湘中斗笠山矿区岩溶塌陷成因与评价研究.pdf

密密级级公开 中图分类号中图分类号P641 硕硕士学位论文士学位论文 湘中斗笠山矿区岩溶塌陷成因与评价研究湘中斗笠山矿区岩溶塌陷成因与评价研究 研研 究究 生生袁也袁也 导导师师肖江肖江 专业类别专业类别地质资源与地质工程地质资源与地质工程 专业领域专业领域水文地质学水文地质学 2017年年 6 月月 A Thesis ted for the Degree of Master Research on the causes and uation of karst Doulishan mining subsidence in Hunan CandidateYuan Ye Supervisor and RankXiao Jiang 湘中斗笠山矿区岩溶塌陷成因与评价研究湘中斗笠山矿区岩溶塌陷成因与评价研究 学位类学位类型型学术型学位学术型学位 作者姓名作者姓名袁也袁也 作者学号作者学号15010203004 学 科 （ 专 业 学 位 类 别学 科 （ 专 业 学 位 类 别 地质资源与地质工程地质资源与地质工程 研 究 方 向 （ 专 业 领 域研 究 方 向 （ 专 业 领 域 水文水文地质学地质学 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称肖江（高工）肖江（高工） 实 践 导 师 姓 名 及 职 称实 践 导 师 姓 名 及 职 称尹欧（高工）尹欧（高工） 所在学院所在学院 资源环境与安全工程学院资源环境与安全工程学院 论文提交日期论文提交日期2017 年年 6 月月 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名日期年月日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名日期年月日 导师签名日期年月日 i 摘摘要要 随着我国不断加快的经济节奏，人类各行各业飞速发展。煤矿作为一种重要 能源，被人类大量开采，地质环境因此受到了巨大破坏，随之引发大量地面塌陷 灾害。斗笠山地处湖南重要产煤地，矿区众多，岩溶发育，给人们的生命安全和 财产保障带来了巨大隐患。本文通过在湖南地调院湘中地区岩溶塌陷调查 （1212011220190）对岩溶塌陷的成因机理、监测预报及易发性分区进行研究，不 仅能够促进矿山合理开采，科学的防灾、减灾及救灾措施提供依据，同时也能对 土地合理利用和新型城镇化建设提供重要的指导意义。 首先，在系统总结分析岩溶塌陷的国内外研究现状基础上，对斗笠山地区展 开岩溶塌陷调查，查明区内岩溶塌陷分布情况、塌陷类型、时空分布规律、发育 特征、土层情况、水文地质条件、工程地质条件等，进行综合分析。 总结其成因主要可分为区内地质背景、自然环境和人类工程活动三大因素。 地质因素主要为斗笠山为一向斜，区内褶皱较多、岩层裂隙发育，与煤层接触的 茅口组地层主要成分为厚层状至巨厚层状灰岩，属碳酸盐岩类，岩溶发育程度强； 自然环境和人类工程活动是岩溶塌陷的诱发因素，自然因素主要为春季的持续降 雨和夏季的强降雨；人为因素主要为矿坑的施工和强排疏干地下水。值得注意的 是，从煤矿开采以来矿坑抽排水对原有地层力学平衡造成破坏，为塌陷灾害主要 因素。 最后，建立具体评价体系，运用层次法-模糊评价法，将影响决策的要素分 解，然后采用定性和定量的分析方法，通过确定塌陷的评价因子和各参数因子的 权重，综合评判分析，利用 GIS 平台对研究区岩溶塌陷灾害进行易发性分区评价。 关键词斗笠山；岩溶塌陷；地质背景；人类活动；易发性评价。 ii iii Abstract With the constant pace of economic development in China, all walks of life have developed rapidly. As an important energy source, coal mine has been exploited excessively, caused the geological environmental deterioration greatly, with a lot of ground collapse disasters. Doulishan as an important coal production in Hunan Province, there are rich mines and developed Lava, this brought great risks to the safety of peoples life and property security.Based on the investigation of karst collapseinthecentralHunanarea,HunanProvincialInstituteofgeological （ 1212011220190 ） . Research on the karst collapse mechanism, monitoring and forecasting and susceptibility can promote the exploitation reasonably and provide scientific disaster prevention, disaster reduction and disaster relief measures, at the same time, it will provide important guidance for the rational use of land and the construction of new urbanization. Firstly, on the basis of system analysis of the Doulishan karst collapse from current research at home and abroad, then we conducted an investigation of karst collapse of the Doulishan area. We found out the distribution, type, space-time distribution, development characteristics, soil condition, hydrogeological condition and engineering geological conditions of karst collapse in the Doulishan area. On the basis of above, this paper made a comprehensive analysis. Summarize the main reasons leading to karst collapse can be divided into three factors, including geological condition, natural environment and human engineering activities. The main geological factors of the Doulishan are a syncline, much fold and fractured rock. The main composition of the ation in the mouth ation is thick bedded to very thick bedded limestone, which belongs to carbonate rock with strong development degree of karst. The inducing factors of karst collapse are natural environment and human engineering activities. Continuous rainfall in spring and heavy rains in summer constitute the natural causes of the disaster. Human factors are mainly mine construction and drainage and dry groundwater compulsively. It is worth noting that since the coal mining; the mine drainage has destroyed the original mechanical balance and become the main factor of the collapse disaster. Finally, this paper establishes a specific uation system. Using the AHP-fuzzy uation , we break down the elements which influence decisions-making. Then qualitative and quantitative analysis s are adopted to determine the factors of subsidence uation and the weight of each parameter factor. The comprehensive uation and analysis are carried out with GIS plat to division uate the susceptibility of karst collapse disaster in the study area. iv KeywordsDoulishan;karstcollapse;geologicalbackground;humanactivity; susceptibility uation. 湖南科技大学硕士学位论文 目目录录 摘要........................................................................................................................................ i Abstract....................................................................................................................................iii 第一章 绪论....................................................................................................................... - 1 - 1.1 选题依据及研究意义........................................................................................- 1 - 1.2 国内外研究现状.................................................................................................- 1 - 1.2.1 国外研究现状.........................................................................................- 2 - 1.2.2 国内研究现状.........................................................................................- 3 - 1.3 研究内容及技术路线........................................................................................- 6 - 1.3.1 研究内容..................................................................................................- 6 - 1.3.2 技术路线..................................................................................................- 7 - 第二章 区域地质环境......................................................................................................- 9 - 2.1 地理区位..............................................................................................................- 9 - 2.2 自然地理概况...................................................................................................- 10 - 2.3 地质构造特征...................................................................................................- 10 - 2.3.1 地层........................................................................................................- 10 - 2.3.2 区域构造................................................................................................- 14 - 2.3.3 区域岩浆岩...........................................................................................- 15 - 第三章 岩溶发育基本特征........................................................................................... - 17 - 3.1 岩溶发育的条件...............................................................................................- 17 - 3.2 研究区构造特征...............................................................................................- 18 - 3.2.1 地形地貌................................................................................................- 18 - 3.2.2 基岩地层及富水性..............................................................................- 18 - 3.2.3 地质构造................................................................................................- 18 - 3.2.4 垂向岩溶发育程度..............................................................................- 19 - 3.3 地下水条件.......................................................................................................- 20 - 3.3.1 主要含水层...........................................................................................- 20 - 3.3.2 水文地质条件.......................................................................................- 22 - 3.4 岩溶发育的控制因素......................................................................................- 22 - 3.4.1 与岩层有关的因素..............................................................................- 22 - 3.4.2 构造运动因素.......................................................................................- 24 - 3.4.3 其他因素................................................................................................- 24 - 湖南科技大学硕士学位论文 第四章 岩溶塌陷发育特征........................................................................................... - 25 - 4.1 岩溶塌陷分布及形态特征.............................................................................- 25 - 4.2 岩溶塌陷的基本规律......................................................................................- 27 - 4.2.1 浅部岩溶地段.......................................................................................- 27 - 4.2.2 地质构造................................................................................................- 28 - 4.2.3 第四系厚度...........................................................................................- 28 - 4.2.4 降雨密切相关.......................................................................................- 28 - 4.2.5 人类工程................................................................................................- 29 - 4.3 塌陷的成因分析...............................................................................................- 32 - 4.3.1 潜蚀作用................................................................................................- 32 - 4.3.2 负压真空吸蚀作用..............................................................................- 32 - 4.3.3 正压气爆作用.......................................................................................- 32 - 4.4 岩溶塌陷发展趋势分析..................................................................................- 33 - 第五章 岩溶塌陷易发性评价.......................................................................................- 35 - 5.1 评价原则............................................................................................................- 35 - 5.2 评价方法............................................................................................................- 35 - 5.3 岩溶塌陷易发性分区......................................................................................- 38 - 5.3.1 可溶岩条件...........................................................................................- 38 - 5.3.2 覆盖层条件...........................................................................................- 40 - 5.3.3 地下水条件...........................................................................................- 41 - 5.3.4 人类工程活动.......................................................................................- 42 - 5.3.5 岩溶塌陷分布.......................................................................................- 42 - 5.3.6 地质构造................................................................................................- 43 - 5.4 评价模型及计算方法......................................................................................- 43 - 5.4.1 概念模型................................................................................................- 43 - 5.4.2 评价计算的步骤...................................................................................- 45 - 5.4.3 岩溶地面塌陷易发性预测结果.........................................................- 47 - 5.5 易发分区评价说明..........................................................................................- 49 - 第六章 结论.....................................................................................................................- 51 - 参考文献............................................................................................................................- 53 - 附录.................................................................................................................................... - 57 - 致 谢..................................................................................................................................- 59 - 湖南科技大学硕士学位论文 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 选题依据及研究意义选题依据及研究意义 全球大约有 17 个国家发生过严重的塌陷问题，包括美国、德国、俄罗斯、中 国等国，其中美国最严重。中国作为世界上岩溶塌陷灾害发育最为广泛的国家地 区之一，其岩溶总面积分布达 346.3 万 km2[1]。据不完全统计，全国有 22 个省、 市、自治区发生过岩溶塌陷现象，岩溶塌陷的面积超过 5000km2。其中，以南方 的贵州、湖北、湖南、江西、广西、四川、云南及北方的辽宁、山东、河北、河 南、山西等省（区）最为发育[2]。近二十年来，我国社会经济不断发展，人类活 动工程活动随之加剧。湖南斗笠山、恩口等煤矿区，由于疏排矿坑岩溶水，对地 面产生了一系列环境地质问题，导致房屋建筑坍塌[3]、农田水利设施损害[4]以及 道路和桥梁毁坏等。 岩溶塌陷不但对社会的安定和发展带来了极大的危害，同时也给人民的生命 安全及财产保障造成了严重威胁[5]。与此同时，在一些隐患地段，岩溶塌陷的威 胁还将长期存在。因此，对岩溶塌陷的演化机理[6]、易发性分区等进行研究，具 有非常重要的经济价值与社会意义[7]。还能为促进矿山合理开采、科学的防灾、 减灾及救灾措施提供依据，对土地合理利用和新型城镇化建设提供重要的指导意 义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 早在 15 世纪之前，地质学者们把岩溶塌陷作为一种地质作用，并对其进行研 究。主要重视对地貌、水文等方面的描述，偏重于对水化学溶蚀、风化地貌等现 象的研究。 在工业革命以后，随着人类对地球的改造加剧，岩溶塌陷的发生日益频繁， 造成的危害也越来越大，尤其对矿山地区和铁路的影响巨大。因此，地质工程界 对岩溶塌陷开始关注。 20 世纪 70 年代以来，随着国际岩溶研究机构逐步展开对岩溶塌陷的研究， 与岩溶相关的国际讨论会多次被召开[7]。美国的 Western Kentucky University 于 1978 年首次将岩溶塌陷作为研究对象进行研究，并成立了专门的研究中心。 在中国，地矿部水文地质工程地质局于 1977 1978年之间组织开展了有 关“全国岩溶充水矿区水文地质工程地质回访调查”，全国有 22 个省、自治区 的地质局及部分高校参与了这次调查，发现在南方岩溶分布区域，无论是金属矿 还是煤矿，都在矿山建设和生产中发生过岩溶塌陷。 第一章绪论 - 2 - 之后，国内外对于岩溶及岩溶塌陷的问题都给予了相当的重视。在国际上， 也会定期召开有关岩溶塌陷的学术讨论会。随着对岩溶塌陷的研究不断增多关于 岩溶塌陷方面的研究也出现了不同方向的理论。 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 在 1974年，LA马克西莫维奇教授，首次将岩溶作为一个独立的学科进行 研究并发起召开了“全苏喀斯特会议”，推动了岩溶理论的发展。 此后，关于岩溶塌陷的国际学术讨论会议越来越多，如德国的汉诺威在 1973 年首次开展了有关“岩溶塌陷与沉陷与可溶岩有关的工程地质问题”国际学术讨 论会[8]。在土耳其开展了有关“在可溶岩上建筑的工程地质问题”的国际学术讨 论会。在意大利的威尼斯开展了“第三届国际地面沉降”国际学术讨论会议[9]。 这些会议都涉及有关岩溶塌陷的工程地质问题，对于塌陷形成的地质环境因素， 塌陷的形成机理，塌陷区的划分和溶洞的探测方法及塌陷的治理等方面进行讨论 研究。 从 1984 年开始， 在美国佛罗里达州奥兰多每隔两到三年都会举行多学科国际 讨论会，会议内容都是围绕岩溶塌陷开展的。在会议上，各国专家根据对岩溶塌 陷的研究做学术报告，发表学术成果，每次会议都能取得不同方向的突破，使得 岩溶塌陷的研究趋于成熟。 国外对于岩溶塌陷地质灾害的研究主要体现在以下 4 个方向 1.勘查探测技术 国外主要研究重心在有可能发生岩溶塌陷的地区进行研究，注重于预测和预 防岩溶塌陷灾害[10]。随着设备仪器和软件技术等不断的发展，国外在隐伏岩溶[11] 塌陷地质灾害的探测技术方向已经走在世界前沿，主要运用地球物理勘探技术的 方法，包括地震勘探、重力勘探、电法勘探、及磁法勘探等等。 国外对可操作化相当的重视，为了针对各种地质环境，正确并迅速的选择工 作技术方向和操作流程， 达到缩短工作时间的目的， 统一制定了勘探技术的标准[9] 及技术操作。美国 ASTM 协会测试与材料协会关于水工环地质[4]物探的工作方 法颁布了地面地球物理方法选择标准指南D6429-99[12]，系统的论述了工作 中常用的 12 种方法，对每种物探方法提供了探测目的[13]、应用条件、探测深度[12] 和局限性等。 2.岩溶塌陷灾害预测与评估 近年来国外主要运用 GIS 等软件[11]对岩溶塌陷灾害进行预测和评估，通过研 究者对现场的勘查及队研究区岩溶塌陷灾害的危险性和危害性分区，来对不同等 级的岩溶塌陷灾害进行风险评估。2004 年，美国地质研究人员在 New Jersey 地区 湖南科技大学硕士学位论文 - 3 - [14]， 运用 Poisson 方程在特定区域的特定时间内模拟分析了岩溶塌陷灾害的概率。 英国地质研究员采用 ArcView 软件技术初步的预测与评估了英国北部地区的岩溶 塌陷灾害[14]。 3.岩溶塌陷灾害监测及预报 目前掌握的地面变形、采空变形等常规检测技术面对岩溶塌陷灾害所具有的 突发性、单体性、隐蔽性及不确定性等特点[1][4]难以及时做出正确的监测预报。 二十世纪末，美国地质学家通过运用地球物理勘探技术对塌陷灾害进行监测预报 [8]获得了较好的成果。此后，光纤传感监测技术不断的走向成熟，在工程建设中 也不断得到广泛应用，市场前景不断拓宽。 4.岩溶塌陷灾害的预防和治理 目前主要预防岩溶塌陷灾害的方法是探明灾害区灾害形成的背景条件，严格 对灾害区的各项背景参数指标进行控制。主要治理措施有控制地下水动态变幅， 采用合理的基础工程措施对塌陷区进行加固处理，保护环境等相结合的方法来减 轻岩溶塌陷灾害的发生。 1.2.2 国内研究现状国内研究现状 国内在本世纪五十年代以前，研究者仅仅开始关注岩溶塌陷。而从五十年代 到七十年代中期，国内研究者们主要研究与塌陷相关的热点问题，其中包括形成 塌陷的地质与地球化学条件、地下洞穴的勘测、诱发塌陷的机理、对于塌陷区的 区划和采取的相应工程措施等。在此期间，国内相关部门对一些塌陷灾害比较严 重的区域展开了比较详细的研究。七十年代后期，随着经济发展，人类活动加剧， 岩溶塌陷灾害变得较为严重，通过长期的研究，国内创造了许多新的技术方法应 用到岩溶塌陷的研究当中，主要从地质灾害防治和地质环境保护的角度出发，在 发育现状、形成条件、分布规律、成因机理、类型划分、预测评价方法和防治对 策等方面对岩溶塌陷灾害问题开展较为系统的研究工作，并取得了较为明显的研 究成果。 对于岩溶塌陷这一问题，国内的研究方向[10]主要可以分为以下几个方面 1.岩溶塌陷成因理论方面 我国对于岩溶塌陷的成因理论做了很大的贡献。其中，比较有影响力的是徐 卫国在 1981 年提出的“真空吸蚀作用”[15]。真空吸蚀作用指的是矿井突水或大 流量抽、排水时，在承压地下水刚刚转为无压的一瞬间，初始真空吸盘借助于水 柱下降产生的强大的吸力， 使洞口顶部覆盖层在巨大的吸力作用下产生动水压力， 使土体产生“液化”从而变成流态物质，最后被水柱吸入井下而造成地面塌陷； 而在 1985 年至 1989年之间，铁道部第二勘测设计院的研究者以贵昆线为重点 第一章绪论 - 4 - 开展了对“铁路沿线岩溶塌陷及防治”项目的研究工作，陈国亮等人选取位于贵 州省的水城县作为研究区域并进行了现场试验，同时在室内开展