矿山灾害链及其断链减灾模式分析_刘磊.pdf

第41卷第5期 2013年10月 煤田地质与勘探 COALGEOLOOY P694 文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.05.009 Hazard chains and practice of disaster mitigation by chain scission in mining area L町Lei,SHI Longqi吨，SUNHonghua, WANG M鸣，SUNQi,Q町Mei,L町Hu Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization College of Geological Sciences disaster mitigation by chain scission; mine water; mine disaster 中国矿产资源丰富，矿种齐全（I］，在大规模的 矿产资源开发活动给人类带来巨大财富的同时，频 繁、不合理的矿业活动破坏了矿区土地资源、诱发 了地质灾害、污染了矿区环境（2］，给人民生命财产 带来了巨大损失。据全国31个省（自治区、直辖市） 矿山调查统计，1950-2005年的55a间，中国矿山 开发已发生地质灾害约10869起，死亡约4779人， 造成直接经济损失约174.58亿元［I］。矿山灾害引起了 人们的高度关注［卜1汀，一些学者对矿山地质灾害进 行了深入研究，认为地质灾害之间存在连锁反应， 它们一般不是孤立的，而是相互联系的复杂的灾害 系统或灾害链式过程（4-8］。然而，矿山灾害链的定义、 收稿日期2012-09-26 分类和作用机理并不十分明确［叫，不能有效地指导 矿山灾害治理。本文对矿山灾害链定义、类型、特 征及矿山灾害链机理进行了研究，得到组合断链模 型，并以矿井突水为重点分析链式效应的特点，提 出相应的矿井水减灾模式。 1 矿山灾害链的基本概念 灾害链是指原生灾害及其引起的一种或多种次 生灾害所形成的灾害系列。所谓原生灾害是指由动 力活动或环境异常变化直接形成的自然灾害；次生 灾害是由原生灾害引起的“连带性”或“延续性”灾 害［9］。矿山灾害链是指由于地震、火山、气候变化 基金项目国家自然科学基金项目（41072212）；山东省自然科学基金重点项目（ZR2011EEZ002）；山东科技大学科研创 新团队支持计划资助（2012KYTD101）；山东科技大学研究生科技创新基金项目（YCA120206）；山东青少年 教育科学规划课题大学生学术课题｛13CZR001 作者简介刘磊（1987一），男，湖北仙桃人，硕士研究生，研究方向为矿井水防治． ChaoXing 第5期刘磊等矿山灾害链及其断链减灾模式分析 41 等自然因素或者矿山开采等人为因素造成矿区在时 间上有先后，在空间上彼此相依，在成因上相互关 联、互为因果，呈连锁反应依次出现的一系列矿山 灾害。其特点是周期性、突发性、猛烈性、连锁性、 群发性、季节性、区域性等、 2 矿山灾害链基本类型 2.1 按诱发因素划分 矿山灾害按诱发因素可分为内动力地质矿山灾 害链、外动力地质矿山灾害链、人为矿山灾害链（矿 山开采灾害链）、复合型矿山灾害链等。 2.1.1 内动力矿山灾害链 由内动力地质作用诱发的灾害及其次生灾害构 成的灾害链称为内动力地质灾害链。地震诱发形成 的矿山崩塌、滑坡、泥石流，以及矿井突水、顶底 板破坏等矿山灾害链即属于内动力矿山灾害链，其 特点是突发性。 2.1.2 外动力矿山灾害链 由外动力地质作用诱发的灾害构成的灾害链称 为外动力地质灾害链。在地下矿山开采中，矿井突水 很大程度受到强降雨和洪水的影响，降雨增大时，地 下水的补给量增大，造成的突水危险性也随之增大。 在露天矿山开采中，强降雨和洪水造成岩层的极不稳 定，可能引发崩塌、滑坡、泥石流等一系列矿山地质 灾害。这些由外动力引发的矿山灾害链称为外动力矿 山灾害链。由于降雨周期性，矿山灾害链也具有周期 性特点，可以作为矿山灾害的预报因素之一。 2.1.3 人为矿山灾害链 由矿山开采活动造成岩层破坏引发的地质灾害 链为人为矿山灾害链。矿山开采活动主要受经济活 动和历史性开采的影响，因此具有经济诱发性和灾 害积聚性的特点。 2.1.4 复合型矿山灾害链 复合型矿山灾害链是由内动力地质作用、外动 力地质作用、人为作用等两种或多种因素作用下形 成的一系列矿山灾害链。如地震、强降雨等自然因 素和矿山开采人为因素共同作用下引发的矿井突水 灾害导致淹井。 2.2 按矿井五大灾害类型划分 矿井灾害主要为顶板压力、瓦斯、矿尘、水、 火等五大类型（12］。依据矿井五大灾害类型，矿井灾 害链可以分矿井顶板压力灾害链、矿井瓦斯灾害链、 矿尘灾害链、矿井水灾害链和矿井火灾害链。常见 于矿山地下开采灾害链的划分。 2.2.1 矿井顶板压力灾害链 由于工作面矿产开采造成顶板压力变化，形成 顶板冒落事故或冲击地压等灾害，同时并诱发一系 列的次生灾害，这些具有连锁反应依次出现的一系 列矿山灾害称为矿井顶板灾害。 2.2.2 矿井瓦斯灾害链 井下瓦斯浓度较高时，空气中氧气含量会相对 降低，使人窒息死亡。高浓度的瓦斯在明火条件容 易引起爆炸，爆炸后产生高温、高压，直接造成人 员伤亡、设备损失，巷道破坏，引发更为复杂的灾 害链效应，同时，瓦斯爆炸后产生一氧化碳等有害 气体，使人中毒而亡；瓦斯爆炸要消耗大量氧气， 使爆炸现场氧气浓度急剧下降，使人窒息而亡。这 些具有链式效应的一系列矿山灾害称为矿井瓦斯灾 害链。 2.2.3 矿尘灾害链 在矿井建设和生产过程中，如钻眼工作、炸药爆 破、掘进机和采煤机作业、矿物的装载及运输等各个 环节都会产生大量的矿尘。这些矿尘会引发一系列的 灾害成为矿尘灾害链。如矿尘对人体的危害；煤尘在 一定条件下可以爆炸；降低工作场所能见度，容易发 生工伤事故；加速机械磨损，缩短设备使用寿命。 2.2.4 矿井水灾害链 矿区内的大气降水、地表水、地下水通过各种 通道涌入井下引发的一系列的灾害以及在防灾减灾 中引发的次生灾害，这些称为矿井水灾害链。 2.2.5 矿井火灾害链 井下发生火灾时，不仅会造成资源的损失、设 备设施的损坏，导致生产中断，而且更为严重的是 会直接威胁矿工的生命安全。这些由于火灾引发的 一系列链式灾害称为矿井火灾害链。 2.3 依据采矿的副产品分类 采矿的副产品为水、气体粉尘、岩体、研石， 因此，矿山灾害链可以划分为矿山水灾害链、矿山 气体粉尘灾害链、矿山岩体灾害链、矿山肝石灾害 链。常见于矿山露天开采灾害链的划分。 2.3.1 矿山水灾害链 矿山水灾害链是由于矿区内一系列的具有链式 的水文矿山灾害。如矿坑内积水，在地表抽排条件 下，引发地表水下降，引发干旱、水土流失和地表 沉降，同时抽排的矿山水可能含有大量的有害物质， 对周边的环境造成一系列的灾害。 2.3.2 矿山气体粉尘灾害链 矿山气体粉尘易造成大气的污染，给工人造成身 体危害，同时对机械设备造成损害，这一系列由于气 体粉尘引发的矿山灾害称为矿山气体粉尘灾害链。 2.3.3 矿山岩体灾害链 矿山由于长期或不规范的开采，易形成悬崖峭 ChaoXing 42 煤田地质与勘探第41卷 壁，容易引发崩塌、滑坡等地质灾害。这些由于矿 山岩体破坏引发的一系列的矿山灾害称为矿山岩体 灾害链。 2.3.4 矿山吁石灾害链 矿山研石灾害链是指矿山开采的副产品研石引 发一系列的矿山灾害。如煤肝石长时间大量堆积可 能造成滑坡、泥石流，丰富的松散堆积物造成风化 扬尘，堆积的可燃物过高造成自燃。 2.4 根据形成时间顺序划分 由于矿山灾害链发生具有时间先后顺序，因此 可以根据时间先后可以划分为原生灾害链、次生灾 害链、循环灾害链。原生灾害链也就是矿山直接灾 害，如矿井突水、瓦斯爆炸、矿井火灾、冲击地压 等，其特点是突发性特点，爆发时间短，危害大； 次生灾害链为矿井突水、瓦斯爆炸、井喷、采空区 等引发的一系列环境问题，如滑坡、地裂缝、岩溶 塌陷、沙漠化、地面沉降、土地盐渍化、水土流失、 煤层及煤研石自燃等，其特点是作用时间长，影响 范围广，更加复杂，具有群发性特点；循环灾害链 是由于次生灾害对原生灾害链激发引起的灾害，其 特点是作用最为剧烈，影响范围广，情况最为复杂。 3 矿山灾害链式机理与断链研究 3.1 矿山灾害链式机理 3.1.1 矿山灾害发育阶段 肖盛鳖［13］将灾害发育规律划分为3个阶段灾 害孕育阶段、灾害潜存阶段、灾害诱发阶段。矿山 灾害链链式发育也可以划分为3个阶段。 a.灾害孕育阶段。首先，在矿山开采前矿山自 然环境对矿山灾害发生有着一定的影响。如煤炭开 采前，矿井就存在原始导高带和地下水，这些都是 引发矿井突水的主要因素之一。 b.灾害潜存阶段．此阶段介于早期还未产生破 坏与晚期产生巨大破坏之间，物质能量继续积累， 矿山灾害系统已经出现破坏的前兆特征。灾害潜存 阶段其表现最典型的是突水量渐变升高、瓦斯渐变 、升高等等，这些都应该引起我们高度重视，并进行 预防，以免发生巨大灾害，造成巨大损失。 c.灾害诱发阶段．灾害物质系统的物质积累到 一定程度，处于临爆发状态时，此时外部环境受到 扰动，则很可能诱发灾害［13］。矿山开采达到一定程 度，矿山灾害爆发达到临界状态，在人为因素（矿山 继续开采）和自然因素（地震、暴雨、洪水等）诱发下 爆发。 3.1.2 矿山灾害链式机理 根据以上矿山灾害发育规律研究，可以引人 “致灾环”、“激发环”、“损害环’，［14］三个概念对矿山 灾害链机理进行研究。矿山地质灾害发生前形成的 灾害启动要素为致灾环，激发的过程为激发环，矿 山灾害产生后带来直接或间接的损失过程为损害 环，这些构成一套完整的灾害链物质能量传递的 过程（图la）。 锺写通盈唾 a b 原生灾害链 次生灾害链 c 图1灾害链传递规律示意图 Fig. I Transmission of disaster chains 矿山灾害链中致灾环一般为原始地形、地貌和 地层，其本身存在一定的危险性，在人为开采、地 震、强降雨等因素（激发环）下激发形成灾害（损害环） 如图le原生灾害链。有时，矿山灾害链中损害环可 以成为致灾环，在激发环的作用下形成复杂的次生 灾害（损害环），如图le次生灾害链。次生灾害也可 以被激发成为致灾环，与原生灾害链形成循环，在 循环中不断的进行物质能量的积聚，爆发巨大的灾 害，如图lb循环灾害链。矿山灾害链通常按这3种 灾害链方式进行传递。 3.2 断链减灾模式 根据矿山灾害链发育规律和机理研究，发现矿 山灾害链早期和中期阶段是防灾减灾的最佳时段， 在此阶段可以对致灾环的地质条件进行改善，对激 发环的激发因素进行抑制和提前预报，使之原生灾 害链发生断链，从而达到减灾防灾的目的，这个过 程也称初次断链。 由于矿山灾害复杂性和经济条件的制约，不可 能在灾害链早期进行完全断链，仍然存在很大的危 险性。特别是地下开采，不可能完全查明井下地质 条件，在现有的经济条件下也做不到，只能做到边 探边采，对其完全断链几乎不可能。因此，需要对 其次生灾害链进行预防断链，使矿山灾害链断链达 到完全。然而，已发生的灾害可能会引发一系列的 次生灾害链，造成不可预知的灾害，需要对其已发 生的灾害进行灾害重建。这样的“初次断链＋预防断 链＋灾后重建”组合断链方式可以有效的解决安全隐 患，减灾效果更为经济安全。矿山灾害链组合断链 模型如图2所示。 ChaoXing 第5期刘磊等矿山灾害链及其断链减灾模式分析 43 d亟主〉 i h一－｝匮栩1I ／＇γ＂ 灾源l如」匣I＇.牛二中。品在 诱导因寨卢旦1I i 忖－－’→丁丁－＝－－Ji ＼，＿.｛飞／ l门i益E I E初次断链〉’ 图2矿山灾害链组合断链减灾模型 Fig. 2 Model for disaster mitigation by combined chain sciss n 4 应用实例 以华恒公司小煤矿矿井水灾害链为例，说明矿山 灾害链特点并进行断链减灾分析。 4.1 矿井水灾事链分析 山东华恒矿业有限公司（以下简称华恒公司），矿 井位于柴汶河河畔。东有准河自南而北穿过井田浅部 及吴山矿开采范围上方；西有南鲍村北低洼区，位于 柴汶河南岸及涡沟河下，形成地表水联通西部小矿， 小矿与华恒公司连通的态势；且目前华恒公司矿井采 深达1000 m，与其他华北型煤田一样，矿井下组煤 开采受底板徐灰、奥灰的影响，奥灰对所有煤层开采 均构成隐患（15）。华恒公司煤矿不断开采导致导水裂 隙带破坏，矿井地表水、徐灰奥灰地层水、矿井西部 老空（窑）水等各类水源沿导水裂隙带发生突水，引发 一系列的灾害，特别是地震、强降雨条件诱发可能直 接导致淹井，此阶段为原生灾害链。 针对矿井突水灾害，华恒公司采取了抽排方式 向上抽排至地表和向下排至低洼采空区。而向上抽排 至地表形成地表水，可能造成对地下水的补给，向下 抽排至低洼采空区容易形成老空水，这均可以成为原 生灾害链的致灾环，并分别作用于原生灾害链，形成 两条循环灾害链。同时，向上抽排至地面会使地下水 水位大幅度下降，地表变形，降水入渗量增加，从而加 重了水土流失，诱发了水旱灾害的发生，形成“矿井突 水抽排一区域干旱”次生灾害链；矿井水抽排还会造 成地表沉降，在大量降雨条件下造成“沉降漏斗’嗷应， 互相促进、互相加强，加剧地面塌陷，从而形成“矿井突 水抽封←一沉降漏斗一一地面塌陷”次生灾害链，引发更 为复杂的灾害效应；矿井水由于本身较高矿化度的原 因，抽排至地表势必对土壤和地表水造成污染，形成“矿 井水一一土壤／地表水污染”次生灾害链。如图3所示。 图3矿井水灾害链示意图 Fig. 3 Disaster chain of mine water 从上述分析可知，矿井水灾害链中次生灾害链 更为复杂，造成的灾害效应更为深远，因而减灾须 首先从原生灾害链开始，次生灾害链为辅，同时对 引发的灾害进行重建。 4.2 矿井水灾害链断链减灾 针对矿井水灾害链，制定了一系列的断链减灾 措施。第一步，对主链进行初始断链。采取煤肝石 填充采空区和积极支护巷道，降低煤矿开采对导水 裂隙带的破坏（初始断链1）；对顶底板薄弱（或煤柱） 带进行注浆加固和预留隔水煤柱，防止地层水通过 倒水裂隙带进入矿井发生突水，同时采取密集钻孔 抽排技术降低地下水位（初始断链2）；对西部老空水 预留煤柱进行注浆加固加宽，防止西部老空水对矿 井的威胁（初始断链3）。第二步，对各支链循环链进 行预防锻链，防止初始断链不彻底对煤矿生产造成 危害。对矿井内积水进行抽排（预防断链1）；对洪水 ChaoXing 44 煤田地质与勘探第41卷 暴雨进行准确预报并做好应急处理措施（预防断链 2）；对地层（主要是砂岩）减弱地表水对原生地层水的 补给（预防断链3）；矿化水净化处理防止矿化水对 土壤和地表水的污染（预防断链4）；对地表浅部进 行保水注浆建立防渗隔离层，降低地表水下渗速率 （预防断链5）；对地表沉降及时监测和预报，并降 雨进行疏排，防止地表沉降进一步加剧（预防断链 6）。第三步，对地面塌陷等进行灾害重建。断链减 灾模型图如图4所示。根据以上“初始断链＋预防锻 链＋灾后重建”组合断链模式治理华恒公司煤矿矿 井水害，可以有效的解决矿井突水特别是矿井西部 老空水问题。 领画画 领匾彭 ｜暴雨洪水性直λ丑叫j画 －－－4画画 ---- --| 下降｜－一 d生地层水仁工一盟’『咀 J始断链令一一一一一一一「一－I ｜叫隙借酬；＋司怪－－－－t－－－＞－回－－－工L锺善唾－－－－－－ d亟I 图4矿井水灾害链断链减灾模型示意图 Fig. 4 Sketch of model for mine water disaster mitigation by chain scission 5结论 a.通过对矿山灾害链的定义、分类及链式机理 的研究，发现矿山灾害链式效应在矿山灾害中普遍 存在。 b.在矿山灾害断链减灾中，初次断链受地质条 件和经济条件制约，“初始断链＋预防锻链＋灾后重 建”组合断链减灾模型为最佳减灾方案。 c.华恒矿井水灾害防治实践研究中表明，组合 断链减灾方案为矿井水患特别是矿井西部老空水水 患治理指明了方向，同时为矿山灾害防治提供了新 思路。 然而在具体方案执行中存在不足，如断链程度 把握和各断链过程对总断链的贡献率计算，从而实 现断链最优化。这将成为今后研究的重点。 参考文献 [I］何芳，徐友宁，乔冈．中国矿山地质灾害分布特征［月．地质通 报，2012,312/3 476-483. [2］徐友宁矿山环境地质与地质环境［几西北地质，2005,384 108-112. [3］徐友宁关于解决煤矿塌陷区社会矛盾的对策建议［月．中国 矿业，2006,158 14-16. [4］张建摔山西省的矿业开发与矿山地质灾害［几决策管理， 20091 56-63. [5] GLASSEY P, BARRELL D, FORSYTH J, et al. The geology of dunedin, new ze咀land,and the management of geological haz- ards［巧.Quatem缸yInternational. 2003, 103 23-40. [6］王卓理，耿鹏旭，王海荣．基于灾害链式效应的矿山地质灾害 对策研究［巧．生态经济，20116160-163. [7］王卓理，耿鹏旭，王海荣．矿山地质灾害链及其断链减灾实践 研究［几地域研究与开发，2011,305 156-159. [8］郭付三，袁巧红，殷坤龙，等．矿山小流域地质环境灾害链及 系统治理技术研究［几金属矿山，20104146-151. [9］地球科学大辞典6编辑委员会．地球科学大辞典一一应用学 科卷［叫．北京地质出版社，2005479-480. [10］姜刚，康艳霞，杨志强，等灰色理论模型在矿区滑坡变形预 测中的应用［巧．煤田地质与勘探，2011,393 49-51. [11］孟召平，张贝贝，谢晓彤，等．基于岩性一结构的煤层底板突 水危险性评价［月．煤田地质与勘探，2011,395 35-40. [12］王玉树．煤矿五大灾害事故分析和防治对策协句．徐州中国 矿业大学出版社，2006. [13］肖盛变灾变链式理论及应用队句．北京科学出版社，2006. [14］李明，唐红梅，叶四桥．典型地质灾害链式机理研究［巧灾害 学，2008,231 1-4. [15］吕秀娟．华恒公司矿井综合防治水工程技术研究［月．山东煤 炭科技，20105172-173. ChaoXing