石灰岩矿山地质环境风险分析与管理研究

1、石灰岩矿山地质环境风险分析与管理研究矿产资源对我国经济建设至关重要, 长期以来大规模和高强度地开发矿产资源 , 为国家的建设和发展做出了巨大贡献。但是 , 矿产资源开发对环境的影响一直没有得到足够重视,2006 年之前基本没有对矿山环境问题进行有效防治。目前, 我国对矿山地质环境保护和恢复的工作刚刚起步 , 对矿山关闭设计缺乏系统的规划和设计, 许多已废弃关闭的矿山由于没有有效地开展地质环境治理和恢复工作, 矿区内的环境日益恶化。为了有效地保护这些废弃老矿区的地质环境, 国家于2005 年开始立法强制采矿权人对其所有的矿山开采产生的环境问题进行治理 , 并建立了矿山地质环境保证金制度 , 从

2、2009 年起将矿山地质环境保护与恢复治理方案编制与矿山土地复垦方案编制作为申请采矿权或采矿权延续、年检的前置条件。另外 , 从 2001 年起 , 国家财政投入资金 , 通过设立矿山地质环境治理工程项目的形式在全国范围内对地质灾害隐患严重与危害巨大、 生态环境破坏严重的矿山地质环境治理工程进行引导性资助； 2010 年开始加大对 2006 年之前遗留的矿山老地质环境治理专项经费投入 , 每年预算达 60 多亿 , 并先后部署了历史遗留老矿山环境治理项目、 资源枯竭型城市矿山地质环境治理项目和矿山地质环境治理示范工程项目等一系列的治理工程。 但上述治理工程项目尚缺乏基本理论与技术方法的指导。因

3、此 , 亟待探索适合我国国情的矿山地质环境问题风险分析与管理理论与方法 , 以及矿山地质环境治理工程设计理论方法。 石灰岩建材矿山在国内分布最广、数量最多的矿山 , 多分布在灰岩裸露的山区 , 采矿后的掌子面内常存在崩塌、落石等地质灾害。 广西凤山县城区石灰岩矿山因其分布、开采方式、诱发的地质环境问题等具有典型性和代表性。 论文以废弃石灰岩矿山为例 , 依托国家财政专项广西凤山县石灰岩矿山地质环境治理工程 , 采用资料收集、现场调查和测量、边坡三维影像扫描、红外线扫描、室内岩石与结构面试验和数值模拟等方法获取研究所需数据 , 运用工程地质分析、图解分析、块体理论、刚体极限平衡法、可靠度分析、地

4、质灾害风险分析、 建筑结构力学和岩土工程设计理论等基本理论开展了石灰岩矿山地质环境风险分析与管理研究 , 既对全国矿山地质环境治理具有示范作用和重要理论意义 , 也可指导凤山县矿山地质环境治理工程实践。主要研究内容如下。一、石灰岩矿山地质环境问题成因与分类研究首先总结了国内外矿山地质环境问题分类方法 , 然后基于矿山地质环境问题的特征与实质 , 从矿山地质环境风险分析与管理角度 , 提出了将矿山地质环境问题分为突发型矿山地质环境问题和渐变型矿山地质环境问题两大类。 前者通过破坏概率或可靠度表示其危险性 , 风险减缓措施必须部署在灾害发生前；后者可通过统计或经验模型确定危险性 , 风险减缓措施可

5、部署在地质环境问题发生前或发展过程中 , 无需预警或应急等管理措施。广西凤山县城区周边 6 处石灰岩矿山内 , 突发型矿山地质环境问题为落石、崩塌及矿渣堆不稳定斜坡；渐变型矿山地质环境问题包括土地资源占用、 生态资源破坏和地形地貌景观破坏。分析了石灰岩矿山地质背景 , 揭示了采矿活动和主要矿山地质环境问题之间的关系 , 深入研究了石灰岩矿山地质环境问题的成因和组合模式 , 进而弄清了石灰岩矿山地质环境问题对人类社会的灾害效应。二、石灰岩矿山地质环境风险分析研究 1、矿山地质环境风险分析的主要内容和基本流程根据矿山开采与矿山地质环境问题之间的相互影响机制, 提出了矿山地质环境风险评价的主要内容和

6、基本流程 , 整个体系包括五部分：1) 矿山地质地质环境风险分析数据获取风险分析数据包括地质环境背景数据、已有矿山地质环境问题强度、破坏损失调查、防治工程现状和实施条件的数据。并以凤山废弃石灰岩矿山为例, 探索了矿山地质环境风险评价所需主要环境参数获取方法。 2) 矿山地质环境危险性分析突发型地质环境问题危险性分析的核心是建立灾害规模、强度 ( 速度、冲击力等 ) 和发生频率的关系。渐变型地质环境问题危险性分析包括现状危险性和趋势预测两部分 , 通过历史数据统计或经验模型预测其危险性的发展趋势。3)矿山地质环境易损性评价易损性来源于三部分, 即人员和建筑等物理实体的脆弱 , 社会、经济和生态的

7、脆弱 , 生态和社会经济缺乏恢复能力。在易损评价被归为两类, 第一类用于评价潜在人员损失和物理实体的损毁程度；第二类用于评价潜在的社会、 生态和环境影响对人类社会的危害程度。4) 矿山地质环境风险评估以可接受程度和容忍度作为风险评估的标准 , 确定风险是否被接受、容忍或者不容忍。5) 矿山地质环境风险管理包括风险决策、风险控制和执行, 风险控制措施包括三类：降低矿山地质环境问题的危险性的工程措施；降低承灾体易损性和减少灾害后果的软措施；分散灾害后果。2、突发型矿山地质环境问题风险分析理论与方法研究突发型矿山地质环境问题的承灾体是建筑物和人群 , 其风险评估主要包括灾前风险评估与灾后损失评估。从

8、建筑物损失角度 , 以凤山 4 号石灰岩矿山为例 , 研究了石灰岩矿山崩塌和落石等突发型地质环境问题产生过程与发展趋势、 风险评价的基本流程与方法。 1) 石灰岩矿山地质环境问题数据获取与分析方法。基于对矿山地质环境背景资料的系统收集 , 重点对开采掌子面、废石堆、矿渣堆和废弃矿业建筑进行了详细调查；采用了地形测量、现场调查、激光扫描、红外线探测和岩石物理力学试验等调查方法 , 以及块体理论、刚体极限平衡、 可靠度分析方法、数值模拟等分析理论与方法 , 获取了岩土体物理力学性质与结构面数据；然后进行了掌子面矿山地质环境分区。 2) 危险性分析 (1) 落石危险性分析应用块体理论确定了落石的结构

9、和失稳模式 , 然后根据滑动面物理力学特性 , 确定了工程开挖面上所有关键块体。 具体分析过程是： 块体理论几何分析除去稳定块体找出工程作用力和自重作用力下可能失稳块体据滑动面的剪切强度确定关键块体赤平投影与矢量分析确定失稳模式、落石体积 , 表明凤山 4 号石灰岩矿除区、区外均有落石灾害。利用结构面的规模 ( 迹长 ) 函数 , 分析了不同规模落石的出现概率 , 表明凤山 4 号石灰岩矿区、区、区、区、落石出现概率各不相同 , 区落石概率较高。采用验算点法计算了块体的可靠度指标及破坏概率 , 通过可靠度和破坏概率表示落石的危险性 , 得到凤山 4 号石灰岩矿、区危险性值分别为0.53 、0.

10、004 、0.279 、0.5 。采用 rockfall 软件模拟了落石强度 , 得到落石水平位置、速度分布、弹跳高度等 , 并用于下一步易损性研究。 (2) 崩塌危险性分析凤山 4 号石灰岩矿山崩塌主要集中在区 , 存在错落式崩塌和倾倒式崩塌两种破坏模式 , 分别建立了两者的可靠度计算模型进行分析,通过可靠度和破坏概率标识崩塌体的危险性。错落式崩塌的体积为3695m3,在 1/3 、1/2 和 2/3 饱水条件下 , 破坏概率分别为0.571 、0.618和 0.864 。倾倒式崩塌体积4682m3,三个饱水条件下的破坏概率为0.28 、0.728 和 1.00, 崩塌体危险性极高。 3)

11、易损性分析建筑物的易损性程度 ( 值) 与突变型地质环境问题产生的灾害强度和结构损伤有关。在分析落石和崩塌等造成建筑物的易损性时, 考虑了落石灾害强度的具体参数 , 如速度、能量和轨迹等 , 落石和建筑结构的相互作用和结构响应。建筑物结构响应与落石作用强度和作用位置密切相关, 它们直接决定了建筑物主要承重构件的初始伤害和整体稳定性。通过落石和崩塌对建筑物的结构损伤的量化、使用相对维修成本表示经济损失计算确定易损性。落石对建筑物易损性评价计算方法有四个步骤：(1) 碰撞可能性分析落石与建筑物发生碰撞共有40 种不同碰撞的独立方案 , 计算了各方案中建筑物承重柱发生碰撞的概率。(2) 单个结构构件

12、对落石响应单个结构构件对落石响应与落石和结构有关, 如质量、速度、作用区域、刚度、荷载、碰撞几何特征等；根据钢筋混凝土构件的线性剪切破坏模型, 计算了落石撞毁1 根、2 根、3 根或更多根柱子的初始能量 , 最后得到了落石碰撞柱子损毁特征曲线。(3) 建筑连续倒塌分析通过落石对框架结构建筑物的撞击模式分析, 采用 sap2000建立模型进行分析建筑物承重结构破坏后发生连续倒塌的可能性与损毁程度。(4) 建筑结构损伤指数计算计算了40 种不同碰撞的独立方案的建筑结构损伤指数, 并建立了建筑结构损伤等级划分标准。继而考虑落石碰撞位置、 每种方案发生的概率和产生损伤的相对维修成本rrc,建立了不同体

13、积落石和到达建筑物速度组成的建筑物易损性评价矩阵。凤山石灰岩 4 号矿山中 1.00m3 直径落石当速度小于 4m/s 时建筑物易损性为 0.01,4-6m/s 对应的易损性为 0.09,6-7.5m/s 对应的易损性为 0.17,8m/s 对应的易损性为 0.33 。1.00m3 直径落石当速度小于 1.5m/s 时建筑物易损性为 0.01,3-8m/s 的易损性为 0.53 。直径为 4m落石 , 当速度大于 1m/s 时, 建筑物完全破坏 , 易损性为 1.0 。4)风险评价突发型地质环境问题的风险表征为地质环境事故发生的可能性与这个事故发生后所造成的损失或危害之积； 如果一个实际的矿山

14、地质环境往往存在多个相对独立的矿山地质环境问题 , 则这个地质环境环境的风险为各个地质环境问题风险之叠加 , 可采用指数模型求和。据此计算了掌子面各个区域落石风险、崩塌风险与建筑物风险。结果表明： 1#建筑物风险值为 0.188, 来自于落石作用造成的损坏 , 风险水平最高； 2#建筑物风险值为 0.042, 来自于落石和崩塌的综合作用 , 风险程度处于中等水平； 3#建筑物的风险值为 0.002, 主要来自于落石 , 风险程度处于低水平。 3、渐变型地质环境问题风险分析渐变型矿山地质环境问题的承载体是环境与生态 , 其风险评估主要在地质环境问题存在后、 其作用过程中的风险评估。 论文从对社会

15、和环境的影响及可恢复性角度 , 探讨了废弃矿山渐变型地质环境问题风险评价的技术方法。其风险评估主要包括四方面内容：土地资源破坏、地形地貌景观破坏、生态资源破坏、环境污染等。 1) 渐变型地质环境问题危险性评价渐变型地质环境问题危险性是对现状条件下危险性和某段时间 t 内矿山地质环境问题的发展趋势进行综合分析。需要回答的问题是：现状条件地质环境问题的分布范围、影响程度, 以及某段时间t 内各问题的影响范围和影响程度的变化过程。据此建立了5 类不同适用范围与影响因素下的演化模型来预测短期内各地质环境问题的危险性 , 危险性的发生概率为 1。2) 渐变型地质环境问题易损性评价渐变型矿山地质环境问题易

16、损性主要指对社会、 经济和生态的脆弱性 , 以及生态和社会经济的可恢复性进行评价。对于单个矿山 , 某个渐变型矿山地质环境问题的易损性指在其作用下 , 时间 t 内社会、生态和环境的易损值 , 是社会影响、生态破坏与损失、环境破坏与损失的函数 , 可以用易损性函数来表达。 (1) 土地资源破坏的易损性提出了土地资源破坏的易损性由土地资源破坏对社会经济的影响指数、 土地恢复的可行性指数决定 , 其社会影响指数通过影响的人口数量表示；恢复的可行性指数根据农牧用地和建筑用地的不同 , 前者采用环境敏感地区指数模型 , 后者采用不同功能建筑用地地质环境适宜性评价模型。并建立了凤山 4 号石灰岩矿山的土

17、地资源破坏的易损性等级标准, 计算了各区的土地资源破坏的易损性。 (2) 地形地貌景观破坏的易损性地形地貌景观破坏的易损性通过破坏强度、 社会经济影响及恢复可行性指数三个评价指标确定。 破坏强度由破坏面积、 地形破坏程度和采矿前后地貌景观的对比的 3 个参数确定；社会经济影响包括矿山所在区位和社会经济发展规划 2 个参数；恢复可行性指数包括矿山类型、露采边坡高度、 视觉缓冲区和政策法规 4 个指标。分 4 个易损性等级建立了矿山破坏地形地貌破坏易损性等级评价标准。 (3) 生态环境破坏的易损性生态资源破坏的易损性由自然环境指标、 地境指标、生物多样性指标、生态系统动态平衡指标、 生态景观指标和

18、生态恢复案例指标 6 大类指标组成。 (4) 环境污染的易损性计算环境污染的易损性以评价污染物对人类健康的风险为目标。 3) 渐变型地质环境问题风险评估渐变型地质环境问题危险性可预测 , 所以发生的概率为 1, 即风险性=易损性。对于渐变型地质环境问题的风险评估 , 分两步进行。 (1) 单个渐变型矿山地质环境问题的风险评估土地资源破坏、 地形地貌景观破坏、生态资源破坏和环境污染等四类渐变型矿山地质环境问题的风险可分别作为一项风险评估参数 , 对其进行单个渐变型矿山地质环境问题的风险评估。 (2) 多个渐变型矿山地质环境问题组合的风险性综合评估采用敏感性模型和综合指数模型 , 在确定各地质环境

19、问题对总风险的影响权重后 , 通过线性指数模型计算综合风险。 (3) 凤山 4 号石灰岩矿山渐变型矿山地质环境风险评价根据凤山 4 号石灰岩矿山的地形地貌、所处区位及相关政策等资料 , 得出该矿山地形地貌破坏易损性等级评价结果 , 为 3.46, 属于高风险。凤山 4 号石灰岩矿山生态资源破坏风险评价的指标选择五个方面 , 按照 1-4 级直接打分 , 分别代表易损性由低到高：自然环境条件分值为 2、地境指标的分值为4、生态系统动态平衡指标分值为 4、生态景观指标分值为 4、生态恢复案例分值为 3。综合确定该矿山生态资源破坏的易损性等级为 4, 生态恢复的可能性低 , 属于生态资源破坏高风险区

20、。将矿山地形地貌景观破坏风险评价结果、生态资源破坏结果按敏感因子 +指数模型进行综合 , 得出该矿山为渐变型地质环境问题高风险区。评价结果表明不宜单纯考虑生态恢复措施, 应结合当地社会经济发展需求采取综合治理措施。三、废弃石灰岩矿山地质环境风险管理研究建立了实现矿山地质环境风险管理多目标决策树, 总结了矿山地质环境风险控制工程的组成 , 研究了如何从风险控制角度出发科学合理地选择治理工程。并以广西凤山废弃石灰岩采石场为例, 完成了矿山地质环境风险管理与控制的实践。 1、矿山地质环境风险管理方法研究矿山地质环境风险管理包括风险决策、 制定风险控制计划 ( 确定风险控制手段 ) 和执行计划 ( 监督管理 ) 。提出了矿山地质环境风险管理多目标决策的3 个主要步骤 ,3 个一级目标与 7 个二级目标 , 评判准则 , 降低突发型地质环境问题发生概率、 减少突发型地质环境问题后果、改善地质环境降低渐变型地质环境问题的影响、 调整矿区社会经济结构等4 个方面主要措施。分析了突发型地质环境问题与渐变型地质环境问题风险管理的主要特征。提出矿山地质环境风险控制是综合应用经济手段、行政手段、法律手段和技术手段四方面手段进行降低风险的过程。2、矿山地质环境风险控制技术方案选择以凤山石灰岩矿