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文檔簡介
礦山工程地質(zhì)災(zāi)害處理一、概述
礦山工程地質(zhì)災(zāi)害是指在礦山建設(shè)、開采及運(yùn)營過程中,由于地質(zhì)環(huán)境擾動、自然因素影響等引發(fā)的各類地質(zhì)災(zāi)害。這些災(zāi)害可能威脅人員安全、破壞生產(chǎn)設(shè)施、污染環(huán)境,甚至影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。因此,對礦山工程地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行科學(xué)處理至關(guān)重要。本文檔旨在系統(tǒng)闡述礦山工程地質(zhì)災(zāi)害的類型、成因、監(jiān)測預(yù)警及處理技術(shù),為礦山安全管理提供參考。
二、礦山工程地質(zhì)災(zāi)害的類型與成因
礦山工程地質(zhì)災(zāi)害主要包括以下幾類,其成因與地質(zhì)條件、工程活動密切相關(guān)。
(一)地質(zhì)災(zāi)害類型
1.地面沉降與塌陷
(1)成因:礦井開采導(dǎo)致地下空腔形成,上覆巖層失穩(wěn)垮塌。
(2)特征:地表形成洼地或裂縫,嚴(yán)重時(shí)引發(fā)建筑物破壞。
2.地裂縫
(1)成因:巖層不均勻變形或應(yīng)力集中導(dǎo)致地表出現(xiàn)裂縫。
(2)特征:沿特定方向延伸,寬度變化不一,可能伴隨滑坡。
3.滑坡與泥石流
(1)成因:坡體穩(wěn)定性下降,雨水或地下水浸潤加速運(yùn)動。
(2)特征:沿坡面快速滑動,易發(fā)生在陡坡或松散堆積區(qū)。
4.礦山突水
(1)成因:礦井開拓突破含水層,導(dǎo)致地下水大量涌入。
(2)特征:突發(fā)性強(qiáng),可能伴隨瓦斯爆炸等次生災(zāi)害。
(二)成因分析
1.地質(zhì)因素
(1)巖體結(jié)構(gòu):軟弱夾層、節(jié)理發(fā)育區(qū)易失穩(wěn)。
(2)水文地質(zhì):含水層分布影響地下水動態(tài)。
2.工程活動因素
(1)開采方式:長期開采導(dǎo)致應(yīng)力重新分布。
(2)支護(hù)不足:巷道圍巖變形加劇。
三、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警
有效的監(jiān)測預(yù)警是災(zāi)害防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié),主要方法包括:
(一)監(jiān)測技術(shù)
1.位移監(jiān)測
(1)手段:使用GPS、全站儀測量地表或巖體位移。
(2)指標(biāo):監(jiān)測速率可達(dá)每日1次,精度要求±1毫米。
2.應(yīng)力監(jiān)測
(1)手段:埋設(shè)應(yīng)變計(jì)或光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。
(2)指標(biāo):實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)力變化,閾值設(shè)定需結(jié)合歷史數(shù)據(jù)。
3.水文監(jiān)測
(1)手段:水位計(jì)、流量計(jì)監(jiān)測礦井水動態(tài)。
(2)指標(biāo):異常水位上升需立即報(bào)警。
(二)預(yù)警系統(tǒng)
1.數(shù)據(jù)處理
(1)步驟:采集數(shù)據(jù)→濾波去噪→趨勢分析。
(2)工具:采用MATLAB或?qū)I(yè)巖土軟件進(jìn)行計(jì)算。
2.預(yù)警分級
(1)標(biāo)準(zhǔn):根據(jù)位移速率、應(yīng)力變化劃分三級預(yù)警(藍(lán)、黃、紅)。
(2)響應(yīng):藍(lán)級需加強(qiáng)巡查,紅級應(yīng)立即撤離人員。
四、地質(zhì)災(zāi)害處理技術(shù)
針對不同災(zāi)害類型,可采用以下處理技術(shù):
(一)地面沉降與塌陷處理
1.注漿加固
(1)方法:通過鉆孔向巖層注入水泥漿液。
(2)效果:提升承載力,適用于小范圍塌陷。
2.建設(shè)抗變形設(shè)施
(1)措施:鋪設(shè)柔性管道、采用復(fù)合地基。
(2)適用:鐵路、公路下方巖層較破碎區(qū)域。
(二)地裂縫處理
1.填充修復(fù)
(1)步驟:清理裂縫→注入柔性填充物(如聚氨酯)。
(2)要求:填充需密實(shí),避免后期再次開裂。
2.坡體錨固
(1)方法:采用錨桿或錨索固定坡面。
(2)適用:裂縫伴隨滑坡風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域。
(三)滑坡與泥石流防治
1.邊坡加固
(1)技術(shù):擋土墻、被動防護(hù)網(wǎng)。
(2)材料:混凝土擋墻高度根據(jù)坡高設(shè)計(jì)(如5-15米)。
2.排水措施
(1)方法:設(shè)置截水溝、排水孔。
(2)標(biāo)準(zhǔn):排水孔間距控制在10-20米。
(四)礦山突水處理
1.防水帷幕
(1)工藝:高壓旋噴樁形成阻水帶。
(2)效果:有效攔截含水層水流。
2.疏排水系統(tǒng)
(1)設(shè)計(jì):建立多級排水泵站。
(2)參數(shù):水泵流量需匹配最大突水速率(如500-2000立方米/小時(shí))。
五、安全管理與預(yù)防措施
為減少地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),需落實(shí)以下管理措施:
(一)勘察與設(shè)計(jì)階段
1.地質(zhì)勘察
(1)內(nèi)容:詳細(xì)查明斷層、含水層分布。
(2)周期:每年復(fù)核一次勘察報(bào)告。
2.設(shè)計(jì)優(yōu)化
(1)原則:采用分層開采、留設(shè)保護(hù)煤柱。
(2)標(biāo)準(zhǔn):保護(hù)煤柱寬度需大于50米。
(二)施工與監(jiān)測
1.施工規(guī)范
(1)要求:支護(hù)設(shè)計(jì)必須經(jīng)專家論證。
(2)檢查:每日檢查巷道圍巖狀況。
2.動態(tài)調(diào)整
(1)流程:根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。
(2)案例:某礦井通過調(diào)整錨桿間距降低了50%變形量。
(三)應(yīng)急預(yù)案
1.制度建設(shè)
(1)內(nèi)容:明確災(zāi)害分級、響應(yīng)流程。
(2)培訓(xùn):每季度組織應(yīng)急演練。
2.資源配置
(1)設(shè)備:配備排水設(shè)備、救援車輛。
(2)物資:儲備應(yīng)急藥品、照明器材。
六、結(jié)論
礦山工程地質(zhì)災(zāi)害處理是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程,需結(jié)合地質(zhì)條件、工程特點(diǎn)采取綜合措施。通過科學(xué)監(jiān)測、合理防治及嚴(yán)格管理,可顯著降低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),保障礦山安全生產(chǎn)。未來應(yīng)進(jìn)一步推廣智能化監(jiān)測技術(shù)與綠色開采工藝,提升災(zāi)害防治水平。
一、概述
礦山工程地質(zhì)災(zāi)害是指在礦山建設(shè)、開采及運(yùn)營過程中,由于地質(zhì)環(huán)境擾動、自然因素影響等引發(fā)的各類地質(zhì)災(zāi)害。這些災(zāi)害可能威脅人員安全、破壞生產(chǎn)設(shè)施、污染環(huán)境,甚至影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。因此,對礦山工程地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行科學(xué)處理至關(guān)重要。本文檔旨在系統(tǒng)闡述礦山工程地質(zhì)災(zāi)害的類型、成因、監(jiān)測預(yù)警及處理技術(shù),為礦山安全管理提供參考。
二、礦山工程地質(zhì)災(zāi)害的類型與成因
礦山工程地質(zhì)災(zāi)害主要包括以下幾類,其成因與地質(zhì)條件、工程活動密切相關(guān)。
(一)地質(zhì)災(zāi)害類型
1.地面沉降與塌陷
(1)成因:礦井開采導(dǎo)致地下空腔形成,上覆巖層失穩(wěn)垮塌。具體過程包括:采空區(qū)上方巖體應(yīng)力重新分布,形成減壓區(qū);隨著應(yīng)力集中,巖體產(chǎn)生裂隙并逐步擴(kuò)大;最終當(dāng)覆巖強(qiáng)度不足以支撐上覆荷載時(shí),發(fā)生垮塌,形成地表凹陷或裂縫。地下水位的升降也會加速這一過程,尤其是疏干排水導(dǎo)致上覆巖層收縮開裂。
(2)特征:地表形成洼地或裂縫,洼地形狀與采空區(qū)大小、形狀相關(guān),初期可能緩慢沉降,后期加速;裂縫呈樹枝狀或羽狀,寬度變化不一,從幾毫米到數(shù)米不等,嚴(yán)重時(shí)可能伴隨滑坡。塌陷坑邊緣巖體松動,易發(fā)生次生滑坡。地面沉降還可能導(dǎo)致地下管線(水管、電纜等)斷裂、建筑物傾斜或開裂。
2.地裂縫
(1)成因:巖層不均勻變形或應(yīng)力集中導(dǎo)致地表出現(xiàn)裂縫。具體可分為:開采引起的張性裂縫,因巖體拉伸變形形成,通常走向平行于采空區(qū)邊界或主要采動影響帶;構(gòu)造活動引起的裂縫,與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造有關(guān);應(yīng)力釋放引起的裂縫,在采動影響范圍內(nèi),由于應(yīng)力平衡被打破而產(chǎn)生。
(2)特征:裂縫長度、寬度、深度變化較大,短者幾米,長者可達(dá)數(shù)百米,甚至貫通整個(gè)采區(qū)。走向通常與采動影響帶或巖層結(jié)構(gòu)面一致。裂縫表面可能伴有錯(cuò)動,指示地下應(yīng)力方向。地裂縫的出現(xiàn)通常預(yù)示著巖層變形進(jìn)入活躍期。
3.滑坡與泥石流
(1)成因:坡體穩(wěn)定性下降,雨水或地下水浸潤加速運(yùn)動。在礦山開采活動中,滑坡主要發(fā)生在開采形成的邊坡、排土場、尾礦庫邊坡等。成因包括:開挖坡腳導(dǎo)致坡體應(yīng)力平衡破壞;爆破振動加劇巖土體松動;雨水或礦井排水滲入坡體,增加重量并降低抗剪強(qiáng)度;風(fēng)化作用使巖土體強(qiáng)度衰減。泥石流則多發(fā)生在山區(qū)礦區(qū),由強(qiáng)降雨或融雪觸發(fā),攜帶大量松散固體物質(zhì)沿溝谷流動。
(2)特征:滑坡沿特定坡面滑動,速度可快可慢,從緩慢的蠕滑到高速的崩滑。泥石流具有突發(fā)性、破壞力強(qiáng)、流動范圍廣等特點(diǎn)。兩者都可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)、堵塞河道、毀壞設(shè)施。
4.礦山突水
(1)成因:礦井開拓突破含水層,導(dǎo)致地下水大量涌入。常見于:礦井開拓接近老空區(qū)、廢棄礦井、含水豐富的巖溶區(qū)、斷層破碎帶時(shí);或在強(qiáng)降雨、河流水位上漲時(shí),地表水通過裂隙滲入井下。突水往往是多種因素疊加的結(jié)果。
(2)特征:突水具有突發(fā)性強(qiáng)、水量突然增大的特點(diǎn),可能伴隨有害氣體(如瓦斯、二氧化碳)溢出。嚴(yán)重突水會迅速淹沒巷道,導(dǎo)致人員傷亡和設(shè)備損毀,并可能引發(fā)淹沒周邊地表的現(xiàn)象。
(二)成因分析
1.地質(zhì)因素
(1)巖體結(jié)構(gòu):軟弱夾層、節(jié)理發(fā)育區(qū)、層理面、斷層破碎帶等結(jié)構(gòu)面發(fā)育,降低了巖體整體性和強(qiáng)度,在應(yīng)力作用下易成為滑動面或破裂面。例如,軟弱夾層傾角小于15°時(shí),極易發(fā)生順層滑坡。節(jié)理密集區(qū)巖體變形能力差,易產(chǎn)生應(yīng)力集中。
(2)水文地質(zhì):含水層分布、富水性、補(bǔ)給條件直接影響地下水位動態(tài)。高滲透性巖層(如砂巖、礫巖)或巖溶發(fā)育區(qū),地下水位下降時(shí)易發(fā)生巖體收縮開裂;而富水區(qū)則易發(fā)生突水、滑坡(水軟化作用)。
2.工程活動因素
(1)開采方式:長期、大規(guī)模的開采導(dǎo)致地下應(yīng)力場發(fā)生顯著變化,形成采動影響帶。上覆巖層移動、斷裂、垮落,形成空腔,引發(fā)地表沉降、地裂縫等。開采深度、方法(如放頂煤開采)直接影響影響范圍和強(qiáng)度。
(2)支護(hù)不足:巷道、硐室等工程結(jié)構(gòu)圍巖未得到有效支護(hù)或支護(hù)設(shè)計(jì)不合理,導(dǎo)致圍巖變形超限甚至失穩(wěn)垮塌。支護(hù)不及時(shí)、支護(hù)強(qiáng)度不夠是常見問題。
(3)爆破影響:爆破振動使巖體松動、產(chǎn)生裂隙,降低巖體強(qiáng)度,誘發(fā)或加劇地表沉降、滑坡、地裂縫等災(zāi)害。靠近邊坡或結(jié)構(gòu)物的爆破更需嚴(yán)格控制。
(4)疏干排水:為了降低地下水位方便開采,長期進(jìn)行礦井排水。這雖是必要的生產(chǎn)活動,但會導(dǎo)致上覆巖層應(yīng)力重新分布,加速巖體變形和破壞,是誘發(fā)地表沉降的重要原因之一。
三、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警
有效的監(jiān)測預(yù)警是災(zāi)害防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié),主要方法包括:
(一)監(jiān)測技術(shù)
1.位移監(jiān)測
(1)手段:
-地面監(jiān)測:使用GPS/GNSS接收機(jī)測量地表點(diǎn)位的平面位移;采用全站儀、測距儀、水準(zhǔn)儀進(jìn)行三角測量、視準(zhǔn)線法、水準(zhǔn)測量,精確測量沉降盆地的半徑、深度和沉降速率;布設(shè)地面裂縫計(jì)、測斜儀監(jiān)測裂縫變化。
-地下監(jiān)測:在采空區(qū)上方或邊坡內(nèi)部布設(shè)測斜管,通過測斜儀測量巖體內(nèi)部位移和變形趨勢;使用鉆孔位移計(jì)測量特定深度巖體的水平或垂直位移。
(2)指標(biāo):監(jiān)測頻率需根據(jù)災(zāi)害發(fā)育階段調(diào)整,早期可每日或每周一次,活躍期每日甚至數(shù)小時(shí)一次。精度要求根據(jù)監(jiān)測對象確定,一般工程監(jiān)測可達(dá)±1毫米至±2毫米。重點(diǎn)關(guān)注位移量、位移速率及其變化趨勢。
2.應(yīng)力監(jiān)測
(1)手段:埋設(shè)應(yīng)變計(jì)(如電阻式應(yīng)變計(jì)、振弦式應(yīng)變計(jì))或光纖傳感網(wǎng)絡(luò)(FSN)沿巷道圍巖、邊坡體或關(guān)鍵結(jié)構(gòu)布設(shè),實(shí)時(shí)監(jiān)測巖體或結(jié)構(gòu)的應(yīng)力/應(yīng)變變化;使用地音儀等設(shè)備監(jiān)測巖體破裂聲發(fā)射信號。
(2)指標(biāo):實(shí)時(shí)記錄應(yīng)力數(shù)據(jù),分析應(yīng)力集中區(qū)域和變化規(guī)律。設(shè)定應(yīng)力閾值,當(dāng)監(jiān)測值接近或超過閾值時(shí)發(fā)出預(yù)警。應(yīng)力監(jiān)測對于預(yù)測失穩(wěn)至關(guān)重要。
3.水文監(jiān)測
(1)手段:在礦井水倉、主要水倉及關(guān)鍵巷道內(nèi)設(shè)置水位計(jì)、流量計(jì),實(shí)時(shí)監(jiān)測水量變化;在含水層富集區(qū)布設(shè)水文孔,監(jiān)測地下水位、水質(zhì)(如pH值、電導(dǎo)率、懸浮物含量)變化;對地表水體(如河流、池塘)的水位進(jìn)行監(jiān)測。
(2)指標(biāo):重點(diǎn)關(guān)注水位、流量的突變情況。例如,水位異常上漲可能預(yù)示突水風(fēng)險(xiǎn);流量突然增大可能伴隨地表滑坡或泥石流。建立水文情勢與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)聯(lián)分析模型。
4.形變監(jiān)測
(1)手段:采用激光掃描技術(shù)(LiDAR)對地表、邊坡、結(jié)構(gòu)物進(jìn)行掃描,獲取高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),對比分析變形前后的差異;使用傾斜儀監(jiān)測建筑物、邊坡的傾斜度變化。
(2)指標(biāo):通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析地表沉降盆地的形態(tài)變化、邊坡的變形模式;通過傾斜儀數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性。
(二)預(yù)警系統(tǒng)
1.數(shù)據(jù)處理
(1)步驟:
1.數(shù)據(jù)采集與傳輸:通過傳感器自動采集數(shù)據(jù),并通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心。
2.數(shù)據(jù)預(yù)處理:對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去噪、標(biāo)定等,消除誤差干擾。
3.特征提取與分析:計(jì)算位移速率、加速度、應(yīng)力變化率等特征參數(shù);采用時(shí)間序列分析、空間分析等方法識別異常模式。
4.閾值判斷與模型預(yù)警:將分析結(jié)果與預(yù)設(shè)的預(yù)警閾值(藍(lán)、黃、橙、紅)進(jìn)行比較;結(jié)合地質(zhì)模型、數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行綜合判斷,觸發(fā)預(yù)警。
(2)工具:可采用專業(yè)的巖土工程軟件(如RockKit,PLAXIS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及定制開發(fā)的監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
2.預(yù)警分級
(1)標(biāo)準(zhǔn):根據(jù)監(jiān)測指標(biāo)(如位移速率、應(yīng)力變化幅度、水位漲幅)的異常程度,結(jié)合災(zāi)害發(fā)育階段和可能造成的損失,劃分預(yù)警級別。
-藍(lán)色預(yù)警(注意):監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)初現(xiàn)異常,變化速率較慢,災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增加,需加強(qiáng)監(jiān)測和巡查。
-黃色預(yù)警(警):監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯偏離正常范圍,變化速率加快,災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較高,需啟動應(yīng)急準(zhǔn)備,必要時(shí)疏散部分人員。
-橙色預(yù)警(嚴(yán)重):監(jiān)測數(shù)據(jù)急速惡化,接近或達(dá)到臨界值,災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)很高,需啟動部分應(yīng)急響應(yīng),全力進(jìn)行搶險(xiǎn)準(zhǔn)備。
-紅色預(yù)警(特別嚴(yán)重):監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到或超過臨界值,災(zāi)害即將發(fā)生或正在發(fā)生,需立即啟動全面應(yīng)急響應(yīng),組織人員撤離,采取緊急處置措施。
(2)響應(yīng):不同級別預(yù)警對應(yīng)不同的響應(yīng)措施。預(yù)警信息需通過廣播、警報(bào)器、短信、專用APP等多種渠道及時(shí)傳達(dá)給相關(guān)人員。
四、地質(zhì)災(zāi)害處理技術(shù)
針對不同災(zāi)害類型,可采用以下處理技術(shù):
(一)地面沉降與塌陷處理
1.注漿加固
(1)方法:
-充填注漿:在采空區(qū)上方或周邊鉆孔,向空腔或裂隙中注入水泥漿、水玻璃漿液或化學(xué)漿液,以充填空隙、加固巖體。適用于范圍較小、形狀規(guī)則的塌陷坑和沉降區(qū)。
-預(yù)應(yīng)力注漿:在鉆孔中放置可膨脹的錨桿或注漿管,注入漿液后膨脹,對上覆巖層施加預(yù)應(yīng)力,提高其穩(wěn)定性。
-高壓旋噴樁:通過高壓旋轉(zhuǎn)噴嘴將漿液噴射到巖土體中,與土體混合形成加固圈。適用于較大范圍的沉降區(qū),可形成整體性的加固帶。
(2)效果:漿液硬化后能有效提高巖土體強(qiáng)度和承載能力,抑制地表進(jìn)一步沉降,填充塌陷坑,恢復(fù)地表形態(tài)。效果通常可持續(xù)多年。
(3)關(guān)鍵點(diǎn):注漿材料選擇需根據(jù)地層條件確定;注漿壓力、孔距、角度、漿液配比需通過試驗(yàn)優(yōu)化;注漿量需足量,確保充填飽滿。
2.建設(shè)抗變形設(shè)施
(1)措施:
-柔性管道鋪設(shè):在沉降敏感區(qū)域(如鐵路、公路下方)鋪設(shè)橡膠或聚乙烯等柔性管道,利用其變形能力吸收部分不均勻沉降。
-復(fù)合地基處理:采用強(qiáng)夯、振沖、樁基礎(chǔ)(如CFG樁、碎石樁)等方法對地基進(jìn)行處理,提高地基承載力,減少不均勻沉降。
-地表結(jié)構(gòu)加固:對開裂或沉降的建筑物、道路進(jìn)行糾偏、加固,如采用碳纖維加固、增大截面法、地基托換等。
(2)適用:適用于需要維持地表設(shè)施正常使用,或沉降量較大、速率較快的區(qū)域。復(fù)合地基和柔性管道等方法尤其適用于大范圍、不均勻沉降的治理。
(3)注意事項(xiàng):抗變形設(shè)施設(shè)計(jì)需充分考慮未來可能的最大沉降量;地基加固應(yīng)與上覆巖層加固相結(jié)合。
(二)地裂縫處理
1.填充修復(fù)
(1)步驟:
1.清理裂縫:清除裂縫內(nèi)的松散土石、雜物,必要時(shí)沖洗干凈。
2.選擇填充材料:根據(jù)裂縫寬度、深度、環(huán)境條件選擇填充物。常用材料包括:低模量聚氨酯、水泥砂漿、聚苯乙烯泡沫等。聚氨酯適用于較寬、較深的裂縫,固化后彈性好;水泥砂漿適用于較窄裂縫,強(qiáng)度較高。
3.注入填充物:對于豎向或傾斜裂縫,可從下往上或從一端向另一端壓入填充物;對于水平裂縫,可沿裂縫走向鉆孔注入。確保填充密實(shí)。
4.表面處理:填充后,根據(jù)需要可覆蓋砂漿、混凝土或土工布等,恢復(fù)地表平整和美觀。
(2)要求:填充需飽滿、連續(xù),避免后期再次開裂。填充材料應(yīng)與周圍環(huán)境協(xié)調(diào),并具有一定的耐久性。
(3)適用:適用于修復(fù)已形成的地表裂縫,防止其進(jìn)一步擴(kuò)展。
2.坡體錨固
(1)方法:
-錨桿/錨索支護(hù):在坡體表面鉆孔,安裝錨桿或錨索,并通過錨頭固定在坡體內(nèi)部穩(wěn)定的巖層或結(jié)構(gòu)上,然后噴射混凝土或安裝錨桿網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)形成支護(hù)面層。適用于中高陡邊坡的地裂縫治理。
-格構(gòu)梁/擋土墻:對于裂縫伴隨的滑坡體,可設(shè)置格構(gòu)梁對坡面進(jìn)行約束,或在坡腳修建擋土墻,提供額外的支撐力。
(2)適用:適用于地裂縫伴隨坡體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域,能有效提高坡體整體穩(wěn)定性,阻止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。
(3)設(shè)計(jì)要點(diǎn):錨桿/錨索的長度、數(shù)量、傾角需根據(jù)坡體地質(zhì)條件、荷載進(jìn)行計(jì)算;支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)與自然地形結(jié)合,協(xié)調(diào)美觀。
(三)滑坡與泥石流防治
1.邊坡加固
(1)技術(shù):
-抗滑樁/錨桿樁:在滑坡體內(nèi)部或邊緣設(shè)置樁體,通過樁身抗剪能力或錨固段與穩(wěn)定地基的拉結(jié)力,阻止滑坡體滑動。適用于中大型滑坡。
-擋土墻:在邊坡坡腳修建重力式擋土墻、鋼筋混凝土擋土墻或加筋擋土墻等,提供被動土壓力,阻止坡體下滑。適用于坡腳失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。
-錨桿/錨索框架梁:在坡體表面設(shè)置錨桿或錨索,并與鋼筋骨架焊接形成框架,再噴射混凝土,對坡面進(jìn)行約束,防止表層巖土體滑動。適用于中陡坡或中低陡坡的坡面防護(hù)。
-柔性防護(hù)網(wǎng)(主動防護(hù)/被動防護(hù)):采用高強(qiáng)度鋼絲繩網(wǎng)或環(huán)形網(wǎng),通過錨桿系統(tǒng)固定在坡體上(主動防護(hù))或設(shè)置在坡腳作為攔截系統(tǒng)(被動防護(hù)),吸收滑體動能,防止落石或小規(guī)?;隆?/p>
(2)材料:樁體常用混凝土、鋼筋混凝土;錨桿/錨索常用鋼絞線、螺紋鋼;擋土墻材料根據(jù)高度和地質(zhì)條件選擇;柔性防護(hù)網(wǎng)材料以高強(qiáng)度鋼絲為主。
(3)標(biāo)準(zhǔn):加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需由專業(yè)巖土工程師完成,計(jì)算參數(shù)(如內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、容重)需通過試驗(yàn)確定。施工質(zhì)量直接影響效果。
2.排水措施
(1)方法:
-截水溝:在滑坡體上方或側(cè)方設(shè)置環(huán)形或半環(huán)形截水溝,攔截地表徑流,防止其沖刷坡面或滲入坡體。
-排水孔/排水管:在坡體內(nèi)部或坡面布設(shè)排水孔(直徑通常100-200mm),將滲水引導(dǎo)至坡腳排出;對于大型滑坡,可設(shè)置水平排水管道系統(tǒng)。
-地表植被恢復(fù):在坡面種植深根植物,增加地表覆蓋率,減少雨水沖刷,涵養(yǎng)水源。
-地下排水:對于地下水影響顯著的滑坡,可設(shè)置盲溝、水平排水孔等,降低坡體地下水位。
(2)參數(shù):截水溝深度和間距需根據(jù)匯水面積和降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì);排水孔布置密度需考慮土體滲透性和含水率;植被選擇需適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蚝屯寥罈l件。
(3)適用:排水措施是滑坡和泥石流防治的基礎(chǔ)性工程,能有效降低坡體重量和含水率,提高抗滑穩(wěn)定性。必須與邊坡加固措施相結(jié)合使用效果最佳。
(四)礦山突水處理
1.防水帷幕
(1)工藝:通過鉆孔,向含水層或?qū)ǖ乐凶⑷霛{液,形成連續(xù)或不連續(xù)的阻水帶,以攔截或疏導(dǎo)地下水。常用方法包括:
-高壓旋噴樁:利用高壓旋轉(zhuǎn)噴嘴將漿液噴射旋轉(zhuǎn),與土體混合形成水泥土墻。適用于封堵斷層破碎帶、巖溶發(fā)育區(qū)。
-地下連續(xù)墻:采用鉆機(jī)成槽,然后在槽內(nèi)澆筑混凝土,形成連續(xù)的地下墻體。適用于截?cái)啻笮蛯?dǎo)水通道。
-水泥土攪拌樁/注漿樁:通過深層攪拌或鉆孔注漿,形成水泥土加固區(qū)。適用于較淺層或中等厚度的含水層。
(2)效果:有效降低突水點(diǎn)或影響區(qū)的地下水位,減少水量,甚至完全切斷水源。是治理礦井突水的關(guān)鍵措施之一。
(3)關(guān)鍵點(diǎn):防水帷幕的設(shè)計(jì)需精確確定導(dǎo)水通道的位置和范圍;施工中需保證漿液強(qiáng)度和連續(xù)性;帷幕厚度和滲透系數(shù)需通過試驗(yàn)或模擬確定。
2.疏排水系統(tǒng)
(1)設(shè)計(jì):
1.評估突水潛力:分析礦井水文地質(zhì)條件,識別主要含水層、導(dǎo)水構(gòu)造和未來可能的最大突水量。
2.規(guī)劃排水網(wǎng)絡(luò):根據(jù)突水潛力,設(shè)計(jì)多級排水系統(tǒng),包括主排水泵站、排水管路、水倉等。
3.選型排水設(shè)備:選擇合適規(guī)格和型號的水泵(如離心泵、渣漿泵),確保排水能力(流量)滿足最大突水需求,并留有備用系數(shù)(如提高20%-30%)。揚(yáng)程需克服整個(gè)排水高程差。
4.設(shè)置監(jiān)測點(diǎn):在排水系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(如水泵出口、水倉)安裝流量計(jì)、液位計(jì),實(shí)時(shí)監(jiān)控排水狀況。
(2)參數(shù):水泵的額定流量需大于預(yù)計(jì)最大突水流量,揚(yáng)程需計(jì)算得出;排水管路材質(zhì)需考慮耐磨性和耐腐蝕性;水倉容量需滿足短期突水量的儲存需求。
(3)案例:某礦井通過建立分區(qū)排水系統(tǒng),將排水能力從1500立方米/小時(shí)提升至2000立方米/小時(shí),成功應(yīng)對了一次突水事件。
五、安全管理與預(yù)防措施
為減少地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),需落實(shí)以下管理措施:
(一)勘察與設(shè)計(jì)階段
1.地質(zhì)勘察
(1)內(nèi)容:
-詳細(xì)查明地質(zhì)構(gòu)造:重點(diǎn)調(diào)查斷層、褶皺、節(jié)理裂隙的發(fā)育規(guī)律、性質(zhì)和產(chǎn)狀。
-查明含水層:確定含水層的分布范圍、富水性、補(bǔ)給排泄條件、水壓水位。
-評估巖體穩(wěn)定性:測試巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)(如強(qiáng)度、變形模量、滲透系數(shù)),分析其穩(wěn)定性。
-調(diào)查周邊環(huán)境:了解地表建筑物、道路、水體分布,評估地質(zhì)災(zāi)害可能造成的損失。
(2)方法:綜合運(yùn)用地質(zhì)羅盤測量、鉆探取樣、物探(電阻率法、地震波法等)、遙感解譯等技術(shù)手段。
(3)周期:在礦山規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行詳細(xì)勘察;在開采過程中,需根據(jù)揭露的新情況,定期補(bǔ)充勘察。
2.設(shè)計(jì)優(yōu)化
(1)原則:
-合理開采順序與方法:采用分層開采、條帶開采、充填開采等方法,減少對上覆巖層和邊坡的擾動。在關(guān)鍵部位(如斷層附近、褶皺軸部、軟弱地層)留設(shè)足夠的保護(hù)煤(巖)柱。
-優(yōu)化巷道布置與支護(hù):合理選擇巷道位置,避開不良地質(zhì)構(gòu)造;采用科學(xué)的支護(hù)設(shè)計(jì)(如錨桿支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)、鋼架支護(hù)等),確保圍巖穩(wěn)定。
-統(tǒng)籌考慮排水與防水:設(shè)計(jì)完善的礦井排水系統(tǒng);在含水層發(fā)育區(qū),設(shè)計(jì)防水密閉硐室、防水閘門等防水設(shè)施。
(2)標(biāo)準(zhǔn):保護(hù)煤柱的尺寸需根據(jù)地質(zhì)條件、開采深度、覆巖性質(zhì)等因素,通過計(jì)算或類比確定,一般寬度不小于30-50米;支護(hù)設(shè)計(jì)必須滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求,并留有安全系數(shù)。
(3)評審:設(shè)計(jì)方案需經(jīng)專業(yè)技術(shù)人員評審,必要時(shí)邀請專家進(jìn)行論證。
(二)施工與監(jiān)測
1.施工規(guī)范
(1)要求:
-按設(shè)計(jì)施工:嚴(yán)格遵守批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工,不得隨意改變參數(shù)。
-加強(qiáng)支護(hù)管理:錨桿安裝角度、密度、錨固力必須符合設(shè)計(jì)要求;噴射混凝土厚度、強(qiáng)度需進(jìn)行檢查驗(yàn)收。
-控制爆破參數(shù):采用預(yù)裂爆破、微差爆破等技術(shù),減少爆破振動對圍巖和邊坡的影響。
-及時(shí)處理異常:施工中若發(fā)現(xiàn)地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)不符或出現(xiàn)巖體變形、裂縫等異?,F(xiàn)象,應(yīng)立即停止施工,分析原因,調(diào)整設(shè)計(jì)或采取應(yīng)急措施。
(2)檢查:建立嚴(yán)格的施工檢查制度,每日檢查巷道圍巖、支護(hù)狀況;每周進(jìn)行系統(tǒng)性檢查;每月進(jìn)行綜合評估。
2.動態(tài)調(diào)整
(1)流程:
1.收集監(jiān)測數(shù)據(jù):定期獲取地表位移、圍巖應(yīng)力、水位、裂縫等監(jiān)測數(shù)據(jù)。
2.分析變化趨勢:利用專業(yè)軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,判斷災(zāi)害發(fā)展趨勢(穩(wěn)定、趨穩(wěn)、惡化)。
3.對比預(yù)警閾值:將分析結(jié)果與預(yù)警閾值進(jìn)行比較,確定當(dāng)前風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。
4.制定應(yīng)對措施:若趨勢惡化或接近閾值,根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級,制定并實(shí)施相應(yīng)的調(diào)整措施(如加強(qiáng)支護(hù)、改變開采方式、增加排水量等)。
5.效果評估與反饋:實(shí)施調(diào)整措施后,繼續(xù)監(jiān)測,評估效果,必要時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化。
(2)案例:某礦井通過實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)某邊坡位移速率加快,通過增加錨索數(shù)量、降低爆破單響藥量等措施,成功使位移速率降回安全范圍。
(三)應(yīng)急預(yù)案
1.制度建設(shè)
(1)內(nèi)容:
-明確災(zāi)害類型與分級:根據(jù)礦山實(shí)際可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害類型(如沉降、滑坡、突水),劃分不同級別(如一般、較大、重大、特別重大)。
-制定響應(yīng)流程:明確不同級別災(zāi)害發(fā)生時(shí)的報(bào)告程序、指揮體系、處置步驟、人員撤離路線和避險(xiǎn)場所。
-責(zé)任分工:明確各部門(如生產(chǎn)、安全、技術(shù)、機(jī)電、后勤等)和人員在應(yīng)急響應(yīng)中的職責(zé)。
-演練計(jì)劃:制定年度應(yīng)急演練計(jì)劃,定期組織桌面推演和實(shí)戰(zhàn)演練,檢驗(yàn)預(yù)案的可行性和有效性。
(2)評審與更新:應(yīng)急預(yù)案應(yīng)每年至少評審一次,并根據(jù)實(shí)際情況(如地質(zhì)條件變化、工程活動調(diào)整、演練結(jié)果)及時(shí)修訂。
2.資源配置
(1)設(shè)備:
-監(jiān)測設(shè)備:配備足夠的各類監(jiān)測儀器(如GPS、全站儀、測斜儀、水位計(jì)等)及配套設(shè)備(如電池、充電器、傳輸設(shè)備)。
-搶險(xiǎn)設(shè)備:根據(jù)可能發(fā)生的災(zāi)害類型,儲備相應(yīng)的搶險(xiǎn)設(shè)備,如排水泵、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、自卸汽車、支護(hù)材料(錨桿、網(wǎng)片、混凝土等)、應(yīng)急照明、通信設(shè)備等。
(2)物資:
-生活物資:儲備一定量的應(yīng)急食品、飲用水、藥品、帳篷、被褥等,供人員避險(xiǎn)使用。
-防護(hù)用品:準(zhǔn)備安全帽、防護(hù)服、手套、呼吸器等個(gè)人防護(hù)用品。
(3)資金:設(shè)立應(yīng)急專項(xiàng)資金,確保應(yīng)急響應(yīng)和災(zāi)后恢復(fù)的資金需求。
六、結(jié)論
礦山工程地質(zhì)災(zāi)害處理是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程,涉及地質(zhì)、工程、管理等多個(gè)方面。通過科學(xué)監(jiān)測、合理防治及嚴(yán)格管理,可顯著降低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),保障礦山安全生產(chǎn)。關(guān)鍵在于:
1.加強(qiáng)前期勘察設(shè)計(jì):準(zhǔn)確掌握地質(zhì)條件,優(yōu)化開采設(shè)計(jì)和支護(hù)方案,從源頭上減少災(zāi)害隱患。
2.實(shí)施有效監(jiān)測預(yù)警:建立完善的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和預(yù)警系統(tǒng),做到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處置。
3.采用適宜處理技術(shù):針對不同災(zāi)害類型和程度,選擇經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)成熟的處理方法(如注漿、錨固、排水等)。
4.強(qiáng)化過程安全管理:規(guī)范施工行為,加強(qiáng)動態(tài)調(diào)整,嚴(yán)格執(zhí)行應(yīng)急預(yù)案。
未來應(yīng)進(jìn)一步推廣智能化監(jiān)測技術(shù)(如物聯(lián)網(wǎng)、人工智能)、綠色開采工藝(如充填開采、保水開采)以及生態(tài)修復(fù)技術(shù),提升礦山地質(zhì)災(zāi)害防治水平,實(shí)現(xiàn)安全、高效、可持續(xù)的礦業(yè)發(fā)展。
一、概述
礦山工程地質(zhì)災(zāi)害是指在礦山建設(shè)、開采及運(yùn)營過程中,由于地質(zhì)環(huán)境擾動、自然因素影響等引發(fā)的各類地質(zhì)災(zāi)害。這些災(zāi)害可能威脅人員安全、破壞生產(chǎn)設(shè)施、污染環(huán)境,甚至影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。因此,對礦山工程地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行科學(xué)處理至關(guān)重要。本文檔旨在系統(tǒng)闡述礦山工程地質(zhì)災(zāi)害的類型、成因、監(jiān)測預(yù)警及處理技術(shù),為礦山安全管理提供參考。
二、礦山工程地質(zhì)災(zāi)害的類型與成因
礦山工程地質(zhì)災(zāi)害主要包括以下幾類,其成因與地質(zhì)條件、工程活動密切相關(guān)。
(一)地質(zhì)災(zāi)害類型
1.地面沉降與塌陷
(1)成因:礦井開采導(dǎo)致地下空腔形成,上覆巖層失穩(wěn)垮塌。
(2)特征:地表形成洼地或裂縫,嚴(yán)重時(shí)引發(fā)建筑物破壞。
2.地裂縫
(1)成因:巖層不均勻變形或應(yīng)力集中導(dǎo)致地表出現(xiàn)裂縫。
(2)特征:沿特定方向延伸,寬度變化不一,可能伴隨滑坡。
3.滑坡與泥石流
(1)成因:坡體穩(wěn)定性下降,雨水或地下水浸潤加速運(yùn)動。
(2)特征:沿坡面快速滑動,易發(fā)生在陡坡或松散堆積區(qū)。
4.礦山突水
(1)成因:礦井開拓突破含水層,導(dǎo)致地下水大量涌入。
(2)特征:突發(fā)性強(qiáng),可能伴隨瓦斯爆炸等次生災(zāi)害。
(二)成因分析
1.地質(zhì)因素
(1)巖體結(jié)構(gòu):軟弱夾層、節(jié)理發(fā)育區(qū)易失穩(wěn)。
(2)水文地質(zhì):含水層分布影響地下水動態(tài)。
2.工程活動因素
(1)開采方式:長期開采導(dǎo)致應(yīng)力重新分布。
(2)支護(hù)不足:巷道圍巖變形加劇。
三、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警
有效的監(jiān)測預(yù)警是災(zāi)害防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié),主要方法包括:
(一)監(jiān)測技術(shù)
1.位移監(jiān)測
(1)手段:使用GPS、全站儀測量地表或巖體位移。
(2)指標(biāo):監(jiān)測速率可達(dá)每日1次,精度要求±1毫米。
2.應(yīng)力監(jiān)測
(1)手段:埋設(shè)應(yīng)變計(jì)或光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。
(2)指標(biāo):實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)力變化,閾值設(shè)定需結(jié)合歷史數(shù)據(jù)。
3.水文監(jiān)測
(1)手段:水位計(jì)、流量計(jì)監(jiān)測礦井水動態(tài)。
(2)指標(biāo):異常水位上升需立即報(bào)警。
(二)預(yù)警系統(tǒng)
1.數(shù)據(jù)處理
(1)步驟:采集數(shù)據(jù)→濾波去噪→趨勢分析。
(2)工具:采用MATLAB或?qū)I(yè)巖土軟件進(jìn)行計(jì)算。
2.預(yù)警分級
(1)標(biāo)準(zhǔn):根據(jù)位移速率、應(yīng)力變化劃分三級預(yù)警(藍(lán)、黃、紅)。
(2)響應(yīng):藍(lán)級需加強(qiáng)巡查,紅級應(yīng)立即撤離人員。
四、地質(zhì)災(zāi)害處理技術(shù)
針對不同災(zāi)害類型,可采用以下處理技術(shù):
(一)地面沉降與塌陷處理
1.注漿加固
(1)方法:通過鉆孔向巖層注入水泥漿液。
(2)效果:提升承載力,適用于小范圍塌陷。
2.建設(shè)抗變形設(shè)施
(1)措施:鋪設(shè)柔性管道、采用復(fù)合地基。
(2)適用:鐵路、公路下方巖層較破碎區(qū)域。
(二)地裂縫處理
1.填充修復(fù)
(1)步驟:清理裂縫→注入柔性填充物(如聚氨酯)。
(2)要求:填充需密實(shí),避免后期再次開裂。
2.坡體錨固
(1)方法:采用錨桿或錨索固定坡面。
(2)適用:裂縫伴隨滑坡風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域。
(三)滑坡與泥石流防治
1.邊坡加固
(1)技術(shù):擋土墻、被動防護(hù)網(wǎng)。
(2)材料:混凝土擋墻高度根據(jù)坡高設(shè)計(jì)(如5-15米)。
2.排水措施
(1)方法:設(shè)置截水溝、排水孔。
(2)標(biāo)準(zhǔn):排水孔間距控制在10-20米。
(四)礦山突水處理
1.防水帷幕
(1)工藝:高壓旋噴樁形成阻水帶。
(2)效果:有效攔截含水層水流。
2.疏排水系統(tǒng)
(1)設(shè)計(jì):建立多級排水泵站。
(2)參數(shù):水泵流量需匹配最大突水速率(如500-2000立方米/小時(shí))。
五、安全管理與預(yù)防措施
為減少地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),需落實(shí)以下管理措施:
(一)勘察與設(shè)計(jì)階段
1.地質(zhì)勘察
(1)內(nèi)容:詳細(xì)查明斷層、含水層分布。
(2)周期:每年復(fù)核一次勘察報(bào)告。
2.設(shè)計(jì)優(yōu)化
(1)原則:采用分層開采、留設(shè)保護(hù)煤柱。
(2)標(biāo)準(zhǔn):保護(hù)煤柱寬度需大于50米。
(二)施工與監(jiān)測
1.施工規(guī)范
(1)要求:支護(hù)設(shè)計(jì)必須經(jīng)專家論證。
(2)檢查:每日檢查巷道圍巖狀況。
2.動態(tài)調(diào)整
(1)流程:根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。
(2)案例:某礦井通過調(diào)整錨桿間距降低了50%變形量。
(三)應(yīng)急預(yù)案
1.制度建設(shè)
(1)內(nèi)容:明確災(zāi)害分級、響應(yīng)流程。
(2)培訓(xùn):每季度組織應(yīng)急演練。
2.資源配置
(1)設(shè)備:配備排水設(shè)備、救援車輛。
(2)物資:儲備應(yīng)急藥品、照明器材。
六、結(jié)論
礦山工程地質(zhì)災(zāi)害處理是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程,需結(jié)合地質(zhì)條件、工程特點(diǎn)采取綜合措施。通過科學(xué)監(jiān)測、合理防治及嚴(yán)格管理,可顯著降低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),保障礦山安全生產(chǎn)。未來應(yīng)進(jìn)一步推廣智能化監(jiān)測技術(shù)與綠色開采工藝,提升災(zāi)害防治水平。
一、概述
礦山工程地質(zhì)災(zāi)害是指在礦山建設(shè)、開采及運(yùn)營過程中,由于地質(zhì)環(huán)境擾動、自然因素影響等引發(fā)的各類地質(zhì)災(zāi)害。這些災(zāi)害可能威脅人員安全、破壞生產(chǎn)設(shè)施、污染環(huán)境,甚至影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。因此,對礦山工程地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行科學(xué)處理至關(guān)重要。本文檔旨在系統(tǒng)闡述礦山工程地質(zhì)災(zāi)害的類型、成因、監(jiān)測預(yù)警及處理技術(shù),為礦山安全管理提供參考。
二、礦山工程地質(zhì)災(zāi)害的類型與成因
礦山工程地質(zhì)災(zāi)害主要包括以下幾類,其成因與地質(zhì)條件、工程活動密切相關(guān)。
(一)地質(zhì)災(zāi)害類型
1.地面沉降與塌陷
(1)成因:礦井開采導(dǎo)致地下空腔形成,上覆巖層失穩(wěn)垮塌。具體過程包括:采空區(qū)上方巖體應(yīng)力重新分布,形成減壓區(qū);隨著應(yīng)力集中,巖體產(chǎn)生裂隙并逐步擴(kuò)大;最終當(dāng)覆巖強(qiáng)度不足以支撐上覆荷載時(shí),發(fā)生垮塌,形成地表凹陷或裂縫。地下水位的升降也會加速這一過程,尤其是疏干排水導(dǎo)致上覆巖層收縮開裂。
(2)特征:地表形成洼地或裂縫,洼地形狀與采空區(qū)大小、形狀相關(guān),初期可能緩慢沉降,后期加速;裂縫呈樹枝狀或羽狀,寬度變化不一,從幾毫米到數(shù)米不等,嚴(yán)重時(shí)可能伴隨滑坡。塌陷坑邊緣巖體松動,易發(fā)生次生滑坡。地面沉降還可能導(dǎo)致地下管線(水管、電纜等)斷裂、建筑物傾斜或開裂。
2.地裂縫
(1)成因:巖層不均勻變形或應(yīng)力集中導(dǎo)致地表出現(xiàn)裂縫。具體可分為:開采引起的張性裂縫,因巖體拉伸變形形成,通常走向平行于采空區(qū)邊界或主要采動影響帶;構(gòu)造活動引起的裂縫,與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造有關(guān);應(yīng)力釋放引起的裂縫,在采動影響范圍內(nèi),由于應(yīng)力平衡被打破而產(chǎn)生。
(2)特征:裂縫長度、寬度、深度變化較大,短者幾米,長者可達(dá)數(shù)百米,甚至貫通整個(gè)采區(qū)。走向通常與采動影響帶或巖層結(jié)構(gòu)面一致。裂縫表面可能伴有錯(cuò)動,指示地下應(yīng)力方向。地裂縫的出現(xiàn)通常預(yù)示著巖層變形進(jìn)入活躍期。
3.滑坡與泥石流
(1)成因:坡體穩(wěn)定性下降,雨水或地下水浸潤加速運(yùn)動。在礦山開采活動中,滑坡主要發(fā)生在開采形成的邊坡、排土場、尾礦庫邊坡等。成因包括:開挖坡腳導(dǎo)致坡體應(yīng)力平衡破壞;爆破振動加劇巖土體松動;雨水或礦井排水滲入坡體,增加重量并降低抗剪強(qiáng)度;風(fēng)化作用使巖土體強(qiáng)度衰減。泥石流則多發(fā)生在山區(qū)礦區(qū),由強(qiáng)降雨或融雪觸發(fā),攜帶大量松散固體物質(zhì)沿溝谷流動。
(2)特征:滑坡沿特定坡面滑動,速度可快可慢,從緩慢的蠕滑到高速的崩滑。泥石流具有突發(fā)性、破壞力強(qiáng)、流動范圍廣等特點(diǎn)。兩者都可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)、堵塞河道、毀壞設(shè)施。
4.礦山突水
(1)成因:礦井開拓突破含水層,導(dǎo)致地下水大量涌入。常見于:礦井開拓接近老空區(qū)、廢棄礦井、含水豐富的巖溶區(qū)、斷層破碎帶時(shí);或在強(qiáng)降雨、河流水位上漲時(shí),地表水通過裂隙滲入井下。突水往往是多種因素疊加的結(jié)果。
(2)特征:突水具有突發(fā)性強(qiáng)、水量突然增大的特點(diǎn),可能伴隨有害氣體(如瓦斯、二氧化碳)溢出。嚴(yán)重突水會迅速淹沒巷道,導(dǎo)致人員傷亡和設(shè)備損毀,并可能引發(fā)淹沒周邊地表的現(xiàn)象。
(二)成因分析
1.地質(zhì)因素
(1)巖體結(jié)構(gòu):軟弱夾層、節(jié)理發(fā)育區(qū)、層理面、斷層破碎帶等結(jié)構(gòu)面發(fā)育,降低了巖體整體性和強(qiáng)度,在應(yīng)力作用下易成為滑動面或破裂面。例如,軟弱夾層傾角小于15°時(shí),極易發(fā)生順層滑坡。節(jié)理密集區(qū)巖體變形能力差,易產(chǎn)生應(yīng)力集中。
(2)水文地質(zhì):含水層分布、富水性、補(bǔ)給條件直接影響地下水位動態(tài)。高滲透性巖層(如砂巖、礫巖)或巖溶發(fā)育區(qū),地下水位下降時(shí)易發(fā)生巖體收縮開裂;而富水區(qū)則易發(fā)生突水、滑坡(水軟化作用)。
2.工程活動因素
(1)開采方式:長期、大規(guī)模的開采導(dǎo)致地下應(yīng)力場發(fā)生顯著變化,形成采動影響帶。上覆巖層移動、斷裂、垮落,形成空腔,引發(fā)地表沉降、地裂縫等。開采深度、方法(如放頂煤開采)直接影響影響范圍和強(qiáng)度。
(2)支護(hù)不足:巷道、硐室等工程結(jié)構(gòu)圍巖未得到有效支護(hù)或支護(hù)設(shè)計(jì)不合理,導(dǎo)致圍巖變形超限甚至失穩(wěn)垮塌。支護(hù)不及時(shí)、支護(hù)強(qiáng)度不夠是常見問題。
(3)爆破影響:爆破振動使巖體松動、產(chǎn)生裂隙,降低巖體強(qiáng)度,誘發(fā)或加劇地表沉降、滑坡、地裂縫等災(zāi)害??拷吰禄蚪Y(jié)構(gòu)物的爆破更需嚴(yán)格控制。
(4)疏干排水:為了降低地下水位方便開采,長期進(jìn)行礦井排水。這雖是必要的生產(chǎn)活動,但會導(dǎo)致上覆巖層應(yīng)力重新分布,加速巖體變形和破壞,是誘發(fā)地表沉降的重要原因之一。
三、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警
有效的監(jiān)測預(yù)警是災(zāi)害防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié),主要方法包括:
(一)監(jiān)測技術(shù)
1.位移監(jiān)測
(1)手段:
-地面監(jiān)測:使用GPS/GNSS接收機(jī)測量地表點(diǎn)位的平面位移;采用全站儀、測距儀、水準(zhǔn)儀進(jìn)行三角測量、視準(zhǔn)線法、水準(zhǔn)測量,精確測量沉降盆地的半徑、深度和沉降速率;布設(shè)地面裂縫計(jì)、測斜儀監(jiān)測裂縫變化。
-地下監(jiān)測:在采空區(qū)上方或邊坡內(nèi)部布設(shè)測斜管,通過測斜儀測量巖體內(nèi)部位移和變形趨勢;使用鉆孔位移計(jì)測量特定深度巖體的水平或垂直位移。
(2)指標(biāo):監(jiān)測頻率需根據(jù)災(zāi)害發(fā)育階段調(diào)整,早期可每日或每周一次,活躍期每日甚至數(shù)小時(shí)一次。精度要求根據(jù)監(jiān)測對象確定,一般工程監(jiān)測可達(dá)±1毫米至±2毫米。重點(diǎn)關(guān)注位移量、位移速率及其變化趨勢。
2.應(yīng)力監(jiān)測
(1)手段:埋設(shè)應(yīng)變計(jì)(如電阻式應(yīng)變計(jì)、振弦式應(yīng)變計(jì))或光纖傳感網(wǎng)絡(luò)(FSN)沿巷道圍巖、邊坡體或關(guān)鍵結(jié)構(gòu)布設(shè),實(shí)時(shí)監(jiān)測巖體或結(jié)構(gòu)的應(yīng)力/應(yīng)變變化;使用地音儀等設(shè)備監(jiān)測巖體破裂聲發(fā)射信號。
(2)指標(biāo):實(shí)時(shí)記錄應(yīng)力數(shù)據(jù),分析應(yīng)力集中區(qū)域和變化規(guī)律。設(shè)定應(yīng)力閾值,當(dāng)監(jiān)測值接近或超過閾值時(shí)發(fā)出預(yù)警。應(yīng)力監(jiān)測對于預(yù)測失穩(wěn)至關(guān)重要。
3.水文監(jiān)測
(1)手段:在礦井水倉、主要水倉及關(guān)鍵巷道內(nèi)設(shè)置水位計(jì)、流量計(jì),實(shí)時(shí)監(jiān)測水量變化;在含水層富集區(qū)布設(shè)水文孔,監(jiān)測地下水位、水質(zhì)(如pH值、電導(dǎo)率、懸浮物含量)變化;對地表水體(如河流、池塘)的水位進(jìn)行監(jiān)測。
(2)指標(biāo):重點(diǎn)關(guān)注水位、流量的突變情況。例如,水位異常上漲可能預(yù)示突水風(fēng)險(xiǎn);流量突然增大可能伴隨地表滑坡或泥石流。建立水文情勢與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)聯(lián)分析模型。
4.形變監(jiān)測
(1)手段:采用激光掃描技術(shù)(LiDAR)對地表、邊坡、結(jié)構(gòu)物進(jìn)行掃描,獲取高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),對比分析變形前后的差異;使用傾斜儀監(jiān)測建筑物、邊坡的傾斜度變化。
(2)指標(biāo):通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析地表沉降盆地的形態(tài)變化、邊坡的變形模式;通過傾斜儀數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性。
(二)預(yù)警系統(tǒng)
1.數(shù)據(jù)處理
(1)步驟:
1.數(shù)據(jù)采集與傳輸:通過傳感器自動采集數(shù)據(jù),并通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心。
2.數(shù)據(jù)預(yù)處理:對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去噪、標(biāo)定等,消除誤差干擾。
3.特征提取與分析:計(jì)算位移速率、加速度、應(yīng)力變化率等特征參數(shù);采用時(shí)間序列分析、空間分析等方法識別異常模式。
4.閾值判斷與模型預(yù)警:將分析結(jié)果與預(yù)設(shè)的預(yù)警閾值(藍(lán)、黃、橙、紅)進(jìn)行比較;結(jié)合地質(zhì)模型、數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行綜合判斷,觸發(fā)預(yù)警。
(2)工具:可采用專業(yè)的巖土工程軟件(如RockKit,PLAXIS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及定制開發(fā)的監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
2.預(yù)警分級
(1)標(biāo)準(zhǔn):根據(jù)監(jiān)測指標(biāo)(如位移速率、應(yīng)力變化幅度、水位漲幅)的異常程度,結(jié)合災(zāi)害發(fā)育階段和可能造成的損失,劃分預(yù)警級別。
-藍(lán)色預(yù)警(注意):監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)初現(xiàn)異常,變化速率較慢,災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增加,需加強(qiáng)監(jiān)測和巡查。
-黃色預(yù)警(警):監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯偏離正常范圍,變化速率加快,災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較高,需啟動應(yīng)急準(zhǔn)備,必要時(shí)疏散部分人員。
-橙色預(yù)警(嚴(yán)重):監(jiān)測數(shù)據(jù)急速惡化,接近或達(dá)到臨界值,災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)很高,需啟動部分應(yīng)急響應(yīng),全力進(jìn)行搶險(xiǎn)準(zhǔn)備。
-紅色預(yù)警(特別嚴(yán)重):監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到或超過臨界值,災(zāi)害即將發(fā)生或正在發(fā)生,需立即啟動全面應(yīng)急響應(yīng),組織人員撤離,采取緊急處置措施。
(2)響應(yīng):不同級別預(yù)警對應(yīng)不同的響應(yīng)措施。預(yù)警信息需通過廣播、警報(bào)器、短信、專用APP等多種渠道及時(shí)傳達(dá)給相關(guān)人員。
四、地質(zhì)災(zāi)害處理技術(shù)
針對不同災(zāi)害類型,可采用以下處理技術(shù):
(一)地面沉降與塌陷處理
1.注漿加固
(1)方法:
-充填注漿:在采空區(qū)上方或周邊鉆孔,向空腔或裂隙中注入水泥漿、水玻璃漿液或化學(xué)漿液,以充填空隙、加固巖體。適用于范圍較小、形狀規(guī)則的塌陷坑和沉降區(qū)。
-預(yù)應(yīng)力注漿:在鉆孔中放置可膨脹的錨桿或注漿管,注入漿液后膨脹,對上覆巖層施加預(yù)應(yīng)力,提高其穩(wěn)定性。
-高壓旋噴樁:通過高壓旋轉(zhuǎn)噴嘴將漿液噴射到巖土體中,與土體混合形成加固圈。適用于較大范圍的沉降區(qū),可形成整體性的加固帶。
(2)效果:漿液硬化后能有效提高巖土體強(qiáng)度和承載能力,抑制地表進(jìn)一步沉降,填充塌陷坑,恢復(fù)地表形態(tài)。效果通??沙掷m(xù)多年。
(3)關(guān)鍵點(diǎn):注漿材料選擇需根據(jù)地層條件確定;注漿壓力、孔距、角度、漿液配比需通過試驗(yàn)優(yōu)化;注漿量需足量,確保充填飽滿。
2.建設(shè)抗變形設(shè)施
(1)措施:
-柔性管道鋪設(shè):在沉降敏感區(qū)域(如鐵路、公路下方)鋪設(shè)橡膠或聚乙烯等柔性管道,利用其變形能力吸收部分不均勻沉降。
-復(fù)合地基處理:采用強(qiáng)夯、振沖、樁基礎(chǔ)(如CFG樁、碎石樁)等方法對地基進(jìn)行處理,提高地基承載力,減少不均勻沉降。
-地表結(jié)構(gòu)加固:對開裂或沉降的建筑物、道路進(jìn)行糾偏、加固,如采用碳纖維加固、增大截面法、地基托換等。
(2)適用:適用于需要維持地表設(shè)施正常使用,或沉降量較大、速率較快的區(qū)域。復(fù)合地基和柔性管道等方法尤其適用于大范圍、不均勻沉降的治理。
(3)注意事項(xiàng):抗變形設(shè)施設(shè)計(jì)需充分考慮未來可能的最大沉降量;地基加固應(yīng)與上覆巖層加固相結(jié)合。
(二)地裂縫處理
1.填充修復(fù)
(1)步驟:
1.清理裂縫:清除裂縫內(nèi)的松散土石、雜物,必要時(shí)沖洗干凈。
2.選擇填充材料:根據(jù)裂縫寬度、深度、環(huán)境條件選擇填充物。常用材料包括:低模量聚氨酯、水泥砂漿、聚苯乙烯泡沫等。聚氨酯適用于較寬、較深的裂縫,固化后彈性好;水泥砂漿適用于較窄裂縫,強(qiáng)度較高。
3.注入填充物:對于豎向或傾斜裂縫,可從下往上或從一端向另一端壓入填充物;對于水平裂縫,可沿裂縫走向鉆孔注入。確保填充密實(shí)。
4.表面處理:填充后,根據(jù)需要可覆蓋砂漿、混凝土或土工布等,恢復(fù)地表平整和美觀。
(2)要求:填充需飽滿、連續(xù),避免后期再次開裂。填充材料應(yīng)與周圍環(huán)境協(xié)調(diào),并具有一定的耐久性。
(3)適用:適用于修復(fù)已形成的地表裂縫,防止其進(jìn)一步擴(kuò)展。
2.坡體錨固
(1)方法:
-錨桿/錨索支護(hù):在坡體表面鉆孔,安裝錨桿或錨索,并通過錨頭固定在坡體內(nèi)部穩(wěn)定的巖層或結(jié)構(gòu)上,然后噴射混凝土或安裝錨桿網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)形成支護(hù)面層。適用于中高陡邊坡的地裂縫治理。
-格構(gòu)梁/擋土墻:對于裂縫伴隨的滑坡體,可設(shè)置格構(gòu)梁對坡面進(jìn)行約束,或在坡腳修建擋土墻,提供額外的支撐力。
(2)適用:適用于地裂縫伴隨坡體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域,能有效提高坡體整體穩(wěn)定性,阻止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。
(3)設(shè)計(jì)要點(diǎn):錨桿/錨索的長度、數(shù)量、傾角需根據(jù)坡體地質(zhì)條件、荷載進(jìn)行計(jì)算;支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)與自然地形結(jié)合,協(xié)調(diào)美觀。
(三)滑坡與泥石流防治
1.邊坡加固
(1)技術(shù):
-抗滑樁/錨桿樁:在滑坡體內(nèi)部或邊緣設(shè)置樁體,通過樁身抗剪能力或錨固段與穩(wěn)定地基的拉結(jié)力,阻止滑坡體滑動。適用于中大型滑坡。
-擋土墻:在邊坡坡腳修建重力式擋土墻、鋼筋混凝土擋土墻或加筋擋土墻等,提供被動土壓力,阻止坡體下滑。適用于坡腳失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。
-錨桿/錨索框架梁:在坡體表面設(shè)置錨桿或錨索,并與鋼筋骨架焊接形成框架,再噴射混凝土,對坡面進(jìn)行約束,防止表層巖土體滑動。適用于中陡坡或中低陡坡的坡面防護(hù)。
-柔性防護(hù)網(wǎng)(主動防護(hù)/被動防護(hù)):采用高強(qiáng)度鋼絲繩網(wǎng)或環(huán)形網(wǎng),通過錨桿系統(tǒng)固定在坡體上(主動防護(hù))或設(shè)置在坡腳作為攔截系統(tǒng)(被動防護(hù)),吸收滑體動能,防止落石或小規(guī)?;?。
(2)材料:樁體常用混凝土、鋼筋混凝土;錨桿/錨索常用鋼絞線、螺紋鋼;擋土墻材料根據(jù)高度和地質(zhì)條件選擇;柔性防護(hù)網(wǎng)材料以高強(qiáng)度鋼絲為主。
(3)標(biāo)準(zhǔn):加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需由專業(yè)巖土工程師完成,計(jì)算參數(shù)(如內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、容重)需通過試驗(yàn)確定。施工質(zhì)量直接影響效果。
2.排水措施
(1)方法:
-截水溝:在滑坡體上方或側(cè)方設(shè)置環(huán)形或半環(huán)形截水溝,攔截地表徑流,防止其沖刷坡面或滲入坡體。
-排水孔/排水管:在坡體內(nèi)部或坡面布設(shè)排水孔(直徑通常100-200mm),將滲水引導(dǎo)至坡腳排出;對于大型滑坡,可設(shè)置水平排水管道系統(tǒng)。
-地表植被恢復(fù):在坡面種植深根植物,增加地表覆蓋率,減少雨水沖刷,涵養(yǎng)水源。
-地下排水:對于地下水影響顯著的滑坡,可設(shè)置盲溝、水平排水孔等,降低坡體地下水位。
(2)參數(shù):截水溝深度和間距需根據(jù)匯水面積和降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì);排水孔布置密度需考慮土體滲透性和含水率;植被選擇需適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蚝屯寥罈l件。
(3)適用:排水措施是滑坡和泥石流防治的基礎(chǔ)性工程,能有效降低坡體重量和含水率,提高抗滑穩(wěn)定性。必須與邊坡加固措施相結(jié)合使用效果最佳。
(四)礦山突水處理
1.防水帷幕
(1)工藝:通過鉆孔,向含水層或?qū)ǖ乐凶⑷霛{液,形成連續(xù)或不連續(xù)的阻水帶,以攔截或疏導(dǎo)地下水。常用方法包括:
-高壓旋噴樁:利用高壓旋轉(zhuǎn)噴嘴將漿液噴射旋轉(zhuǎn),與土體混合形成水泥土墻。適用于封堵斷層破碎帶、巖溶發(fā)育區(qū)。
-地下連續(xù)墻:采用鉆機(jī)成槽,然后在槽內(nèi)澆筑混凝土,形成連續(xù)的地下墻體。適用于截?cái)啻笮蛯?dǎo)水通道。
-水泥土攪拌樁/注漿樁:通過深層攪拌或鉆孔注漿,形成水泥土加固區(qū)。適用于較淺層或中等厚度的含水層。
(2)效果:有效降低突水點(diǎn)或影響區(qū)的地下水位,減少水量,甚至完全切斷水源。是治理礦井突水的關(guān)鍵措施之一。
(3)關(guān)鍵點(diǎn):防水帷幕的設(shè)計(jì)需精確確定導(dǎo)水通道的位置和范圍;施工中需保證漿液強(qiáng)度和連續(xù)性;帷幕厚度和滲透系數(shù)需通過試驗(yàn)或模擬確定。
2.疏排水系統(tǒng)
(1)設(shè)計(jì):
1.評估突水潛力:分析礦井水文地質(zhì)條件,識別主要含水層、導(dǎo)水構(gòu)造和未來可能的最大突水量。
2.規(guī)劃排水網(wǎng)絡(luò):根據(jù)突水潛力,設(shè)計(jì)多級排水系統(tǒng),包括主排水泵站、排水管路、水倉等。
3.選型排水設(shè)備:選擇合適規(guī)格和型號的水泵(如離心泵、渣漿泵),確保排水能力(流量)滿足最大突水需求,并留有備用系數(shù)(如提高20%-30%)。揚(yáng)程需克服整個(gè)排水高程差。
4.設(shè)置監(jiān)測點(diǎn):在排水系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(如水泵出口、水倉)安裝流量計(jì)、液位計(jì),實(shí)時(shí)監(jiān)控排水狀況。
(2)參數(shù):水泵的額定流量需大于預(yù)計(jì)最大突水流量,揚(yáng)程需計(jì)算得出;排水管路材質(zhì)需考慮耐磨性和耐腐蝕性;水倉容量需滿足短期突水量的儲存需求。
(3)案例:某礦井通過建立分區(qū)排水系統(tǒng),將排水能力從1500立方米/小時(shí)提升至2000立方米/小時(shí),成功應(yīng)對了一次突水事件。
五、安全管理與預(yù)防措施
為減少地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),需落實(shí)以下管理措施:
(一)勘察與設(shè)計(jì)階段
1.地質(zhì)勘察
(1)內(nèi)容:
-詳細(xì)查明地質(zhì)構(gòu)造:重點(diǎn)調(diào)查斷層、褶皺、節(jié)理裂隙的發(fā)育規(guī)律、性質(zhì)和產(chǎn)狀。
-查明含水層:確
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