我国的矿产开采具有相当长的历史,在相当长的时间内,我国矿产开采技术和设备都比较落后,这种条件下的矿产开采导致矿山地质环境不断恶化,矿山地质灾害事故频发。
危及生命的矿难和环境灾害时有发生,近年来还有逐渐上升的趋势。根据我国矿山地质灾害发生及发展规律、特点,将矿山地质灾害进行详细分类,并根据其各自特点提出防治灾害的措施,尤为重要。
一、矿山地质灾害类型
目前,采矿活动的范围仍多数被限定在地球表面和岩石圈层内部。在矿脉开采之前,矿区地质环境是处于稳定平衡状态。而采矿过程,是从地壳内部的土壤、岩石圈层挖出大量的土石方,对地质环境进行了巨大的破坏,使其处于非稳定状态。
不论钻井开采、掘坑开采、注液开采,还是露天开采,都改变了原有的地质环境,这种不平衡性的出现导致了地壳物质的不稳固,进而容易引发灾难性地质改变。
矿山地质灾害类型很多,若单从灾害发生的速率加以区别,可分为突变型矿山地质灾害,如矿坑突水、瓦斯爆炸、岩爆等,另一种就是缓发型矿山地质灾害,如采空区的地面沉降,水体污染等。
在我们最常用的地质灾害分类,常常是以地质灾害的时空分布和成因关系来分类。这种分类方法有利于对地质灾害的成因进行深入探究,才能根据各种地质灾害类型制定相宜的防治措施。
人为地质作用过程中不合理或者不科学改变地质环境,进而诱发的地质灾害基本涵盖了除火山喷发之外的所有地质灾害类型。
1、岩土圈层形成灾害
部分矿山地质灾害是由于采矿活动改变了矿区的地质环境,导致地区地下和地表岩土圈层形变,进而引发的灾难性后果。
2、诱发性地震
由于采矿活动致使岩土圈层结构性失衡,这种失衡状态反映在岩土圈层内部就是地震与断层错位。短时间的断层剧烈错位容易产生诱发性地震。
由于人为地质改变而诱发的浅源性地震,深度小,危害和破坏力却十分巨大。小震级的地震,就可能致使井下和地表岩土圈层的剧烈改变,从而对建筑物、地表结构造成危害。
3、断层错位
断层错位也是圈层结构性失衡的一种表现,不过由于断层错位具有缓发性,能量在缓慢积聚,短时间内不易被测量和察觉。
可以预见,随着开采活动的不断进行,矿脉被采空后,断层积聚能量会在短时间释放,会造成巨大的危害,这种灾害对矿山及周边地质环境的破坏力也十分巨大。
4、地面圈层形变
地下岩土圈层的形变,往往导致地表岩土圈层下陷、沉降、开裂等,进而引发危害性巨大的矿山地质灾害。例如,矿山地面和采空区塌陷、矿区地面沉降,地面开裂。
一般的矿区地面塌陷主要发生在井巷开采的矿山地区。矿脉埋藏较浅,矿区地面平缓,地面塌陷与沉降的现象较为常见。
矿脉埋藏深、距地表较远的开采区,如果不能及时回填矿渣,就有可能发生大面积塌陷、地面塌陷、沉降和开裂,不仅破坏水土、建筑物,还可能毁坏道路、水库等公共资源与建筑,造成更大的危害。
5、斜坡岩土体运动
这一类灾害是由于采矿区地质边坡或地表断层边缘结构不稳造成的灾害,如崩塌、滑坡、泥石流等。例如采矿边坡失稳,常常会造成边坡岩土滑坡,岩崩等灾难,泥土边坡在雨后形成流动性土体,形成灾害性泥石流等。
由于不合理造成的采剥失调、边坡角度过陡等形成不稳定结构。此一类型矿山地质灾害多发生在露天开采或掘坑开采矿山。
这种灾害常常瞬时发生,但造成结果危害性更大,如矿山山崩,往往使矿产毁于一旦,造成人员大量伤亡,危害极大。
6、矿坑工程灾害
不合理的矿山开采手段与落手的开采方式,常会造成矿山地下工程灾害事故的发生,如洞井塌方、冒顶、偏帮、鼓底、岩爆等。
这些灾害均是因为矿井、矿坑内的岩土圈层发生地壳应力变化,而导致岩层、土层应力突然释放,导致大量岩石、碎屑,并向矿井内突进,给矿井开采带来危害,危及矿工安全并造成财产损失。
例如坑内岩爆就是因为矿坑周边和顶底板围岩,在受到巨大的岩石圈层应力作用状况下,一旦因采掘面不能维持平衡,既有可能产生岩石圈层应力突然释放,导致岩石破裂迸裂,并向坑内大量喷射、爆散,从而给矿山带来毁灭性灾难。
7、地下水位异变灾害
矿山开采过程中,深层开采有时会破坏地下水自由浅水层或层压含水层的结构稳定性,进而引起地下水位和矿山地质环境的改变,造成灾害性后果。
8、矿坑突水涌水
矿坑、矿井突水、涌水是最常见的矿山灾害之一。由于地下水位的短时间迅速改变,致使矿坑突然进水。这种矿山地质灾害突发性强、规模大,导致后果也十分严重。
采矿过程中常因对矿坑涌水量的排空速度估计不足,采掘过程中穿透隔水断层,或者骤遇蓄水溶洞、暗河,导致地下水大量涌入,造成坑井被水淹没,造成人员伤亡或其他严重灾难性后果。
坑内涌砂是矿坑突水的伴生灾害,当矿坑采掘过程中遭遇富含泥沙的蓄水层或溶洞,突破隔水层后,泥沙和岩屑随水一起涌入矿坑,造成涌浆灾害。
另外一些透水断层和潜水层也常会因为断层错位,夹杂沉积物下漏涌入坑内,其结果是使矿坑被泥浆阻塞,设备和开采人员被泥沙掩埋,致使矿山遭受灾难性后果。
9、尾库、场库灾害
许多矿山开采,都伴随着矿场与尾矿库的存在。场库失稳主要是由于尾矿坝体不能承受压力决堤后形成泥石流造成巨大的危害。
尾矿库溃坝常常因为坝体稳定性在日益增加的压力,或因废矿液溢出,坝体管涌而发生决堤。尾矿溃堤给矿区人民生产生活都带来不可估量的灾难性后果,同时也会给当地水土环境造成污染和长期危害。
二、矿山地质灾害的防治措施
矿山地质灾害由于时空特点与产生条件各有特点,随着矿山地质勘查的手段逐步应用,针对不同环境采取有效的防治措施,防止或监测预警矿山地质灾害的发生,减少人员伤亡和财产损失。
(1)建立和完善矿山开采前的风险评估与环境评估,并制定环境保护与恢复治理的政策法规和规划体系。做到开采前严格评估。
(2)加强宣传,普及矿山地质灾害防治知识,提高矿山开采人员素质,增强其对地质灾害的危机感与警觉性。提高矿山生产过程中全员防灾、减灾技能与手段,强化矿山地质灾害的防险、避险、抢险培训。
(3)应用先进的信息化、地球物理勘查手段,对矿山地质进行严密监测,对可能发生的潜在灾害实施实时监测、动态监测,建立矿山地质灾害监测系统,实现矿山地质与环境生态动态跟踪与管理体系,避免重大人员财产损失。
(4)加强矿坑、矿井边坡设计,进行边坡监测,坚固挡墙稳固边坡地质构造,开挖后如果出现开裂变形,及时做地质勘察,并做好预防措施。合理建设尾矿矿坝,形成稳定矿场与尾矿库,降低滑坡和塌方风险。
利用遥感集合“3S”技术,及时掌握地质灾害可能的分布、发生地点与区域。运用全球卫星定位系统对地质灾害发生的高危点位精确定位,并利用遥感卫星进行叠加分析,预测灾变发生趋势。
三、矿山/矿区安全监测预警系统
中科川信在露天矿边坡监测、尾矿库安全监测、采空区地表沉降监测等监测领域进行深入研究,利用传感器技术、信号传输技术、网络技术和软件技术,监测矿山安全的各项关键技术指标,记录数据,分析趋势,辅助主管单位决策,全面提高矿山企业安全监管水平,增强企业、社会、政府对于灾害的预警响应能力。
1、矿山/矿区安全监测预警系统功能
(1)对各个监测点实现全方面、全天候实时自动化监测,实时掌握监测体整体运行的安全状态。
(2)进行分级预警预报,出现紧急异常情况时,系统能及时以短信或平台界面发出报警信息,实时综合预警功能。
(3)实现基础资料管理及历史资料存储,为矿山企业的安全生产管理提供简单明了、直观有效的参考信息。
(4)实现与相关部门数据互联,满足权限管理功能,实现矿区安全监测信息市、县、矿三级共享。
2、矿山安全监测预警系统的应用
01 尾矿库安全监测
尾矿库安全监测系统是在尾矿库库区及尾矿坝、排洪设施等构建筑物上布置自动监测仪器设备、供电、通信、防雷等设施,通过智能传感器自动化测量、视频监控、网络通信及计算机技术,实现对尾矿库安全进行全天候自动监测、监控、分析和预警的系统。
02 露天矿边坡安全监测
露天矿边坡安全监测系统可帮助企业和安监相关部门快速掌握矿区安全技术指标的最新动态;帮助巡检人员及时掌握露天矿不稳定边坡的状况和安全现状;有利于安全监管部门快速捕捉该地区不稳定区域的特征信息,为边坡不稳定区域的正确分析、评价、预测、预报及治理提供可靠数据和科学依据;辅助相关单位根据边坡堆积不同阶段的形变情况建立理论模型。
03 采空区地表沉降监测
采空区地表沉降监测系统具有远程数据传输、远程状态浏览、远程系统设置以及数据管理、用户管理、安全管理等功能;可及时、准确地发现监测数据中异常数据,预警采空区失稳情况,提示有关管理单位提前做好应急准备,避免灾害造成人员和财产损失。