矿渣堆治理与研究.doc

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1、摘要 拟治理矿山采用地表允许自然崩落的空场留矿法采矿，引发以地表采空塌陷为主的地质灾隐患问题日益突出，特别是闭坑后矿区非法开采原留矿柱 ，加剧恶化了塌陷，并伴随危岩体崩塌、滑坡等地质灾害发生。为了消除矿区内存在的安全隐患，本文对号塌陷区内存在的主要灾害体成因机制、影响因素及稳定性进行研究，并对各灾害体提出有针对性的综治理措施： 1）对于矿区的危岩体，从极限平衡理论角度分析了天然状态和饱和状态下的稳定性。分析结果表明，危岩体安全储备不足。采用浅孔爆破卸除法对危岩体进行清除； 2）对位于采空塌陷坑北帮西侧的不稳定边坡，结合地形情况，主要采用削方卸载+回填反压+浆砌石墙分级护脚方案进行综合整治。 3

2、）对矿区的弃渣堆进行稳定性分析，发现天然状态下矿渣体易失稳。为解决矿区的弃渣堆在天然状态下易失稳的问题首先回收部分矿渣体进行塌陷坑回填和拦截坝堆设，对不能回收利用的矿渣堆进行削坡减缓坡度，其表层进行坡面密实硬化和植被治理； 4）分析发现降雨下渗严重恶化边坡、坍坑、矿渣堆及坝体的稳定性，应采取措施防止水体下渗，在塌陷坑内采用抵抗变形能力相对较强的碎石盲沟+预制涵管排水系统；对塌陷坑北帮强风化花岗岩边坡及废渣堆，采用马道平台截（排）水沟排水系统。另外在对塌陷坑回填区及废渣堆顶挖方平台采用植草或植树进行生态恢复。 综上所述，本论文通过对拟治理矿山号采空塌陷区地质灾害进行分析，并提出科学合理的综合防治

3、对策。不仅丰富了矿山地质灾害学的内容，对于其他类似的金属矿山地质灾害分析也具有推广、示范及借鉴意义。 关键词：矿山地质灾害；塌陷区；稳定性分析；防治对策； Abstract Because of open-stope mining method, the ground collapse problem in No.1 copper mining area in Chimashan have becomen increasing prominent, which worsen by the illigal mining the tiberium spikes. Besides collapse,

4、 the accompany geological problems as unstable rock, landslides arose. In order to eliminate the existing hazards and prevent future disaster in mining area, the stablity analysises of each disaster were carried out first, the comprehensive prevention measures were put forward based on the stablity

5、anlysis results: 1) For the unstable rock mass in mining area, the stablity was anlyzed according to limit equilibrium theory under natural state (no rainfall) and saturated state. The analysis results show insufficient security reserve for rock mass. Therefore, it use shallow hole blasting through

6、remove the unstable rock mass. 2) For slope locate in west-north of sunken pit, it adopt Geo-Studio to analyze the stablity of slope in the state of natrual (no rainfall) and rainfall. The rainfall intensity and duration time areincoprated into consideration. The results show the slope failure after

7、 average rainfall for 4 days and heavy rainfall for 1day. As countermeasures, the cutting top section and backfilling the toe shoud be taken and then set up the retain wall at the toe of slope. Through anlysis of targeted slope stablity, it can be concluded that the designed slope has enough securit

8、y reserves and the design sheme is reasonable. 3) For the abandon slag in mining area, it is found unstable even under natural state through software simulating. Firstly, it can be recyclied to backfill the sunken pit and set up intercepting dam. Spare slag stack must be cut slope to smaller slope a

9、ngle, and the surface can abopt clay hardening technology and vegetation management; 4)It can be found that rainfall infilatrating seriously deteriorated the stablity of collapse pit, slag heap, dam and slope. Measures shoud be taken to prevent water infiltrating. The gravel blind ditch accompany wi

10、th precast tube drainage system is adopt to in backfilling area own to its strong resistance to deformation. For slope and slag heap, it can set up drainage system at toe and platform. As easures of ecological restorating, the grass and tress planting plan shoud be taken after backfilling or slope c

11、utting engineering. In conclusion, the paper anlyze the stablity of main geological hazards in No.1 copper mining area in Chimashan and put forward the comprehensive prevention measure, which enriches the content of mine disaster sicence and meamtime own promotional, demonstrational and reference me

12、aning to the other similar analysis of metal mining geological hazards. Keywords: mining geological hazards；collapse area；stablity analysis；countermeasures； 目录 摘 要 1ABSTRACT 2目 录 3第1章 绪论 1 1.1 选题工程背景及选题意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1矿山地质环境保护政策机制研究现状 2 1.2.2 矿山地质灾害分析方法研究现状 4 1.2.3 矿山地质灾害恢复治理研究现状 7 1.3本文研究内容

13、与主要创新点 8 第2章 塌陷区工程概况 9 2.1塌陷区工程概况 9 2.2工程地质与水文地质条件 10 2.2.1 地形地貌 10 2.2.2 气象条件 10 2.2.3 地层岩性 11 2.2.4 地质构造 11 2.2.5 水文地质条件 12 2.3本章小结 14 第3章 塌陷区主要地质灾害分析 15 3.1地面塌陷和地裂缝 16 3.1.1成因机制 17 3.1.2影响因素 18 3.1.3稳定性分析 19 3.2危岩体崩塌 20 3.2.1成因机制 21 3.2.2失稳模式 22 3.2.3稳定性分析 23 3.3不稳定边坡 26 3.3.1成因机制 27 3.3.2影响因素 28

14、 3.3.3边坡稳定性分析 29 3.4 矿山弃渣 44 3.5 水土流失与生态破坏 44 3.6 本章小结 45 第4章 塌陷区地质灾害综合治理 47 4.1采空塌陷坑与地裂缝 47 4.1.1地表塌陷坑回填 47 4.1.2地裂隙灌浆 51 4.1.3拦截坝 51 4.2危岩体 55 4.3不稳定边坡 55 4.3.1削坡反压 56 4.3.2挡土墙分级支护 60 4.4废渣堆挖方 64 4.5水土流失与生态恢复 66 4.5.1 排水系统 67 4.5.2 生态修复 70 4.6综合治理施工程序 70 4.7本章小结 71 第5章 结 论 73 参考文献 75第1章 绪论 1.1 选题工

15、程背景及选题意义 随着我国第十二个五年计划的出台，经济发展越发快速，作为工业支持产业的采矿业需求逐年加大。据有关数据显示，在过去的2011年我国单铁矿石原矿产量超过12亿吨。但是在矿产量增长的同时，由于矿山地质管理工作起步较晚，缺乏完整的法律法规，个体非法、无序非法开采，矿山环境的破坏和污染越来越严重，所引发的矿山地质灾害也是日益的突出。在某种程度上，严重威胁我国矿产资源开发的可持续发展。来自人民网数据显示，2011年全国发生地质灾害15664起，造成245人死亡、32人失踪、138人受伤，直接经济损失40.1亿，其中约30%为人工因素引起，而人工因素主要是由于采矿，采矿形成的矿渣和残留采空区

16、在恶劣天气下极易发生滑坡、泥石流等次生地质灾害。 本文所论矿区开采历史较久，矿山在长期地开采过程中不可避免地会对矿山地质环境造成不同程度的破坏。目前该矿山主要存在危岩体崩塌、地面塌陷、地裂缝、不稳定边坡滑动、矿山废渣、地表生态破坏与水质污染等矿山地质环境问题，这些问题若不及时进行整治，势必会对当地人民生命财产安全、生活环境质量以及社会安定构成不良影响。面对矿山地质环境这一严峻形势，我们应通过矿山环境保护与治理工程的研究，最大程度地解决老矿区遗留的环境问题， 基于现场地质调查，查明因采矿活动造成的地质环境问题，剖析塌陷区内地面沉降、崩塌等各种地质问题的成因机制，从力学角度对该矿山由采矿所引起的一

17、系列矿山地质问题进行定性、定量的评价判断。基于前述稳定性分析结果，最终对各种地质问题提出具有针对性的整治和恢复措施，从根源上消除灾害隐患。 1.2 国内外研究现状 1.2.1矿山地质环境保护政策机制研究现状 由于西方发达国家经济起步较早，在矿山地质环境分析和恢复治理方面比我国先进的多，在积极改变经济增长模式的同时，加大了矿山环境保护研究的力度，各国先后提出了许多储如生态修复的有效恢复措施，并且从法律制度上着手，建立适合自身发展的一整套完备管理制度。西方发达国家针对本国矿山存在的问题于20世纪70年代已出台一系列法律，明确恢复治理责任，坚持“谁破坏、谁治理”的原则，如美国1977年国会就通过了露

18、天开采控制与复垦法，规范了采矿业与废弃矿山问题，规定将使用土地恢复到原用途要求的环境：稳定矿渣堆、恢复表层土壤，因地制宜种草植树行等等；另外还有加拿大环境保护法、日本的金属矿业等矿害对策特别措施法等专业针对矿山地质环境保护提出的。但无论是哪个国家提出的矿山环境保护法，在制度上可以总结为以下几项1：（1）环境许可证制度，美国在这方面比较完善，要求所有矿业项目不仅需具有环境许可证及批准书，而且还得具有政府机构要求申办的许可证、批准书或通知书；（2）矿地生态恢复和土地复垦制度，在项目申请之前要求提交矿地恢复或复垦计划，如巴西的退化土地恢复计划、加拿大安大略省的闭坑计划、西班牙的采矿破坏区恢复计划与美

19、国的地表采矿与复垦法；（3）保证金和财务担保制度，发达国家及大多数发展中国家为矿山环境的保护和治理设立了各种各样的保证金和财务提保制度，以确保矿山环境治理和矿地复垦等工作落到实处，这种保证金要么用于矿山开采作业期间防治潜在的现行环境问题民，要么用于闭坑后的复垦；（4）环境监督和检查制度，矿山环境保护的恢复治理的好坏，需要有严格的监管制度的支持。各国在修改矿业法中，明显加强了有关监督条款的制安。如菲律宾提出的环境保护和改善计划及多部门组成的环境监测和核查小组、英国设在环境部门内的皇家污染监 察局有权随时核查矿山环境恢复的执行情况。 与外国相比，我国矿山地质环境治理与修复工作起步较晚。近年来，由于

20、中央和地方政府对矿山安全和环境保护的重视，把矿山地质环境以立法形式出台，我国对矿山土地复垦和环境恢复问题的进行立法主要有三个阶段：（1）初始阶段，1988 年国务院发布的土地复垦规定是我国每一部有关矿山环境恢复的规范法文件，其中明文规定“将在生产和建设过程中因挖损、塌陷和压占等破坏的土地恢复到可利用状态”，此时仅仅明文规定了责任归属；（2）发展阶段，1991年出台的水土保持法第18条“因采矿和建设使植被受到破坏的，必须采取措施恢复表土层和植被，防止水土流失。1996 年矿产资源法第32条“开采矿产资源，必须遵守有关环境保护的法律规定，防止污染环境。开采矿产资源，应当节约用地。耕地、草原、林地因

21、采矿受到破坏的，矿山企业应当因地制宜地采取复垦利用、植树种草或其他利用措施。2002年水法第31条“开采矿藏或者建设地下工程，因疏干排水导致地下水位下降、水源枯竭或地面塌陷，采矿单位或者建设单位应当采取补救措施，对他人生活和生产造成损失的，依法给予补偿”，本阶段法律条文中对矿地复垦要求的比较多，但是大多都是闭坑后的复垦。（3）完善阶段，国土资源部于2009年根据中华人民共和国矿产资源法和地质灾害防治条例出台矿山地质环境保护规定12 条“采矿申请人申请办理采矿许可证时，应当编制矿山地质环境保护与治理恢复方案，报有批准权的国土资源行政主管部门批准”，并参考美国保证金体制在18条规定采矿权人应缴存矿

22、山地质环境治理恢复保证金，落实了矿山恢复资金来源。与国外的矿山地质环境立法相比，我国首创了一项“三同时”制度2,3，在构建矿山环境恢复治理机制的理论与制度整合中，其重要性可见一般，“三同时”具体规定在正式开始矿物开采之前，开采单位必须向负责的环境保护行政主管部门提交环境保护设施“验收申请报告”，说明该矿山企业的环境保护设施的运行情况、治理的效果与达到的标准。经矿山环保部门验收合格后，才能正式进行开采。 1.2.2 矿山地质灾害分析方法研究现状 在进行矿山地质环境恢复之前，应对现有的地质环境进行客观、综合、及时的评价分析，采用的评价标准以及分析方法都严重影响最终的评价结果及至恢复方案的制定。 美

23、国运筹学家T.L.Saaty等人4提出采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process简称AHP），这种方法可对地质灾害这种影响因素的复杂问题作出决策的一种简明有效的新方法。其基本原理是：对于一个包括多方面因子而又难于以一种公式的形式表明出各因素对系统的量化影响评介时，可以根据各个影响因子之间的相互关系关系，组合好各因子间的组合方式和层次，建立系统评价的模型构架；对系统中的各因子，根据它对于影响对象的影响程度，建立定量化标准或评分机制；然后要求模型构架通过判断矩阵或逐层得出各方面因子的评分乘于因子的权重，最终可得出最高层次的评价目标值。SaatyT.L.5提出判断矩阵中用两

24、两比较方法将各因素重要性的定性部分定量化，认为判断矩阵中各元素的数值通常采用1-9位标度法确定。 Van Dijke等人6运用GIS（Geographic Information System）对山区地质灾害进行分析，在数据采集和整理方面开展了大量工作，建立了完整的数据库，并开发了地质灾害分析评价模型；A K Pachauri等人7对喜马拉雅Garhwal地区进行滑坡分区制图时，尝试在地形分类的基础上进行滑坡易发性制图，提供了一个基于地质学和地形学的滑坡制图的实例；印度学者Sitanshu Pandey8将GIS运用于分析其国家潜在矿山地质灾害危险性分析，基于其系统模型得到最佳避让时间及支撑体

25、系安放时间。罗马尼亚学者S. Mara 和S.N. Vladf9运用GIS对罗马尼亚矿山地质环境进行分析，其影响因子除了地质地形条件，还加入了矿山安全人员配备、机械及管理机制等非可控因子。 Aleotti 等10总结回顾了近年来地质灾害危险性评价和风险评价领域的研究进展，对主要的危险性评价方法进行了分类，并特别论及了可接受风险水平等相关的问题。 我国矿山地质灾害研究主要局限于对单个灾种进行分析防治或对某一具体矿山进行地质灾害分析，虽然在理论和实践方面都取得了丰富的成果，但并 未形成系统完善的理论与方法体系，并没有出现统一的评价标准，但随着国家在矿山地质灾害的越来越大的资金投入，矿山地质灾害已逐

26、渐形成一门独立学科，其学科的研究内容和深度正日益完善。陈爱钦11总结了我们矿山常见地质灾害的发育特征：矿山种类繁多、分布广泛、户数多、规模小、基础差，由于技术、管理及效益等原因的影响，资源开发中的安全形势相当严峻，地表塌陷、山体崩塌、矿山边坡滑坡、尾矿库垮塌、采场冒顶、采空区大面积地压等灾害，给社会稳定和人民生命财产安全带来了严重影响。肖和平12则综合分析了我国煤矿地区的主要灾害，对各类灾害特征、成生机理及危害进行研究，并提出了煤矿地质灾害链和防御措施。 严韬和严学清13论述了目前危害较大与涉及范围较广的矿山地质灾害如滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂缝和不稳定矿碴堆，对其成因及影响因素进行了

27、分析。 王卓理等14分析了矿山地质灾害链的链式效应特点以及地质灾害链之间的协同作用、时间和空间分布的复杂多样性以及承灾体类型的多样性等，并针对矿山地质灾害链的特点提出了控制灾害链源头的发生和危害、切断灾害链等措施，并在平顶山煤矿山进行了实践。 郭付三等15以河南豫西地区矿山地质环境问题为背景，分析了地质环境灾害之间的链式关系，从灾害链效应出发，提出流域系统治理方案。郭维君等16叙述了目前我国矿山普遍存在的主要地质灾害类型，并从技术上和非技术上指出地质灾害的控制措施，并总结了前人的一些地质灾害治理研究经验。周蕾等17简要论述了我国矿山开采引发的地质灾害现状，分析了主要矿山地质灾害的类型、诱发因素

28、和治理措施，并提出了矿山地质灾害的勘查方法、预防建议和对策。何兴江18针对地下采矿活动的特点，提出和建立了复杂地质环境条件下，地下采矿工程与地质环境相互影响机理及环境效应的分析评价方法与防治的技术途径，对矿山地质环境问题分析有较好的理论和方法指导意义。秦定明19阐述了歌乐山矿露天采矿生产中存在的崩塌、滑坡、泥石流等主要地质灾害问题，分析了地质灾害影响因素及成因，并提出了相应的防治方法和措施。 种可20运用层次分析法对黄陵矿区地质灾害进行了危险性评价，将地质、采矿、环境三大环节的主控因素联系在一起，通过主要影响因素分析，形成了分类评价指标体系，建立了适用于黄陵矿区地质灾害危险性评价的数学模型，分

29、析给出了地质灾害危险性评价的分级标准。李淑艳21通过对抚顺市矿山环境地质灾害的调查与归纳、论述与分析来研究抚顺市矿山环境地质灾害形成机制，并宏观的研究科学的合理的防治对策建议。李雨阳22运用GIS对黑龙江双鸭山历史遗留的矿山问题进行图层迭加分析，进行了矿山地质环境综合评估分区。赵新卓等23针地泰安市矿产资源开发利用导致地质灾害、地质地表景观破坏和水土流失等一系列地质环境问题，提出了生物治理、客土喷播等治理对策。况顺达和赵震海24论述了利用遥感技术运用到贵州开展矿山地质环境调查的方法与技术路红，对贵州省因矿山开采而诱发或产生的矿区生态环境恶化、水土流失、岩溶石漠化的加剧、水资源污染、地质灾害等各

30、类矿山地质环境问题的遥感影像特征进行了总结。刘凤梅和曾敏25以遥感和GIS为主要技术手段，对CBERS-02B数据进行几何纠正、镶嵌和正射纠正处理后，通过逫叠加遥感影像对地形进行三维模拟，制作了江西省安远县稀土矿开采区三维遥感影像图，并对矿区地质环境进行了三维分析实验。通过实例分析证明，三维遥感技术对矿山地质灾害分析有重要的现实意义，能快速而准确地揭示矿山地质环境的空间分布规律，可以先根据各影响因素进行拓扑区分析，然后根据各因素之间的关系进行叠加分析最终得出其危害范围，为减灾排除险和恢复治理提供决策依据。李昌存等26通过建立矿山地质环境质量综合评价指标体系，划分了4个评价单元，确定了各单元的评

31、价因子指标，最后运用层次分析法与模糊数学综合评判的方法对腾龙铁矿矿山地质环境质量进行了综合评价。 而上述多种地灾综合评价方法均是基于对各子灾种的精确评价分析基础上建立的，若各子灾种的评价结果有误，将影响到最终的综合评价。在地质灾害各子灾种分析中，崩塌、边坡等的分析理论已趋于成熟。并出现了许多计算分析软件可针对各个灾种进行评价，其中Geo-Studio由于交互界面人性化且模块众多，是全球最知名的岩土工程分析软件之一。张良建等27基于Geo-Studio对锦屏一级水电站高边坡危岩体进行稳定性分析。李振嵩28、刘国栋29、银晓鹏30运用Geo-slope软件针对在降雨条件下暂态渗流场的分布及土坡瞬态

32、稳定安全系数行了计算分析。肖慧等32则运用Geo-Slope对某尾矿库进行了静力稳定性数值分析。 1.2.3 矿山地质灾害恢复治理研究现状 矿山地质灾害种类繁多，危害较大的地质灾害主要有地表塌陷、滑坡、泥石流等，针对不同的灾难体，其治理措施也各不相同。 1、地面塌陷的治理与复垦 国内外对采空区地面塌陷的治理方法很多33，但常用的方法还是充填复垦法，这种方法利用矿区附近的露天矿剥离物、粉煤灰、矿渣等现场材料加于回填，只要保证充填物无污染，若在表层回填耕植土或采用微生物修复技术改良土壤，还可作为农地。即解决了塌陷问题，又解决了矿渣的处理问题，还可种植作物，所以经济效益最佳。这方面美国、加拿大等国家

33、做的相当成功，具用很多将废弃矿山经过土质改良种植景观值物建立公园、园艺林地，如加拿大布查花园、南非“黄金城”等，我国较成功案件如绍兴东湖公园34，目前被评为AAA国家级旅游景区，堪称为“中国版的布查花园”。 但是通常塌陷区土质较差，不适宜植物生长，需进行土质改良。国内有许多学者对塌陷区复垦技术研究进行了系统的研究，杜善州35对煤矸石山废弃地和采煤塌陷地进行了微生物修复技术的研究，首次在神东矿区进行菌根菌剂的本地化扩繁技术进行了研究，认为接种微生物促进植被生长良好，可大力提升复垦区生态系统的稳定和可持续利用；石家庄井陉矿区北寨煤矿塌陷区，经土方回填成功改造成田园风光区、森林野趣区及特色文化区36

34、。 2、采矿边坡的治理 虽然在成因机制上不同于自然边坡，但是治理对策上大体还是一样的，对危岩体采取的主要有爆破、拉锚、灌浆及其组合治理方式，而对于土质边坡采取的则主要有卸荷反压、支挡结构（挡墙，抗滑桩）、坡面喷层（植草）等措施。但是实际治理工程中往往是多种治理方式并举进行综合整治，特别是许多工程采用预应力锚杆、格构+植草技术取得了很好的治理效果37。 3、矿山弃渣的治理 作为“三废”之一的矿山弃渣，如果能得到充分合理的利用，可以减少堆积量，减轻治理压力，降低矿山地质灾害形成的物质条件，如前面的塌陷区回填，部分矿渣可作为建筑材料进行二次利用，如煤矿产生的煤矸石可作为水泥添加剂、烧砖原料。对不可利

35、用的废弃矿渣，可集中堆放，并修筑挡土结构，还可种植草皮，防止流失38。而在尾矿处理方面，国内外也不断开发也新技术，目前的尾矿高效脱水、胶结充填、膏体尾矿干式堆存等已经投入具体矿渣治理工程39。 4、水土流失的治理 针对矿山水土流失产生与发展特点，抓住重点部位和关键环节，因地制宜，因害设防。首先在稳定部位设置拦挡措施，姜培曦40认为对坡度大于30度的边坡以工程护坡为主，对坡度小于30度的边坡以植物护坡为主。对仍不能实现稳定的坡体，可采取浆砌石坡脚保证坡体（矿渣）表面土壤不被带走；然后完善矿区内的排水系统，减少坡面面流对坡面的冲刷。露天采场外排水和矿坑涌水，采用集水坑方式进行沉淀后排放以防对其他生活用水体的污染41。 1.3本文研究内容与主要创新点 本文拟治理号塌陷区由于采矿引起的矿山地质问题背景下，对主要的地质灾害进行稳定性分析与评价，并提出合理可行的综合治理对策，并通过治理结果分析评定治理效果。 本文主要的研究内容为： （1）分析矿区内主要地质灾害体的成因机制和影响因素；（2）对矿区内危岩体、边坡、弃渣堆等地质灾害体进行稳定性分析；（3）针对各地质灾害体提出治理措施，并对治理后的效果进行分析； 本文主