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矿山地质环境基本知识
2013-10-25
矿山地质环境基本知识。
矿山环境学 第一节 矿山地面沉陷、坍陷 ( 一)岩层移动的有关概念 煤层采出后,采空区周围原有的应力平衡状态受到破坏,引起应力的重新分布,从而引起岩层 的变形、破坏与移动,并由下向上发展至地表引起地表的移动,这一过程和现象称为岩层移动,又 称为开采沉陷。 有关研究提供了图 2—132 所示的岩层移动边界图象。这种图形认为,在断裂面上任意一点 C 所处的应力状态均为极限状态,即如图 2—133所示的状态。滑移面即为岩层移动的边界。由煤层开 采后形成的采空区大多数为长方形,而关键层的破坏因长方形的角效应影响而呈椭圆形,因而岩层 与地表移动盆地均为椭圆形,且比采空区面积要大,该剖面图明确表示出采空区顶边界 3—4地面变 形和岩层移动侧向边界 1—2,与采空区三带(冒落、裂隙、弯曲)分布联系在一起,即形成采空区 顶板移动完整的概念模型。 图 2—132 岩层移动图象 1 —滑移面;2—断裂面;3—拉伸变形;4—压缩变形;α—断裂角;β—滑移角 下面以地表移动为例,介绍几个有关岩层移动的基本概念。 .充分采动与非充分采动 1 当采空区尺寸(长度和宽度)相当大时,地表最大下沉值达到 该地质条件下应有的最大值,此时的采动称为充分采动。此后采空 区尺寸再继续扩大时,地表的影响范围相应扩大,但地表最大下沉 值不再增加,地表移动盆地将出现平底“盘状”。将刚达到充分采动 状态的采空区尺寸称为临界开采尺寸。如果采空区尺寸小于临界开 图 2—133 采尺寸,称为非充分采动。此时,下沉盆地呈尖底“碗状”。随着开采尺寸增加,地表下沉值还将继 续增大。 2 .移动与变形 岩层与地表移动会导致其产生沿竖直方向和水平方向的位移,前者称为下沉(W)。后者称为水 平移动(u)。由图 2—134可见,由于地表相形分为倾斜、曲率、邻点的下沉和水平移动量是不相等 的,这表明点与点之间有相对的移动,从而引起地表变形。地表变水平变形(拉伸和压缩),它们分 别由下沉和水平移动导出。 ( 1)倾斜变形(i)。这是指相邻点在竖直方向的相对移动与两相邻点间水平距离的比值。它反 映盆地沿某一方向的坡度。在图 2—134中以 3、4点为例,示于图—135中。 = w4 − w3 = ∆w i 3-4 (mm/m) L − L 3 4 倾斜变形会使地表移动盆地内的建筑物歪斜,特别是对底面积小而高度很大的建筑物影响较严 重。 图 2—134 图 2—135 (2)曲率变形(K)。这是指相邻线段的倾斜差与两线段中点间的水平距离的比值。它反映观测 线断面上的弯曲程度。曲率有正、负之分,下沉曲线上凸为正,下凹为负。下沉曲线的凹凸分界点 称为拐点。 2 (mm/m) k= ∆i / L 曲率又常以曲率半径ρ表示,即 p=1/k 曲率变形引起建筑物上附加应力增大,一般是随曲率半径减小,建筑物长度增大,建筑 物产生的破坏也加大。 ( 3)水平变形(ε)。这是指两相邻点的水平移动差值与两点间水平距离的比值。它反映相邻 两点间单位长度的拉伸(正)或压缩(负)值。 = u4 − u3 = ∆u ε 3-4 (mm/m) L − L 3 4 水平变形是引起建筑物破坏的重要因素。特别是砖木结构的建筑物,抗拉伸变形的能力 很小,所以它在受到拉伸变形后,往往先在建筑物的薄弱部位(如门窗上方)出现裂缝。 3 .岩层移动角 地表下沉边界(常以 10 mm 点划定)和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为岩层 移动角。当有表土层存在时,应从地表移动边界用松散层移动角φ划线和基岩与表土层交接面相交, 以交点至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为岩层移动角。根据不同断面,移动角分 为:走向移动角δ;下山移动角β;上山移动角γ。各岩层移动角含义参见图 2—136。掌握具体条 件下岩层移动角参数,对岩层移动范围的预测和各种保护煤柱(如工厂保护煤柱、井下巷道岩移保 护煤柱)的合理留设具有重要的意义。 图 2—136 岩层移动角示意图 ( 二)岩层移动的基本规律 1 .采场覆岩移动破坏的分带 大量的观测表明,采用全部垮落法管理采空区情况下,根据采空区覆岩移动破坏程度可以分为 “ 三带”,即垮落带、裂缝带和弯曲带(或整体移动带),如图 2—137(a)所示。图 2—137为不同 覆岩条件下,覆岩破坏高度的实测结果。 图 2-137 实际测得的不同类型覆岩开采后的破坏情况 1 ——垮落带;2——裂缝带 (a)覆岩为软岩层;(b)覆岩为中硬岩层;(c)覆岩为坚硬岩层 ( 1)垮落带。破断后的岩块呈不规则垮落,排列也极不整齐,松散系数比较大,一般可达 1.3~ .5。但经重新压实后,碎胀系数可降到 1.03 左右。此区域与所开采的煤层相毗连,很多情况下是 由于直接顶岩层冒落后形成的。 2)裂缝带。岩层破断后,岩块仍然排列整齐的区域即为裂缝带。它位于冒落带之上,由于排 1 ( 列比较整齐,因此碎胀系数较小。关键层破断块体有可能形成图 2—137(c)所示的“砌体梁”结 构。垮落带与裂缝带合称“两带”,又称为“导水裂缝带”,意指上覆岩层含水层位于“两带”范围 内,将会导致岩体水通过岩体破断裂缝流入采空区和采煤工作面。“两带”高度和岩性及煤层采高有 关,覆岩岩性越坚硬,“两带”高度越大。一般情况下,对于软弱岩层,其“两带”高度为采高的 9~ 1 2倍,中硬岩层为 12~18倍,坚硬岩层为 18~28倍。准确地确定“两带”高度,对解决水体下采 煤问题及下解放层开采瓦斯突出煤层有特别重要的意义。 (3)弯曲带。自裂缝带顶界到地表的所有岩层称为弯曲带。弯曲带内岩层移动的显著特点是, 岩层移动过程的连续和整体性,即裂缝带顶界以上至地表的岩层移动是成层地、整体性地发生的, 在垂直剖面上,其上下各部分的下沉差值很小。若存在厚硬的关键层,则可能在弯曲带内出现离层 区。 ( 三)关键层运动队岩层移动的影响 图 2—141为岩层移动过程的实验结果。其中,曲线 1为距煤层 30 m的一层关键层距开眼 90 m 处下沉量和下沉速度与工作面相对位置的关系曲线。曲线 2为该层关键层上方 82m处对应点下沉量 和下沉速度与工作面相对位置的关系曲线。由图 2 —141可见,关键层与其上方 82 m处岩层几乎 同步运动,采过测点 105 m之前,关键层与上覆 2m处岩层下沉速度都较小;采过测点 105m后, 8 关键层破断急剧下沉,并导致其上覆 82 m 岩层 同步下沉。 实验与实测证明,岩层移动由下向上成组运 动,岩层移动的动态过程受控于覆岩关键层的破 断运动。当第一为亚关键层(老顶岩层)时,它 所控制的上覆岩层组与之同步破断运动,如此往上发展直至覆岩主关键层。主关键层的破断导致上 覆所有岩层直至地表的同步破断下沉。 关键层理论的进一步研究还表明,覆岩层关键层不仅对地表动态下沉过程起控制作用,还对地 表移动曲线特性产生影响,地表下沉是关键层与表土层耦合作用的结果。一方面,关键层破断块度 越大,其对地表下沉曲线特征的影响越显著,相应地表下沉曲线的非正态分布特征越显著。另一方 面,表土层起着消化关键层非均匀下沉的作用,表土层越薄,地表下沉的非均匀、非正态特征越显 著,反之亦然。当关键层破断块度较小或表土层厚度足够大时,关键层对地表下沉的影响已很小。 因此,对于表土层较薄或覆岩中有很厚、很硬的关键层(即其破断块度很大)的条件,地表下沉的 预计必须考虑表土层与关键层的耦合关系,充分考虑关键层破断对地表下沉曲线特征的影响。 ( 四)岩层移动中的离层与裂隙分布 煤层开采后将引起上覆岩层的移动与破断,从而在覆岩中形成采动裂隙。覆岩采动裂隙场分布 与水体下采煤、卸压瓦斯抽放及覆岩离层区充填减沉等工程问题密切相关。 煤层开采后在上覆岩层中形成两类裂隙:一类为离层裂隙,是随岩层下沉在层与层之间出现的 沿层面裂隙,它使煤层产生膨胀变形而使瓦斯卸压,并使卸压瓦斯沿离层裂隙涌出,它沟通了上、 下岩层间瓦斯及水的通道。 基于关键层理论,采用理论分析、物理与数值模拟实验、实测及图像分析等方法对岩层移动中 的裂隙分布规律进行深入研究,其主要成果归纳如下: ( 1)关键层运动对离层及裂隙的产生、发展与时空分布起控制作用。覆岩离层主要出现在关键 层下。 ( 2)沿工作面推进方向,关键层下离层动态分布呈现两阶段发展规律:关键层初次破断前,随 着工作面推进,离层量不断增大,最大离层位于采 空区中部。关键层初次破断后,关键层在采空区中 部趋于压实,而在采空区两侧仍各自保持一个离层 区。工作面侧的离层区是随着工作面开采而不断前 移的,其最大宽度及高度仅为关键层初次破断前的 1 / 3左右(见图 2—142、图 2—143)。从平面看,在 采空区四周存在图2—144所示的一沿层面横向连通 的离层发育区,称之为采动裂隙“O”形圈。关键层 下的离层量可由“砌体梁”位移拟合方程来计算。 ( 3)沿顶板高度方向,随工作面推进离层呈跳 跃式由下往上发展。首先,第Ⅰ亚关键层下出现离 层,当其破断后其下离层呈“O”形圈分布;此时, 上部第Ⅱ亚关键层下出现离层,当其破断后其下层 呈“O”形圈分布;如此发展直到主关键层。 图 2—142、图 2—143、图 2—144 ( 4)贯通的竖向裂隙是水与瓦斯涌入工作面的通道,故也称其为“导水、导气”裂隙。“导水、 导气”裂隙仅在覆岩一定高度范围内发育,其最大发育高度与采高和岩性有关。对“导气”裂隙发 育动态过程的研究表明,在开采初期,下位关键层的破断运动对“导气”裂隙从下向上发展的动态 过程起控制作用,“导气”裂隙高度由下向上发展是非均速的,随关键层的破断而突变。当采空区面 积达一定值后,“导气”裂隙的分布也同样呈“O”形圈特征,它是正常回采期间邻近层卸压瓦斯流 向采空区的主要通道。 上述研究成果对指导覆岩离层注浆减沉与卸压瓦斯抽放具有重要意义。 第四节 矿山坍陷研究 CP煤田中急倾斜浅部厚煤层开采及山区内中生代(J—K)倾斜巨厚煤层开采地面常形成坍陷坑、 大型山体裂缝及坍陷盆地,厚煤层条带式开采,地面形成条带状坍陷带。 无充填开采金属矿床,由于采空区冒顶及裂隙带发育到地面则形成坍陷坑及坍陷盆地。矿山地 面沉陷地与坍陷盆地形成机理方面有相同之处也有不同之处,但从危害性来看则存在极大差别和不 同之处。再从地质环境恢复和重建方面亦有更大差别。 采空区内岩层移动及控制技术方面,本章 1-2 节已作过论述,本节重点介绍,采空区坍陷特点 及危害性。 1 .金属矿山坍陷特点 ( 1)地面坍陷规模及分布与采空区分布规模相关,且大于采空区分布面积,地面坍陷分布方向 与开采矿体走向相一致,坍陷规模与矿层厚度、宽度相关。矿体产状及埋深决定地面坍陷坑展体及 规模。 ( 2)地面坍陷程度,决定围岩岩性、构造及结构面特征,不稳定结构面是控制地面坍陷展布方 向和规模。 ( 3)采矿方法对地面坍陷影响最重要,“空场法开采”与“留防坍矿柱开采”和“充填开采” 对采空区岩层移动起着直接控制作用。 2 .硬岩与急倾斜煤层开采地面坍陷特点 ( ( ( ( 1)地面坍陷带沿煤层走向分布,坍陷带宽度与可采煤层总厚有关; 2)坍陷深度与采深相关; 3)坍陷角与采空区面积和顶板岩层、岩性、产状有关; 4)急倾斜厚煤层开采,煤层顶板和底板都发生坍陷,地面以坍洞、坍陷坑、坍陷带、高地形 竖硬覆岩区地面形成宽大地面裂缝带,宽达数米以上,个别达十来米以上。 ( 四)矿山坍陷例案简述 案例 1:河北邯邢铁矿西石门铁矿 该矿分布河北邯邢铁矿田西部,武安县西石门村,由岩体托底,四处受岩体包围矽卡岩型铁矿, NE、NW 及 NE 方向有进口与矿区外围地下水相联系,近封闭岩溶水块段,地面处于低山丘陵区,马 会河通过矿区中部,铁矿储量达 1亿吨。顶板岩层为中奥陶厚层灰岩。 由于该矿,主要矿体分布矿区北部、中部和南部,各级矿体埋藏深度(顶板)不同,矿体厚度 不同,造成北、中、南 3个坍陷区 7个坍陷坑。全区已形成地面塌陷的范围面积见表 2—116。 表 2—116 主要地面塌陷灾害综合数据统计表 3 体积(m) 编号 面积(㎡) 深度(m) 矿山分段 北矿区 中矿 1 2 3 4 5 6 7 40 750 12 750 65 500 50 500 7 250 20~40(30) 1 222 500 5~10(8) 102 000 40~60(50) 3 275 000 30~40(35) 1 767 500 8~12(10) 5~10(8) 6~8(7) 72 500 南矿区 合计 2 000 16 000 2 250 15 750 181 000 6 471 250 与塌陷伴生的地裂缝。在前述北、中、南 3 个地面塌陷灾害区的外围,都有不规则的环状潜在 的塌陷区。这里发育着形形色色的地裂缝。但是它们分布、形态具有一定的规律。 ( 1)靠近塌陷区外沿的地裂缝,不仅规模(长、宽、深)大,而且密度高。最严重地段宽不过 m的范围,竟可见 3~4条宽 10~50cm的地裂缝,深度也很大。 2)地裂缝的走向呈缓变的弧形,与地面中心塌陷坑的外缘大致平行而且随着远离塌陷坑的距 5 ( 离,地裂缝的密度减小。一般 5~10m之内可看到一条,而且长度、宽度不大。 (3)地裂缝的具体形态,大致分两种,一种是张力的作用,形成开放型地裂缝。一般在地表看 到的是不规则的折线形式延展。宽度可以达 0.5m~1.0m,深度较大,肉眼看不到裂缝底端。另一种 受张力与下滑力的双重作用,形成小断层式的梯级地裂缝,该类地裂缝在南区西南部较为典型,宽 度 0.3m~0.5m不等。 全区已形成的地裂缝发育区的面积和规模(见表 2—117) 表 2—117 地裂缝灾害综合数据统计表 矿区分段 编号 面积(㎡) 417 500 宽度(m) 长度(m) 北矿区 中矿区 南矿区 合计 (一) 0.3~1.0 0.5~1.0 0.~10 100~200 50~100 200~300 (二) (三) 330 250 372 750 1 120 500 案例 2:南阳市大河铜矿地面坍陷 .自然地理 1)地理位置 1 ( 大河铜矿位于南阳市 桐柏县城北西约 28km 的 大河镇刘山岩村,地理坐 标为东经 113°8´42"~ 1 13°20´,北纬 32°31´ 4"~32°32´20",桐柏 — 0 安棚公路从矿区穿过(图 —158)。 2 ( 2)气象 大河铜矿一带属亚热 带季风型大陆性半湿润气 候,兼有亚热带和暖温带 气候的一般特征。气候特征为四季分明,温暖湿润;春季风水充沛,春暖咋寒;夏季炎热,易涝易 旱;秋季雨水适中,凉爽宜人;冬季少雨多晴,严寒期较短。据桐柏县气象站资料,多年平均气温 1 4.9℃,极端最高气温 41.1℃(1959.8.23),极端最低气温-20.3℃(1969.1.31);多年平均降 水量 1 158mm,年最大降水量 1 636.5mm(1956),年最小降水量 628.9mm(1966)。一昼夜最大降水 量 267.6mm,7、8、9三个月降水量 555.8mm,占全年降水量的 48%。多年平均 7月降水量 213.8mm, 占全年降水量的 18.5%。治理工程施工期宜避开夏季多雨期,选择在春季和冬秋季最为有利。 ( 3)水文 2 刘山岩河为长江水系,自北而南流经矿区,汇入二郎山水库。矿区以上汇流面积 1.89km。该河 3 3 为一常年性河流,基流量小于 0.1m/s,遇暴雨时,流量陡涨陡落,达 16~18m/s,因河床比降较 大,泄流快,一般数小时—数天后流量就渐趋于正常。 (4)地貌 大河铜矿地处丘陵区(图 2—159),根据地貌的成因形态类型,可以划分为剥蚀丘陵和河谷坡 洪积平原两种类型。 图 2—159 剥蚀丘陵:最高海拔 325.7m,最低海拔 210m,相对高差 115.7m。山顶呈馒头状,山坡坡度 15° ~ 35°,在下刘山岩一带河谷东侧山坡由于采石形成 227m和 253m两级平台,西侧由于废石堆放形 成 246m一级平台。矿山生产区、办公区、生活区主要位于 3lO高地南侧山坡。 河谷坡洪积平原:主要为刘山岩河谷,河谷呈“U”状,宽 25~50m,河槽宽 5~15m,河谷局部 发育宽 lO~30m的阶地,被开垦为耕地。最低侵蚀基准面位于二郎山水库,标高 180m左右。 2 .矿山地质条件 大河铜矿位于秦岭东西向复杂构造带的东段南支,桐柏-商城大断裂的北西端。地层属华北地层 豫西分区桐柏小区。出露及揭露的地层主要有下元古界寒武系中统刘山岩组、新生界第四系上更新 统坡洪积层、全新统冲洪积层及人工堆积层(图 2—160)。简述如下: 图 2—160 下古生界寒武系上统刘山岩组:矿区山体的主要组成岩体,广布于矿区,为一套变质火山岩系。 岩性以变质凝灰岩、石英角斑千糜岩、细碧岩为主,倾向 NNE,倾角 81°,节理不发育。 新生界第四系上更新统坡洪积层:分布于刘山岩河河谷两侧,构成刘山岩河谷一级阶地,岩性 为亚砂土、亚粘土、泥质砂砾石,被开垦成耕地,为山区居民的主要口粮田。 新生界第四系全新统冲洪积层:分布于刘山岩河河谷,岩性为砂砾石、砂、亚砂土。 人工堆积物:分布于桐安公路路旁、246m平台、岗冲北沟、黑风沟等地。其中桐安公路路旁和 2 46m平台处为修路、平整场地废渣,颗粒较大,大小混杂。岗冲北沟和黑风沟为大河铜矿的尾矿库, 主要为尾矿浆经缓慢沉积的细小颗粒。 大河铜矿矿区构造表现为一倾向北北东的一系列北西西走向断层及北西、北东向两组斜交断层 所构成宽大的挤压破碎带,破碎带宽达 150m,自北而南,形成 9~10号、8号和 12号 3个大致平行 的浸染型铜锌矿化带,矿脉走向与区域构造走向一致,矿脉最长 1000m,最短 650m,其中 8号矿脉 长 810m,宽 l~8.8m;12号矿脉长 1000m,宽 1~20.1m,二者均为埋藏型矿体。9、10矿脉分别长 6 42m、960m,宽 0.2~8.8m、O.5~11.70m,二者近地表富矿部分被前人采空,前人最大采空深度已 达最低侵蚀基准面以下 20m,一般开采深度 10~35m,加上建矿初期 180m、220m两个采用留矿法开 3 采留下的采空区,大河铜矿现采空区体积达 20余万 m。采空区的存在为矿区地面塌陷的发生创造了 基础条件。 根据《中国地震动参数区划图》GBl8306—2001,大河铜矿一带地震动峰值加速度为 0.05,相 应地震基本烈度处于Ⅵ度区。 3 矿区地下水类型为单一的基岩裂隙水,单井出水量 0.65m/h。区域上裂隙水无统一连续的地下 水水面,平面上及剖面上均无水力联系或水力联系微弱。 老窿水主要分布在刘山岩河两侧的 1l~22勘探线之间,9~10号矿脉矿石富集地段,最低深 35m。 标高 195~198m 为古采空区,现代采空区与古采空区局部透位,致使古采空区物质流失为矿区地面 塌陷的主要诱因。 矿区矿脉项板岩性为绿泥片岩,底板为细碧岩,岩层陡直,裂隙发育,沿矿脉巷道边壁跨塌及 冒顶时有发生,岩层稳定性较差。 3.矿山主要环境问题 经过 30余年的开采,矿山开采对矿区的地质环境造成了一定的破坏,目前,大河铜矿存在的环 境地质问题主要为采空区地面塌陷、尾矿库坝坡失稳、矿区生态环境破坏等。 (1)地面塌陷 大河铜矿地面塌陷初见于 1997年,高发于 2001年。塌陷区西起银洞岭,向东越刘山岩河,止 于 299.51高地西侧,塌陷区总长 480m,宽 10~15m。塌陷坑、塌陷裂缝主要沿 L9、Ll0矿脉呈东西 向条带状展布,各塌陷坑、塌陷裂缝特征见表 2—118。 L9矿脉于 16线东西尖灭,分成东西两段,沿 L9矿脉塌陷坑分布于 16线以西及 18线以东区域, 其中 16线以西发育 7个塌陷坑,呈不规则椭圆状,单个塌陷坑最大长轴长 20m,短轴 长 10m,深 10m。 位于矿炸药库南侧塌陷坑 2001 年发生后即被填平,2002 年 5 月在原址再次发生塌陷,塌陷坑底可 见古采巷道,宽约 1.5 m。18线以东发育 4个塌陷坑,最大长轴东西向长 18.0m,南北向宽 10m。 Ll0矿脉位于 L9矿脉南侧 7~30m,连续分布于整个塌陷区。沿此脉刘山岩河以西山坡上发育有 1 个塌陷坑和 l条长约 40m的塌陷裂缝;以东山坡上发育有 3个塌陷坑,最大长轴东西向长 10.0m, 南北向宽 10m。 表 2—118 塌陷坑、塌陷裂缝特征表 长(m) 宽(m) 深(m) 编 号 位 置 备 注 N:32°33´6.9" E:113°18´46.4" 1号东 10m 发生于 2001年 4月 1 18 7.0 7.0 3.0 3.0 5.0 2 3 4 5 8.7 发生于 2001年 4月 4号塌陷坑在 3号塌陷坑东 1m处 1 号南 8m 24.0 10.0 公路东侧 2001年 4月发生,已填 发生于 1997年 N:32°33´7.3" E:113°18´49.0" N:32°33´6.5" E:113°18´49.8" 7号西 15m 6 10.0 10.0 10.0 1.0 6.0 发生于 1997年 7 8 9 1 1 4.0 1.5 3.0 3.0 发生于 1997年 N:32°33´6.9" E:113°18´40.0" 南北两侧裂缝明显 0 9号西 18m 两个合为一体,已填 2 001 年发生已填,2002 年又发 1 10号西 5m 10.0 10.0 10.0 生塌陷 N:32°33´8.5" E:113°18´38.3" 3 12号南 2m N:32°33´8.8" E:113°18´37.3" 2001 年发生已填,2002 年又发 1 1 1 2 3.0 5.0 9.0 2.0 2.5 5.0 3.0 5.0 4.0 生塌陷 4 1 1 5 14号西 1m 14.0 6.0 20.0 6.0 10.0 10.0 6 15号西北侧 大河铜矿塌陷坑、塌陷裂缝初发生于 1997年,以后每年均有发生、发展,其直接原因为地下有 3 古采老窿和 180m、220m中端采用留矿法开采留下的 20余万 m 的采空区,埋深较浅。诱发原因为大 河铜矿处于末期生产,东平巷竖井在 180m、220m中端柱采、残采,致使现代采空区与古采老窿局部 透位,古采老窿内物质流失,破坏了岩体原有的力学平衡,上伏岩层失去支撑,在重力作用下向下 陷落而发生地面塌陷。地面塌陷对塌陷区及附近下刘山岩村约 80 人的生命财产、20 余亩坡耕地、 桐-安公路的安全构成威胁,特别是 16—18 线间有刘山岩河横穿塌陷区,塌陷一旦扩展到该地段, 刘山岩河河水将顺塌陷坑直接灌入生产巷道,对矿山井下 120余人及 8 00O余万元的固定资产构成 严重威胁,同时将造成整个矿区生产陷入瘫痪,给本已处在困难中的矿山增加负担,雪上加霜,造 成矿山职工思想的不稳定,由此造成的社会及经济损失巨大。 矿山地面坍陷危害:①坍陷矿是洪水溃入矿井的通道,但因坍陷矿多为山坡处对矿生产威协只 是局部,暂时影响;②坍陷带常影响交通,村庄安全;③坍陷矿是地表极不稳定地带,对乡镇建筑 业发展影响较大。 第六节 采空区岩层移动控制技术 岩层移动控制技术可分为 3 类:①留设煤柱控制岩层移动;②充填法控制岩层移动;③调整开 采工艺及参数控制岩层移动,如限厚开采、协调开采、上行开采等。下面着重就①与②进行介绍。 ( 一)留煤柱控制岩层移动 1.部分开采 部分开采包括条带开采和房柱式开采。 条带开采法是沿煤层的走向或倾向,将开采区划分为若干个宽度相等或不相等的条带,开采一 条,保留一条,利用留下的条带煤柱支撑顶板,以达到减小地表沉陷的目的。条带开采法按其条带 长轴的方向,可划分为走向条带开采和倾向条带开采(见图 2—180)。 图 2-180 条画开采的类型 (a)走向条带;(b)倾向条带; 条带开采成功的关键在于合理设计条带a—采—宽保留b条与带宽留度宽;ab—,—采确出保条带覆宽岩度主关键层和留设煤柱的稳定 性。 2.留设保护煤柱 有时采用留设保护煤柱的方法来避免开采后岩层移动影响地面重要建(构)筑物,使得井下开采 后岩层移动影响边界达不到地面要保护的建(构)筑物。保护煤柱留设主要根据具体矿井条件下,岩 层移动角参数来进行设计。 水体下采煤必须在煤层与水体之间留设一定高度的起隔水作用的煤层和岩层,通称为防水煤岩 柱。留设防水煤岩柱的目的,是不允许导水断裂带波及到水体。 ( 二)充填法控制岩层移动 .采空区充填 1 充填法开采就是用充填材料来充填已采空间,这相当于减小了煤层开采厚度,从而减少采空区 上覆岩层的变形与破坏。按照充填材料和输送方式的不同,可将矿山充填分为以下 3种类型: (1)水力充填 以水为输送介质,利用自然压头和泵压,从制备站沿管道或与管道相连的钻孔,将河砂等水力 充填材料输送到采空区。充填时,使充填体脱水,并将水排出。砂浆在管道中流动的阻力,靠砂浆 柱自然压头或砂浆泵产生管道输送压力去克服。选择输送管道直径时,需要先按充填能力、砂浆浓 度和最大粒径算出砂浆的临界流速和水力坡度等。 我国是世界上使用水力充填最早的国家之一。札赉诺尔(1901年)、抚顺矿区(1912年)即采用水 力充填开采特厚煤层。1925 年,抚顺矿使用了开采特厚煤层的“V”型长壁上行充填采煤法。20 世 纪 50年代初期,阜新、辽源等矿区又应用了走向长壁上行充填采煤法。新汶等矿区使用水力充填处 理采空区,成功地解决了河下采煤问题。 ( 2)干式充填 采用人力、重力、机械式风力等方式将砂石等干式充填材料运送到待充填采空区,形成可压缩 的松散充填体。 风力充填技术是在 20世纪初开始用于煤矿生产的。目前,俄、英、法、波等国,特别是德国广 泛应用风力充填技术。风力充填除具有一般充填方法所共有的减少地表下沉、有利于巷道维护、改 善井下通风条件等优点外,还可有效地处理矿井和选煤厂的矸石,以及减少矸石山的占地面积和引 起的污染。 与水力充填相比,风力充填的特点是:①系统简单,灵活方便,适应性强。它可以在相当广泛 的地质条件下用于不同的采煤方法,既可以全部充填,也可局部充填,尤其适用于缺水或近水平煤 层根本无法进行水力充填的地区。②无排水、清煤泥等困难工序,简化了巷道系统。③易于实行采 充平行作业,保证工作面高产高效。④可以利用洗煤厂尾矿矸石。 风力充填存在的主要问题是:①要增设一整套独立的充填系统,设备多、投资大、技术复杂, 管理工作量大,增加了成本。在德国,充填费用大致占商品煤生产费用的 10%~15%左右。②充填 密实程度不如水力充填,沉缩率偏大,地表下沉仍很显著。③充填时工作环境粉尘大,管路磨损严 重。 (3)胶结充填 将采集和加工的细砂等充填材料掺入适量的胶凝材料(如水泥),加水混合搅拌制备成胶结充填 料浆,沿钻孔、管道向采空区输送,充填材料胶结后形成具有一定强度和完整性的充填体。胶结充 填技术经历了低浓度胶结充填、高浓度胶结充填、膏体充填的发展阶段。膏体泵送充填的特点是料 浆浓度大,其重量浓度可达 75%~85%,呈牙膏状,充填到采空区后不泌水,改善了井下作业环境。 从理论上来说,充填采矿是实现煤矿“绿色开采”的理想途径,但由于目前充填采矿的成本相 对偏高,限制了该项技术在煤矿的试验与应用。 2.覆岩离层区充填 覆岩离层区充填减沉的基本原理是利用岩移过程中覆岩内形成的离层空洞,从钻孔向离层空洞 充填外来材料来支撑覆岩,从而减缓覆岩移动往地表的传播。覆岩离层区充填与采空区充填的不同 在于其充填区不在采空区而在上部岩层,充填工作不会干扰井下工作面的生产。前苏联在 20 世纪 7 0 年代末至 80 年代初进行了离层区充填减缓地表下沉的现场试验。波兰学者曾就离层区充填减缓 地表下沉的减沉效果做过研究。自 80年代后期抚顺矿务局在我国首次采用离层区充填减缓地表下沉 的试验取得成功之后,此项技术引起了我国从事开采沉陷及“三下”采煤的专家和工程技术人员的 重视,先后在大屯徐庄煤矿、新汶华丰煤矿、兖州东滩煤矿等进行了离层区充填减缓地表沉降现场 试验。 关键层理论对此项技术的基本认识可归纳如下: ( 1)关键层理论研究认为确定具体矿井覆岩中的关键层位置,掌握其下沉破断及离层特征参数, 是离层区充填减沉技术应用可行性分析、钻孔布置设计及减沉效果评价的基础。 ( 2)离层区充填减沉技术是有其适用条件的,要取得好的注浆减沉效果,覆岩中必须存在典型 的关键层,并能形成较长的离层区。当覆岩中无典型关键层或关键层间复合破断时,覆岩离层不发 育,离层注浆减沉技术是不适用的。此外,如果覆岩的主关键层因邻近开采煤层而处于裂隙带内或 冒落带内,则此种采矿地质也不适于采用离层区充填减沉技术。 (3)合理布置注浆钻孔是离层区充填减沉技术成功应用的关键技术之一。钻孔位置及最佳的注 浆减沉效果可以保证关键层始终不发生初次破断。长壁开采覆岩内离层主要出现在关键层下,注浆 钻孔的注浆层位应选择在关键层下,主关键层下部将是离层区充填的最佳层位。而亚关键层下部也 能形成较为明显的离层区,在其下部注浆既能起到保护主关键层的作用,又能起到地表减沉的效果。 有关关键层初次破断前后离层分布规律是指导注浆钻孔布置的依据。 ( 4)注浆工艺的优化是离层区充填减沉技术成功应用的另一关键技术。该技术主要包括注浆材 料选择、合理注浆压力、注浆孔孔径与单孔最大注浆能力的选择等。好的注浆材料应既保证其流动 性又有一定的支承能力。目前的注浆材料中水的比重过大,随着煤层的不断开采和时间的推移,注 浆材料中的水将流动和析出,不能对关键层进行有效的支承。研制新的注浆材料将是离层区充填减 沉技术进一步发展的重点。 为了防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响,取得最佳的经济效益和社会效 益。“绿色开采技术”包括水资源保护、土地与建筑物保护、瓦斯抽放、减少矸石排放和地下气化技 术,关键层理论是“绿色开采技术”的理论基础。本章提出关键层的概念,关键层的主要牲和关键 层位置的判别方法。在分析上覆岩层移动基本规律的基础上,突出分析研究关键层运动对岩层移动 的影响及关键层运动引起上覆岩层的离层和形成的裂隙分布状态:同时应用关键层理论分析采场底 板破坏形式,论述了采场底板破坏与突水机理。最后详细介绍留设矿柱控制岩层移动技术和充填法 控制岩层移动技术。 第四节 矿山边坡稳定性评价 工程边坡稳定性评价,在水电工程、铁道工程、矿山露天开采工程中得以迅速发展。稳定性评 价为边坡的整治提供科学的依据。评价的基本方法分为定性评价与定量评价两种。将经常应用或引 起有关研究者广泛研究和关注内地岩体稳定性评价方法列于表 2—124。 表 2—124 目前常用边坡稳定分析方法一览表 常规方法 极限平衡分析法 动态分析方法 有限单元法 应力应变分析方法 散体元法 1 .定量分析方法 概率分析法 快速拉格朗日分析法 不连续变形分析法 遗传进化算法 人工神经网络评价法 范例推理评价法 专家系统 2 3 .定性分析方法 模糊综合评价法 可靠度评价方法 灰色系统评价法 .系统理论分析方法 向量图解法 4 .图解分析法 赤平投影及实体比例投影法 图表分析法 ( 一)定性评价方法 定性评价主要是通过综合考虑各种影响边坡稳定性的因素,并根据变形的时间效应规律,判断 边坡的稳定状况和发展趋势。这一方法已为国内外工程地质人员所熟悉和广泛采用。定性评价按照 所依据的资料不同又可分历史分析法与工程地质类比法两种。历史分析法就是对边坡发育史进行分 析,从它的形成历史来判断现在的稳定状况和预测未来的变化。工程地质类比法是在分析了影响边 坡稳定的诸因素基础上,类比条件相类似的其它边坡,来评价本边坡的稳定状况和预测其发展趋势。 ( 二)定量评价方法 定量评价是在定性分析基础上,通过数值计算或图解方法赋予边坡稳定性以量的概念。 目前 定量评价方法中使用最广泛的仍是极限平衡分析法。图解法也较大量使用,近代发展的随机评价方 法和系统工程分析法、优势面法和神经网络评价法也受到普遍的关注。岩体边坡稳定性动态数字化 量化分析方法,是综合地应用了地质力学和岩体工程地质力学规律和实体比例投影方法,将传统的 对边坡稳定评价的极限平衡理论发展为优势结构体理论动态地评价边坡稳定性的方法。仅就比较常 用的岩体边坡稳定性定量概述如下: 1.极限平衡法 传统的极限平衡分析法已在国内外广泛的使用。这一方法的基本假定是把岩体视为刚性体,本 身不产生变形,但可传递应力。因此,只研究滑动面的受力大小而不必研究滑体内部的应力状态, 此外除将边界条件大大简化外,一般将三向课题简化为平面课题,遵循库伦定律判别准则。 最简单的直线滑动时可直接算出 K c 值外,通常采用试算法进行试算。最常用的方法是分块推力 传递法(或等 K值法),由于这一方法是在一个假定状态下求出的 K 力,不能求出失稳前真实的反力和内力,所以仍是一种近似的解。 极限平衡分析法是通过计算出的 K 值来评价边坡的稳定性。K c 值及相应的剪切面反力和某些内 c c 一般被定义为:“沿某一滑面上所 能提供的抗滑(剪)力与沿该面上实际下滑力之比值”。K c >l,意味着边坡稳定;K<1,则可能失 c 稳;而 K=1,说明边坡稳定性已处于极限状态。因此,K c c 值只是一个具有物理意义的系数;稳定性 的判断是以边坡的破坏强度为依据,并不反映出不同工程对边坡稳定性的不同要求。 尽管极限平衡分析法存在上述问题,但只要透彻了解它的基本原理,谨慎选用参数和计算公式, 仍能提供较合理的解答。因此,对于大多数的稳定性分析,它仍是我国不同的工程部门目前在有关 规范上广泛采用评价方法。 2 .应力应变分析法 平衡分析法刚体的假定在多数情况下与实际并不相符。此外所有的滑动面都是连贯的面,边坡 的破坏更非单一的滑动,在一些情况下以渐进破坏的形式出现,对于蠕动、渐进破坏弯曲——倾倒 和弯曲——溃曲的变形破坏形式,以计算机快速计算为手段的应力应变方法,从结构分析被引进于 边坡稳定性分析,已取得了较好的效果。 应力应变分析使用最广的是有限元法有限元法。有限元法的基本原理是将一个连续体散化,变 换成为有限数量的、大小不同的单元体集合单元体之间通过结点来连接和制约,且共同承受外部荷 载与内力,然后就每个结点建立平衡方程,并变换为以结点位移为未知数与结点力的关系方程,求 出结点位移并根据位移计算单元应力。最后,根据各单元的已知力学强度参数进行强度判别,从而 评价边坡岩体的稳定性。 应当指出,有限元计算成果是否符合边坡的客观实际,取决于对岩体基本性质的深入了解,和 对于各种地质因素的科学简化,以及各项参数的合理选取。不少计算实例表明,参数取值不同,边 坡岩体的剪损区或塑性区的范围和分布有较大的差异,所取边界的不合理也能造成应力的畸变,单 元体尺寸不合适也可造成应力的突变的假象。此外,如何反映岩体非线性力学性质以及软弱夹层, 采空煤层、断裂、层面等的模拟还值得深入研究。 离散元分析也是应力应变分析方法之一,但发展晚于有限元计算,最早是由 Cundail于 1971年 提出。这一方法是一种动态分析,较之有限元法更便于变形分析,分析对象是被离散化的且假定为 刚性的块体,通过考虑各结构面的力学习性(刚度、阻尼等),建立各单元(块体)间的连接和接触 关系,对单元进行受力状态分析,并基于牛顿第二定律建立其运动方程,然后进行系统运动状态的 组合分析。设法在解决块体运动时,采用对块体运动时逐步积分的数值技巧,因而可得出各块体的 变形全过程,并在监测屏幕上显示出来,具有方便、快速、花费少和动态显示的优点。 3 .概率分析法 以极限平衡法分析边坡稳定性时,安全系数 K =F(X,X……X c 是一系参数的函数,表示为: K c 1 2 n ) 式中,X 1 ,X 2 ……X n 是一些具有某种分布的随机变量,所以函数 K c 也是随机变量,要按一定的 分布规律分布在一定范围内,为了求得 K c 的分布,首先要确定各计算参数的分布形式,即其密度函 数,通过计算,确定边坡的破坏概率。 4 .图解分析法 近 20年来,图解法用于边坡稳定性得到大力推广和创新,特别是赤平投影的利用。这一方法的 优点主要在于省略了繁琐的计算、快速、直观。缺点是带有一定的经验和概念性,因此一般用在规 划阶段或初步分析。 图解分析法大体可分为两类:一类是图表分析,实际上是边坡稳定计算的图表化,适用于任何 形式的滑面,如平面、弧面和双面滑动的楔体;另一类为图解分析,即利用图解形式直接判断边坡 的稳定性, 70年代早期的楔体赤平投影和后期的全空间赤平投影均属此类方法。 块体理论的核心是把岩体视为由不连续面切割的刚性结构体(块体),其破坏机理为刚性块体沿 软弱面滑动,其力学模型为刚体平移。采用几何数值方法,包括全空间赤平投影、矢量分析来描述 块体的几何特征和稳定性。实际上它包括了图解、极限平衡分析的方法。 5.稳定性数字化动态量化理论方法 这是本节作者上世纪 80年代末建立并在专著中提出的方法。该评价方法的创立是鉴于路堑、水 电工程的溢洪道、露天矿等大型工程边坡的稳定性常常须在开挖前预测斜坡的稳定性,而目前的评 价方法难以胜任。岩体斜坡的设计也急待抛弃以往经验设计方法,进入任意坡高下安全度一致的定 量设计阶段。危坡的治理与支护的决策更有待适当的理论指导,以保证其技术上的可行性和经济上 的合理性。以往为了确定滑动面的位置及滑坡的体积耗费大量的时间和人力与物力,人们希望有捷 径可走。数字化是对在过去 10年飞速发展并被各个行业广泛应用的数字技术的高度概括和抽象的表 述。在不同的行业,甚至在相同的行业不同的范围都有着各自不同的具体内涵和外延。稳定性数字 化动态量化理论及其分析方法的提出为上述棘手问题的解决开辟了新的途径。 对于边坡这个复杂的动态系统,它的空间与时间及其预测等方面都可以用大量的数字来表述。 斜坡稳定性数字化动态分析方法,就是通过稳定性系数的动态模型求得的数字表示各种工程地质条 件下的任何坡高和坡角下的稳定状态,以解决常规的稳定性评价方法解决不了的难题。实践证明斜 坡稳定性数字化方法与常规方法不同之处是利用了结构面在空间上组合的客观规律,应用最优化理 论、极限平衡理论及实体比例投影理论从空间上全面地刻画边坡的稳定性状态,为经济合理地解决 斜坡定量设计、稳定性预测和治理决策奠定了理论和方法基础。 因为此方法对每个滑动结构体的计算仍采用极限平衡理论,所以它的另一个优点是与各个部门 的边坡稳定性评价规范接轨,方便生产部门应用。 6 .其它方法 除上述的评价方法外,尚有如优势面分析法、系统工程分析法及物理模型试验等方法。 优势面理论最早由霍克(Hoek)提出,罗国煜教授又加以发展,提出了地质优势面概率,并与 霍克的统计优势面相结合。这一理论认为优势面决定边坡破坏模式及其边界条件,对稳定性起控制 作用。 系统工程分析是在系统论、信息论、控制论等新兴学科基础上提出的,把边坡视为岩土、工程 和环境 3 个子系统,建立系统模型,然后进行系统优化和系统价值的评价。所以,系统工程分析是 以边坡工程系统的整体效应为目标,以寻求解决问题的最佳决策。 根据相似原理建立和发展的物理模型试验方法,已有 20多年的应用历史,用以探讨边坡变形破 坏机制,估计边坡破坏后可能产生危害的程度,具有直观这一显著优点。但这一方法在模型材料的 选择、参数与荷载的模拟方面难度较大,制作与试验时间较长且价格昂贵。 ( 三)边坡稳定性数字化动态分析方法 1 .方法概述 为了解决上述滑坡稳定性评价的现状与需求的矛盾,结合黄河东胜.神府煤田、内蒙及河北省 公路路堑及其它多个岩体滑坡工程的实际需要,建立了岩体斜坡稳定性数字化动态分析方法,其步 骤是: ( 1)结构面的工程地质调查 绝大多数岩体失稳都是结构体失去平衡状态造成的,岩体斜坡失稳亦如此。岩体的结构是由结 构面的空间组合状态所决定的,对其结构体的分析应从研究分析结构面开始。 结构面的工程地质调查应着重查明岩体结构面类型、产状、力学性质、密度、延续性、结构面 充填物类型、粒度、物质成分、厚度和不均匀程度、地下水作用情况、结构面及其充填物风化和蚀 变状况。 ( 2)确定边坡优势结构体 自《岩体工程地质力学基础》一书问世以来,标志着对工程岩体力学问题的研究已进入将岩体 视为结构介质的研究阶段,发现岩体的变形与破坏都受其结构制约的根本规律。岩体滑坡的形成与 发展,就是结构变形和破坏的过程。所以此动态预测方法把结构体的研究作为重点。所谓优势结构 体,指经过工程地质调查和实体比例投影对比分析,确定的最易失稳定一种或几种结构体。优势结 构体分析,即将优势结构体两结构面组合交线倾向与斜坡倾向一致或有较小交角,且倾角小于坡角 的结构体,按组合交线倾角的从大到小和它与斜坡倾向交角的从小到大,同时考虑到滑动结构面抗 剪强度指标大小综合分析后的依次排序。首先以最不利用稳定的结构体作为稳定计算对象,若经动 态稳定分析,它在设计坡高范围内是稳定的,一般情况下其它结构体必然是稳定的。否则依次计算 其它结构体的稳定状态。 ( 3)求出单位结构面和结构体的体积 欲求得某边坡的临界坡高和最优坡角,必须求出任何坡高所对应的稳定性计算所需要的各个参 数,如结构体的重量、滑面的面积及对应的地震力。动水压力和静水压力等。为此定义单位坡高所 对应的结构体和结构面为单位结构体及单位结构面。以单位结构面与结构体为工具,按动、静水压 力的变化规律,求出它们的表达式,这是建立斜坡稳定性数字化动态模型的基础。 (4)建立斜坡稳定性数字化动态模型 经优势结构体分析后,使原来大量结构面的评价大幅度地简化。现场调查和理论计算分析都表 明,超出结构面滑移的破坏方式对滑坡破坏是局部的。如果滑坡的滑动可以归结为结构体的滑移问 题,则在上述动态参量的表达式的基础上,按不同的工程地质边界条件,以极限平衡条件建立数字 化稳定性动态模型。 ( 5)模型的应用 应用该动态模型可以动态求解任意坡高的稳定性系数、稳定坡角或其它未知参数。 .边坡稳定性数字化动态分析方法的功能 经多个边坡工程的应用检验,岩体滑坡稳定性数字化动态分析方法的功能可概括为: 1)通过以往地质调查与大量的工程边坡实例说明,岩体斜坡失稳的主要地质模式包括:单滑 2 ( 动面、同倾向双滑动面斜坡、不同倾向的双滑动面斜坡和多滑动面斜坡。本方法应用了区域上结构 面成组出现和地质力学性质一致地质力学理论,将极限平衡理论、统计理论与实体比例图解法相结 合,实现各类地质结构的滑移体的连续地、动态地进行不同坡高或同一坡高不同坡角的稳定性分析。 实现对沿结构面滑移斜坡的各坡高滑体的连续地、动态地评价之关键于可以连续、动态地计算各坡 高和坡角的滑移体、自重以及其它外力,如地震力、动水压力、静水压力与工程外加荷载等数值。 ( 2)此方法还可求出稳定系数等表示稳定状态的参数随坡高的变化率,以便把动态评价应用于 斜坡治理的决策。还可从理论和计算结果上给出边坡治理技术策略的根据。 3)使边坡空间预测具有施工前的预报功能,且不受坡高的限制,以适应当今评价的斜坡愈来 愈高的需要。 ( ( 4)实现了对沿结构体滑动的失稳斜坡动态地、定量地对坡角设计的期望。 5)为求解滑动面的抗剪强度反分析方法提供了任意坡高条件的动态方程式。 ( 3 .最常见遇到的岩体结构稳定性数字化动态模型 1)单滑动面单边坡岩体结构稳定性数字化动态模型 ( 当单滑动面结构边坡的侧向切割面形状比较陡,可以不考虑侧向滑动面的摩阻力。或侧向切割 结构面抗剪强度较低及边坡的向北购股切割的地形条件,可简化为平面问题。 1 l 斜坡的坡角为α,滑动面的倾角为β,坡顶平面的倾角为ψ。单位结构体坡高为 H,H 高度为 单位长度。侧向剖面 ABC 为三角形,设△ABC的高 AD为 h。 l 不考虑侧向切割面对结构体滑动的抗滑作用。按极限平衡理 论,可建立如下稳定性动态数学化稳定性分析模型(图 2— 1 91):当坡高不断增加,增加到 n的条件下,稳定性系数随着 坡高的增加在不断的变化。为了预测,或为了掌握边坡工程在 其工程地质条件下从坡顶到斜坡坡底稳定性系数的变化规律, 应动态地每隔单位坡高或指定的坡高范围把所有的稳定系数 都计算出来。 图 2-191 单滑动面岩体结构斜坡侧向剖面图 岩体斜坡稳定性动态数字化地质-力学模型为: K = tanϕ 2C sinα tan β + γ ⋅ n ⋅sin(α − β )sin β n 若考虑地震力对斜坡稳定性系数的影响,设地震系数为 η,则单位结构体稳定性系数: 2C 1η−+ηttaannββ ⋅ tanϕ Kn = γ ⋅ n ⋅(cot β − cotα)(tan β +η)sin β ⋅cos β + ( 1)楔形双滑动面边坡的治理决策 。 。 当单滑动面边坡的滑动面的倾向与斜坡的倾向交角大于 30,侧向切割面的倾角小于 70 或其倾 。 向与斜坡倾向交角大于 30 时,斜坡的岩体结构转化为楔形双滑动面斜坡。这种岩体结构的斜坡是 缓倾断裂构造区常见的斜坡地质结构。除缓倾断层外,缓倾节理和缓倾软弱夹层也常成为斜坡的滑 动结构面,滑动结构面与倾坡的倾向很少有完全一致或接近的地质条件,所以这种结构的斜坡比单 滑面结构斜坡出 现的概率更高。由于岩体中节理分布的普遍性,有时边坡的楔行双滑动面结构体常 以多组的形式出现。 当坡顶可以简化为平面时,楔形双滑动面边坡的稳定性数字化动态模型可以表示为: P1OWnj Atanϕ1 + P2OWnj Atanϕ2 + C1F(01)ij + C2 F(02)ij Knj = Wnj sinα +ηWnj cosα 其中,常量 A = (cosα −η sinα)。式(7-9)中,F(01)nj,F(02)nj—某坡高下结构体滑面(Ⅰ)和(Ⅱ) (02)ij—某坡高下滑动面(Ⅰ)和(Ⅱ)的面积;P 面积;Wnj—某坡高下结构体岩体自重;F(01)ij, F 1 O, O—滑移结构体自重 Wnj分解为滑动面结构面(Ⅰ)、(Ⅱ)的法向力所乘系数;ϕ1,ϕ2 —滑动面Ⅰ 和Ⅱ的内摩擦角;C,C—滑动面Ⅰ和Ⅱ的内聚力;α—滑动结构面组合交线倾角,可由单位结构体 的实体比例投影求得;η—水平地震系数。 P 2 1 2 3 2 F(01)ij = n F(01 2 F[02]ij = n ⋅ F(02 上式中,Wnj = n ⋅W0 ; ; ) ) 以上 3式中, n —坡高﹙m﹚;W0 —单位结构体的自重﹙KN﹚,可由实体比例投影求得; 2 F(01) , F(02) —单位结构体的滑动结构面Ⅰ和Ⅱ的面积﹙ m ﹚。 因篇幅所限,其它地质边界条件和结构类型的边坡稳定性动态数字化模型从略。 第五节 矿山泥石流 ( 一)矿山泥石流的研究内容和方法 根据泥石流学科的分类体系,矿山泥石流属于人为泥石流的研究内容,是人为泥石流的典型代 表。由此,可将矿山泥石流定义为:在一些生态环境脆弱、地形陡峭、岩层疏松的丘陵山区,由于 大规模地集中开采矿产资源,为泥石流的形成提供了大量的松散固体物质,加大了地面坡度,使非 泥石流沟演化为泥石流沟,泥石流少发区转变为泥石流多发区,形成了新生的泥石流——矿山泥石 流。 1 .矿山泥石流的研究内容 矿山泥石流归属于应用泥石流的研究范畴,其研究内容既包括传统的泥石流研究内容,又增添 了新的研究方向。具体可概括为如下几个方面: ( 1)矿山泥石流的形成条件、形成过程、暴发频率;泥石流流体的性质、危害程度的研究;泥 石流发生的动态过程分析和分布规律研究。 2)矿产资源开发过程中,泥石流形成的各种人为激发因素和机理,资源开发方式、强度与泥 石流暴发之耦合性研究。 ( ( 3)矿山泥石流形成的岩土力学特性、流体特性的研究。由于矿山泥石流的物质来源绝大多数 是弃土、石、渣,与原状的岩土力学特性差异很大,从而决定了其暴发所需的动力条件、流体结构、 流态等不同于自然泥石流。 ( 4)矿山泥石流研究的目的是为了预防和治理资源开发过程中的泥石流过程。因此,泥石流的 预测、预报和警报的研究是其重要的研究内容。 . 矿山泥石流的研究方法 2 对任何一门科学的学习和研究,都必须从以下几个方面去掌握它:①掌握大量的实际资料,特 别是直接调查和第一手的研究资料;②具备获得这些实际资料和对之进行研究的熟练的科学方法; ③ 深入灵活地掌握、分析、综合这些资料所必需的理论和知识,实际资料是一切科学研究的基础, 据此进行分析研究才能作出理论上的概括和综合。因此,要掌握任何一门科学不仅要了解这门科学 的研究内容,而且必须掌握这门科学的研究方法。 矿山泥石流作为泥石流研究领域的一门重要分支学科,其研究方法在泥石流研究方法的基础上 赋予了新的内容。 ( 1)矿山泥石流的信息获取法 掌握第一手资料、占有泥石流形成的信息,是矿山泥石流最基本的研究方法。随着科学的发展, 获取信息的手段也随之更新,但其基本上可包括以下几个步骤:①研究开始应博览以往研究成果, 听取专家意见,掌握研究动态,制定高起点而又可行的研究计划:②采用野外踏勘调查的方法,这 是获取信息最原始也是最基本的环节。野外调查以利于确定泥石流的形成条件、分布规律、冲淤特 性、灾害程度、方式和范围,以及由此而引发的泥石流地貌形态的变化,③航片、卫片判读法。这 是一种大面积、短期内获取信息的最有效的方法,而且是确定野外考察路线的最好依据,通过多期、 周期性航片、卫片解译判读,能掌握泥石流的动态发展过程;④访问调查法,利用对当地长住居民 的访问,可获得近年来的有关泥石流资料。例如:泥石流暴发次数、时间日期、规模大小、危害方 式和范围。 ( 2)矿山泥石流过程的实地观测法 矿山泥石流过程的实地观测主要是测定泥石流的运动特性、力学性质和有关参数,研究泥石流 发生、发展、冲淤的动态变化过程。物质、地形、动力条件是泥石流形成的三大基本要素,泥石流 冲出物堆积场所、堆积形态的变化是泥石流过程特征的最直观的证据。因此,矿山泥石流过程的实 地观测相应地可分为 4 个方面,即:物源变化的动态观测、地形条件的动态观测、水动力条件的动 态观测和堆积过程的动态观测。 通过信息获取,选择典型的泥石流沟道,分段设置观测断面。在物源区和形成区的观测断面, 主要观测泥石流物源地松散体起动方式、物质动态变化特性,还要用气象-水文法确定泥石流暴发动 力条件的动态变化,水、土、石、渣的混合过程,在泥石流流通区的观测断面,测量流体的深度、 宽度、速度、流量、总方量、冲击力和地声等,分析流体的成分、组构、性质和运动参数之间的关 系。在堆积区的观测断面,观测泥石流各次各类泥石流堆积空间的变化和相互关系,确定泥石流堆 积速度及其在时间上的变化,进而追溯泥石流的发展历史和推测泥石流堆积规模的扩展趋势。 在每次泥石流过程结束后,将 4 个观测断面埋设的观测桩进行量测、连线,对比分析泥石流沟 床的动态变化,也要用地形测量法、陆地摄影测量法和 GPS 法,对每次泥石流过程前、后的测量数 字进行对比分析,分析泥石流沟地形动态变化过程。 ( 3)矿山泥石流的模拟实验法 由于绝大多数泥石流的暴发是由暴雨而引发,另一方面泥石流是丘陵山区特有的自然现象,并 多暴发于夜晚,这就给泥石流的观测研究带来极大的困难,于是利用模型模拟实验法,就可加快泥 石流的研究进展。泥石流的模型模拟实验可分为室内、室外两种。 ① 泥石流物源地松散体起动,并达到泥石流过程的模拟实验。这一方法是在水、土条件得到人 为控制下对所暴发的泥石流进行水、土临界状态研究。 实地人工泥石流法。根据矿山泥石流的特性及其沟域条件,以一定比例尺缩小,人为控制水、 ② 土条件,在物源区按不同的比例,堆积各种松散物质,并按结构特征进行层构互换实验,以观测泥 石流的全过程,进行动态研究. ③ 室内泥石流模型实验法。根据相似性原理,将典型泥石流沟,按一定比例尺缩小,呈现于模 型台上进行研究和分析。中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所就建造有我国惟一的、大 型的泥石流模拟大厅,现代化程度很高,所获数据精度较高,可准确控制实验条件。但其实验费用 昂贵,模型建设的相似性理论还有待进一步完善。 ( 4)矿山泥石流的数学模型法 数学模型就是把复杂的研究对象转变成数学问题,经过合理的简化后,建立一个能用数学方法 揭示研究对象规律性的数学关系式。泥石流研究的数学模型法是随着计算机发展起来的一种新的研 究方法。然而,它必须是建立在对泥石流现象本质认识深刻、勾绘出的物理图形是客观的基础上, 否则模型没有应用价值。目前,这一研究方法在泥石流的危险度评价、泥石流的预测预报、泥石流 沟道形态变化、泥石流堆积泛滥过程等方面都得到了广泛的应用,并且有了明显的进展和逐步的完 善。 ( 5)矿山泥石流的综合分析法 综观上述各种研究方法,各有其特点。野外调查法有利于泥石流分布规律、发生条件、发展过 程的研究;实地观测法则有益于泥石流的流态、流速、流量、泥石流过程等流体力学方面的研究; 模拟实验法使泥石流的研究缩短了时间、提高了精度,重点在于泥石流过程的研究。但是,对泥石 流的系统研究,必须采取综合分析的方法,即使是专项研究(形成机理、运动特征、冲淤规律、发 展趋势、危害程度、预防治理等)也均需采取综合分析的方法。在众多的泥石流形成条件和影响因 素中,只有采用综合分析法才能确定形成泥石流的主要条件和一些临界值;在泥石流危险度评价中, 除考虑泥石流的规模、性质、危害方式外,还需研究灾区的社会经济背景、发展状况,这样才能正 确划分泥石流的危险度和相应的分布区,进而决定泥石流灾害的防治方法和措施等。泥石流的发生 往往伴有山洪、滑坡、崩塌和水土流失等灾害,因此,在结合分析泥石流的过程中,还必须结合研 究上述之相关灾害的成因、特征及彼此之间的关系。 ( 6)相关学科的结合法 矿山泥石流形成条件和分布规律的研究方法是延用了地理学的研究方法;泥石流运动特性的研 究是引用了流体力学和泥沙运动力学的原理和方法;泥石流物源特征的研究是借鉴于岩土力学的测 试方法;泥石流体的粒度成分、沿途分选特性主要是采用颗粒粒度分析法,这样既可确定泥石流物 质的来源及构成,又可揭示泥石流运动过程中的分选特性。此外,还可用岩石矿物分析法、土水化 学成分分析法、37Cs法、粘土矿物分析法等来确定泥石流的物质特性及其构成。泥石流体的容重、 颗粒的密度、孔隙度、水土比、流变曲线、静切力、冲击力、地声的频率和振幅等值的测定都必须 采用物理力学的分析方法。这些泥石流的基本资料,既是深入研究泥石流的宝贵资料,又可为防灾 设计和预警预报提供依据。矿产开采方式与泥石流发生相关性研究必须借助于矿产地质学的方法、 开采技术研究的方法,进而探讨二者的相互关系。 由于矿山泥石流学是建立在泥石流学与矿产资源开采、矿山建设基础之上的学科,矿山泥石流 学研究的目的,主要是为矿山建设、资源的可持续开采和矿区环境建设而服务,预防泥石流灾害对 资源开采的破坏,减少由此而引起的经济损失。这就决定了矿山泥石流的研究必须广泛地吸取各有 关学科的研究方法。 ( 二)矿山泥石流学的横向学科联系 自然界是统一的整体,所以研究自然界不同现象的科学,必然在实践过程中彼此发生密切的联 系,而一门科学的发展,也常为其他科学的发展创造前提,所以在了解一门科学的同时,还必须正 确认识它与其他科学的关系,以便不断从相关科学中吸取最新科学成果和研究方法,推动自己学科 的发展。任何利用自然和改造自然的课题和措施,通常都是许多相关学科共同协作的综合任务,绝 非一个学科所能单独承担的。因此,这就决定了各门学科在解决实际问题时,必须有紧密的联系和 分工,作为应用学科的矿山泥石流学也是如此。 1 .矿山泥石流学与地学的关系 矿山泥石流学源于山区矿产资源的开发利用和矿山建设,它既是一门新兴的学科,又是一门应 用性极强的学科。矿山泥石流研究的目的主要是为矿产资源开发、矿山建设、矿区环境保护、矿产 资源持续开采和矿区经济持续发展提供科学依据,这一客观的需求,又促进了矿山泥石流研究的迅 速发展。 矿山泥石流研究属于多学科交叉的边缘性学科。首先它从属于地学的研究领域。矿山泥石流的 形成,并不是所有的矿区都会有泥石流发生,而是在一些生态环境本来就很脆弱的地区,加之大规 模、大强度的资源集中开采的地区就会有大量的泥石流形成,因而,可以说矿山泥石流形成的基本 条件和环境背景的研究是地理学的研究内容,泥石流发生、发展影响因素(岩性、构造、地形、气 象、水文、植被、土壤、水土流失、人为活动等)的研究,往往采用和吸取地学研究的成果和方法, 泥石流的分布规律、所形成的地貌形态的研究、泥石流堆积物的分析宜采取地貌学的理论和方法, 泥石流过程本身就是地貌过程。 泥石流暴发的外动力条件是暴雨径流,因此,它与气象水文学的关系颇为密切。泥石流的起动 力主要是来源于大气降水,并且又受地形汇流条件的制约,故泥石流的激发雨量、雨强和径流量等 均需采用气象水文学的研究方法。 泥石流暴发的 3 个基本条件(地形、松散物质、水动力)除彼此关系十分密切外,还与地表的 植被、土被和物质组成等有关,研究植物种类、植被覆盖率、土壤特性等与泥石流形成的关系,可 为采用生物措施治理泥石流提供依据。因此,可以说矿山泥石流的研究与植物学、土壤学的关系也 非常密切。 总而言之,泥石流学源于地学,地学的研究方法渗透到泥石流研究的各个部分,泥石流研究与 地学的关系非常密切。 2 .矿山泥石流学与力学的关系 矿山泥石流的起动是外营力作用所致,是由水体、土体的势能转化为动能的结果,在这一转化 过程以及运动过程中的能量转换等均涉及到岩土力学、泥沙运动学、流体力学、结构力学、工程力 学等。只有从力学的观点、能量守衡原理出发,才能建立起泥石流运动的物理、数学模型。因此, 可以说矿山泥石流研究与力学的关系非常密切,各种力学的研究方法贯穿于泥石流研究的整个过程。 3 .矿山泥石流学与地质工程学的关系 矿山泥石流的形成是由于人类大强度集中开采矿产资源,以一定强度干扰自然所造成的不良环 境后果,激发了泥石流形成的各大要素,致使泥石流暴发。因而,它与资源开采过程中的一系列地 质工程技术关系密切,有关资源开采、矿山建设过程的学科也构成了矿山泥石流的理论和技术基础。 例如;资源开采方式的工程技术、矿产资源丰度研究、矿产地质学、矿产资源学、矿山建设工程技 术,资源开采过程中和开采后的环境建设研究等,这些学科对矿山泥石流的研究都起到了举足轻重 的作用,是矿山泥石流研究必不可少的科学研究方法。 4 .矿山泥石流学与其他有关科学的关系 矿山泥石流的物源,主要是采矿和矿山建设配套设施建设过程中所产生的弃土、石、渣,和建 设过程中所引发的崩塌、滑坡、水土流失等,它是人为活动的产物。因而,人类的行为在很大程度 上决定着矿山泥石流能否形成、暴发频率和受灾程度。这样采矿前的总体规划、矿山城市建设总体 设计、矿区环境建设设想、弃土、石、渣的合理堆放、利用和善后处理等就显得非常重要,所以说 矿山泥石流与城市建设、环境科学、矿山经济学等相关学科相互渗透,成果可以互相利用。这也是 矿山泥石流的特点之一. 为解决生产实际问题而兴起的矿山泥石流学,必须深入揭示矿山泥石流过程的本质,从而才能 预测、预报矿山泥石流过程的发展趋势,提出合理的预防治理措施。这样就需要将矿山泥石流建立 在现代科学技术水平之上,有一个高的起点,以适应矿产资源开采、矿山建设的需要,为此,首先 要加强物理、数学和化学基础原理的应用,需熟练掌握计算机,引进其他新的技术,如,GIS、GPS、 RS、数字高程技术的数值预报技术等先进的工程技术学科。 ( 三)中国的矿山泥石流 矿山泥石流源于矿产资源的开采,并随着开采规模的扩大,强度的加大而加重。根据上述我国 矿产资源的分布特征和组合特点,从而可以得出我国矿山泥石流主要分布在北部、西部地区,在东 南丘陵山区也有零散分布。尤其以大型的露天开采矿区最为集中。 2 辽宁阜新海州露天煤矿,是 1953 年 7 月投产的,总面积达 30km 有余,设计开采深度为 350m 的大型煤矿,除大量的弃土、石、渣存在外,由于煤层及其顶、底板呈 18°~25°的单斜构造,属 倾向采矿场,而岩性软弱的页岩夹层,层间内摩擦角为 13°~18°,明显小于煤层倾角,具有很强 的欲滑趋势。矿山部门忽视这一严重情况,违反边坡稳定性规律,边坡设计不合理,致使已经具备 失稳条件的软弱层临空失稳,结果在大雨或融雪水的作用下,形成了典型的矿山滑坡泥石流,以后 又多次发生,严重地威胁矿山安全。 四川省的攀枝地区,矿产资源极其丰富,国家、地方、群众都在进行开采。在矿山建设中,破 坏森林植被,加上矿山开采技术落后,有的矿山露天开采,弃渣不做处理,甚至有的乱挖乱采破坏 山体,遇暴雨常常发生泥石流。如,1981 年,会理县就有 15 个矿区暴发了泥石流;宁南县的银厂 沟,因群众开采锡矿,年年发生泥石流,不但直接影响矿区,而且还危害下游交通,淤埋附近大片 农田。 大格排土场系福建省潘洛铁矿潘田矿区的一个高阶段排土场,它紧临采矿场堆,排土场地形陡, 矿渣含有大量的云母成分,当地降雨量高,断层发育。1983年 11月 13日在暴雨的激发下暴发了泥 石流。 1 990 年 5 月 31 日,四川省会理县炭山沟泥石流,给沟内及沟口的四川凉山彝族自治州益门煤 矿造成了严重灾害。泥石流致死 31人,3人失踪,29人受伤,摧毁房屋 16幢,堵塞公路桥梁,淤 埋、冲毁公路 2.4km,堵塞采煤井洞 4个,毁坏输水管道 1.2km,输电线路 4.5km,通讯线路 1.9km, 淤埋原煤运输机道 1条和职工食堂 1个。泥石流冲出物入益门河后,堵河成坝,坝上游河水陡涨, 由此而生成的次生洪水淹没炼焦窑 7座、泥煤池 5座、水泵房 1个,原矿子弟学校宿舍区等房屋 47 2 幢,造成危房面积 1.2万 m,淹损部分库存物资,流失原煤、焦煤、泥煤、洗精煤近 6 500t,直接 经济损失 400万元。 山西省安太堡露天煤矿,因采用大型机械进行剥离、运输、排弃土石,岩土层组完全被破坏, 原地貌形态已不复存在。同时,在高速采排进度下,新构成的排土场,岩土呈松散状,地貌形态独 特,岩土的起动、搬运、堆积规律与原状土迥然不同,在连续暴雨条件下,弃土、石、渣达到超饱 和状态而发生坡面泥石流。 神府东胜矿区自开发以来,发生规模不等的泥石流 200 多次,造成的经济损失巨大,是比较典 型的矿山泥石流分布区。 此外,我国海南岛的石碌铁矿山的渣山也发生过多次矿山泥石流。1985 年 6 月 12 日,云南东 川汤丹铜矿的排土场泥石流,江西水平铜矿露天采场排土场等。湖北省秭归县新滩滑坡与附近的煤 炭开采也有一定的关系。 ( 四)矿山泥流防治 矿山泥流防治与一般泥石流治理方法相同。 ( ( ( 1)输:主要输通洪水,输水沟、渠、泄水山洞,防止洪水冲垮矿山废弃物堆放体和尾矿(库); 2)拦:拦截泥砂,沟谷纵横坝和群坝; 3)固:加固尾矿坝,防止尾矿坝冲溃;加固采动引起岩体(土体)崩滑体,防止矿山崩滑泥 石流的发生。 ( 4)管:管理好顶板坍隔,防止大面积地面岩体松动和破碎;管好矿山废弃物堆放和尾矿坝安 全,从源头上防止矿区泥石流发生。 案例 1:东川后山 4条泥石流沟的综合治理 后山 4条泥石流沟位于云南省东川市境内。东川是云南省新兴的工矿城镇,人口 3万余人。其 城镇后面山地的石羊沟、尼拉姑沟、深沟和田坝干沟 4条泥石流沟从东往西穿越镇区,居高临下威 胁着人民生命财产的安全。从 1964年开始对后山泥石流综合治理,内容包括稳、拦、排、预警报及 管理措施等。即在形成区用种植草类、灌木、乔木,恢复植被,以稳定坡面,减少水土流失;修建 谷坊,以防沟床下切;修建截流沟排除滑坡体的径流;在沟内修建拦沙坝,以拦蓄固体物质;在流 通区和堆积区,修建带防冲肋板的排导槽,将泥石流顺利排泻;设置预警报系统,以便在特大泥石 流危及城市安全之前,能预先报警。 经过近 30年的治理,已见成效,人们安居乐业,市区得到较大发展,在泥石流堆积扇上修建公 园 1座,体育场 1个,开垦农田 43.3hm,取得了显著的经济和社会效益。 案例2:老干沟泥石流综合治理 2 老干沟是小江中游大白河右岸的一级支沟,流域面积 7.67km,主沟长 5.68km。东川至昆明的 公路、铁路横跨该沟。每年雨季,几乎都要发生几次泥石流,造成道路冲毁淤埋,引起断道阻车事 故。最严重的一次泥石流发生在 1985年 7月 26日,当时上游倾盆大雨后,从山谷中奔涌出的泥石 流将一辆正行驶在沟口的一辆汽车卷入小江,造成 12人死亡的严重灾祸。 1 991—1997年,经过 7年治理,投资约 112万元,共修建拦沙坝 2座,排导沟 980个,谷坊 8 座,潜坝 4道,截流沟 60m。同时进行了山坡整治,植树造林 182ha。目前,造成泥石流的滑坡体相 3 3 对稳定,固体物质补给量大为减少,估计由原来年补给量 15万 m,降为 5万 m。雨季期间,沟道只 出现挟沙洪水,公路畅通,减灾效益明显,流域内的生态环境得到改善。 第一节 疏干排水对水资源、水环境的影响 ( 一) 疏干流场特征 、大降深疏干漏斗:北方矽卡岩岩溶直接充作矿床,长期疏干排水形成大降深流场,其特点改 1 变天然流场,形成人工疏干漏斗区,改变流向,增加水力坡度。 、降深场具有各向异性渗透性(Kx,Kxy,Kyy)和导水性(Txx,Txy,Tyy) 导水岩层走向 2 ( 构造成)导水性大于 倾向方向导水性。 Txx=(3~5)(Tyy)最大相近 10倍以上 3 、疏干流场渗透性具有明显垂向非均质,我国北方中奥陶统岩溶充水岩层具有明显垂向异性, 除受岩性、岩相有关外,受岩溶发育深度上变化规律的影响,一般规律是上强下弱和岩溶发育不限。 、岩溶水疏干流场具块段特征:岩体(岩脉穿抻、矿体、蚀变带)为不透水或弱导水边界和断 层分害(强弱层对接)形成隔水或弱导水边界是岩溶水块的边界划分直接依据。 二) 疏干排水对水资源及水环境的影响 案例1 邯邢铁矿田矿山排水对邢台百泉的影响 一) 资源分布 4 ( ( 2 邯邢铁矿田南起武安磁山,北至沙河綦村一带,分布面积近 600km,有铁矿 74 处,保有储量 .5亿吨,其中 55处矿山分布于百泉流域,其铁矿保有储量 4.99亿吨,占邯邢铁矿田储量的 90%; 5 开采条件简单的矿山已基本开采殆尽;水文地质条件较复杂的矿山,是处一个单元内的王窑和中关 铁矿(两者相距 7km),储量尚有 2.5亿其开采受深部灰岩的威胁。 ( 1 二) 邯邢铁矿岩溶水系统 、边界:南部为岩体和矿体分水岭,西部为古老的隔水变质岩体,东部为隔水的区域性深大断 层,北部为百泉岩溶水系统的排泄带。 2 、岩溶水系统结构与特征:(1)南至北洛河地下水分水岭;(2)中经玉石洼、云架岭、西石门、 崔石门、王窑、中关、西郝庄(南)、葛泉(綦村南)等铁矿排出矿区;(3)于百泉排出地表;(4) 形成 NW-SE 向集水廊道,岩溶地下水系统;(5)由于各矿山充水岩层隔水底板分布标高不同,形成 各自独立的岩溶盆、窝、坑(岩溶水盆窝坑块段系统)水系统,具各自向独立(部分通道联系)流 场特征。(见图 1) ( 三) 矿山排水量 4 3 4 3 铁矿田内 19个矿山排水总量为 14586.58×10m/a,6个煤矿总排水量 2258.86×10m/a,矿山 3 排水量近 50 万 m/a(见表 3-2) ,矿山排水回渗量为矿坑排水量的 37.5%,实际矿山疏干排水量 3 1.25万 m/d。 3 ( 四) 百泉流域岩溶实际开采量 图 1 矿山排水量统计表 表 3—2 4 3 4 3 排水量(×10m/a) 矿山名称 王窑铁矿 排水量(×10m/a) 3237.55 3212 矿山名称 云驾岭煤矿 郭二庄煤矿 显得旺煤矿 章村煤矿 289.08 452.6 332.88 679.5 262.8 242 凤凰山铁矿 西郝庄铁矿 东郝庄铁矿 上郑铁矿 730 876 273.75 730 葛泉煤矿 红土坡铁矿 新冯联办铁矿 葛泉铁矿 邢台煤矿 401.5 305.43 475 太行山铁矿 綦村铁矿 36.5 上申庄铁矿 石板坡铁矿 西石门铁矿 矿山村铁矿 玉石洼铁矿 云驾岭铁矿 江峰矿业 146 131.4 383.25 115.12 219 86 92 北洺河铁矿 马甲脑铁矿 其他 536.65 127 213.67 12327.72 14586.58 小计 小计 2258.86 总计 3 3 1 992~1996年实际开采量平均为 5.2 m/s,1997~2000年达 6-7 m/s以上,2001~2007年达 3 8 -9 m/s。(见 表 2-2) 五) 历年百泉达活泉流量 百泉岩溶水系统平均补给含量为 5.62m/s,1987年开始断流(见表 1-2),由于 90年代开采量 增加,百泉岩溶水大幅度下降。 ( 3 4 3 单位×10m/a 表 2—2 百泉泉域 1992~2005年岩溶水开采量表 2 m/s 年份 邢台市 邢台县 沙河市 内丘县 武安市 铁矿、煤矿 合计 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 992 993 994 995 996 997 998 999 000 001 002 003 004 005 7534.4 1357 650 73 179 6515.3 16408.7 5.20 7785.15 7218.2 1322 1349 1380 1394 1391 1436 1423 1600 1577 1974 1835 2651 2651 23340 1667.14 674 706 78 87 271 263 6360.08 6033.45 6102.54 9596 16490.32 15656.65 16176.09 17467.5 19606.24 20419.29 22526 5.23 4.96 5.13 5.54 6.22 6.47 7.14 7.52 8.42 9.05 9.01 9.41 7.19 96.51 6.89 7618.55 8440.5 718 84 273 713 84 240 8701.45 8416.7 737 86 276 8414.79 9460.59 11414.6 13030.11 13784.9 14162.34 14424.9 14586.58 8587.68 743 90 273 8554.4 767 92 275 7960.25 9948.4 750 93 286 23719.36 26549.3 28552.04 28417.55 29670.18 22689.53 863 92 284 11204.4 10853.65 11029.6 10047.85 125313.8 8950.98 827 93 291 884 90 330 868 94 441 868 94 441 合计 平均 10768 769.14 1230 87.85 4223 301.64 139473.86 304348.66 9962.41 21739.19 历年百泉、达活泉流量 表 1-2 3 流量(m/s) 3 流量(m/s) 年份 年份 百泉 达活泉 合计 百泉 达活泉 合计 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 962 963 964 965 966 967 968 969 970 971 972 973 974 975 7.26 0.75 8.01 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 5.14 0.75 5.89 6.78 6.78 6.53 5.45 5.46 5.47 5.25 5.11 4.78 5.12 3.96 3.82 4.84 2.19 2.06 0.77 0.77 0.77 0.77 0.76 0.77 0.65 0.65 1.00 0.90 0.62 8.97 8.84 7.30 6.22 6.23 6.25 6.01 5.88 5.43 5.77 4.96 4.72 5.46 6.12 5.47 4.62 3.02 0.95 1.97 3.42 1.95 1.55 0.36 0 1.28 7.40 6.27 4.76 3.02 0.95 1.97 3.42 1.97 1.55 0.36 0 0.8 0.14 0 0 0 0 0 0 0 0 ( 六) 矿山疏干排水对百泉流域的影响 玉石洼矿区丰水期水位 170m左右,枯水期水位 120m左右,天然变幅为 50m左右。由于矿水疏 干排水 2003~2004(枯水年)水位降到 60m以下(比百泉出露标还低),矿山疏干水位降幅达 60~ 00m,玉石洼排水夺取了百泉径流带上游地下水。郭二庄煤矿处百泉岩溶水径流带中游,天然丰水 1 期水位标高为 140m左右,枯水期 100~120m。地下天然变幅 20~30m。1986~2004年岩溶动态曲线 图成单调下降趋势疏干流场普遍下降到 40m,平水期下降幅达 60~80m。 中关观测孔 1996~2004年内由 115m降到 35m,疏干降幅达 70m。中关以上地区岩溶水几乎全为 3 矿山疏干排水所袭夺,袭夺量达 3 m/s,约占百泉补给量的 1/2。矿山疏干排水是造成百泉干涸重 要因素之一,其贡献值达 50%以上。 第三节 尾矿环境效应 ( 一) 尾矿库的预警措施 随着矿山开采年限的增长,金属矿山选矿排放的尾矿堆积量越来越多。我国现有尾矿库 400 多 8 8 个,尾矿达 50×10t以上,而且每年以产出 5×10t的速度增加。目前我国铁矿山年排出的尾矿量 8 8 4 约 1.3×10t,有色矿山年排出尾矿量约 1.4×10t,黄金矿山年排出的尾矿量达 2450×10t。大量 的尾矿堆存在尾矿库,尾矿库的安全运行成为矿山环境保护的重要工作之一。据调查显示,我国大 部分矿山在尾矿库建设方面,存在着较严重的问题,有厂无库或重厂轻库的现象极为普遍,特别是 一些尾矿库在建设时未经认真论证,投入使用后又不善于维护管理,半数以上成为危库和病库。陕 西凤县境内有 8个金矿尾矿库和 48个铅锌尾矿库。其中大部分修建于河漫滩地上。距离河床较近, 甚至直接与河水相接,尾矿库坝不稳固,不能有效地拦挡库内尾砂,存在着经不住洪水侵蚀而发生 溃坝的问题。我国黑色金属重点矿山的 70多府尾矿库中,有一定问题和问题较多的占 30%。在有色 金属矿山 149座被调查的尾矿库中,病库、险库和超期库占了 48%;化工矿山的 18座尾矿库中,病 库险库和超期库有 7 座,占 41%;黄金(岩金)放山现有 368 座尾矿库中,病库、险库和超期库点 了 44%。这些病库和险库一旦出现问题,后果将是严重的。 甘肃成县厂坝黄渚关矿区东河两侧依山傍河修建不规范尾矿库,导致尾矿库溃坝、溢流、长期 服役现象普遍,河床沉淀灰色铅锌尾矿渣,使河水浑浊不堪。陕西潼关金矿区傍河尾矿库一般建在 河岸阶地或河漫滩上,库容量小,尾矿坝质量差,易出现泄露、溃坝,在 2002年 8月调查时,曾有 尾矿库溃坝,尾矿直接进入河道,严重污染了水生环境系统;渗坑型尾矿库,主要采用尾矿浆排入 尾矿库,一部分下渗,一部分蒸发,干渣堆放在河滩、道旁等地,在大气降水和地面径流作用下, 最终进入了地表水系,对于水生生态系统影响比较严重。 对尾矿库进行绿化,是保护环境的行之有效的办法。尾矿坝、尾矿库干坡段往往随风刮起沙, 危害人身健康和农作物生长,可采取以下措施治理:在坝坡上覆盖山皮土,让其自然生长小杂草, 并在部分地段栽种灌木,起固沙作用,防止尾砂粉尘对自然环境的污染,缓解雨水对坝面的冲刷; 喷水防尘,在尾矿坝外坡脚集水,抽水喷洒坝顶,可起防尘作用;植树绿化,保护环境,对服务期 满的尾矿库要及时复垦绿化,防止扬尘污染环境。 陕西凤县部分矿山对危险性较大的尾矿库坝进行了加固处理、防洪处理,以防止尾矿库溃坝和 尾砂涌入河道,如对原有土石坝进行浆砌石护坡,对不稳固和不能有效拦挡尾矿砂的坝体进行加宽、 加高。大部分企业对废弃的尾矿库进行了复垦,所采取的措施主要有覆土造田、覆土种草、覆土育 林等。如陕西凤县银母寺铅锌矿对废弃的尾矿事故池进行覆土厚 50cm还田,耕种玉米,取得了良好 效果;陕西凤县铅酮山铅锌矿在废弃的尾矿库上覆土 20cm左右,播种从陕北引进的沙得旺草种,取 得了良好效果,目前,废弃尾矿库复垦约 233亩,占尾矿库面积的 22.43%。 尾矿库溃坝:多数尾矿库依山傍河环境修建,尾矿库一旦发生溃坝、坍塌事故,将使库内大量 尾矿砂与洪水一起倾泄而下,造成下游河道堵塞,房屋被毁,生态环境受到严重破坏。2001年马口 金矿尾矿库溃坝就造成了农田污染。 尾矿坝溃坝造成的灾害和环境污染十分严重。如 1987年陕西金堆城钼业公司栗西尾矿库排洪隧 4 3 洞塌陷,造成 136×10m 尾矿及尾矿水泄漏,污染了陕豫两省 16个县市的水源,矿山直接经济损失 4 3 200多万元。2000年 12月甘肃成县天子山尾矿库溃坝造成近 2×10m 的尾矿砂泻入东河。 3 ( 二) 水土污染 选矿尾矿浆中重金属以及矿石冶炼烟尘中重金属对水体、土壤的污染非常严重。污染源主要是 选矿排放的尾废水,其次是固体废弃物淋溶水、矿坑水等。其中金矿、汞矿、铅锌矿、砷矿选矿对 环境污染最为严重。矿石浮选排放的废水中含有选矿工艺过程中添加的选矿药剂、未选出的金属元 素、共生伴生的重金属和矿石微粒等。氰化法提金排放的废水中含有剧毒物质氰化物,混汞法提金 排放出的废水中含汞量较高。含有重金属、氰化物、石油类、酸性矿井水等有毒有害物质的选矿液, 未经达标处理排放流入河流、湖泊都会造成水体的严重污染,危害水生生物。这些污染的水若被人、 畜饮用,轻则影响健康,重则危害生命。若用以灌溉农田,将导致减产、绝产,使有毒有害物质潜 入农作物,通过食物链危害人类健康。 矿山矿坑水、选矿尾矿浆无序排放造成严重污染的矿区主要有陕西潼关金矿区、凤县铅锌矿区、 略阳铁矿区、旬阳铅锌汞锑矿区;甘肃成县厂坝铅锌矿区、西和县邓家山铅锌矿区等。 陕西潼关金矿区是水土环境污染的典型区之一。20 世纪 80 年代中后期,潼关金矿区蜂拥而上 的乡镇及个体采矿者,形成了大规模的无序开发情景,高峰时共有采矿坑口 2410个,年废石排放量 4 6 07×10t,混汞碾 1410台,尾矿水排放量 12960t/d,氰化池 2650台。混汞碾废水直接排放造成矿 区源头水中铅污染超标 2.4~113倍,水中悬浮物超标 62~2143倍(表 3-9)。 表 3-9 1992年 7条峪道 10个混汞碾尾矿水监测平均值 单位:mg/L 项目 Pb Cu Cd 0.023~0.080 0.1 Hg Fe SS 6306~214402 100 石油类 污染物值 3.4~114 0.7~23.9 0.02~0.013 0.05 0.3~10.5 0.7~23.5 一级排放标准 超标倍数 1.0 2.4~113 62~2143 从 1995年矿区内 7条头水功能区水质监测结果与单因子评价(表 3-10)可看出,7条河中铅超 标 37~959倍,汞超标 0.2~31倍,5条河流镉超标 1~66倍,石油类最大超标 102倍,河流均受 到了严重污染。 表 3-10 潼关县 7条河水质监测及超标倍数 单位:mg/L 河流 西峪 项目 浓度 Pb Cd Hg Cu 石油类 SS pH值 0 .009~ 0.00059~ 0.00099 11~19 11624~ 15250 7.2~9.4 1.19~1.46 3.81~4.66 7.86~7.90 0.011 8~10 超标倍数 项目 719~959 Pb 118~145 Cu 75~92 0 河流 Cd Hg 石油类 SS pH值 浓度 超标倍数 浓度 3.51 350 0.002 1 0.00158 31 2.30 229 5.15 102 13936 7.78 0 东桐峪 5.46 545 0.067 66 0.00022 3.4 1.66 165 3.89 77 4650 12 7.80 0 善车峪 太峪 超标倍数 浓度 0.38 0.002 0.00007 0.02 2.01 8.02 超标倍数 浓度 37 1 0.4 1 0 1.40 0.001 0.00022 0.78 3.21 63 6484 1056 2540 7.98 麻峪 蒿岔峪 潼峪 超标倍数 浓度 139 1.08 107 0 0.000 0 3.4 0.00320 63 77 0 8.20 0 1.10 109 超标倍数 浓度 1.45 0.002 0.00006 0.81 2.14 8.00 超标倍数 144 1 0.2 80 42 0 地面水环境质量类标准 0.01 0.001 0.00005 0.01 0.05 6.5~8.5 超标率/% 100 71 100 100 100 0 资料来源:潼关县黄金产区环境治理“九五”计划和 2010年远景规划(潼关县人民政府)。 2 002年 8月西安地质矿产研究所环境影响评价室对潼关蒿岔金矿矿坑水监测结果(表 3-11)表 明,矿坑水未经处理直接排放,废水中 Pb超标 19.15倍,SS超标 87倍。 表 3-11 潼关金矿区蒿岔峪矿坑废水监测结果及超标倍数 单位:mg/L pH值 6 + 项目 Pb Cd 0.003 0.1 Hg Cr SS 187 100 87 矿坑废水 20.15 1.0 <0.00005 0.05 0.082 0.5 6.08 一级排放标准 超标倍数 6~9 19.15 蒿岔峪河流三个断面的河水监测结果表明,沟口以上河段Pb、Hg、Fe分别超过I类水标准282~345 倍、17~59倍和 10.7~15.6倍;下游河段 Pb、Hg分别超过Ⅳ类水标准 25.8倍和 0.7倍(表 3-12)。 蒿岔峪河水质已遭受严重污染,主要污染物为 Pb、Hg,属重金属污染,其原因是蒿岔峪河上游选矿 厂废水排入造成的。 表 3-11 潼关金矿区蒿岔峪河水质监测结果 单位:mg/L 6 + 断面位置 改建工程选厂上游 蒿岔峪口 Pb Cd Hg Cr Fe SS pH值 3.46 2.83 0.01 0.78 0.05 <0.001 <0.001 0.001 <0.001 0.005 0.003 0.01 0.005 0.01 3.39 4.97 0.3 52.20 65.20 6.5 6.0 6~9 6.60 6~9 0.0009 0.00005 0.0002 0.001 地表水 I类标准 军中帐村 0.031 0.05 2.51 11.6 地表水Ⅳ类标准 另据西峪河李家金矿第三采选矿厂上下游河流水质监测(表 3-13)结果,西峪河水中重金属 Pb、 Cd、Hg分别超标 879~1151、8~11和 23.2~42倍,地表水环境已受到严重污染。 表 3-13 潼关金矿区西峪河水质监测结果 单位:mg/L 6 + 位置 Pb 8.80 Cd Hg Cr SS 69 pH值 李家沟选矿厂南 300m 尾矿库北 1000m 地表水 I类标准 超标倍数 0.009 0.012 0.001 8~11 0.00121 0.00215 0.00005 23.2~42 0.005 0.005 0.01 6.60 6.60 6~9 11.52 0.01 165 — 879~1151 不超标 不超标 从调查监测结果看,陕西潼关金矿从 1995年开发到 2002年,区内 7条河流基本成了矿坑废水、 选厂尾矿浆排放地,重金属 Hg、Pb、Cd、Cr严重超标,致使河水不能灌溉,水生生物灭绝。当地土 壤和小麦中金属元素普遍高于地区背景值。采用汞板、蒸汞提金,致使区域大气汞浓度全部超标, 最大超标 38倍。导致河流污染的根源在于大部分乡镇个体企业选矿废水、矿坑水的直排、偷排和事 故排放,使区内的 7条河流始终处于严重超标污染状态。 陕西柞水银硐子银铅矿所在的东房沟重污染明显。银硐子银铅矿矿山下游 1km处(HS-003)Pb 含量较对照点(HS-001)高出 21倍,比马耳峡污染点(下游 1km处)高出 1倍。地区及周边土壤 Pb超过背景值近 70倍,Cd超出近 8倍。 甘肃成县厂坝矿区是另一个矿区环境污染严重的典型区。2km长的东河两岸共有大小 20余家乡 镇个体铅锌选矿厂,尾矿浆直排、偷排现象普遍,依山傍河和尾矿库内的尾矿砂高出现坝面造成溢 流、溃坝现象普遍,东河河道中沉积了厚厚的灰色尾矿砂,使东河水质量严重下降,水体生物平衡 系统已经完全破坏。据西北矿业研究院 2001年 10月编制的《厂坝铅锌矿二期工程环境影响专题评 价》报告,东河水质 4个断面地面水监测数据如表 3-14。 表 3-14 甘肃成县厂坝矿区东河地面水质监测结果统计 单位:mg/L 柏湾断面 柒家沟断面 柒家沟口排水 (监测断面) 毕家庄断面 控制断面) GHZBI-1999 项 目 ( 对照断面) (监测断面) Ⅲ类水标准 pH Hg Cu Pb Zn Cd 8.34 0.00005 0.032 0.023 0.452 0.0005 0.387 8.60 0.00005 0.067 2.283 2.04 8.31 0.00005 0.07 8.39 0.00005 0.218 3.33 0.0001 1.0 0.1 0.05 1.0 0.19 6.53 0.0005 0.413 0.0005 0.877 0.0005 0.460 0.005 1.0 氟化物 从表面 3-14可以看出,矿区柒家沟地表水主要来源于上游厂坝尾矿库、废石场的淋滤水、民 采矿坑地表溢流水和泉水,为常年溪流,铅超标 1倍。而柒家沟断面位于东河主河道,该断面上游 2 km范围内分布着国有厂坝矿山选厂、乡镇及个体大小数十家选矿厂及铅锌矿石堆场,因而存在众 多染源,断面铅、锌超标 44.66倍和 1.04倍。毕家庄断面位于厂坝矿区下游直线距离约 10km处, 铅、锌两种元素超标最为严重,分别为 65.6和 5.53倍。 以厂坝铅锌矿区开发之前东河底泥数据为对照标准,经过 20 余年开发,东河底泥中铅、锌、 镉的监测值沉积累计倍数分别为 25.7~4.4、188.5~5.7、540.1~23.7,河底中的污染物变得越 来越严重(表 3-15)。 - 单位:10 mg/L 6 表 3-15 甘肃成县厂坝铅锌矿区东河底泥重金属监测结果 项 目 1号柏湾断面 450.99 2号柒家沟断面 275.95 4号毕家庄断面 91.12 对照标准 16.92 累积超标总数 Pb 25.7~4.4 188.5~5.7 540.1~23.7 Zn Cd 521.15 14846.36 57.90 5274.21 17.85 78.35 2.64 0.107 汉江旬阳段是饮用水水源地二级保护区,水质可以达到人畜直接饮用的标准,正因为水质好,而 被选为南水北调中线调水工程的水源,汉江旬阳段下游约 300km处的丹江口水库,是南水北调工程中 线调水工程的取水点。2001 年 7 月前,旬阳县城沿江而下的 40 多千米长的汉江两岸共有 7 家选矿 厂,用沙包、石块垒成的高 2m 左右的简易“尾矿池坝”,尾矿废水经过简单沉淀后,散发着刺鼻异 味的黑色污水就顺着山沟直接流进了汉江,灰黑色的污水形成了长长的污染带。2001年 7月中央电 话台《焦点访谈》栏目对此进行了曝光。2002年项目组对此进行了追踪调查,在汉白公路一侧能明 显看到大部分选矿厂已被拆除,但是,汉江南岸还有个别选矿厂及铅锌小治炼企业仍在生产,废水 仍在污染汉江。 黄金选治过程中采用氰化堆浸技术工艺,如果废水处理不合格就排放将对矿区水土环境造成严 重污染。氰化物属于剧毒物质,一般人平均吸入氰酸 50mg或误食氰化钠 120mg就会中毒死亡。水体 - 中 CN 浓度≧(0.05~1)mg/L,就能导致鱼类死亡。根据对陕西凤县四方金矿采用的氰化堆浸工艺 - 进行监测,尾矿浆未经处理直接排入八卦河,将使河水中 CN 增高到 44.674mg/L,超标 893.5倍。 尤其是在一些偏远经济落后的地区,企业的环保观念淡薄,过度追求短期经济效益,致使采金过程 中含有剧毒的氰化废渣、废水直接排放,造成矿区河流、草场、植被以及农作物污染,潜在危害严 重。内蒙古李清地银业有限公司(银矿)尾液渗漏造成水中氰达 414.85mg/L,超标 424 倍;锌为 1 40mg/L,超标 28 倍;铜为 3.669mg/L,超标 12.23 倍。若遇雨季,这些污染物将对周围环境造成 严重污染。 第四节 有害元素的环境效应 一、汞元素危害 案例 1 万山汞元素污染 、贵州万山汞矿开采地质环境特征 1 区域地质背景:位于上扬子台褶带与江南台隆的交接地带,区域性的北北东向凤凰-晃县大背斜 中段,次级北西西向平缓的万山背斜南翼(图 2—33)。 成矿环境:汞矿产于中、下寒武统台地边缘斜坡相沉积岩。产出地层主要为中寒武统花桥组和 敖溪组两个含矿岩组,岩性为硅化灰岩、条带状灰岩及条带状白云岩. 北北东-北东向断裂是控制矿田和矿床分布的主干断裂,其倾角陡,并具多期活动特点。矿田内 矿床受北西西-北西向二级背斜或褶曲带以及断裂控制,其含矿体受次级褶曲群、层间破碎带或断裂 系、滑动及剥离构造控制(图 2—33)。 矿体(床)组合分布及产状:矿田内包括有十几个矿床,具有规模大、口位中-高的特点,个别 矿床可达巨型。矿床分布呈等距性。矿体主要呈似层状、扁豆状及鞍状(图 2—34)。 图 2-34 万山汞矿含矿层综合剖面图 (据万山矿务局) 1-上部泥质白云岩、泥灰岩、页岩; 2-条带状白云岩; 3-下部 泥质白云岩、泥灰岩、页岩; 4-含石英的白云石脉带;5-矿体、 图 2—34 矿石类型及矿物组合:金属矿物除辰砂外,伴有少量辉锑矿、闪锌矿、黄铁矿;脉石矿物有白 云石、石英、方解石、重晶石、沥青、萤石、石膏。 矿石结构构造:矿石构造主要为条带状、角砾状、细脉状、晶洞状,少数块状、浸染状。 矿化及分带性:据控矿构造和产状特征分 3类:①层带型矿化,主要汞矿化。局限于含矿层内, 受层间构造控制;②断裂型矿化,沿断裂分布;③复合型矿化,受容矿层和断裂构造联合控制。 蚀变及分带性:围岩蚀变以碳酸盐化、硅化为主,是重要的近矿围岩蚀变,次有沥青化、黄铁 矿化、重晶石化、粘土化、萤石化等。 矿床的成因机理:成矿过程由两个阶段组成:第一阶段为沉积阶段,初步富集形成矿源层;第 二阶段为热液改造再富集阶段,形成工业矿床。 成因分类:地台型,碳酸盐建造中的汞矿床。矿床的成矿模式见图 2—35。 图 2-34 贵州万山特区铜仁市被称为中国汞都,金属矿物除辰砂外,伴有辉锑矿、闪锌矿、黄铁矿,汞 富集成矿层,矿层开采后,汞矿石经过风化作用,对大气及地下水产生严重污染,矿区汞中毒患者 高达 40%,人体汞含量超标达 98倍,因危害严重已责令矿山关闭。 2 、矿业开发造成的环境污染,破坏了地区生物链的良性循环 贵州某汞矿原属中央大型矿山企业,开采始于明洪武元年,至今已有 600 余年的历史。目前, 该矿资源枯竭,矿山关闭,但数百年采冶形成的地质环境污染,严重破坏了地区生物链的良性循环。 如空气污染、水体污染、农田污染、农作物污染,对矿区及周围居民的健康和生存环境造成了损害。 普通居民尿汞平均超标 3.5 倍,炼汞工人尿汞超标一个数量级。汞中毒患病率占冶炼工人的 40%, 2 2 乡镇企业炼汞人员超过 50%。在汞矿区 338km 的总面积中,有 180km 面积不同程度受到了汞污染和 危害。矿毒性稻田达 6500 亩,占水稻总面积的 27%。玉米、水稻含汞量分别超标 10.25 倍和 33.1 倍,含汞量最高的小白菜超标达 98.1倍。矿区采矿巷道总长达 970km,形成大片采空区,造成地表 水大量渗漏,地下水位大幅度大降且多被污染,致使许多地区人畜饮水困难。当地政府不惜高价从 外地引水解决矿区困难,目前仍有部分人还在饮用被污染的水。可见,水资源和土壤一旦被污染, 要恢复生态环境治理难度很大,给当地经济的可持续发展造成困难,形成了矿山及周围地区经济社 会问题。 3 、空气受到污染 矿山选矿时,矿石经过磨破,粒度减小,表面积增大,在气候干旱及大风季节,尾矿粉尘在风 力的推动下,飞扬周围地区,污染空气和土壤,使土地退化,房屋蒙尘加大,甚至引发居民疾病。 如上述的万山汞矿,空气汞污染给当地居民身体健康带来损害。在沙尘暴危害日益严重的今天,治 理沙尘源头之一的矿山尾矿,显得尤为重要。 二、硫磺及硫化物矿床开采对环境影响 ① 黄铁矿的氧化作用及其环境效应 2 黄铁矿(FeS)为硫化物矿床最常见的金属矿物或工业矿物之一,在全国各地均有分布,西南 区最多。金、银、铅锌多金属硫化物矿床中也极为普遍。黄铁矿又是分布最广的含硫矿物,其中硫 为有害元素。在铅锌多金属硫化物矿石中,黄铁矿属于相对较难氧化分解的硫化物矿物。但是,黄 铁矿的氧化不仅对水质、土质和人类健康具有重要影响,而且,对方铅矿、毒砂的氧化和闪锌矿中 有毒元素镉的活化起着重要制约作用。 2 - 2- 黄铁矿的氧化作用主要表现为 S 将进一步氧化为高价铁的硫酸盐.[Fe 水解作用最终转变为氢氧化铁[Fe (OH) 2 4 4 氧化为 SO ,产生硫酸亚铁(FeSO)和硫酸。其中硫酸亚铁 (SO ]。在中性或弱酸性溶液中,高价铁的硫酸盐将发生 ]。氢氧化铁凝聚为分布最广泛的水赤铁矿、针铁矿、褐 2 4 3 ) 3 铁矿等各种表生铁矿物。在干旱地区,硫酸浓度相对增大,往往产生黄钾铁矾、叶绿矾、针绿矾、 水绿矾、纤纳铁矾等多种硫酸盐类矿物。 黄铁矿的氧化作用反应式可概括为: 2 FeS+70 2 2 +2H 2 O→2FeSO+2H 4 2 SO 4 4 FeSO +0 4 2 +2H 2 SO →2Fe(SO 4 2 4 ) 3 2 +2H0 Fe 2 (SO 4 ) 3 +6H 2 3 2 4 0→2Fe(OH) +3HSO 2 4 2 4 3 3 2 3 2 即: FeS→FeSO→Fe(SO) →Fe(OH) →Fe0·nHO 矿山排水中的酸主要由黄铁矿等硫化物的氧化作用所致,是造成环境(水、大气、土壤)酸污 染的重要因素之一。 水体受酸污染后,即可改变 pH值或酸化,亦可增加无机盐成分和水的硬度,破坏水体的自然缓 冲作用,抑制微生物的生长和水体的自净功能,并进一步导致土壤的酸化污染。水质酸化使水的口 感发生变化,长期饮用可导致消化道疾病,并对淡水生物和植物均有不良影响。 黄铁矿氧化作用所产生的极酸性溶液,又可以促使铅锌多金属矿床中方铅矿、闪锌矿、毒砂等 硫化物进一步氧化,导致 Pb、Cd、As、S等有害元素更多地被释放丽污染环境 (大气、水、土壤), 危害人类健康。 ② 方铅矿的氧化作用及其环境效应 方铅矿(PbS)也是硫化物矿床最常见的金属矿物或工业矿物之一,全国各地广泛分布,铅锌多 金属硫化物矿床中也极为常见。方铅矿又是分布最广的含硫铅矿物,其中铅是 “五毒”元素之一。 无论自然风化或采矿选冶活动,都将促使方铅矿氧化,使部分铅溶解而随水迁移,在一定条件下将 危害环境。然而,在铅锌矿石中,方铅矿属于相对较难氧化分解的硫化物,近地表氧化带中硫酸锌 因溶解难度很大而首先进入溶液并远距离迁移,硫酸铅则因其溶解度相对很小而多残留原地。 方铅矿的氧化作用主要反应式: PbS+20 2 →PbSO 4 PbS+H 2 SO 4 4 2 →PbSO+HS 3 + + 2- 2+ 2+ 或 PbS+8Fe +4H 0→8H+SO +Pb +8Fe 2 4 可见,方铅矿氧化时首先形成不易溶解于水的硫酸铅(铅矾)。后者在与碳酸盐类相遇时,铅可 以白铅矿形式再沉淀,其化学反应式为: PbSO 4 +CaCO+2H 3 2 3 4 2 O→PbCO+CaSO·2HO 方铅矿的氧化最终产物主要为白铅矿(PbC0)、铅铁矿(PbFe(OH)12[SO])等,只有在罕见 3 6 4 4 的强氧化环境下以 PbO 2 2 3 和 Pb0 形式存在。 环境中铅的污染来源主要为铅锌矿山和冶炼厂的废水及汽油的防爆剂等。 土壤中水溶性铅的浓度随氧化还原电位和 pH值的增大而降低,水稻对铅的吸收亦有此特点。而 当 pH值降低时,被固定的铅可释放出来。在天然水体中由于铅化合物溶解度很小而浓度很低。 铅的污染对人类健康有着重要的危害,经呼吸道从空气及食物中摄取过剩的铅可引起腹绞痛、 贫血、神经疾病等急性铅中毒。 ③ 闪锌矿的氧化作用及其环境交应 闪锌矿(ZnS)也是硫化物矿床最常见的金属矿物或工业矿物之一,钼广布西南区,金、银、铅 锌多金属硫化物矿床中也较为常见。闪锌矿又是分布最广的含镉硫化物矿物,其中镉也是“五毒(汞、 镉、铅、铬、砷)”元素之一,而且其毒性仅次于汞。镉与锌为同族元素,是典型的亲铜元素,两者 有着共同的地球化学行为,但镉比锌具有更强的亲硫性。通常镉以类质同象置换其它离子而存在于 各种含镉矿物(锌和锡、铅、铜等的硫化物)之中。其中闪锌矿是含镉的主要矿物,含镉量可高达 1 .786%,一般在 0.1~0.5%。含镉闪锌矿在与自然水的长期作用下将遭受破坏,部分镉和硫及其 它元素被释放进入水体,再通过水—土壤—植物—动物等途径危害人类。而(含镉)闪锌矿又是铅 锌多金属硫化矿床中的主要矿物,采矿事业的发展将加速这个进程。在另一方面,闪锌矿亦是铅锌 多金属硫化物矿床常见硫化物矿物中氧化速度较快的硫化物矿物。因此,了解镉由固态的含镉闪锌 矿通过氧化溶解进入水体中的能力和在水体中的存在形式及其与地球化学环境的关系,查明水体中 镉来源的机理、存在状态、影响因素以及被固定或沉淀(溶解镉转化为不溶解镉)的条件,即可采 取措施来降低水体中有害镉的浓度,缓解镉对人类的危害。 在地表氧化不强的环境下,含镉的主要矿物闪锌矿由于其氧化还原电位极低 (Eh°=-0.76V) 4 即可被迅速氧化溶解,硫酸锌(ZnS0)由于溶解度特大首先进入溶液并可远距离迁移。 闪锌矿的氧化作用主要反应式: ZnS+20→ZnSO 2 4 ZnS+H 2 SO 4 4 2 →ZnSO+HS 3 + + 2- 2+ 2+ 或 ZnS+8Fe +4H 硫酸锌可被水溶液完全带走。但与碳酸盐类相遇时,锌以菱锌矿形式再沉淀,其化学反应式为: ZnSO +CaCO+2H0→ZnCO+CaSO·2H 2 4 0→8H+SO +Zn +8Fe 4 3 2 3 4 2 0 3 3 4 2 闪锌矿的氧化最终产物主要为菱锌矿(ZnCO)、铁菱锌矿[(Zn,Fe)CO]、异极矿[Zn(OH) )·HO]及水锌矿[Zn(OH) (CO ]等。 ( Si 2 0 7 2 5 6 3 2 ) 2 + - 镉则由于更为亲硫形成硫化镉(CdS)而沉淀(Cd +S+2e=CdS,Eh°=0.31V)。在强氧化条件 4 下,镉在水溶液中形成 CdO、CdCO 和 CdSO 等。 3 镉对人类的危害主要是溶解镉。这部分镉在水中的溶解度相当大,能被高度活化和分散。然而 在地表和地下水的较深部位溶解的镉,又能通过化学反应和物理过程降低溶解度而被固定在沉积物 或矿床中。 闪锌矿氧化溶解释放出的镉进入土壤中的存在形式,主要为水溶性镉、吸附镉和难溶性镉。其 中水溶性镉为离子态和配合态,易迁移转化和被植物吸收,危害性较大。胶体吸附态和难溶配合态 的镉,则不易移动且难以被植物所吸收,危害性相对较小。但是,在一定条件下,两者可相互转化。 镉进入土壤中主要为 CdS、CdCO、CdSO、CdCl、Cd(NO) 等无机镉化合物。其中 CdSO、CdCI、 3 4 2 3 2 4 2 Cd(NO 溶解度较高。特别是在酸性条件下,其溶解度和迁移能力均较强,且易被植物吸收。但在 3 2 ) 3 碱性条件下,随其活性降低而沉淀析出。CdCO 和 CdS由于其溶解度较小而成为镉在土壤中的主要沉 淀形式。 闪锌矿氧化溶解释放镉进入水体,其迁移与沉淀受水体中底泥、悬浮物、pH值及阴离子等因素 的影响。水体中底泥与悬浮物对水体的镉有很强的吸附能力。在 pH 值>7 时,随 pH 值的增大镉被 2 吸附的量也明显增加。Cd 在 pH值<8时为简单离子,而在 pH值为 8时可生成 Cd(OH) + 2 。天然水 - 环境中的 Cl、OH和 S0 - 2- 2+ ,可与镉离子(Cd )配合形成 CaCI、Cd(OH) 、Cd (OH) + + - 、Cd(OH) 4 2 3 、 4 Cd(OH)Cl、CdS0 等配离子。闪锌矿氧化溶解而释放进入水体中的镉,通常很快被水中的微粒吸附 或产生化学沉淀,但是,镉向底泥的转化以及底泥的迁移将污染环境。 环境中的镉(水、空气、土壤)主要来源于铅、锌、铜多金属矿山,制镉工业及燃煤烟尘,是 地壳丰度的 1 367倍。 镉是一种毒性很强的稀有分散元素,可以从饮用水、食品、空气、职业性接触等多种途径进入 人体,形成不同程度的急慢性镉中毒症。如肺癌、肾脏疾病、高血压、动脉硬化,以及发生于日本 神道川的由于采矿而引起的镉污染所造成的“骨痛病”,使科学界认识到镉对环境污染的严重性。如 Prusty等(1994)提出,在因开采贱金属而被污染的河水中,镉是活性最大的和最可能被植物吸收 的元素之一。高镉的土壤影响水稻等农作物的生长和质量,在大 m食物链中镉具有独特的迁移行为。 国外把含镉 lmg/kg的糙 m称之为 “镉 m”而禁止食用。 ④毒砂的氧化作用及其环境效应 毒砂(FeAsS)是重要的含硫砷矿物,为工业上生产砷的主要原料来源,亦是开采硫化矿床中被 破坏的矿物。砷亦是“五毒”元素之一 。而且,毒砂在张家口—京西地区金、银、铅锌多金属硫化 物矿床中较为常见,往往是 Au的直接载体.毒砂只有在强碱性和还原环境中稳定,表生水环境的富 氧必然引起毒砂分解。在铅锌多金属硫化物矿床近地表氧化带的酸性和氧化环境下,毒砂的氧化速 度比黄铁矿大很多,可与闪锌矿的氧化速度相类比。毒砂一旦被氧化,就会释放 Fe、As、S等元素。 在硫化矿床氧化带及矿坑与尾矿砂中,由于大量黄铁矿的氧化所产生的酸性水将导致毒砂的不稳定, 促使毒砂中的砷进入水环境而危害人类健康。 毒砂被破坏的速率与表生水体的成分和酸碱度密切相关。在硫化矿床氧化带由于硫化物特别是 3 FeS 的普遍存在和氧化,产生了以 Fe(SO) 为主要成分的淋滤液。这类水酸度大(pH≈2),Fe 2 2 4 3 + - 3 -5 浓度可达 10 ~10 mol/kg,具有很强的氧化能力,能使毒砂迅速分解。 毒砂的氧化作用主要反应式: 3 FeAsS+13Fe +8H + 2+ 0—14Fe +SO 2- 4 + +13H+HAsO(aq) 3 4 2 5 + 3+ 5+ 从上式分析,毒砂氧化直接释放的是 As 。但是,在许多地区 As 浓度相当高。一种可能是 As 3 + 3+ 5+ 的还原而产生 As ,另一种可能则毒砂氧化时释放的是 As ,在后来有利的环境中进一步氧化成 As , 3 + 如果不存在使进一步氧化的有利条件,As 就可稳定地存在。 毒砂的氧化作用强度随氧化剂浓度的升高而增加,含 FeCI 3 的溶液有利于毒砂的氧化。在铅锌 3 + 5+ 3+ 2 4 3 多金属硫化矿床氧化带的有利环境下,毒砂氧化释放 As 和 As ,其中以 As 为主。Fe(SO) 介质 3 + - 3+ 5+ 有利于 As 稳定,C1加入有利于 As 向 As 转换。 第五节 非金属开采主要环境问题 一、石棉矿床开采引起环境问题 一) 海水入侵问题,金州石棉矿开采积累丰富海水入侵资料 ( 金州石棉矿则海水入侵严重,该矿位于辽东半岛南端,地貌单元为丘陵和海蚀阶地等海滨区。 矿床系辉绿岩与中震旦系灰岩接触变质的矽卡岩类型,矿层沿辉绿岩底板分布,中震旦系甘井子组 及南关岭组大理岩构成矿层直接底板充水岩层。矿床北部、西部、东部都有隔水边界,南部分布有 中震旦系岩溶含水层,为天然状态下的泄水口边界,地下水由北向南流向海底(见图 1)。 天然条件下山前洪积扇为低矿化度淡水,只有冲积平原的沿海地带为高矿化度咸水。 该矿开采近 30 年,目前开采水平已达-300m,长期疏干排水引起海水强烈入侵:(1)海水入 侵量随着采深增加而增加(表 3);(2)由于矿床三边隔水,只有南部海岸为开水口边界,故矿床 疏干时井筒的南巷道突水点均为海水入侵涌水点,北巷道均 图 1 金州石棉矿基岩地质图 Zxg桥头组石英岩;Zwc长岭子组板岩;Zwn南关岭组石灰岩;Zwg甘井子组白云质灰岩; Ziy营城子组灰岩;Zis十三里台组灰岩;Zim马家屯组灰岩;Zic崔家屯组石英岩; Zix头民村组灰岩夹页岩;Zid大林子组页岩夹砂岩;Pu辉绿岩 1 、矿层 2、不透水层 表 3 海水入侵情况 开 采 水 平 海水混入量(%) 采 样 地 点 -100南巷道 -150南巷道 -200南巷道 -250南巷道 采 样 时 间 1970 - - - - - 100 150 200 250 300 29.7 47.0 1974 55.67 67.10 68.47 1977 1979 -300小 仓 1979 为淡水(矿化度 M<0.5g/L)涌水点.井筒离海岸越近,海水入侵量越大(见表 4);(3)海水入侵主要使矿 坑水氯离子和钠离子增加,据 1959-1958统计资料,矿坑水矿化度田<0.5g/L增加到 20g/L。 表 4 海水入侵与离海岸线的关系 勘 探 线 4—5线 5—6线 6—7线 7—8线 8—9线 9—10线 10—11线 12线以北 海水混入量 8 3.8 61.0 56.2 56.0 48.6 12.5 7.1 0 ( %) 山东半岛黄县煤田,为滨海型海水充水矿床,这些矿床的开采也会带来海水入侵问题。 防止海水入侵,充分利用和保护淡水资源是矿床水文地质学者和环境地质学者重要的研究课题 之一,目前尚未有可行的措施和方法。然而在原有的基础上,进一步摸清海水入侵规律,总结出其 入侵模式,对不同模式(模型)采取不同的措施和方法,例如对金州的石棉矿,海水只从南部进入 矿坑,井下可施行咸、淡水分流工程,将此部进入矿坑的淡水单独提出,作为供水水源,对一号导 水断层进行注浆封闭,保护(防止)矿区东部区域地下水溃入矿道和解除区域地下水受海水入侵问 题。 金州石棉矿,现已闭坑多年,但它为岩溶裂隙充水矿床,海水入侵问题集累可贵资料,即海水 入侵量与充水岩层裂隙系统和特征和垂向非均质相关,理论上均质介质中,海水入侵量与海水与淡 水比重差和水头差不是直接相关,而是与海底裂隙通道分布标高,裂隙通道连通性和宽度相关。 ( 二) 对大气影响 2 陕西南部石棉矿,露天剥离采场面积约 2.2km,剥离采棉形成灰白色废渣与远处翠绿的山峰形 成极为鲜明的对比。剥离的废渣堆积的高度已高出废渣拦渣坝约 150m,而坝内尾矿渣已于坝面持平, 坝基高出下游矿山机关及职工居住地 100 多 m,矿区存在潜在泥石流隐患。同时采矿及选棉产生的 粉尘将对矿山居民构成严重的环境污染。青海芒崖石棉矿始建于 1958年,是全国石棉产量最在的矿 2 2 山,山坡式露天开采,矿山实际开采面积 0.4km,TM卫星遥感影像图上大气粉尘强烈影响区约 50km, 2 2 2 是矿区开采面积的 125倍,中度影响区约 10km,轻度影响区 5km,累计大气粉尘污染面积 65km, 是其矿山开采面积的 162.5倍。 周围人群及大气,地面植被均受到严重威胁。 二、磷矿开发对环境影响 1 .云贵地区磷矿开发对水环境的影响 ( 1) 云南昆阳沉积磷矿地质环境特征 大地构造背景:矿区位于扬子准地台西部的康滇地轴南端。出露地层及岩性自下而上有:前震 旦系、震旦系、下寒武统渔户村组、筇竹寺组砂页岩、沧浪铺组砂岩,中泥盆统海口组砂、砾岩, 及石炭、二叠纪地层。矿区以东有南北向的普渡河大断裂通过。 赋矿地层:磷块岩层产在渔户村组上部的中谊树段,底板为白岩硝段的含砂质白云岩,二者呈 间断接触;顶板为大海段白云岩. 控矿构造:矿床处于昆明次级沉积盆地西缘,香条冲背斜东南翼;地层近东西向分布。倾角平 缓,矿区内有近南北向的小断层发育。 ( 2) 矿山环境地质问题引发了区域生态环境恶化 云南昆明滇池是名胜旅游区,但滇池水体受到了严重污染。滇池水中含磷高→磷高就生长绿藻 绿藻多消耗水中的氧就多→鱼就少水就发臭→滇池绿藻有几米厚。国家已拨巨资来治理滇池,但 → 效果并不佳,仅局部水体得到改善。究其原因,环境恶化的现象在滇池,但根子在矿山。滇池周边 是著名的昆阳磷矿,磷矿开发过程中形成的矿山废水和废弃物含磷高,流向滇池,使滇池水体含磷 量持续增加,造成滇池水体污染。因此,要治理滇池的水环境问题,必须首先治理昆阳磷矿矿山环 境地质问题,这才是根本办法。
标签:  矿山地质环境 
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