采空区地面塌陷地质环境影响预测与综合评价研究——以郭家河煤矿为例.pdf

分类号P642 10710-2009126107 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 采空区地面塌陷地质环境影响预测与综采空区地面塌陷地质环境影响预测与综 合评价研究合评价研究以郭家河煤矿为例以郭家河煤矿为例 杨旭 导师姓名职称 郑书彦 教授 申请学位级别 工学硕士 学科专业名称 地质灾害科学与工程 论文提交日期 2012 年 05 月 20 日 论文答辩日期 2012 年 06 月 10 日 学位授予单位 长安大学 The Goaf Ground Subsidence of Geological Envi- ronment Impact Predictions and Comprehensive Assessment of ResearchTake GuoJiahe coal for example A Dissertation ted for the Degree of Master CandidateYangXu SupervisorProf. Zheng shuyan Chang’an University, Xi’an, China I 摘 要 煤炭资源是我国重要的能源保障，在国民经济中扮演着重要的角色，不仅是重要的 能源还是重要的工业原料。然而长期以来，矿山经营者片面追求经济效益，环境保护意 识淡薄，大量的矿山无序过度开采，加之开采技术及设备相对落后，给矿山地质环境造 成了巨大的破坏，煤矿区环境地质问题日趋严重，解决煤炭资源开发与地质环境保护之 间的矛盾迫在眉睫。因此对煤矿开采形成的采空区进行地质环境影响预测和评价分区， 为矿区的日常生活生产提供科学的矿山地质环境保护与治理，具有重要的理论价值和实 际意义。 本文以郭家河煤矿为研究对象，在实地调查和收集资料的基础上，利用概率积分法 和 GIS 相结合的方法，对矿区开采后的采空区沉陷和影响范围进行了预测，预测矿山开 采后区内最大沉陷和地表变形， 在此基础上利用 GIS 的插值功能结合沉陷预测数据生成 地表沉陷等值线，并生成三维沉陷盆地，在此基础上利用 GIS 叠加功能对沉陷的影响范 围进行了预测。 矿山地质问题涉及的内容很多，根据对研究矿区的预测计算，预测矿山开采后将来 会引发一系列的环境地质问题，其中最主要的就是含水层破坏，地形地貌景观破坏，土 地资源压占、建筑物破坏以及引发次生地质灾害问题。针对将来有可能出现的矿山问题 进行影响预测评价，为矿山生产企业将来的恢复治理工作提供科学依据。 针对郭家河煤矿开采后地面塌陷对地质环境的影响情况，选择综合模糊评价法对矿 区进行评价分区研究。将郭家河矿区划分为 90 个评价单元，选择 9 个评价因子作为一 级评价因子，建立矿区的评价模型，将郭家河煤矿开采后采空区沉陷对地质环境的影响 划分为三个区域，分别是影响严重区、影响较严重区和影响一般区。在评价分区的基础 上，针对未来矿山开采存在的环境地质问题，提出相应的措施。 关键词关键词采空区地面塌陷，概率积分法，GIS，矿山地质环境，综合模糊评价法 II Abstract Coal resources are important energy security of our country, it has played an important role in national economy. However, a long time, mine operators one-sided pursuit of economic efficiency , weak awareness of environmental protection , mine disorder over-exploitation , coupled with the exploitation of technology and equipment is relatively backward , causing enormous damage to the mine geological environment, he increasingly serious environmental geological problems of coal mine area to resolve the contradiction between the development of coal resources and geological environment protection is imminent.So geological environmental quality forecast uation of goaf which ed in coal mining has important theoretical value and practical significance. It provided scientific mining geological environmental protection and control in daily life and production. The article take Guo Jiahe mine as the research object, it using the of probability integral and the GIS technology to study the mining subsidengce on the basis of field surveys and data collection.Except that,it also predict the mining subsidence and influence after the mine exploited.On this basis,the article predicting of mining in the area the largest settlement and deation of ground surface.It using the technology of GIS to predicting the isogram of mining subsidence and three-dimensional subsidence basin on the basis of prediction of subsidence data.Finally, it using GIS overlay function to predicted subsidence effects , and targeted to mining area of the main environmental factors . Mine geological problems involved a lot of calculation on the prediction of the study mine , forecast mining will lead to a series of environmental and geological problems , the most important aquifer damage, terrain landscape destruction , land resources, pressure to account for construction material damage and trigger secondary geological disasters. Mining issues that may arise for the future impact prediction and uation , to provide a scientific basis for the recovery and management of mining and manufacturing enterprises in the future. According to Guo Jiahe after mining subsidence effect on geological environment situation, we choose the fuzzy comprehensive uation on mine division uation research.In order to estalish the uation model of mining area,the Guo Jiahe mine area is divided into 90 uation unit.We select 9 uation factors as the level of uation factors. On the basis of predict research,the Guo Jiahe coal mining goaf subsidence effect on III geological environment is divided into three regions, respectively, the impact of serious area, effect is more serious and affect the general area.In the uation of partition based on, for future mining existing environmental geological problems, put forward the corresponding measures. Key wordsCollapse of mined-out area, The of probability integral, GIS, Mine geological environment, Comprehensive fuzzy uation IV 目 录 第一章 绪论 ................................................................................................................. 1 1.1 研究背景及意义.............................................................................................. 1 1.1.1 研究背景............................................................................................... 1 1.1.2 研究意义.............................................................................................. 2 1.2 国内外研究历史与现状.................................................................................. 2 1.2.1 采空区地面塌陷研究历史概况........................................................... 2 1.2.2 采空区地面塌陷研究方法................................................................... 4 1.3 主要研究内容及技术路线图......................................................................... 6 1.3.1 主要研究内容...................................................................................... 6 1.3.2 技术路线图.......................................................................................... 7 第二章 研究区域基本概况及井田开发利用现状 ..................................................... 9 2.1 研究区地理位置和社会经济概况.................................................................. 9 2.1.1 研究区地理位置................................................................................... 9 2.1.2 社会经济概况..................................................................................... 10 2.2 研究区地质环境概况.................................................................................... 10 2.2.1 地形地貌............................................................................................ 10 2.2.2 气象水文............................................................................................ 11 2.2.3 地层岩性及地质构造........................................................................ 12 2.2.4 新构造运动及地震............................................................................ 15 2.2.5 岩土体工程地质特征........................................................................ 15 2.2.6 地下水类型及特征............................................................................ 16 2.3 郭家河井田基本情况概述........................................................................... 16 2.3.1 矿山开采历史及现状........................................................................ 16 2.3.2 井田边界及含煤层概述.................................................................... 17 2.3.3 工作面布置情况................................................................................ 19 第三章 采空区的形成及地表塌陷规律 ................................................................... 21 3.1 采空区上覆岩土体移动破坏规律............................................................... 21 3.1.1 地下岩土体应力特征........................................................................ 21 3.1.2 地下开采引起的岩层移动................................................................ 22 3.2 地表的移动破坏规律................................................................................... 24 3.2.1 沉陷盆地............................................................................................ 24 V 3.2.2 沉陷坑................................................................................................ 25 3.2.3 裂缝及台阶........................................................................................ 25 3.3 采空区地表塌陷范围................................................................................... 26 3.3.1 塌陷盆地概述及划分........................................................................ 26 3.3.2 沉陷盆地边界划分 [15]........................................................................ 27 3.4 地表沉陷盆地的特征和规律....................................................................... 28 3.4.1 水平煤层开采时地表沉陷盆地特征和规律.................................... 28 3.4.2 倾斜煤层开采时地表沉陷盆地特征和规律.................................... 29 3.4.3 急倾斜煤层开采时沉陷盆地特征和规律......................................... 29 3.5 采空区地表移动变形的基本参数............................................................... 29 第四章 采空区地面塌陷影响预测 ........................................................................... 30 4.1 采空区地面塌陷预测模型简介................................................................... 30 4.1.1 概率积分法基本理论........................................................................ 30 4.1.2 概率积分法预测采空区塌陷计算模型的建立................................ 30 4.2 郭家河煤矿采空区地面塌陷预测............................................................... 33 4.2.1 预测范围及内容................................................................................ 33 4.2.2 计算参数的选择................................................................................ 33 4.2.3 首采区地面塌陷预测计算................................................................ 34 4.2.4 全井田地面塌陷预测计算................................................................ 39 4.3 基于 GIS 的地面塌陷盆地三维可视化预测............................................... 41 4.3.1 GIS 技术概述..................................................................................... 41 4.3.2 Mapgis 系统结构............................................................................... 41 4.3.3 沉陷盆地三维预测............................................................................ 41 4.3.4 基于 GIS 的采空区沉降范围预测.................................................... 48 第五章 采空区地面塌陷引发地质环境问题预测 ................................................... 50 5.1 地面塌陷对含水层影响预测....................................................................... 50 5.1.1 主要含水层结果破坏预测................................................................ 50 5.1.2 含水层疏干预测................................................................................ 52 5.1.3 区域地下水位预测............................................................................ 53 5.1.4 矿区地下水位预测............................................................................ 53 5.1.5 地下水水质变化预测........................................................................ 53 5.2 地面塌陷对地形地貌影响预测................................................................... 54 5.3 地面塌陷对土地资源影响预测................................................................... 57 VI 5.3.1 地面塌陷对林草地的影响预测........................................................ 57 5.3.2 采空区地面沉陷对土地资源的影响预测........................................ 59 5.4 地表沉降对水土流失的影响预测................................................................ 60 5.5 地面沉陷对地表构（建）物影响预测........................................................ 61 第六章 郭家河煤矿采空区地面塌陷影响分区与治理研究 ................................... 65 6.1 综合模糊多层次评价法............................................................................... 65 6.1.1 综合模糊评判原理............................................................................ 65 6.1.2 综合模糊评判的步骤........................................................................ 65 6.2 矿区采空区地质环境影响评价因子体系建立........................................... 67 6.2.1 评价因子集的建立............................................................................ 67 6.2.2 评价单元的划分................................................................................ 68 6.2.3 建立权重集........................................................................................ 69 6.3 模糊综合评判计算与评价........................................................................... 70 6.4 采空区影响下矿山地质环境影响分区与评价........................................... 74 6.4.1 矿山地质环境影响分区.................................................................... 74 6.4.2 矿山地质环境影响分区评价说明.................................................... 75 6.5 矿山地质环境治理与防治对策研究........................................................... 79 6.5.1 政策制度措施.................................................................................... 79 6.5.2 工程措施............................................................................................ 79 第七章 结论与存在的主要问题 ............................................................................... 82 7.1 结论............................................................................................................... 82 7.2 展望................................................................................. 错误错误未定义书签。未定义书签。 参考文献 ..................................................................................................................... 84 攻读学位期间参与的科研、生产项目 ............................................................................... 84 致 谢 ....................................................................................................................... 88 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 我国是一个矿业大国，矿产资源的开发历史悠久[4][5]。自改革开发以来，经济发展 突飞猛进，迫切的需要大量矿产资源的支撑，尤其是煤炭资源，作为我国主要的能源， 需求量是非常巨大的，全国 85的电力都是依赖煤炭发电的，除此之外，煤炭资源作为 主要的化工原料，主要用于冶金、建材、化工等方面，总之煤炭资源在国民经济中扮演 着十分重要的角色。图 1.1 给出国家近几年来能源消费结构图[1]。 煤炭 67 石油 23 天然气 3 水电 7 煤炭 石油 天然气 水电 图图 1.1 中国能源消费结构图中国能源消费结构图 煤炭开采的过程中存在一个严重的地质灾害问题采空区塌陷，又叫“煤矿开采 沉降”[2]是指煤炭在开采过程中，地表岩土体的位置和形态的变化，属于渐进式地质灾 害，具有发生比较缓慢、历时长、不容易察觉、危害大等特点[3]。煤矿采空区塌陷地质 灾害，不仅会导致土地资源和地貌景观破坏、建筑物受损、交通道路变形、地下水位污 染下降、遗漏，还会诱发次生地质灾害如崩塌、滑坡、泥石流等，甚至会诱发地震，给 矿区及周边居民的正常生产、生活带来了许多不便，严重影响着当地的人身和生命财产 安全，也对矿区的地质环境造成了严重破坏。 在我国因为开采煤炭引起的地面塌陷地质灾害十分严重，如何预防和避免采空区地 面塌陷影响，合理规划矿区的正常生产和建设是十分有必要的，故本文以采空区地面塌 陷地质环境影响预测与综合评价为主要研究内容，以麟游县郭家河煤矿为实例进行研 第一章 绪论 2 究，不仅对矿区地表变形和沉降进行预测分析，同时也对采空区塌陷对矿区主要地质环 境因子的影响进行预测评价，在此基础上应用模糊综合评判法对采空区影响下矿山地质 环境进行分区评价，具有重要的理论意义和工程应用价值。 1.1.2 研究意义 我国煤矿的开发历史悠久，西汉时期我国已用煤冶铁，战国时的山海经已有煤 的记载[4][5]，但古代的矿山开采等级较低，其开采量和规模无法和现代矿山开采相比。 尤其是近年来，随着我国经济的高速发展，对矿产资源的需求越来越大，导致矿山建设 和开采的规模也越来越大，大规模矿产资源开发和利用，极大地推动了人类经济和社会 的发展。但由此产生的采空区地面塌陷也给人类的生活和生态坏境造成了不良的影响。 据山西省煤炭采空区调查[6]统计， 山西全省 15 万平方公里的土地， 采空区近 3 万平方公 里，几近台湾省的面积悬空寺，就这样成了山西的千年隐喻，导致的结果是 300 万人 口受灾，处处有鬼村。山西省仅仅是冰山一角，就全国来看，采空区的面积和受灾人口 就更大了，据全国矿山地质环境摸底调查数据初步统计，截止到 2005 年底，由于矿山 开采引发的地质灾害 12000 多处，死亡 4251 人，造成经济损失 161.6 亿元[7]。 不计后果的过度开采煤炭不仅仅改变与破坏了地球表面和岩石圈的平衡状态，而且 会产生危害严重的采空区沉陷地质灾害，并且引发一系列的环境地质问题，这些都在很 大程度上严重影响着国家西部大开发战略和全面建设小康社会目标的实现，制约着我国 经济社会的可持续发展，对国家的生态安全构成威胁[8]。 如何解决经济发展、煤炭开采以及矿山环境保护等问题，避免和降低采空区地面塌 陷带来的生命和财产损失，科学合理的规避此类地质灾害的发生是非常重要的。因此对 采空区地面沉陷和地表变形进行科学合理的预测，并在此基础上对矿区做出准确合理的 分区评价是很有必要的。 1.2 国内外研究历史与现状 1.2.1 采空区地面塌陷研究历史概况 采空区地面塌陷涉及到煤炭、地质、环境等多个学科，针对采空区地面塌陷，国内 外专家学者进行了大量的研究，其主要经历了以下几个阶段开采沉降认识与初步研究 阶段、开采沉陷理论形成时期、第三次研究热潮[9]。 人们对开采沉陷的机理和理论的认识是伴随着采矿对建构筑物和水体的破坏而进 长安大学硕士学位论文 3 行的，始于 19 世纪，提出了一些初步认识，其中最主要的理论有Gonot 的法线理论、 Oesterr 的自然斜面理论、Fayol 的圆拱理论、Jlcinsky 的二等分线理论和 Hausse 理论等。 这些理论和规则大多以地面的有限观测资料为基础，因而带有一定片面性。 伴随着科学技术的进步，对于采空区塌陷的研究和认识也在逐步深化，并形成系统 的理论体系。1947 年，前苏联学者阿维尔申在分析和研究了大量实测数据的基础上，提 出地表下沉剖面指数方程，应用塑性力学理论研究地表变形情况，确立了地表移动矢量 在垂直方向和水平方向间的微分关系式。1954 年，波兰学者李特维尼申在 Budryk1950 和 Knothe 的几何理论基础上，把岩石看作一个不连续介质，将沉陷过程岩层移动和地 表变形过程当做随机过程进行研究，提出了开采沉陷的随机介质理论和概念，并推理验 证了开采下沉沉陷遵循柯尔莫哥罗夫方程，使得开采沉陷理论翻开了新的篇章，也为开 采沉降理论的产生打下坚实的基础，具有划时代的意义。 到了八十年代，计算机技术的发展在客观了促进了开采沉降研究的发展， 一方面， 人们之前的一些理论的算法编