第6岩性段(T. dy6)层面缝构成,胶结紧密,性较脆而坚硬。

第7岩性段(T. dy7)层理较闭合,胶结紧密,性脆且坚硬。

青山河矿区大理岩岩溶裂隙含水量的分布范围与-500 m标高以上的大理岩残留体相一致。含水岩自风化带以下的深度至少超过200 m,与大理岩风化破碎的发育深度相一致,沿接触带与围岩裂隙含水层无严格分界线。

青山河靠近南露天流域,岩溶发育,以岩溶裂隙为主的地下水与西南边坡相连为径流通道,在洪水期,南露天坑涌水量突然增大,涌水量达168 m3/h,压力0. 01~0. 06MPa。

2　地质灾害的成因及演化

青山河地质灾害有其发生、发展、形成的过程,是其深刻的内部原因及特殊的外部条件共同作用的结果。

2. 1　流域岩溶裂隙水流的渗流及塌陷机理青山河岩溶区域地表层5~10 m冲积土层,下为较破碎大理岩,从工程勘探资料可看出,有一定数量的大小溶洞分布且与南露天相连。区域近似地构成了多孔介质中变形场、渗流场、温度场以及多场耦合作用的模型。假设土层和岩层为饱和与准饱和的多孔介质,固体颗粒不可压缩,水是可压缩的,渗流服从达西定律,热质在固、液介质中传导,对流为主。

3场全耦合模型的控制方程由考虑渗流与热应力影响的静力平衡方程;考虑岩体骨架位移与温度影响在内的可压缩流体的渗流连续性方程;以及热传导、对流及热、液、固耦合的能量守恒方程构成。应用奥地利岩石工程软件FINAL进行有限元分析。土层、岩层的参数及边介条件分别见表1、表2。

分析结果表明,在3场耦合的作用下,水分迁移、固体颗粒运动而引起不均匀沉降,沉降点在域中心段比边界多25%,沉降量中间为16. 9 mm,两边为12. 9 mm,水头呈梯度降低。根据水文地质资料进行理论计算,证明了以下事实:

(1)青山河岩溶区域因采矿尤其是露天采矿使地下水位从地表下1 m降至-20~-90 m,呈漏斗梯度分布;

(2)常年经历干旱—大气补水—干旱的循环,导致表土层、岩层沉降—有限恢复—再沉降,同时,土体岩体颗粒被渗流场的水不断地运走,形成溶洞空区,逐渐破坏岩体平衡,形成垮落带,深部断裂带形成后,靠近地表开始形成弯曲带;

(3)由于区域岩体为较破碎风化的大理岩,又有地表水渗透,使岩体C、φ值迅速下降,加速垮陷,弯曲带也成为断裂垮落带,诱成地表沉陷、塌陷等地质灾害。

2. 2　塌陷区地质灾害的演化

青山河流域原是一派山青水秀的田园景色。20世纪80年代初期,南露天向海平面标高以下剥离日渐加深,南露天西南帮地下涌水逐渐加大。青山河出现小范围塌陷,主要集中在以公路桥为中心左右约200 m的河床附近,有时出现崩堤。汛期洪水灌入岩溶后,增加了南露天的涌水量。铜绿山矿在河床及塌陷区采取了一些工程措施,在一定程度上缓解了灾害损失。

20世纪90年代中期以后,一方面,周边小矿井无序开采,形成许多未充填新空区,损坏原有治水设施,大量抽取地下水使地下水位急速下降,加剧地表塌陷程度,扩大塌陷区范围;另一方面,流域内许多不规范的小选厂,随意在河床筑坝栏水取水,尾砂浆又排入河床,造成河堤破损,河床淤塞,过流量大为减少,汛期洪水决堤、漫坝从塌陷坑流入岩溶,给露天及井下采矿造成极大威胁,不仅严重制约矿山正常安全生产,而且植被破损,影响环境保护,还引起复杂的工农关系问题。

2　地质灾害治理的探索

2.1　传统治理的历程及误区

知道塌陷区与采矿排水的对应关系后,对小范围的塌陷一般采用简单的抛石回填,对河堤也是简单地恢复,对塌陷严重的河床采用或石填、或钢砼、或钢板直铺,最后用钢板河床。结果每年投入巨大,收益甚微,未能有效地解决问题。进入21世纪后,地质灾害危害程度呈上升趋势,主要存在以下误区:　(1)对塌陷区危害的严重性、长期性认识不足,抱有侥幸心理;

(2)对塌陷区产生的发展规律研究不够,认为只要回填扎实,将河堤做牢固就一劳永逸;

(3)治理方法单一,没有综合性措施;

(4)对乱采乱挖、乱排乱放制止不力。

2.2　治理方法

2. 2. 1　水泥帷幕注浆堵水方法

离南露天西南帮永久性开采境界50~100 m,长约500 m处,布置两排钻孔,孔径DN100,孔深100~200 m,注浆配合比为水∶水泥∶砂=0. 7∶1. 0∶0. 5,水灰比尽量取小值;注浆压力控制在2. 5~6. 0MPa;每孔水用量为1. 5~8. 0 t。在破碎第5岩性段约150 m长段,孔距由15~20 m改为10 m,注浆水泥改为加入高标号425华新水泥,缩短初凝时间,提高早期强度,同时加入添加物料,改善提高堵水效果。经钻孔取样,胶结凝固构造面岩石渗流作用明显减少,露天涌水基本停止,只有少量渗流现象;塌陷区地下水位明显回升到10m左右。治理效果较明显。

2. 2. 2　清理小矿井和充填空区

1996年后,个体业主西南有数个小矿井,无序开采,采矿量逐年增加,采掘深度逐年加深,形成不填充空区、破坏水泥幕墙防水设施,大量抽排地下水,流域地下水位又降至-45~-100 m,又多次大范围激活了塌陷地质灾害。南露天坑地下涌水增大,曾2次造成淹设备停产事故,洪水漫坝冲毁农田,损失很大。2003年,矿山与地方管理部门达成共识后,对小矿井进行清理,充填空区,对渗透层进行封堵。

2. 2. 3　桩基钢砼连续槽式河床及其它治理方法

青山河河段、公路桥100多米长是塌陷重灾区。河床、河堤常常毁坏,是洪水灌入岩溶的重要途径,也是治理重点。人工砼河床一层又一层, 1990年,甚至采用钢板焊制人工河床,都不能阻止地质灾害发生。1998年,在公路桥两侧各100 m范围内,采用桩基钢砼连接槽式人工河床,桩挖至基岩深1 m内,并对桩基溶洞用砼充填筑实。

钢砼连续槽式人工河床设计成连续箱梁,保证了结构整体强度、刚度和稳定性,通过洪水能力大大提高,又不影响发生塌陷时的回填,大大减少了洪水灌入岩溶。

汛期时,应全面检查青山河堤完好性、淤塞、塌陷等情况;修整河堤,疏通河道,回填塌陷坑。回填时,先用大块石料,再铺设土夹石碾压,最后用500~1000 m粘土覆盖并碾压实。有条件的地方,应植树恢复植被或复垦。

2. 2. 4　治理成果及遗留的问题

2005年5月,治理项目竣工验收合格,发挥了效能,连续2年南露天减少排水电费约100万元以上,减少工农赔偿费30万元以上。整个汛期保证了采矿正常生产、安全生产,没有发生洪水漫坝、塌陷大范围复活,洪水灌入岩溶的现象。生态环境得到了较大改善,基本制止了水土流失状况,大片农田已复垦耕种,达到了治理的目的。

但是,极少数个体业主因利益驱动,仍有偷采、无序开采治理区地下矿藏,人为破坏地下治水设施现象时有发生;在治理区内私自办小选矿厂,乱排乱放,人为破坏地表治水设施的行为并没彻底制止;比较系统的检查监测系统尚未建立,如地下水位、水压、径流量等数据采集等。

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