露天矿地质灾害发生的主控因素及发育规律分析

张 博

（山西省第一水文地质工程地质队，山西 太原 030024）

近几年来，地质灾害频繁发生，突发性重大灾害造成重大伤亡和经济损失。为了减少露天矿地质灾害的发生，以武乡县为例，统计分析了该地区地质灾害的主要控制因素、发展规律、发展趋势及可能造成的危害。对前人防灾规划的效果进行了科学的评价与预测，提出了相应的防灾对策与建议，为区域经济的可持续发展和地方政府防灾减灾提供了参考依据。

1 概况

此次研究主要以武乡县为例，对地质灾害发生的主控因素与发育规律分析。当前，地下矿产资源的开采力度越来越大，一些大规模的公路建设等也越来越多，并且周围的地质环境条件也非常的复杂，这些因素的共同作用下，导致了大量的地质灾害。地质灾害严重威胁着城市居民的生命财产安全，对其主要控制因素及发展规律的研究具有重要意义。根据城市地质环境条件，对露天矿地质灾害主要影响因素及发展规律进行了详细分析。

2 露天矿地质灾害发生的主控因素

2.1 气象及河流

地势复杂，加上地理上的相对高差及许多自然因素，造成不同海拔高度的温度差异。

2.2 地形与地貌

武乡县横跨太行山和太岳山，从东北到西南蜿蜒，从西北到西南太岳山。地上是马鞍形的，东西各一，中间低一点。城市东部大部分地区海拔均在1400m以上，最高处为2008年的高度。西部海拔约1300m，最高处为金山，海拔1809m[1]。南北向的山脉大多位于海拔1000m至1300m之间。武乡县按形态和成因类型可分为五个主要区域。中山区人口密度较高，面积415.12平方公里，占全区总面积的25.69%。低丘缓坡地面积301.67平方公里，占总面积的18.67%；黄土丘陵面积819.75平方公里，占总面积的50.73%；坡地面积79.18平方公里，占总面积的4.9%。该区域的面积是1.83%，梯田面积是29.62平方公里。

2.3 地层岩性与构造

该区域中石炭世的红水镇莫奎乡、上三叠统西部为二叠统上三叠统碎屑岩层。新生代松散层覆盖广泛，基岩分布于深谷盆地和山地盆地。太行山与太岳山之间的武乡县，位于沁水坡面，地质结构复杂。位于武乡县凤洲镇西部，沁水向斜中轴线。轴倾角10°～25°，机翼倾斜。沿主构造线方向形成一组5°～10°倾角之间的波形挤压褶皱，从县城西北部到二郎塘，正断层间分布着断层，形成护城河或屏障。

2.4 人类活动

而武乡县的人类活动主要有住房建设、公路建设和煤矿建设，是武乡县发生地质灾害的主要原因。

2.5 边坡不稳定性

（1）破坏边坡时不连续面的作用，岩石结构面的倾角不同，其稳定性也有很大差异，尤其当结构面倾角在30°～70°左右时，更容易发生滑坡。

（2）因边坡为几何形状，应力分布具有连续性。在边坡底部或下部软弱层顶部，当软弱结构面被破坏时，原边坡的应力平衡将失去，从而产生滑坡。

（3）岩土力学性质的改变导致了坡面强度的改变，风的侵蚀降低了坡面的强度，稳定性和变形破坏，随风化程度加深，边坡稳定性变差，边坡稳定角度减小。

（4）相关区域的构造应力、地震与地下水压力等的因素都会对边坡施加荷载，这就导致其承载力增大。露天煤矿滑坡是一种重力等外力作用下沿软面滑移的地质现象，随着露天矿开挖及深部分布的改变，岩体内部应力场不断调整，坡应力集中。

3 地质灾害发育规律

3.1 地质灾害空间发育规律

武乡县地质灾害严格受地质环境主控因子控制，其发展规律具有明显的空间规律性[2]，详情如下。公路沿线呈条带分布，因武乡县公路开发以河岸和一级梯田为主，采煤工作面主要集中在卓张河北源及其一级支流盘洪河、聂河的坡面，形成了高陡坡工作面。武乡县煤矿受地质构造和岩性限制，主要分布在东部。位于武乡县凤洲镇西部，沁水向斜轴，北北东向，翼型倾角10-25度。从汉北乡到莫奎乡，煤层条带分布特征明显。采空区地面沉降是由于地裂缝所致，地面沉降呈条形分布。

地形地貌也是其中的一个重要因素，尤其是中山河流域向中山等低山丘陵发育的塌陷和潜在塌陷强度逐渐降低。

武乡县丘陵地带黄土覆盖面积大，地层风化剥蚀严重，植被发育不良，挖沟坡度大，水土流失严重，多沟多沟，黄土易塌方崩塌。在武乡县西北和东南的中山地区，露头基岩主要为硬岩，风化程度低，村庄分散，人口稀少，人口密度低，人类活动弱，灾害密度低。该矿床主要分布在武祥县东部低侵蚀中山区和黄土梁状丘陵区，地表沉降严重，岩体裂缝发育[3]。

地层岩性也是灾害防治的主要因素，本区崩塌斜坡岩性主要为第四纪晚期更新世黄土，土质主要为黄土颗粒，自然条件下的土壤力学指标较好。但是由于其湿陷性，在降雨入渗过程中容易产生变形破坏，形成坑洞，同时也为雨水入渗提供了快速通道，最终导致滑坡。尽管新黄土结构较为均匀，但其整体结构松散，有较多的裂缝和孔隙，容易风化解体。旧黄土作为黄土梁的主要组分，其粘粒含量高于新黄土，但其竖向裂缝、构造裂缝、塌陷裂缝和风化裂缝普遍发育，是典型的块柱裂缝和楔状裂缝结构。它是造成骨折的主要原因，该地区最常见的地质灾害是黄土塌陷。本区崩塌斜坡岩性主要为三叠系、二叠系软质夹层碎屑岩和软硬夹层碎屑岩。该区植被覆盖率低，人口众多，受人类活动影响较大，尤其是公路建设。在边坡开挖等因素作用下，岩体易沿节理面扩展而形成危岩体，从而引发坍塌和地质灾害[4]。

3.2 地质灾害时间向发育规律

从时间上看，地质灾害发生集中；主要包括：工程活动强烈期集中开采，降水集中期较易发生崩塌，强煤层开采期易发生地面塌陷。

武乡县强工程活动期地质灾害集中发生在强工程活动期，主要受人类活动影响，以崩塌、潜在崩塌和地面塌陷为主。这些滑坡、崩塌主要是由于不合理的人类活动，尤其是采空区的开挖，破坏了原边坡的稳定性，引起原边坡应力变化，最终导致边坡稳定性下降而产生滑坡，所以在强采煤时期，地面塌陷发生的可能性较大。

地质灾害易发区的崩塌与降水集中中期的降水量正相关。在单位时间内，暴雨期易发生崩塌。主要表现在：在年降水量较大的年份更容易发生；在年中降水集中的中期更容易发生；在日降水量较大的季节更容易发生。暴雨期间，灾害与降雨量基本同步，一般发生在雨季结束之后。土壤具有较强的水敏性。当土坡处于饱和状态时，上部疏松层迅速崩解，下部粘性土迅速膨胀，力学强度急剧下降，导致土坡的变形和坍塌。据调查结果，2015年武乡县雨季出现崩塌、滑坡等地质灾害。降雨量也会影响该地区的地面塌陷。一般而言，村民春耕前，塌陷坑、裂隙都要填埋填平。但是，当降雨持续时，地表集水渗入，耕作前用于填埋的土层被地表汇流冲刷到下伏采空区，最终发生塌陷和相关裂缝。水渗后，采空区上部岩体摩擦力降低，导致未破碎弯曲岩层继续变形，进而整体破裂，加剧地面塌陷发展

4 露天矿地质灾害治理的措施

在治理过程中，预先提出对水灾的治理措施，治理过程如下图所示：

图1 水灾治理过程

造林是水土保持工程建设的一项重要措施，建立水土流失综合防治体系具有重要意义。大力发展植树造林、经济林等水土保持植被，可有效地防治水土流失。严格露天矿“三废”管理，防止乱排造成一系列环境危害。

同时还需要对采空区进行治理，治理过程如下所示：

图2 采空区治理过程

5 结语

本文以武城县为例，分析了露天矿地质灾害主要控制因素及其发展规律。分析结果表明，影响边坡稳定性的主要因素是坡体的稳定性、地形、气候和下伏构造，并提出了相应的治理措施。希望此次研究的内容能够为露天矿地质灾害治理与防范提供一定的帮助，但是此次研究仅针对一个地区进行了研究，存在一定的局限性，在后续的研究中还需要进行多个区域的分析，以使分析结果更具说明性。