的植被恢復(fù)可以綜合利用并舉,除營造用材林、經(jīng)濟(jì)林、環(huán)保林,發(fā)展農(nóng)、林、牧業(yè)生產(chǎn)外,還可以創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),大力發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)。國內(nèi)一些科研和生產(chǎn)單位經(jīng)過多年的努力,在該領(lǐng)域已初步建立了一種以農(nóng)、林復(fù)合為主的人工生態(tài)系統(tǒng),基本消除荒草地、礦區(qū)的水土流失和土壤侵蝕等危害。西露天礦大坑停采后,其生態(tài)恢復(fù)及綜合利用問題應(yīng)本著因地制宜,以改善和治理環(huán)境為中心,以建設(shè)礦山主體公園和林牧業(yè)及旅游業(yè)更具發(fā)展前景。001煤礦安全(Total 418問題探討礦區(qū)隔水邊界附近疏水降

12、壓效果分析劉欽,高進(jìn)遠(yuǎn),張琪,宋旭(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇徐州221008摘要:疏水降壓是礦區(qū)頂?shù)装宸乐嗡Φ挠行緩?。通過建立直線隔水邊界附近的疏水降壓模型,根據(jù)不同的疏降結(jié)果,對未來礦區(qū)的水害情況做了分析。最后介紹了含水層隔水邊界附近疏水降壓工程的特點(diǎn)和應(yīng)采取的工程措施。關(guān)鍵詞:礦區(qū);直線隔水邊界;疏水降壓;工程布置中圖分類號:T D745文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:1003-496X(200909-0101-030引言采礦過程中,為了避免地下水及流沙突然涌入巷道而造成危害,在條件適當(dāng)?shù)那疤嵯?一般都應(yīng)采取疏干降壓的技術(shù)措施。所謂疏水降壓是指通過疏水工程將含水層的水位降至預(yù)設(shè)的安

13、全標(biāo)高下,從而減輕或消除礦井含水層的水壓力,以保證礦井安全生產(chǎn)。疏水降壓用來調(diào)節(jié)流入礦井的水量動態(tài)特征,是預(yù)防礦井水害的主要技術(shù)措施1。在實(shí)際工程中,我們經(jīng)常會遇到預(yù)疏水的含水層存在隔水邊界條件。隔水邊界是指該界面兩側(cè)無水量交換,即q=0,如火成巖體或隔水?dāng)鄬?且充水含水層與泥巖、頁巖直接接觸等。在對隔水邊界條件的含水層進(jìn)行疏水降壓時(shí),由于疏干工程布置的不同,會對疏降結(jié)果有巨大的影響;并且有時(shí)會對礦區(qū)產(chǎn)生次影響。1邊界附近地下水的基本井流理論煤礦開采直接影響的地下水是煤系裂隙水,這是由以下原因造成的:其一,煤礦排水局部改變了地下水自然流場。其二,開采排水局部破壞了煤系含水層補(bǔ)、徑、排的關(guān)系2。

14、由于煤礦開采排水打破了地下水原有的天然平衡,致使含水層的降落漏斗不斷擴(kuò)大,又經(jīng)過疏水降壓工程的排水后,礦區(qū)含水層水流運(yùn)動處于非穩(wěn)定狀態(tài)。1.1定流量抽水時(shí)的Theis公式假設(shè):含水層均質(zhì)各向同性、等厚、側(cè)向無限延伸產(chǎn)狀水平;抽水前天然狀態(tài)下水力坡度為零;完整井流定流量抽水,井徑無限小;含水層無垂向補(bǔ)給和排泄;含水層水流服從Darcy定律;水頭下降引起的地下水的釋放時(shí)瞬時(shí)完成的。則可建立單井定流量承壓非穩(wěn)定井流數(shù)學(xué)模型:5結(jié)論撫順礦區(qū)是一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、開采煤層厚度大和煤層距地表深的礦區(qū);同時(shí)又由于城市與礦區(qū)嵌套在一起,從而造成了城市建設(shè)與煤炭資源開發(fā)之間產(chǎn)生尖銳的矛盾,主要問題表現(xiàn)在大型露天采場與排土場的影響、地下開采形成塌陷區(qū)、沖擊地壓與矸石山的影響,以及地質(zhì)構(gòu)造斷裂帶對城市安全的影響等。參考文獻(xiàn):1孫世國.特厚煤層綜放開采上覆巖體移動特點(diǎn)與破壞范圍的研究R.北京:北京科技大學(xué),2000.2孫世國.高陡軟巖邊坡智能匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)M.北京:科學(xué)出版社,2008.3孫世國.礦山復(fù)合開采邊坡巖體變形規(guī)律M.北京:地震出版社,2000.4孫世國.露天邊坡與山體邊坡復(fù)合