水工环地质技术在矿山地震灾害治理中的应用
1.河南省地质局地质灾害防治中心,郑州 450000;2.河南省地质环境保护与生态修复工程技术研究中心,郑州450000;3.河南省地质灾害防治和地质环境保护科技创新中心,郑州 450000
关键词: 水工环地质 ;矿山地震 ;灾害治理
Application of Hydraulic Enviroment Geological Technology in Mine Earthquake Disaster Management
WANG Xuepeng1,2,3
1.The Prevention and Control Center for the Geological Disaster of Henan Geological Bureau , Zhengzhou 453000, China;2.Henan Engineering Research Center of Geo-Environment Protection and Ecological Restoration , Zhengzhou 453000, China;3.Henan Geological Disaster Prevention and Enviornmental Protection Science and Technology Innovation Center , Zhengzhou 453000, China
Keywords: Hydraulic environment geology ;Mine earthquake ;Disaster management
DOI : 10.13512/j.hndz.2025.02.10
矿山地震灾害伴随深部资源开采规模扩大呈持续加剧态势,高频次、高能级的灾变事件严重威胁生产安全并破坏区域生态链。传统治理方法在应对复杂地质条件与多场耦合致灾机制时面临监测响应滞后、工程干预粗放、生态修复失衡等瓶颈。水工环地质技术通过水文调控、岩体改性及环境修复的协同作用,为解决矿山地震灾害的“监测—治理—恢复”全链条防控提供了创新路径。文章就水工环地质技术的理论演进、技术集成与工程范式展开系统性探讨,以期望推动该领域形成更完善的灾害防控理论框架和标准化的工程应用体系。
With the expansion of the scale of deep resource exploitation,mine earthquake disasters continue to in⁃tensify. High-frequency and high-energy catastrophic events pose severe threats to production safety and disrupt re⁃gional ecological chains. Traditional management methods face bottlenecks such as delayed monitoring responses, coarse engineering interventions,and disproportionate ecological restoration when dealing with complex geological conditions and multi-field coupled disaster mechanisms. Through the synergistic effect of hydrological regulation, rock mass modification and environmental restoration,hydrogeological and environmental geotechnologies provide innovative solutions for the “monitoring-governance-restoratio”full-chain prevention and control of mine seismic disasters. This paper systematically discusses the theoretical evolution,technology integration and engineering par⁃adigm of hydraulic enviroment geological technology,aiming to promote the formation of a more perfect theoretical framework of disaster prevention and control and a standardized engineering application system in this field.
引言
随着全球矿产资源开发深度突破4000 m量级,矿山地震灾害已演变为制约深部开采的关键性地质问题,超过85%的深部金属矿山遭遇过ML 2.0级以上矿山地震事件。这类灾害本质上是地质构造活跃性、地下水动力场与工程扰动应力场动态耦合的结果,其孕育过程具有多场协同、多维演化和多级触发的复杂特征。传统治理模式在工程实践中逐渐暴露出三方面缺陷:监测体系对微破裂前兆信息的捕捉灵敏度不足,治理措施对灾变路径的阻断效率偏低,修复技术对生态环境的系统性维系能力薄弱[1] 。近年来,水工环地质技术的突破性发展为灾害防控提供了新思路。水文地质调控通过疏水降压与帷幕截流实现岩体渗流场的精准控制;工程地质加固借助微震定位与智能注浆完成岩体结构的动态强化;环境地质修复依托微生物改性与植被重建达成受损生态系统的功能再生[2] 。本文将从理论机理、技术体系和工程应用三个层面进行系统性论述,为构建矿山地震灾害防控的新理论框架提供科学依据。
1 矿山地震灾害的形成机制与治理需求
1.1 致灾机理分析
矿山地震灾害的致灾机理本质上是地质体多场耦合动态响应的集中体现,深部开采活动打破原有地质平衡状态,触发岩体应力场、渗流场与化学场的非线性相互作用,其核心机制可归纳为构造活化、能量释放与流体作用的协同效应。典型发震过程始于开采扰动引起原岩应力的空间再分配,尤其在断层复合区域,高角度逆冲断裂带的侧向应力可骤增至垂向的2倍量级,促使软弱夹层发生多米诺式连锁剪切滑移。能量演化遵循储能积累—耗散—释放的动态路径,其特征表现为三个阶段递进转化。开采初期围岩弹性能以3~5 MPa/d的速率在应力拱区集聚,当累积应力超过岩石长期强度的70%时,微裂隙逐步扩展并最终形成贯通性破裂面。此时储存在岩体内的弹性能若突破临界阈值(通常为采空区体积的15%~20%),将转化为低频地震波的能量释放载体。致灾临界状态的判断需综合力学参量与地质环境参数,修正后的广义拜尔利准则为此提供了量化依据。
1.2 水工环技术的适配性
1.2.1 水文地质技术对地下水调控的作用
水文地质技术在矿山地震防治中发挥着关键性水文环境塑形功能。通过水文地质调查构建渗流场三维分布模型,能够系统揭示采动影响区地下水的赋存特征与运移规律。重点部署的水位实时监测网络可动态捕捉含水层水力梯度的时空变异,结合水化学特征分析准确判别导水通道的活化状态。调控策略方面,采用帷幕注浆技术形成定向阻渗屏障,可有效分割强径流带与采空区的水力联系;在高压富水区实施超前疏排工程,通过疏干孔群的合理布置降低岩体孔隙压力场强度。另外,创造有利的水压差环境,诱导渗流方向朝有利于围岩稳定的方向调整。这种系统性调控技术的核心价值体现在阻断渗流、应"恶性循环链层面,既能削弱地下水的润滑劣化效应,又可防止水力劈裂导致裂隙网络贯通失稳。
1.2.2 工程地质技术对岩体加固的支撑
工程地质技术通过多尺度力学作用实现对岩体结构的重塑与强化,基于结构面优势方位统计和岩体质量分级体系,精准识别出潜在滑动面和应力调整敏感区。通过钻孔成像与地应力场反演技术,定量刻画岩体力学参数的梯度变化规律。在加固实施阶段,新型全长粘结型锚索不仅提供径向约束力,其预应力扩散效应还可改善局部应力集中现象;注浆加固技术通过渗透—压密双重机制提升破碎带内聚力,特别通过纳米硅基材料的应用显著增强胶结强度。针对大规模采空区,采用模块化分段充填工艺可实现三维空间力学支撑结构的系统性构建。
1.2.3 环境地质技术对生态恢复的贡献
环境地质技术突破了传统工程治理的单向度思维,强调地质系统自修复能力的激活与引导。在地下水污染防治方面,构建多层介质复合阻隔墙体系,通过矿物—微生物协同作用实现污染物的原位吸附转化。地表形变控制中,采用梯级消能台阶和柔性拦挡结构物,既缓解滑坡动能又为植被重建预留生态空间。生物地质工程领域,筛选耐重金属的先锋植物品种,配合菌根接种技术提升退化土壤的生物活性,逐步重建具备自维持能力的微型生态系统。在微观层面,通过地球化学场调控改变表层岩土离子交换环境,加速污染物赋存形态的钝化转化;宏观层面则以地形地貌重塑为目标,运用三维激光扫描技术优化堆积体坡形参数,消除次生地质灾害隐患。这种多维度协同修复模式恢复场地的物理稳定性,更能重构受损生态系统的物质循环与能量流动网络。
2 水工环地质治理技术体系
2.1 灾害监测预警技术
矿山地质环境的复杂性与工程活动的叠加效应,使得水工环地质技术在地质灾害预警中的系统性应用成为关键。通过整合水文地质调查、工程地质条件分析与环境遥感监测等手段,该技术体系在灾害识别、风险评价与应急防控中展现出综合优势。水工环地质技术在灾害监测预警领域主要聚焦于多维感知网络建设及风险演化模型构建。侯宁强调矿山地质灾害链的特征分析是预警技术优化的基础,提出需建立涵盖地表位移、地下水位与岩体破裂的三维动态监测系统[3] ;刘庄德进一步论证了多源遥感数据融合对泥石流和滑坡早期识别的有效性,通过地质力学模型与实时监测参数的迭代校正,能够提升灾害风险评估的科学性[4] ;郭占林在矿山突水灾害场景中,分析了水文地质参数阈值的动态标定方法,指出结合渗流场模拟与地下水位异常响应机制,可显著提高突水风险预警的时效性[5] 。综合现有研究可见,矿山灾害监测预警技术已从单一指标监测向多维度协同感知转变,智能算法与地质模型的深度融合成为前沿方向[6] 。
2.2 工程治理关键技术
矿山工程治理技术作为水工环地质体系的核心环节,围绕灾害防治与工程稳定协同目标,整合岩土力学性能提升、地下水调控及结构安全控制等多重技术手段。工程治理技术革新主要体现在精准化勘察与自适应治理两个维度。邹思鑫系统梳理了水工环地质技术在边坡加固与突水封堵中的实践路径,提出基于地层渗透系数动态评估的注浆参数优化方法[7] ;李成从地质构造识别角度论证了高密度电法与无人机倾斜摄影的协同勘察模式,阐明多尺度地质信息整合对治理工程设计的关键支撑作用[8] ;杨中强与申燕针对矿山工程地质体非均质特性,提出层状岩体锚固设计与稳定性验算的协同修正框架,通过数值模拟优化锚杆布设密度与倾角阈值[9] ;童炜与章金正芝通过多个矿山工程案例验证了帷幕注浆与生态护坡的耦合效应,强调治理技术需实现工程力学性能与环境承载力的双重平衡[10] 。总之,未来需强化多源地质数据的实时交互能力,发展基于人工智能的动态设计优化平台,同时深化治理技术的全生命周期效能评估机制。
2.3 生态环境修复技术
矿山开发引发的土壤污染、水源破坏与生物多样性退化等问题,迫切要求水工环地质技术向生态功能修复延伸。当前生态环境修复技术强调地质系统与生态系统的耦合协调,通过水土保持、污染阻控、植被恢复及水文循环调节等综合措施,重塑矿区的环境自愈能力。生态环境修复技术的核心路径涵盖地质本底分析、污染源头阻断与生态功能重构三个层级。罗飞针对有色金属尾矿库的渗滤液污染问题,构建了基于水文地质结构的风险评估模型,提出渗透屏障与垂直防渗墙的联合布设策略[11] ;李丹从灾害链视角解析矿区重金属迁移规律,建议通过微生物修复与植物富集技术降低土壤污染物浓度[12] ;王丽安结合金属矿山酸性废水问题,设计分层回填与封闭式导流系统,探讨碱性介质与人工湿地协同修复的可行性[13] ;欧阳贺岳聚焦山区水文条件对生态承载力的影响,提出基于地形梯度的水土保持工程与本土植被群落的定向恢复方案[14] 。当前研究趋势表明,矿山生态环境修复需突破传统工程修复的单向逻辑,转向“地质结构稳定—污染路径阻断—生态功能再生”的多维协同[15] 。
3 水工环地质技术在矿山地震灾害治理中的工程应用
3.1 甘肃灵台县滑坡灾害预警
甘肃灵台县中台镇尹家沟岭社的滑坡灾害预警是水工环地质技术在矿山次生地震灾害治理中的典型应用。2022年8月28日,受持续降雨影响,该区域发生中型滑坡灾害,滑坡体积约23万立方米,威胁58名群众的生命安全。通过部署“智触位移桩”监测系统,实时监测裂缝位移变化,结合水文地质数据(如地下水位波动)和工程地质参数(岩体应力状态),系统在灾害发生前47分钟连续触发蓝、黄、红三级预警信号。
技术应用与成效。多参数监测与智能预警:监测系统集成裂缝位移、倾角、加速度等多参数传感器,通过智能算法实时分析数据,实现从变形量预警到稳定性评估的全流程覆盖。
“技防+人防”协同机制。预警信息通过地质灾害监测预警平台同步至地方政府和技术支撑单位,技术人员迅速现场核查并建议撤离,地方政府组织群众避险,最终实现零伤亡16。
该案例验证了水工环技术中“专群结合”监测预警体系的可行性,为全国1200余个地质灾害隐患点的监测提供了示范。
3.2 云南纳帕海隧洞工程TBM技术创新应用
云南纳帕海防洪整治隧洞工程是国内首个采用TBM(全断面硬岩隧道掘进机)施工的高海拔水工隧洞项目,全长10.2 km,平均海拔3200 m,地质条件复杂(岩溶发育、岩爆风险高)。
技术突破与工程实践。水文地质与工程机械协同,针对高外水压力和岩爆风险,团队通过水文地质分析优化排水方案,降低地下水渗流压力;同时改进TBM刀具材料和护盾系统,增强岩体稳定性。
智能施工与效率提升。TBM“大禹号”配备智能通风系统和超前地质预报技术,实现单日掘进41.1 m、月掘进900 m的突破,创西南地区纪录。
环境友好型施工。TBM法减少人工开挖,降低粉尘和噪声污染,保护高原湖泊湿地生态系统,体现了工程地质与环境地质的深度融合。
3.3 青藏高原日喀则市水源开发与土地复垦
青藏高原日喀则市确布雄乡的水源开发与土地复垦项目因地下水过度开采引发地裂缝和地面塌陷,威胁当地生态与农业生产。
技术集成与生态修复。水文地质调查与水资源调控,中国地质调查局通过探采结合井工程,优化地下水开采方案,控制开采量以恢复地下水位,缓解地面塌陷问题。
环境地质修复技术。采用植被恢复(如种植耐旱作物)和土壤改良技术(添加有机质增强土壤稳定性),修复3万亩荒地为农田,减少沙化和泥石流风险。
长效减灾机制。项目将水资源管理与生态修复结合,形成“防灾—治灾—恢复”一体化模式,为青藏高原其他地区实现“绿水青山与金山银山”的协同发展提供了参考。
4 技术挑战与展望
4.1 现存问题
当前矿山地质环境治理与生态修复技术仍面临多重瓶颈,制约其高效性与可持续性。一方面,技术体系的碎片化问题显著,勘察、设计、施工与运维环节的协同性不足,导致治理工程与生态修复的割裂。如水工环地质勘察数据与后续治理方案的动态耦合机制尚未健全,地质参数动态变化的实时反馈常滞后于工程决策,造成设计方案适应性不足。另一方面,复杂地质环境下治理技术的普适性较弱。如针对非均质岩体锚固、深层地下水污染的修复工艺多依赖单一技术模块,缺乏多技术联动的标准化流程,导致修复效率与长期稳定性难以保障。另外,生态修复与工程治理的融合度偏低,现有技术多聚焦于物理阻隔或化学处理,而忽视生态系统的自组织能力激活。例如,酸性废水治理中人工湿地的生物降解效能常受限于本地植被的适应性不足,生态链重建的系统性策略尚未形成。
4.2 未来方向
面向矿山地质环境的系统性修复需求,技术发展需向多维度协同与智能化转型:强化多学科技术的深度融合,构建地质建模、工程治理、生态调控一体化技术框架。如基于数字孪生的三维地质模型可与修复工艺动态交互,实现锚固参数、注浆路径与生态屏障的同步优化;开发模块化修复技术体系,集成垂直防渗墙、原位生物修复与土壤重构工艺,推动治理与修复的流程耦合;深化智能化技术应用,依托人工智能与物联网构建全周期动态感知网络。通过高精度遥感与分布式传感器的数据联采,实时反演地质环境参数,驱动治理方案的自主迭代;开发基于机器学习的风险预警平台,动态评估污染迁移路径与边坡失稳风险,提升工程响应效率;推进绿色修复材料与柔性结构技术研发,例如纳米吸附材料、自修复混凝土与可降解生态护坡模块的工程化应用,降低修复能耗并提升长期服役性能。
5 结论
矿山生态环境修复技术的革新是破解资源开发与生态保护矛盾的关键路径。当前研究揭示了水工环地质技术从单一工程防控向地、水、生系统治理的转型趋势,其核心在于突破传统技术的碎片化壁垒,通过多学科协同实现环境自愈能力的精准激活。尽管现有技术已在污染阻控、植被恢复等领域取得阶段性进展,但复杂地质环境下的技术普适性不足、生态修复长效性缺失及智能化水平滞后仍是制约系统性修复的桎梏。