采煤沉陷区灾害链断链减灾模式研究及应用.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名盔奎垦圣 日期 三垒鱼壁 皇 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名 焘盔查垫日期竺 叠鱼堡尘呈 导师签名 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 采煤沉陷区灾害链断链减灾模式研究及应用 摘要 目前，针对采煤沉陷区内存在的地质灾害和环境灾害所进行的地质灾害 治理、水土保持、土地复垦、以及生态环境恢复等工程分别属于国土资源、 水利、农业、环境保护等部门归口管理，产生了大量的重复治理和经费浪 费现象；另一方面，采煤沉陷区内各种地质灾害事件和环境灾害事件并不 是孤立存在的，他们之间往往存在着时间上先后发生、成因上相互联系、 互相牵制的关系，这些灾害事件之间能够构成一个复杂的灾害链系统。鉴 于上述两个原因，将采煤沉陷区内地质灾害和环境灾害放在灾害链中进行 综合治理，既能避免重复治理造成的经费浪费，又能对采煤沉陷区内各种 灾害实现有效治理。 本文以山西榆次北山煤矿采煤沉陷区为例，在对其进行地质灾害、环境 灾害等各种灾害现状分析的基础上，构建采煤沉陷区灾害链系统，然后对 灾害链进行致灾过程分析，并提出采煤沉陷区灾害链的断链减灾模式，以 采煤沉陷区灾害链的断链减灾模式为前提，提出采煤沉陷区的综合治理方 案。 通过上述分析，主要成果如下 1 研究区内地质灾害表现在采空区灾 害、煤矸石灾害和因工程开挖形成的不稳定边坡灾害，环境灾害表现为植 被面积减小、地貌景观破坏、大气污染、土壤腐蚀和地下水污染等。 2 采煤沉陷区灾害链按照灾害类型可分为采空区灾害链、煤矸石灾害链和不 T 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 稳定边坡灾害链，对其进行成灾过程分析并提出在各灾害链的致灾环节进 行人为断链的断链减灾模式，即在致灾环节，采用注浆和封填的方案对采 空区灾害链进行断链；采用拱形骨架护坡的方案对煤矸石灾害链进行断链； 采用工程锚固或者生态护坡的方案对不稳定边坡灾害链进行断链。 3 在 断链减灾方案的基础上，详细论述了采煤沉陷区的综合治理方案，该治理 方案能够消除采煤沉陷区内地质灾害和环境灾害。上述研究过程，能够为 其他复杂的采煤沉陷区的治理提供思路。 关键词采煤沉陷区，地质灾害，环境灾害，灾害链，断链减灾，综合治 理 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 M O D ER E S E A R C HA N DA P P L I C A T I O N O FD I S A S T E R ⅦT I G A T I O NB YC H A I NS C I S S I O N I NC O A LN 【I 卜ⅡN GS U BS I D E N C EA R E A A BS T R A C T A t p r e s e n t ，t h eg o v e r n a n c em e a s u r e so fe n v i r o n m e n t a l d i s a s t e r sa n d g e o l o g i c a l d i s a s t e r si nc o a lm i n i n gs u b s i d e n c ea r e aa r es o i la n dw a t e r c o n s e r v a t i o n ；l a n dr e c l a m a t i o na n dr e s t o r a t i o no fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，w h i c h r e s p e c t i v e l yb e l o n gt ot h ed e p a r t m e n to fl a n da n dr e s o u r c e ；w a t e rr e s o u r c e ； a g r i c u l t u r ea n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ．S ot h e r ee x i tal a r g en u m b e ro f r e p e a t e dg o v e r n a n c ea n df u n dw a s t e ．M o r e o v e r ，a l lk i n d so fg e o l o g i c a ld i s a s t e r s a n de n v i r o n m e n t a ld i s a s t e r se v e n t sa r en o te x i s ti ni s o l a t i o n ，t h e r ea r et i m ea n d g e n e t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m ，t h e r e f o r e ，ac o m p l e xs y s t e mo fd i s a s t e rc h a i n i sf o r m e d ．I nv i e wo ft h ea b o v et w or e a s o n s ，i nc o a lm i n i n gs u b s i d e n c ea r e a ，t h e g e o l o g i c a l d i s a s t e ra n de n v i r o n m e n t a ld i s a s t e rs h o u l db e c o m p r e h e n s i v e g o v e r n e di nt h ed i s a s t e rc h a i n ，w h i c hc a na v o i dr e p e a t e dg o v e r n a n c ea n dt h e w a s t eo ff u n d s ，a n dc a nr e a l i z et h ee f f e c t i v e g o v e r n a n c ef o rc o a lm i n i n g s u b s i d e n c ea r e a ． I 工I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 T h i sp a p e rt a k e sB e i s h a nc o a lm i n i n gs u b s i d e n c ea r e ai nY u c i ，S h a n x ia sa n e x a m p l e ，b a s e do nt h es i t u a t i o na n a l y s e so fa l lk i n d so fd i s a s t e r s , as y s t e mo f d i s a s t e rc h a i ni nc o a lm i n i n gs u b s i d e n c ea r e ai sc o n s t r u c t e d ，t h e np r o c e s s a n a l y s i sw a sc a r r i e d o u to nt h ed i s a s t e rc h a i n ，a n dt h ec h a i ns c i s s i o na n d m i t i g a t i o no fd i s a s t e r sa r ep u tf o r w a r d ，a n dt h ec o m p r e h e n s i v ec o n t r o lm e a s u r e s o fm i n i n gs u b s i d e n c ea r e aa r ec a r r i e do u to nt h ep r e m i s eo fd i s a s t e rc h a i n m o d e l ． T h r o u g ht h ea b o v ea n a l y s i s ，t h em a i nr e s u l t s w e r ea sf o l l o w s 1 t h e g e o l o g i c a ld i s a s t e r si nt h es t u d ya r e aa r em i n e d - o u ta r e ad i s a s t e r s ，c o a lg a n g u e d i s a s t e r sa n du n s t a b l es l o p ed i s a s t e r sd u et oe n g i n e e r i n ge x c a v a t i o n ．W h i l et h e e n v i r o n m e n t a ld i s a s t e r sm a n i f e s tt h ed e c r e a s eo fv e g e t a t i o nc o v e r ，l a n d s c a p e d e v a s t a t i o n ，a t m o s p h e r i cp o l l u t i o n ，s o i lc o r r o s i o na n dg r o u n d w a t e rp o l l u t i o n ； 2 d i s a s t e r sc h a i ni nc o a lm i n i n gs u b s i d e n c ea r e aa c c o r d i n gt ot h ed i s a s t e rt y p e s C a nb ed i v i d e di n t om i n e d - o u ta r e ad i s a s t e rc h a i n ，c o a lg a n g u ed i s a s t e rc h a i na n d u n s t a b l es l o p ed i s a s t e rc h a i n ，a na r t i f i c i a l l yb r o k e nc h a i nm o d ei ne a c ho ft h e d i s a s t e rc h a i nl i n ki sp u tf o r w a r d ，w h i c hm e a n si nd i s a s t e rl i n k , i no r d e rt o b r e a kt h ec h a i n ，w et a k et h em e a s u r e so fg r o u t i n ga n ds e a l i n gf o rm i n e d - o u t a r e ad i s a s t e r s ，a r c hs k e l e t o ns l o p ep r o t e c t i o ns c h e m ef o rc o a lg a n g u ed i s a s t e r s a n de n g i n e e r i n ga n c h o r a g eo re c o l o g i c a ls l o p ep r o t e c t i o ns c h e m ef o ru n s t a b l e s l o p ed i s a s t e r s ； 3 o nt h eb a s i so fc h a i ns c i s s i o na n dm i t i g a t i o ns c h e m e ， c o m p r e h e n s i v ec o n t r o lm e a s u r e so fm i n i n gs u b s i d e n c ea r e aa r ed i s c u s s e d ，t h e c o n t r o lm e a s u r e sC a ne l i m i n a t eg e o l o g i c a ld i s a s t e r sa n de n v i r o n m e n t a ld i s a s t e r s I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 i nc o a lm i n i n gs u b s i d e n c ea r e a ，w h i c hp r o v i d es u g g e s t i o n sf o ro t h e rc o m p l e x m i n i n gs u b s i d e n c ea r e a ． K E YW O R D S c o a lm i n i n gs u b s i d e n c ea r e a ，g e o l o g i c a ld i s a s t e r s ， e n v i r o n m e n t a lh a z a r d s ，d i s a s t e rc h a i n ，d i s a s t e rm i t i g a t i o nb yc h a i ns c i s s i o n ， c o m p r e h e n s i v ec o n t r o l V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I 工I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．i 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．3 国内外的研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 ．1 国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 ．2 国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．4 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．5 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 第二章研究区域的地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．i 研究区域的基本概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．1 地理位置及交通⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 ．2 气象及水文条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 研究区域的工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 ．1 地形地貌特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 ．2 地层岩性⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．3 地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．4 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 第三章采煤沉陷区的灾害现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 3 ．1 采煤沉陷区概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 3 ．2 研究区域的地质灾害现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 ．2 ．1 研究区域地质灾害诱因分析⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 ．2 ．2 采空区地质灾害现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 3 ．2 。3 煤矸石堆地质灾害现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．2 ．4 工程开挖地质灾害现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 V I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．3 研究区域的环境灾害现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 第四章灾害链断链模式研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．1 采煤沉陷区灾害链分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 4 。1 ．1 按诱发因素划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．1 ．2 按发育阶段划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．1 ．3 按灾害类型划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 。2 采煤沉陷区灾害链成灾过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．2 ．1 采空区灾害链的成灾过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．2 ．2 煤矸石灾害链的成灾过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 4 ．2 ，3 不稳定边坡灾害链的成灾过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。．3 2 4 ．3 采煤沉陷区灾害链断链模式分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．3 ，1 采空区灾害链的断链模式分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．3 ，2 煤矸石灾害链的断链模式研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．3 ．3 不稳定边坡灾害链的断链模式研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 ．4 本章小结⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 第五章采煤沉陷区综合治理技术探讨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 5 ．1 采煤沉陷区的断链减灾模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 5 ．2 采煤沉陷区的综合治理方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 5 ．2 ，l 采空区灾害的综合治理方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 5 ．2 ．2 煤矸石灾害的综合治理方案⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．2 ．3 不稳定边坡灾害的综合治理方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 6 ．2 不足与展望⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 堕送亟堂僮翅间题筮壹数迨塞⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 l V I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 研究背景 第一章绪论 煤炭资源在我国的能源结构中处于主体地位，在国家经济建设过程中起到至关重要 的作用，随着国家能源结构的优化和调整，煤炭在能源结构中的占比会不断下降，但在 未来很长时期内，煤炭资源的主体地位不会改变n 1 。山西省作为全国最重要的煤炭生产 基地，据相关报道的数据显示，自建国以来，山西省累计生产原煤达1 4 5 亿吨，为国家 经济建设提供了强劲的动力支撑，也带动了本省经济的高速发展。在如何巨大的产能背 后，也带来了一系列的地质灾害问题和地质环境问题。山西省因采煤活动造成的采空区 达5 0 0 0k m 2 以上，其中形成塌陷区的面积达3 0 0 0k m 2 左右，这一数字将随着煤炭产量 的增加而不断增加。 采煤沉陷区内地表岩土层通过应力一应变的调整来达到新的平衡状态，在此过程中诱 发了大量的地质灾害事件，诸如地裂缝、地面塌陷、崩塌、滑坡、不稳定斜坡、潜在泥 石流以及煤层自燃等瞳3 ；同时对矿区地质环境造成严重的损害，主要表现在水资源的破 坏、矿区植被的破坏、矿山“三废”的污染以及矿区土地退化等四个方面n 1 。 1 ．2 研究意义 目前，针对采煤沉陷区内存在的地质灾害和地质环境灾害所进行的地质灾害治理、 水土保持、土地复垦、以及生态环境恢复等工程分别属于国土资源、水利、农业、环境 保护等部门归口管理，产生了大量的重复治理和经费浪费现象；另一方面，采煤沉陷区 内各种地质灾害事件、地质环境灾害事件、以及地质灾害事件与地质环境灾害事件之间 并不是孤立存在的，彼此之间往往存在时间上先后发生、成因上相互联系、互相牵制的 一种关系，这些灾害事件之间能够形成一个复杂的灾害链系统。 因此，采煤沉陷区中的地质灾害和地质环境灾害应当放在灾害链系统中进行分析和 评价，然后融合岩土工程、生态恢复工程、景观恢复工程等多个学科对整个采煤沉陷区 进行综合治理。这样，既能避免了重复治理带来的经费浪费现象，又能避免单一治理达 不到整体预期效果的现象。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．3 国内外的研究进展 1 ．3 ．1 国外研究现状 国外发达国家对采煤沉陷区的治理比较重视，早在二十世纪二十年代初，就开始对 废弃矿山进行的土地恢复治理工作。到上世纪七十年代，对采煤沉陷区的治理逐渐形成 了一个包含多部门、多行业、多学科的联合协作的系统工程H 一1 。澳大利亚在对矿山地 质环境的治理时通常包括土地复垦、地下及地表水系统的恢复、动物栖息地的恢复、生 态恢复等多个方面的内容，能够克服单项治理的缺点，实现了矿山的综合恢复治理∞’7 3 。 英美德则通过颁布相关法律的形式来保证采煤沉陷区的恢复治理工作。 在对采煤沉陷区综合治理的技术研究方面，D a n i e l s 等隅3 1 9 9 4 通过对采煤沉陷区 内土壤进行改良来实现植被复垦；R o b e r t 等国1 1 9 9 4 通过选取适合采煤沉陷区复垦的 5 种生物来建立采煤沉陷区新的生态平衡；S t r z y s z c z 19 9 6 n 0 ’1 1 3 通过对采煤沉陷区进 行植被恢复和景观重建来实现采煤沉陷区的综合治理；N a d j a 1 9 9 9 口∞通过对城市垃圾 和煤渣进行处理来改善采煤沉陷区土壤的营养含量，最终实现采煤沉陷区的土地复垦 D a m i t r i s 等n 副 2 0 0 3 对采煤沉陷区进行现状研究和环境效益分析的基础上，构建了采 煤沉陷区的综合治理方案。 1 3 。2 国内研究现状 国内与本文相关的研究主要可以分成三个方面采煤沉陷区内地质灾害和地质环境 灾害现状的研究、灾害链及断链减灾模式的研究和采煤沉陷区综合治理的研究。 在采煤沉陷区内地质灾害和地质环境灾害现状的研究方面，李军口4 3 2 0 0 0 指出山西 省煤矿区由地下采煤诱发的地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害已经进 入高发期；虎维岳等n 鄙 2 0 0 2 对废弃矿山的水灾害进行了研究，指出废弃或关停矿山 由于矿井排水条件的改变，会引起一系列的矿井水灾害，主要表现在地下水及地表水的 污染、土地沼泽化、地面塌陷及对邻近矿井造成突水威胁等四个方面；赵明鹏n 6 3 2 0 0 3 研究了矸石山灾害，指出矸石山通过扬尘、自燃能够对大气造成污染，煤矸石的淋溶液、 淋滤液进入地表水体或者入渗至地下水能够对矿区水体造成污染，同时矸石山的存在严 重破坏了矿区的自然景观；张发旺n 7 1 2 0 0 7 研究了采煤沉陷对地表水体、包气带土壤 水、地下水系统以及水体污染等四个方面的破坏机理；曹金亮口1 2 0 0 9 对山西省煤炭 资源的开采状况及生态环境破坏状况进行了详细的数据分析后得出，采煤活动对生态环 境的破坏主要表现在水资源的破坏、植被破坏、三废污染以及土壤退化等方面；龙建辉 2￡o 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 等n 砌 2 0 1 4 提出了与山西省采煤活动有关的“3 F “ 问题链，采空区问题、煤矸石堆积 问题已经成为山西省需要面对的主要地质灾害和环境灾害；段鹏飞等硷3 2 0 1 4 在山西 省选取了7 个具有代表性的采煤沉陷区进行地质灾害的数据分析，得出山西省采煤沉陷 区内地质灾害类型主要表现为地裂缝、地面塌陷、崩塌、不稳定斜坡、滑坡、煤层自燃、 潜在泥石流等，且地裂缝在数量土占绝对优势。 国内关于灾害链的研究，普遍认为始于1 9 8 7 年郭增建首次提出灾链的概念，之后国 内无数学者开始对灾害链及灾害链的断链减灾模式展开了研究。郭增建n 鲥将灾链定义为 一系列灾害相继发生的现象；史培军团3 1 9 9 1 提出了“灾害系统’’的概念，灾害系统 是由孕灾环境、致灾因子、承灾体、灾情等四个要素构成；文传甲瞳u 2 0 0 0 认为灾害 链是一种灾害启动另一种灾害或多种灾害的现象；刘文方瞳幻 2 0 0 6 基于系统论的观点 给出了灾害链的数学定义。之后有学者对灾害链进行了分类研究，肖盛燮瞳3 3 2 0 0 6 按 照灾害链的发育过程对其进行了阶段划分，将灾害链划分为早中晚期，分别对应孕育阶 段、潜存阶段和诱发阶段；韩金良瞳4 1 2 0 0 7 将地质灾害链按照诱发因素划分为内动力 地质灾害链、外动力地质灾害链、人类工程活动灾害链和复合型地质灾害链等四种类型； 李明髓5 3 2 0 0 8 将地质灾害链按照链环过程划分为致灾环、激发环、损害环和断链环等 四个环节。在灾害链的断链减灾模式方面，肖盛燮 2 0 0 6 主张在灾害链的孕育阶段进 行断链，即“孕源断链”的减灾模式瞳引；李明 2 0 0 8 对滑坡、泥石流和危岩等三种典 型的地质灾害在链环划分的基础上主张对起主导作用的地质因素进行断链减灾瞳朝；余世 舟雎副 2 0 1 0 提出了对“关键环节’’进行断链的减灾思路。 在综合治理研究方面，杨谦瞳7 1 2 0 0 4 从土地资源、生态环境、地质灾害三个方面考 虑，确定了巫山新城烟厂滑坡的综合治理方案；陈娟浓乜踟基于G I S 技术建立了栾城矿区 采煤沉陷区的数据库，为综合治理提供了完整的数据资料；祝启坤等瞳町 2 0 1 0 针对赤 马山矿塌陷区内存在的采空区塌陷、地裂缝、危岩体、不稳定边坡、松散堆积体等一系 列地质灾害问题，采用塌陷坑回填复垦、地裂缝封填、危岩体爆破、削坡卸荷、废渣清 运、生态绿化等综合性的防治措施，对塌陷区进行了综合治理；李凤明b 们 2 0 1 1 系统 总结了当前我国采煤沉陷区的治理技术，概况起来主要包括农业复垦、建筑复垦、景观 生态复垦和充填开采等几种方案；唐朝晖等口 2 0 1 3 查清了影响广西凤山露天石灰岩矿 地质环境的主导因素，以经济效益、社会需求为原则进行综合考虑，将具有潜在崩塌威 。 胁的矿区开采掌子面治理建设为稳定的岩壁雕刻景点；秦朝亮等妇2 3 2 0 1 5 以山西榆次 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 北山煤矿采煤塌陷区为例，介绍了一套针对采煤塌陷区的综合治理方案。 1 ．4 研究内容 本文以山西省榆次北山煤矿采煤沉陷区为例，在对采煤沉陷区内存在的地质灾害和 地质环境灾害调查、评价的基础上，构建采煤沉陷区灾害链系统，并提出针对采煤沉陷 区的断链减灾模式，在上述工作的基础上，提出一套针对采煤沉陷区内地质灾害地质环 境灾害的综合治理方案，该综合治理方案融合岩土工程、生态恢复、景观恢复等多个专 业对研究区域内存在的地质灾害、土地退化、水土流失、植被破坏、地貌景观破坏等问 题进行综合治理，并对当前采煤沉陷区的综合治理技术进行初步探讨。具体内容如下 一是采煤沉陷区内地质灾害和地质环境灾害的评价。通过现场踏勘、工程地质勘察 等工程手段对研究区域内地质灾害的类型、数量、破坏机理、发育状况、威胁对象等做 出综合评价；对研究区域内地质环境灾害的类型、灾害发育程度等做出综合评价对研 究区域内地质灾害之间、地质环境灾害之间以及地质灾害与地质环境灾害之间的相互关 系进行研究。为后续灾害链的构建提供数据支撑。 二是采煤沉陷区灾害链系统的构建及断链减灾模式。在上述地质灾害及地质环境灾 害评价的基础上，按照灾害类型构建研究区内灾害链的结构图，并对灾害链进行发育阶 段划分和链环划分，研究灾害链的破坏机理，在上述工作的基础上，提出灾害链的断链 减灾模式。 三是采煤沉陷区内灾害的综合治理方案。在上述灾害评价和灾害链系统研究的基础 上，针对研究区域内的地质灾害、土地退化、水土流失、植被破坏、地貌景观破坏等问 题，融合岩土工程、生态恢复、景观恢复、土地复垦等多个学科及专业，提出一套综合 治理方案。 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．S 技术路线 山西榆次北山煤矿采煤沉陷区地质环境灾害现状 地质灾害现状 地面塌陷| | 不稳定 及地裂缝| | 边坡刻热 生态环境灾害现状 植被I I 腐蚀| | 地貌景I l 大气l l 她表水及地 破坏I | 土壤| l 观破坏| l 污染l l 下水污染 采煤沉陷区内灾害链结构图 采空区灾害链ll 煤矸石灾害链l 不稳定边坡灾密链 确定相应的断链减灾方案 岩防护工程 生态防护工程 采煤沉陷区综合治理方案 消除地质灾害恢复生态环境 图1 技术路线图 F i g u r e1T e c h n o l o g yr o a d m a p 5 环境恢复工程 景观恢复工程 恢复地貌景观 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章研究区域的地质概况 2 。1 研究区域的基本概况 2 ．1 ．1 地理位置及交通 研究区域位于山西榆次北山煤矿的井田范围内，北山煤矿位于山西省晋中市榆次区 的北部，向南距晋中市榆次区市区约1 8k m ，向西距太原市市区1 6 ．7k m 。 研究区域向西1 ．6k m 有县级公路榆罕线，向东3 ．6k m 有县级公路秋郭线，两条县 级公路纵贯南北；研究区域向北距G 3 0 7 国道 太原至寿阳段 约3 ．5k m ，向南距太 原 一旧 关 高速公路 G 5 约9k m ，虽身处山区，但交通较为方便。 2 ．1 ．2 气象及水文条件 研究区域位于太原盆地东山前地带，年平均气温为9 ．8 ℃，最高月平均气温为 2 3 ．5 ℃～2 4 ．5 ℃，最低月平均气温为．6 ．5 ℃ - 5 ．0 ℃，极端最高气温为3 8 ．0 ℃～3 9 ．5 ℃， 极端最低气温为．2 7 ．5 ℃～2 2 ．0 ℃。无霜期为1 5 8 天，终霜冻期一般在5 月初，初霜冻 期约在1 0 月上旬。最大冻土深度O ．7m 。根据近5 0 年资料，本地区多年平均蒸发量为 1 7 1 8 ．4r e ．1 ／1 ，年降雨量3 0 0m i l l ～8 0 0m ．m ，降雨主要集中在6 ～9 月份。 研究区域内最大的河流呈近南北向分布，主沟长约1 1 0 0m ，无常年流水，属于季节 性河流，由北向南呈羽状分布。主沟最大宽度约为1 8 0m ，最窄处仅7 0m 左右。整条 主沟由南向北坡降较为平缓，主沟两岸坡度北部较陡，呈“V ”字型；南部较缓，呈浅 碟状。支沟呈东西向分布在主沟两侧，研究区域内主沟的汇水面积大约为0 ．9 6k m 。降 雨时雨水通过各个支沟汇集到主沟中，通过南部的过水涵洞向南流出研究区域，经过多 次汇流，最终流入汾河。 2 ．2 研究区域的工程地质条件 2 ．2 ．1 地形地貌特征 研究区域的地貌单元属于剥蚀侵蚀低中山类型。位于太行山中段的西麓，靠近太原 盆地的北东边缘地带，区内沟谷发育，地形复杂。主要山梁沟谷呈北西南东向，总的地 7 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 势为北高南低，地形最高点位于北山煤矿井田中东部张风脑村的西北山梁顶部，海拔标 高1 3 8 7 ．0 ／1 “ 1 ，最低点位于北山煤矿井田西部杜家沟的村北，海拔标高9 8 0 ．0m ，相对高 差4 0 7 ．0m 。 2 ．2 ．2 地层岩性 与本研究课题相关的地层由老到新依次为石炭系上统太原组，二叠系下统山西组， 二叠系下统下石盒子组，二叠系上统上石盒子组以及第四系地层。 1 石炭系上统太原组 C 3 t 石炭系上统太原组地层岩性主要为石灰岩、泥岩、砂岩及煤层组成，太原组地层包 含8 撑、9 拌、1 2 、1 3 、1 5 、1 5 下等6 个煤层。其中，1 5 和1 5 下煤层在研究区域内属 于稳定的可采煤层，其他煤层在研究区域内均不可采。1 5 煤层位于太原组中下部，研 究区域内此煤层厚度为3 ．2 2m 弓。9 6 趣，为主要的可采煤层，含2 3 层夹矸，夹矸厚度 为O ．2 3m - O ．4 6r n ，顶板为发育稳定的石灰岩，底板为泥岩或砂质泥岩，煤层底板埋深 约1 0 5m 。1 5 下煤层位于太原组的中下部，与1 5 煤层间距为1 ．8 9m - 1 6 ．0 9m ，平均6 ．0 5 m ， 煤层厚度1 ．2 9m ～】。8 5m ，为主要的可采煤层，1 5 下煤层含l 2 层夹矸，项、底板岩性 为泥岩或砂质泥岩，煤层底板埋深约1 1 0m 。 2 二叠系下统山西组 P 1 s 二叠系下统山西组的地层岩性下部以灰白色砂岩为主，上部以灰、灰黑色泥岩、砂 质泥岩为主，夹薄层砂岩。山西组地层含有1 撑、2 撑、3 撑、4 撑、5 撑等5 个煤层，在研究区 域内均为不可采煤层，本组地层厚度6 6 ．0 7m - 9 1 ．9 0r n ，平均为7 6 ．4 8r n ，与下伏地层 呈整合接触关系，在研究区域范围内局部出露。 3 二叠系下统下石盒子组 P z x 二叠系下统下石盒子组的地层可以分为上下两段。下段地层主要由灰、灰白、灰黑 色泥岩夹中细粒及不稳定薄层组成上段地层由灰黄、灰白、灰绿色砂质泥岩和粗粒砂 岩组成。在研究区域范围内局部出露。 4 二叠系上统上石盒子组 P 2 s 二叠系上统上石盒子组的地层由灰黄色、黄绿色砂岩，泥岩，紫红色砂岩，砂质泥 岩等组成，与下伏地层呈整合接触，在研究区域范围内局部出露。 5 第四系中上更新统 Q 2 3 第四系中上更新统下部以棕红色粘土、粉质粘土为主，含有钙质结核上部主要为 8 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 浅黄色粉土，大空袭结构、垂直节理比较发育，研究区域内出露厚度为1 9m - - 一4 6m ， 平均厚度约3 0m 。 6 全新统 Q 4 主要由坡积物和人工堆弃物组成。坡积物松散堆积体，岩性为黄褐色粉土夹杂风化 的砂质泥岩碎块，主要分布在研究区域沟谷两侧边坡的坡脚处。人工堆积物主要为煤矸 石，其次为少量的建筑垃圾和填土，大多沿着沟谷边缘顺坡堆填。 2 ．2 ．3 地质构造 研究区域内无古老地层出露和岩浆活动，己揭露的构造主要表现为节理和断层。 1 节理 研究区域内的节理裂隙极为发育。主要为两组，一组倾向为3 2 2 0 ～3 5 5 0 ，倾角为 4 8 0 - 6 1 0 ；另一组为倾向为7 0 。- 1 3 5 。，倾角为5 3 0 ～6 5 0 。节理面多为平直型，节理裂隙宽 度不等，节理密度