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矿山地质环境治理技术与治理模式分析

2024-07-23 19 上传者：管理员

摘要：本文以矿山开采过程当中对地质环境产生的影响作为切入点，基于现场调查、地表移动变形模拟以及地基沉降有限元分析等角度对矿区地质环境问题分析策略进行了阐述与分析，同时从排水设施修筑、边坡植草复绿、沉陷区域治理、矸石植被修复以及区域稳定性监测等角度对矿山地质环境治理措施的应用进行了阐述，以期为有关技术人员提供参考。

关键词：
地质环境
方案分析
治理建设
矿山开采
矿山生态修复
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矿山开采已成为影响区域地质环境持续性发展的关键要素。据《2023年中国自然资源公报》统计数据显示，我国新增历史遗留废弃矿山生态修复示范工程共18个，总计修复面积达2.6万公顷。有关单位与从业者应当更加充分地认识到矿山地质环境修复的重要性，同时做好相关技术部署与方案建设工作，强化矿区地质环境修复成效[1]。

1、矿区地质环境问题分析策略

1.1现场调查

基于上文可知，在矿山开采过程当中，常见的地质环境问题包括采空区地质灾害、地下水水位变化、地下水污染、土地无序占用以及矿区环境污染等几方面内容，因此基于现场调查等相关手段，能够较为全面直观地掌握矿区开发过程当中所造成的环境问题以及环境影响[2]。

首先，基于现场调查等手段与措施，能够针对矿山山体及其平台状况进行实地考察，全面掌握山体高度、山体表面状况、整体地质结构状态等相关指标，明确强风、降水等环境因素对于矿山地质环境所造成的影响，评估矿山山体出现局部崩塌的可能性，并能够对山体的植被覆盖情况、水土流失状态以及排水系统修筑情况进行综合分析与研讨（见图1）。

其次，借助现场调查手段，能够针对矿山边坡荷载情况进行初步分析与考察，明确矿山边坡风险可能在现场引发的相关地质灾害，跟踪边坡土层发生的沙化现象并进行及时反馈。

图1矿区现场调查结果

最后，通过现场调查，还能针对矿山生产区、农业种植区、居民居住区等不同区域之间的分布与间隔进行全面分析，讨论矿区地质灾害对于其他区域可能造成的威胁与影响（见图2）。

图2矿区与居民区分布情况

1.2地表移动变形模拟

受到地下采空区空间结构等因素的影响，可能会导致矿区地表出现严重的移动或变形风险，对地质环境安全造成一定威胁。因此在进行地质环境分析以及治理方案构建的过程当中，可基于概率积分模型对矿区地表移动变形状况进行模拟，为后续规划方案的实施提供参考。

在地表移动变形分析模型进行构建的同时，需要分别针对断面走向以及断面倾向的剖面移动系数进行分析：

式中：Cx为断面走向方向的位移变化系数；Cy为断面倾斜方向上的位移变化系数；x、y分别为监测点位在矿区地质环境结构坐标系当中的坐标读数。

在矿区地表位移变形模拟分析的过程当中，技术人员还需要结合矿区现场实际情况，分别针对矿区最大下沉角、上山边界角、下山边界角、走向边界角、松散层移动角以及拐点移动系数等关键指标进行综合分析，考虑矿区地质特性进行模拟验证。具体参数如表1所示。

表1角值参数与概率预计参数

在模拟分析的基础上，还应当采用相似材料通过计算机模拟的方式进行比对分析，明确矿区地质环境变化过程当中所产生的支承压力变化情况以及关键层次位移状态，使技术人员能够进一步掌握矿区地表发育情况，并为后续工作的开展提供参考依据[3]。在相似材料模拟试验的开展过程中，需要确保模拟材料的几何比例、容重系数、现场生产时间、材料弹性模量、强度以及泊松比等关键指标的相似性，实现变量控制下的综合模拟与分析。

第一，将模型三维垂直坐标分别设定为XP、YP、ZP，将模型尺寸设定为Xm、Ym、Zm，同时按照1:100比例开展模拟分析与试验。

第二，对容重系数进行计算，将试验岩层容重设定为rpi，将矿区现场岩层容重设定为rmi，计算公式为：

第三，对矿区开采时间进行模拟分析，为简化计算过程，设定试验时长为2 h，对应公式为：

第四，对试验过程中弹性模量进行模拟与分析，将矿场现场岩层弹性模量设定为Epi，将试验过程中模拟岩层弹性模量设定为Emi，两者对应换算公式为：

第五，对模拟试验过程当中的岩层抗压强度进行对应设定，将现场岩层抗压强度设定为，对应强度设定为，换算公式为：

第六，对模拟试验过程中现场岩层与模拟岩层之间泊松比值进行对应换算，将现场岩层泊松比设定为upi，将模型当中岩层泊松比设定为umi，换算公式为：

通过模拟分析过后，能够针对目标矿区地表位移与沉降状况做出初步估测与分析，统计现场地质环境的变化状况，并能够在一定程度上明确矿区开采与生产过程当中对于周边地质环境变化所产生的相关影响，为接下来的回填作业与环境修复作业提供参考依据。

1.3地基沉降有限元分析

首先，在进行有限元分析之前，为简化模拟分析与计算过程，提升分析效率，需要明确地基相关基本假设，将地基部分填料均视为各向同性连续介质，同时将基底、侧壁对回填地基的约束力视为无限大。在进行荷载分析的过程当中，单独考虑重力荷载所造成的影响，忽略环境温差、湿度变化以及岩土体固结现象对分析结果造成的影响。

其次，在进行边坡稳定性有限元分析的过程中，可基于折减强度法对土体强度进行调整，并得到针对性的计算分析结果：

其中，c、φ表示边坡土体的动态强度指标，F为折减系数，在动态实验与分析过程当中，当坡体出现破坏现象时所呈现的折减系数可视作安全系数，在依托计算机程序进行折减强度法分析的过程中，能够自行给出相应的安全系数以及边坡滑动状态，从而便于技术人员以及治理人员对现场进行处置。

此外，在进行地基分析以及边坡分析的过程当中，应当基于岩土体材料物理特性遵循相应的屈服准则，明确土体在一定外力影响下所产生的应力张量以及应力偏张量，进而掌握现场岩土层安全性变化情况。通常来说，在进行矿山边坡稳定性与地基稳定性分析的同时，应遵循Mohr-Coulomb准则，具体公式为：

其中，II以及J2分别代表应力张量不变量以及应力偏张量不变量。

2、矿山地质环境治理技术应用

2.1排水设施修筑

基于上文可知，在矿山生产与开发过程当中，很多矿山未能及时修筑相应的排水设施，导致山体内部受降水因素影响所汇集的地表水水量无法得到及时排出，大量的积水会导致现场地质环境状况发生一定变化，加大现场发生水土流失的可能性。因此有关人员在采取技术手段与措施针对矿山山体进行地质生态环境修复的过程当中，应加强对排水设施的修筑工作。

首先，在设施修筑前，技术团队应当针对区域内表面松动的矿石与废渣进行及时清理，避免在降水冲刷过程当中对于山体岩层以及山脚土地造成的冲击与影响，减少地质灾害风险的发生概率。

其次，为保障排水设施的应用效果，减少降水给山体带来的威胁，可采用混凝土技术沿采矿平台流水方向修筑溢洪道，结合现场气候环境条件以及降水状况对溢洪道的宽度、深度、壁厚等相关指标进行全面调控，使山体汇集的地表水能够及时排出至矿区外部。排水溢洪道相关标准要求如表2所示。

最后，为进一步减少降水引发的区域水土流失，还应当在山腰、山脚部位修筑相应的拦渣坝，针对降水当中的松动碎石与土壤进行有效阻拦，避免其对于山体造成的进一步冲刷和影响。拦渣坝相关建设标准要求如表3所示。

表2排水溢洪道施工建设标准

表3拦渣坝施工建设标准

2.2边坡植草复绿

作为矿山开采生产过程当中的主要影响对象，如何恢复边坡生态，保障其地质环境稳定性成为技术人员亟待解决的关键性问题。相关人员应采取多元化的措施与手段对边坡进行植草复绿作业，强化边坡表面植被覆盖率[4-5]。

例如，在针对矿山边坡进行生态环境保护与修复作业的过程当中，可采用挂网喷播技术进行植被种植，技术人员可采用锚杆等固定技术以及固定方法将金属网或塑料网固定于边坡表面，同时将土壤与种子进行喷播，保障边坡表面植被的生长效率，提升边坡结构稳定性，同时使边坡表面得以快速复绿。植草复绿工艺关键要点如表4所示。

表4边坡植草复绿工艺关键技术要点

2.3沉陷区域治理

在一些开采规模较大的区域，可能会出现严重的沉陷坑，为减少上述地质环境问题对于生态建设所造成的影响，相关技术人员还应采取系统性的坡面整修方案消除沉陷坑造成的影响，保障现场生态修复效果。技术团队应当从实际出发，对现场工程地质条件以及治理工程量进行综合分析，并分别基于削坡、构筑、坡面整修、移土、生物垫层配置、植被种植等相关流程对现场进行修复与治理，保障坡面的自我修复能力（见图3）。

2.4矸石植被修复

矿山开发生产过程中可能会出现大量矸石堆，严重影响了植被的正常生长，对于目标地地质环境保护也产生了一定影响。相关技术人员应当采用分层碾压、坡面整理、表面覆土、植被栽培等相关手段与措施对矸石堆进行及时修复，使矿山目标区域的岩土层蓄水能力进一步提升，保障植被的正常生长。

图3矿区塌陷坑治理成果

2.5区域稳定性监测

在上述矿区生态环境修复措施应用过后，为明确相关措施的应用效果，保障区域环境可持续发展，技术人员还应采取一定的技术手段对现场地质稳定性进行合理化监测，目前常见的监测手段包括外部观测法、深部位移监测等，技术团队可从实际出发进行合理选用。

3、结论

综上所述，在矿区生产与开采过程当中，面临着一定的地质安全与环境威胁。有关技术团队应当认识到现阶段社会对于矿山地质环境修复工作提出的综合要求，同时从实际出发对矿山地质环境治理技术以及治理策略进行全面探讨，提升环境治理效果，保障区域可持续发展。

参考文献:

[1]王鹏飞,赵振杰,张亚杰,等.豫安煤矿开采对矿山地质环境影响及治理技术[J].能源与环保,2023,45(10):160-166.

[2]郭琪.刍议矿山地质环境保护与治理恢复技术[J].世界有色金属,2023(15):160-162.

[3]姜斌.矿山地质勘查技术与地质环境综合治理措施分析[J].世界有色金属,2023(11):97-99.

[4]沈佩霞.矿山地质环境治理工程技术研究[A]//.河南地球科学研究进展(2022)[C].武汉:中国地质大学出版社,2023:7.