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武汉理工大学 硕士学位论文 基于GIS的开采沉陷预计与区域滑坡危险性预测 姓名张世涛 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师张世雄 20081101 武汉理工大学硕E 学位论文 摘要 露天矿边坡在其服务年限内的稳定性，一直是矿业生产部门及科技人员最为 关心的课题。因为它不仅直接关系到作业人员及设备的安全，同时也影响着生产 的顺利进行。 目前用于边坡稳定性分析的方法大体上可分为定性分析方法和定量分析方 法两大类，两种方法各有其优点，但其分析过程及其结果的表述都需要具备非常 扎实的专业背景才能理解。因此如何以直观明了的方式来分析边坡的稳定性，并 将分析过程与结果以可视化的方式展示出来，并在此基础上建立一个更为全面、 有效的边坡稳定性预测预报方法，这正是本论文所要研究的内容。 本论文利用山西平朔煤炭工业公司露天矿不采区的G P S 监测资料，在 A r c V i e wG I S 平台上构建不采区三维地表模型，真实再现了原始不采区地形地貌 的三维景观。在此模型上对监测资料进行整理，提取等高线、坡度、坡向、任意 点的三维坐标值等信息，对安家岭东北帮垮塌区域、2 1 撑电杆区域和1 3 4 0 1 地表 区域的边坡稳定性进行综合分析，将分析过程及其结果在G I S 平台上进行展示， 其结果表明在坡度较大的、存在裂缝的区域容易发生坍塌，距离采场越近的区域 受地采的影响越大，雨雪对存在裂缝的区域的稳定性有很大的影响。然而在G I S 平台上，单一的判断边坡稳定性的标准并不是特别准确的，如位移速率。对于位 于井工开采影响域内的边坡体，受采动效应的影响，多处边坡监测点超过G I S 平 台上的位移速率标准，而边坡处于稳定状态。因此，在对不采区边坡监测点资料 及监测区域变形破坏前的地表裂缝、位移资料综合分析的基础上，将地表裂缝观 测法、边坡位移形态分析法及监控指标判断法与G I S 平台上的位移与位移速率直 观展示结合起来，互为补充，更好地对不采区的稳定性进行预测和分析。 关键词边坡，稳定性，滑坡，地理信息系统 武汉理工大学硕士学位论文 A bs t r a c t T h es l o p es t a b i l i t yo fo p e n p i tm i n ei ni t sl i m i t e ds e r v i c ey e a r sh a sa l w a y sb e e n t h ep r o j e c tt h a td r a w se n o r m o u sa t t e n t i o no fs p e c i a l i s t si nm i n i n gf i e l d ．B e c a u s et h e s l o p es t a b i l i t yi sn o to n l yr e l a t e dt ot h es e c u r i t yo fo p e r a t o r sa n df a c i l i t i e s ，b u ta l s o i n f l u e n c e st h es m o o t hp r o d u c t i o n ． G e n e r a l l y , t h e r ea r et w od i f f e r e n tk i n d so fm e t h o d st oa n a l y z es l o p es t a b i l i t ya t p r e s e n t , i ．e ．q u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ．B o t ho ft h e mh a v et h e i r o w na d v a n t a g e s , b u tt h ea n a l y s i sp r o c e s sa n dt h es t a t e m e n to fc o n c l u s i o na r eS O c o m p l i c a t e d t h a t o n l yp e o p l e w h oh a v es o l i d p r o f e s s i o n a lb a c k g r o u n d c o u l d c o m p r e h e n d ．T h e r e f o r eh o w t oa n a l y z es l o p es t a b i l i t yw i t had i r e c ta n dc l e a rm a n n e r t h e nd i s p l a yt h ea n a l y s i sp r o c e s sa n dc o n c l u s i o nv i s u a l l ya n do nt h eb a s i st os e tu pa c o m p l e t ea n de f f e c t i v em e t h o dt op r e d i c ta n df o r e c a s tt h es l o p es t a b i l i t yi st h ec o n t e n t o ft h i st h e s i s ． A c c o r d i n gt oG p sm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n S h a n x iP r o v i n c eP i n g s h u oC o a l I n d u s t r yC o r p o r a t i o n , t h et h e s i sb u i l d s a3 Dg e o - m o d e lo fn o n - m i n i n ga r e ao n A r c V i e wG I S ，w h i c hr e a p p e a r st h el a n d s c a p eo fn o n - m i n i n ga r e ar e a l i s t i c a l l y ．B a s e d o nt h em o d e l ，W ea r r a n g e dg i v e nd a t aa n dd e r i v e dc o n t o u rl i n e ，s l o p e ，a s p e c ta n d3 D c o o r d i n a t eo fa n yp o i n t s ，t h e ns y n t h e t i c a l l ya n a l y z et h en o r t h e a s t e r nc o l l a p s ea r e ao f A n j i a l i n g , N O2 1e l e c t r i cp o l ea r e aa n d1 3 4 0 1e a r t h ss u r f a c ea r e a , d i s p l a yt h ea n a l y s i s p r o c e s sa n dc o n c l u s i o nt h r o u g hG I Ss o f t w a r ef i n a l l y ．A n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t c o l l a p s e sh a p p e nm o r ee a s i l yw h i l es l o p ei ss t e e p e ro rs l o p ew i t hc r a c k s ，a n dt h e d i s t a n c et os l o p em o r en e a rw h e nu n d e r g r o u n dm i n i n gt h ei n f l u e n c ei sm o r co b v i o u s ， m e a n w h i l e ，s t a b i l i t yo fs l o p ew i t hc r a c k si sg r e a t l ya f f e c t e db yr a i na n ds n o w ． H o w e v e r , o nt h ef l a to fG I S ，t oj u d g et h es l o p es t a b i l i t yb yt h es i n g l es t a n d a r di sn o t s p e c i a l l ya c c u r a t e ，f o re x a m p l e ，t h ed i s p l a c e m e n ts p e e d ．F o rt h es l o p el o c a t e da tt h e a r e ai n f l u e n c e db yu n d e r g r o u n dm i n i n g , t h o u g hm a n ym o n i t o r i n gs i t e se x c e e dt h e s t a n d a r do fG I S ，t h es l o p es t i l lk e e p ss t a b l e ．T h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o n o fm o n i t o r i n gs i t e si n n o n m i n i n ga r e a , c o m b i n i n gt h es y n t h e t i ca n a l y s i so ft h e s u r f a c ec r a c k sa n dt h ed i s p l a c e m e n td a t ab e f o r em o n i t o r e da r e a sw e r ed e s t r o y e d , W e c o m b i n es u r f a c ec r a c k so b s e r v a t i o nm e t h o da n ds l o p ed i s p l a c e m e n tc o n f i g u r a t i o n a n a l y s i sm e t h o dw i t hm o n i t o ri n d e xj u d g m e n tm e t h o dt h e nd i s p l a yt h e mv i s u a l l y t h r o u g hG I Ss o f t w a r e ．T om a k et h e mc o m p l e m e n te a c ho t h e r , a n dt h e nf o r e c a s ta n d a n a l y z es l o p es t a b i l i t yc o m m e n d a b l y ． K e y w o r d s s l o p e ，s t a b i l i t y , l a n d s l i d e ，G I S n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名导师签名日期 武汉理工大学硕士学位论文 第1 l 章绪论 | l 。{ 研究背景和意义 论文研究的课题来源于平朔煤炭工业公司委托科技攻关项目平朔煤炭工业 公司安太堡矿不采区沉陷与边坡监测及预报研究项目基于G I S 的开采沉陷预计 与区域滑坡危险性预溯课题。 平朔煤炭工业公司是我国从1 9 8 5 年开始建设的特大型现代化煤炭生产基 地，先后建成安太堡露天矿和安家岭露天矿，安家岭露天矿南北两侧分别建成了 安家岭l 号井工矿以及露天不采区 在两矿之阆的一大片区域不进行露天开采， 称为露天“不采区坩，在此不采区设置了排场 2 号井工矿。2 0 0 3 年第2 季度， 平朔煤炭工业公司决定开始对露天不采区2 号井工矿进行开采，就出现了安太堡 露天矿、安家蛉露天矿，露天不采区2 号井工矿联合开采的局面。在井工矿开采 过程中，所导致的她表沉陷与边坡稳定性问题不断显现。 对于矿山露井联合开采而言，由于露天开采自身会在大范围的岩层中引起应 力重新分布，出现岩土体变形、位移变化、沉降，甚至滑坡，威胁矿山的安全生 产。在此情况下，若在其邻近矿体进行地下开采，将在露天开挖弓| 起的次生应力 场上产生并迭加新的次生引力场，其变形、位移、沉降、破坏的范围更大，机制 也更复杂。不仅如此，在地下开采进行的同时，露天开采仍在进行，两个动态变 化的零l 力场迭加，将形成非常复杂的动态应力场和岩土体的动态变形、位移、沉 降与破坏珏1 。 目前中煤平朔煤炭工业公司安家岭露天矿山的具体情况是一方面安家岭露 天矿和安太堡露天矿需要继续开采，而同时安家岭井工矿需要同步进行开采。并 工矿链子安家岭露天矿北侧，舞采范围是安太堡露天矿不采区。自露并联合开采 投产两年来，井工开采对地表的影响已显现出来，已先后出现地表变形、开裂和 沉陷。另外，井工开采区上方岩土体的破坏与沉陷，会在露天矿边坡侧的岩体内 形成大量拉裂缝，它们使雨水容易灌入，风化加速，使其强度与稳定性大大降低。 同时，随着露天矿自身开采深度的加深和开采范围的扩大，边坡逐年增高，边坡 角变大，加上复杂的地质条件和水文条件的影响，以及井工开采对其影响，使得 影响露天矿边坡的稳定性因素更加复杂嘲。 为了使露井联合开采安全顺利进霉亍，并确保前期露天矿开采后的露天矿边 坡的稳定及其运输线路不遭到破坏，应使井工开采上方的地表沉陷在可控制范围 武汉理工大学硕士学位论文 内。本课题拟通过将G P S 监测到的关于地表变形及位移变化的数据等导入至I J G I S 平台，通过G I S 的有关功能分析毒其地表变形及位移等随时闻的变化规律，确定 露天不采区不同阀值的滑坡危险隧域，直观地对露天不采区潜在的滑坡危险区域 予以警示，利用采动损害的数学预测方法对井工开采导致的地表沉陷预计，从而 能更深刻地了解露井联合开采对地表及其露天边坡的影响，并提出相应的治理措 施，确保安全、可持续开采。 1 ．2 国内外研究现状 随着计算机软硬件、图象处理技术、多媒体技术、虚拟现实技术、通信技术 的快速发展，地理信息系统的研究和应用己渗透到自然科学及应用技术的很多领 域。矿由作为一个典型的具有空阂特征酶实体，其地形地貌、水文地质情况、矿 床赋存情况以及因开采而破坏了原始应力所导致的地表沉陷和位移变化等都具 有明显的空间特征。另一方面，矿山所蕴涵的信息量巨大，并且数据类型多，包 括地质、采矿、测绘、经济、建设、生产与管理等多方面的数据，丽G I S 因其对 海量空闻数据的超强处理能力及空闯分析能力，使得它在矿出中的应用嚣益广泛 和深入∞。 幽于地下开采所引起的上覆岩层的向下沉降和露天边坡随着露天矿开采深 度及藏匿酶翔大所导致的边坡失稳，或由于露天矿下的井工开采所导致的边坡失 稳等人为的地质灾害已成为影响矿山安全的重大隐患，已有很多机构和个人致力 于研究运用G I S 来为解决这些问题提供辅助手段。 根据现有资料，将G I S 应用于地质灾害研究，最早是美国加利福尼亚 M e n l o P a r k 地调局的E a r lE ．B r 曲b ，于1 9 8 6 年应用G I S 技术对加剩福尾亚S a n M a t e o 地区进行了地质灾害研究，使用了G I S 的数据处理、数字绘图及数据管理 等功熊Ⅲ。1 9 8 9 年美国的M i c h a e lA ．F i n n e y 和N a n c yR ．B a i n 用G I S 技术分析滑 坡灾害溺。印度R o o r k e e 大学地球科学系的R ．P 。G U P T A 和8 。C ．3 0 S H 用G I S 方法 对喜马拉雅山麓的R a m g a n g aC a t c h m e t 地区进行滑坡灾害危险性分带嘲。意大利 A ．C a r r a r a 等学者 1 9 9 1 将G I S 技术与统计模型结合，应用于滑坡灾害的评价R 1 。 新西兰学者R ．S o e t e r s 等 1 9 9 1 将G I S 技术与遥感技术 R s 结合，应用于地质灾 害分析与环境评价嘲。法国的E ．L e r o i 等 1 9 9 2 年 将遥感技术与G I S 技术应用于 滑坡灾害制图工作呻1 。美国科罗拉多州立大学M a r i oM e j i a - N a v a r r o 和 E l l e n ．W o h l 利用G I S 对哥伦比皿麦德林地区地震灾区进行了分析和研究，重点 考虑了基岩和地表地质条件、构造地质条{ 孛、气候、地形、避貌单元及其形成作 用、土地利用和水文条件等因素，根据各因素的组成成分和灾害信息存储、缓冲 2 武汉理工大学硕士学位论文 区分析、D E M 模型及叠加分析等功能，对有关滑坡、洪水和河岸侵蚀等灾害倾向 地区进纷了灾区分区，对某一具体事件各构成因素的脆弱性进行评价n 们。M a r i o M e j i a - N a v a r r o 博士等人将G I S 技术与决策支持系统结合，利用G I S 主要是地 理资源分析支持系统G R A S S 软件 及工程数学模型建立了自然灾害及风险评估的 决策支持系统，并应用在科罗拉多髑的G l e n w o o dS p r i n g s 地区。应用G I S 建立 指标因素数据库，并建立基于G I S 的多个控制变量的权重关系式，对泥石流、洪 水、地面沉降、出风引起的火灾等灾种进行了灾害敏感性分析、脆弱性分析及风 险评估，辅助政府部门决策。 国内应用G I S 技术开展地质灾害工作起步较晚，研究程度较低。何满潮、崔 政权等人对建立“三峡库区边坡稳定3 S 实时工程分析系统挣进行了研究，其目 的是实现边坡稳定的预测预报，在区域性的边坡稳定性评价中，利用G I S 对多源 数据进行综合分析，可进行滑坡危险度分区，制成滑坡危险度分区图瑟瓣。河海大 学李冬E l j 等对岩坡空间信息系统进行了研究，用岩坡信息系统实现了岩坡数据的 计算机匹配和管理；根据G I S 层分析原理，提出了边坡的“多层D E M 挣模型，用 该模型准确地描述岩坡的空间三维形态；提出了应用岩坡信息系统进行岩坡稳定 分析的原理n 羽。曹中切、孙苏南等在岩矿底板突水危险性预测中应用了G I S 技术， 在分析岩矿地质、水文地质条件及突水资料的基础上，建立起能反映较多因素综 合作用的突水模式，以帮助矿山生产决策人员比较直观地正确判断底板突水情况 秘萄。雷明堂、蒋小珍等在岩溶塌陷评价中运用G I S 技术，根据塌陷影响因素 如 岩溶化程度、断裂分布、上覆岩层厚度、水动力条件及已有塌陷分布 ，利用G I S 的距离分析、标量分析、网格叠加分析、分级分组分析等功能，完成研究区塌陷 危险性评价及分区n 钔。原地质矿产部水文地质、工程地质研究所在“八五刀期间 承担的医家科技攻关项目专题研究“京津唐地质灾区预测防治计算枫辘助决策系 统“ ，获得了国家“八五一重大科技成果奖。该系统由信息资源数据库、图形图 像辅助分析、模拟预测、经济评价和防治决策分析专家系统等五个子系统构成， 总体结构采用了“四库一体挣的设计思想，即以地质灾害的预测和防治为目标， 将相关的数据库、图形库、模型库和知识库融为一个耦联整体，从而实现了数据 加模型的定量计算与知识加推理的定性分析间的相互结合、相互渗透。实现了地 理信息系统技术和智能决策支持系统的结合，使该系统不仅具有定量计算和定性 分析的麓力，丽量具有更加丰富、形象纯的空阉能力。 1 。3 本论文的研究内容 本论文正是基于数据库、图形库、模型库和知识库融为一个耦联整体的思路 3 武汉理工大学硕士学位论文 进行探讨。论文将从信息化的角度，利用G P S 方式获得的平朔不采区范围内所布 设的监测点的监测数据作为6 I S 的数据源，在A r c Y i e wG I S 平台上建立不采区三维 地表模型，基于此地表模型实现对整个不采区地表的基本信息查询，并对安太堡 东帮上出现坍塌的特殊区域分析了其坍塌的原因及其规律，对安家岭北帮的稳定 性进行了预测，并将整个分析过程以及结果以可视化的方式在A r c V i e wG I S 平台 上展示出来u 副。 论文分为六个章节。第一章为论文的研究背景和意义、该领域国内外的研究 现状等；第二章介绍矿山的概况和矿区的工程地质特征；第三章介绍了地理信息 系统的基本概念、组成、主要功能，A r c V i e w3 ．2 的相关内容及空间分析的相关 理论；第四章介绍了在G I S 平台上的不采区监测区域的表面分析和空间分析；第 五章介绍了边坡稳定性预测预报的研究；第六章为结论部分。 4 武议理1 大学硕士学位论文 第2 章矿山概况及矿区工程地质特征 2 ．1 矿山概况 2 ．1 ．1 井田位置、交通与储量 平朔煤炭工业公司安太堡矿矿区位于山西省朔州市平鲁区，北到大同1 2 3 公 里，南至太原2 2 6 公里，矿井工业场地距朔州市城区2 l 公里．大 同 ～运 城 公路和北同蒲铁路从矿区南缘通过。井工矿井田位于安家岭露天矿的南北两侧， 由安家岭露天矿北侧的安太堡露天矿不采区、安家岭露天矿西排土场下的上窑采 区、七里河西边的太西采区组成。地理坐标为东经1 1 2 。3 3 ’～i 1 2 。4 5 ’，北纬 3 9 。2 3 ’～3 9 。3 77 。井田面积2 06 2 } 秆，地质储量7 6 0 ．0 4 M t ，工业储量 6 8 9 ．4 5 M t ，可采储量4 0 4 ．5 l H t ，服务年限6 2 年。井田具有向周边扩大的条件。 安家岭露天矿和安太堡露天矿铁路专用线均接轨于北同蒲铁路的大新车站， 专用线长分别为9 公里和1 1 公里，矿井的交通运输条件十分便利．见图2 - l 。 图2 - I 矿区交通位置图 2 ．1 ．2 气象、水文 本区属中温带季风型大陆性气候区域，其特点是地势高、气温低、降水少、 武汉理置大学硕士学位论文 风沙大、气候干早，冬季严寒，夏季凉爽，春季风大，山区与平川气候有所差异。 年平均气温4 ．8 “ - - - 7 ．5 。C ，极端最低气温- - 3 2 ．4 。C ，极端最高气温3 7 ．9 。C 。年 平均降水量4 4 9 r m ，最低1 9 5 ．6 1 m ，最高7 5 7 ．4 m m 。7 - - - - 9 月降水量占全年的7 5 ％。 2 。．1 。3 地形地貌 本区为典型的黄土高原地貌，黄土广布，沟壑纵横，地形支离破碎，水土流 失严重。遗表标高介于11 8 0 ～1 5 11 m ，一般在1 2 5 0 ～1 3 5 0 m 。 井田内的七里河河谷为山间谷地，地表较低，向东西两侧地表增高，多以冲 沟、陡坎形成黄梁舅地形，相对离差在1 0 0 ～3 0 0 m 。 2 ．2 区域地质概况 2 ．2 ．I 地层及岩性 平朔矿区位于宁武煤田北端，地表大都被新生界覆盖，仅沟谷中有零星石炭、 二迭系地层出露，煤系地层为一套古老的变质岩系，在煤田东缘及东北缘有寒武 系和奥陶系地层出露，地层厚度2 6 0 0 ～3 5 0 0 m 。煤田形态为南北走向的聚煤盆地， 石炭系、二迭系和三迭系地层沿煤盆地周围里环状出露，局部有侏罗系地层，地 表广泛分布第三系和第四系地层。 本井田地层由老至新为奥陶系中统马家沟组 0 2 灰岩、白云质灰岩、泥 灰岩等；石炭系中统本溪组 C 。6 泥岩、粉砂岩；石炭上统太原组 c 3 疗泥岩、灰 岩、砾岩；石炭系上统山西组 C 3 s 泥岩、砂砾岩；二迭系下统下石盒子组 P 。x 砂质泥岩夹砂岩、煤线，上统上石盒子组 霹s 泥岩、砂质泥岩、粉砂岩；新 生界上第三系上新统保德组粘土和粉质粘土；新生界第四系下更新统午城组 Q 。 粘土，中更新统离石组 Q 2 黄土，上更新统马兰组 Q 3 粉土及粉质粘土，全 新统冲 瓴 洪积层粉土夹砂砾石层。 2 ．2 ．2 构造地质 宁武煤田地处山西台背斜的北中部，属祁、吕、贺山字型东段外侧。因受复 合作用，煤田南北长、东西窄，呈北东向斜列展布于鄂尔多斯台缝、銎梁缝块、 五台地块及内蒙地轴之间，为一继承性上迭构造盆地。 2 ．2 。3 地震 本区位于华北地震活动带内，据历史资料记载，雁北区共发生4 级以上地震 6 武汉理工大学硕士学位论文 l O 余次，最高震级7 ．5 级，根据建筑抗震设计规范 G B 5 0 0 11 2 0 0 1 ，矿区 抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0 ．1 5 9 。 2 ．3 研究区工程地质条件概况 2 ．3 ．1 地形地貌 工作区地表作为露天矿排土场，地形支离破碎。其西、 l 艺为安太堡露天矿， 南为安家岭露天矿，两侧均为露天采矿形成的高陡人工边坡，最大高差达2 7 0 余 米。边坡中部设多级平台，各级平台宽2 5 “ - - 4 0 m 不等，单级边坡坡度介予∞。～ 7 5 。之间，边坡总体坡度约2 0 。～2 铲。 2 ．3 ．2 并田地质构造 本并圈位于平朔矿区西南部，处于二镶背斜和自家辛窑向斜之阊，主要受芦 子沟背斜、。二铺背斜、自家辛窑向斜控制和影响，区内地层产状平缓，倾角一般 在2 “ - 5 。，局部达1 6 。左右。 安太堡矿不采区地质构造比较简单，所在区域呈南低北高的趋势。根据安家 岭露天矿、安太堡露天矿及首采区B 9 0 1 工作面所揭露的情况可知，不采区中部发 育一些彝斜、背斜及陷落柱，不存在较大的断层对掘进和回采造成影响。 2 。3 ．3 岩性组成 为了查明安太堡露天矿不采区井工矿开采影响范围内各边坡地层、构造、岩 土性质、地下水等情况，采取岩样进行物理力学性质测试，分别在安太堡南帮 边坡、安太堡露天矿东帮边坡、安家岭北帮边坡及并工矿井口边坡处布置适当的 勘探工作量，为本项目研究提供必要的工程地质资料。 根据本次钻探现场编录，并结合工程地质测绘及以往勘察资料，总结安太堡 露天矿不采区地层由新至老为 1 第四系 Q 勘察区第四系地层分为全新统填土层 Q 4 叫 、晚更新统马兰组 Q 3 黄土、 中更薪统离石组 t h 黄土及早更新统等城组 Q 1 粘土。 ①全新统填土层 Q 4 枷 填土层主要为掘场排穿物，其成分与颜色较杂，生要由黄土状粉、粉质粘 土、砂岩、泥岩、泥质砂岩及煤岩等组成，钻探部位厚度O ～3 ．7 5 m 。 ②晚更新统马兰组粉土及粉质粘土 Q 3 7 武汉理工大学硕士学位论文 ②．1 粉土褐黄、黄褐色，稍湿，稍密一中密，土质均匀，干强度低，韧性 低，手捏易碎，呈粉沫状，可以干钻，钻探部位厚度0 “ - 1 7 m 。 ②．2 粉质粘土褐红，稍湿，硬塑，含少量一大量黑色斑点状铁锰质氧化物， 干强度中等，韧性中等，刀切面较光滑，钻探部位厚度0 “ - 6 ．6 m 。 ③中更新统离石组粉土粉质粘土 Q 2 ③．1 粉土褐黄、黄褐色，稍湿，密实，土质均匀，干强度低，韧性低，风 干后手捏易碎，干钻进尺困难，钻探部位厚度O - - - 1 7 m 。 ③．2 粉质粘土褐红色，稍湿，硬塑，含少量铁锰质氧化物，局部夹少量姜 石、砾石，钻探部位厚度0 ～8 ．3 m 。 ④早更新统午城组粘土 Q - 粘土褐红，稍湿，硬塑一坚硬，土层具水平层理，含大量斑点状黑色铁锰 质氧化物，局部夹粉末状砂岩风化物或砂岩块石，干强度高，韧性高。仅见于 2 撑井工矿井口边坡的z 5 、z 6 钻孔中。 2 基岩 C ～P 钻孔及地表所揭露的基岩的岩性主要有砂岩、泥岩和煤层等。 ⑤．1 砂岩颜色较杂，主要为褐黄色、黄白色、灰白色，成分也较复杂，风 化程度从强风化～微风化均有揭露，主要为中粗砂岩、中细砂岩、粉细砂岩，节 理裂隙较发育，局部可见近垂直状节理裂隙发育，上部岩芯较破碎，多呈碎块状 及少量柱状，下部岩芯完整；岩石质较硬，不易敲断。 ⑤．2 泥岩颜色较杂，主要为褐黄色、灰黑色，局部夹泥质粉砂岩及砂质泥 岩，节理裂隙较发育，属软岩，手划有刻痕，吸水反应强烈，风干后岩芯表面可 见网状裂纹，轻敲易断；局部已风化成土状，手可捏碎。 ⑤．3 煤层井田区主要含煤地层为石炭系上统太原组，共含煤9 层，自上而 下编号为4 4 1 、4 2 、5 、6 、7 、9 、1 0 、1 1 、1 2 号煤层，其中4 4 1 、 4 2 、9 、1 1 号煤层发育普遍，层位稳定，分布面积大，为本区主要可采煤层， 其余煤层厚度小，仅零星分布，局部可采。本区4 4 - - 1 、4 2 、9 、1 1 号煤层 主要为气煤，仅有个别块段为弱粘结煤、长焰煤。 9 号煤为半亮一半暗型煤，油脂光泽，条带状结构，局部地段节理发育，性 脆，见黄铁矿结核，厚度无规律可循，9 号煤层顶部多与8 号煤层合并，底部多 与1 0 号煤层合并 在本区1 0 号煤层平均厚度0 ．7 2 m ；结构复杂，含夹矸4 ～9 层， 夹石厚0 ．0 4 “ - - 0 ．3 5 m ，夹石岩性多为粉砂岩，局部有高岭石2 , - - , 3 层。煤层倾角 2 。～7 。，平均倾角5 。；厚度1 1 ．7 5 “ - - 1 4 ．0 4 m ，平均厚度1 3 ．1 4 m 。 4 号煤层结构复杂，含夹矸2 , - - - 7 层，煤层倾角2 。“ - 9 。，平均倾角5 。； 厚度8 ．1 6 - - - 1 4 ．1 5 m ，平均厚度1 2 ．2 4 m 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 ．3 ．4 边坡岩体结构面特征 对予岩质边坡嚣言，其变形破坏多数是受岩体中软弱结构掰控制。为了查清 安太堡露天矿不采区边坡岩体中控制边坡稳定性的优势结构面的分布特点，课题 组在现场地质调绘的基础上，在安太堡露天矿东帮、安家岭北帮边坡中共布置节 理裂隙详细线1 奎条。 1．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．J 图2 _ 2 安太堡露天矿节理裂隙倾向玫瑰花 { ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．。J 图2 - 3 安家岭露天矿节理裂隙倾向玫瑰花 安太堡露天矿东帮边坡岩体层理近水平产出，产状1 1 0 “ - 1 1 5 。L 3 “ - - 5 。； 边坡中节理裂隙较发育，各组结构面的平均间距0 ．8 ～1 ．5R i m ，其倾向主要分布 在有4 组 见图2 - 1 ，◇1 0 9 ～3 0 、圆1 0 0 。“ - - 1 3 0 4 、0 1 9 0 4 “ - ．- 2 1 0 。、固 2 8 0 。“ - - 3 1 0 。四个范围之内，其中圆与 处于同一裂隙走向N 1 0 。“ - - 3 0 。E ；0 与 园处于同一裂隙走向N 5 0 。, - - - , 8 0 。W ，N 1 0 ～3 0 。E 与N 5 0 。～鼬。W 近似垂 直。节理裂隙大部分以急倾斜、近水平两种产状存在，节理倾角分布在7 0 。～ 9 0 。的急倾斜节理裂隙较多且规模巨大，约占调查总数的6 5 ．9 ％；面倾角分布在 0 0 “ - - 3 0 。的近水平节理裂隙相对较少，约占1 9 ．4 ％。 安家岭露天矿北帮边坡岩体层理以近水平产出为主，产状1 1 0 。“ - , 1 1 5 。么 3 。- - - , 5 ◆，仅东北帮滑坡区倾角达1 2 。“ - - 1 6 4 ；边坡中节理裂隙相对于安太堡 东帮边坡更为发育，平均间距2 - - - 3 条／m ，且倾向发育方向也较其发散 见图2 - 2 ， 分布在国量O 。～3 0 。、0 1 0 0 。“ - - 1 3 0 。、 1 9 0 9 “ - - 2 1 0 9 、磅2 8 0 。“ - 3 1 0 。四个 范围之内节理裂隙约占调查总数的5 0 0 。节理裂隙倾角分布在7 0 。～9 0 。的急 倾斜节理裂隙与在0 。～3 0 。的近承平节理裂隙分别约占调查总数的6 7 。4 ％及 2 7 ．5 ％。 另钋，不采区边坡节理裂隙主要以构造裂隙为主，属张性裂隙；节理面较光 滑，张开度l - - - 3 m m ，基本无充填或充填少量泥质成份。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 ．4 工作区水文地质条件概况 井工井田属缓坡状丘陵区，地势西高东低，大面积黄土覆盖，植被稀少，水 土流失严重。井田内沟谷基本干涸无水，汇水面积不大。 不采区地下水主要以第四系土层中的上层滞水及基岩裂隙水的形式存在，不 采区主要含水层为K 3 砂岩及太原组的砂岩含水层；隔水层为石炭系本溪组泥岩 隔水层和二叠系石盒子组泥岩隔水层。地下水的补给来源主要是大气降雨，并通 过广泛发育于黄土及下伏基岩中的节理裂隙顺坡面或隔水层顶排泄。含水层富水 性弱，补给源不充分，边坡基本处于干涸状态，仅安家岭北帮边坡基岩强风化层 中富含风化裂隙水，由于北帮边坡开挖，切穿含水层，顺坡面1 3 3 5 m 标高线有多 处渗流，流量最大处可达l “ 一2 L ／m i n ，裂隙水的标高在1 3 3 5 m 左右。 4 号煤层的充水因素主要为I O 砂岩含水层，9 、1 1 号煤层的直接充水因素 主要为太原组的砂岩裂隙含水层。预计在回采过程中受水影响较小，但在掘进至 综放工作面中部区域时，由于处于向斜与背斜相间的凹形地段，具备积水条件， 可能会出现顶板淋水现象。预计正常涌水量为每小时3 m 3 ，最大涌水量为每小时 8 m 3 。 2 ．5 本章小结 介绍了平朔矿区的井田位置、交通、储量、水文地质条件、地形地貌，岩性 的组成及岩体的结构面特征。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章G IS 的基本概念及空间分析的相关理论 3 ．1GlS 的基本概念 G I S G e o g r a p h i cI n f o r m a t i o nS y s t e m 即地理信息系统，是处理地理信息的 系统。地理信息是指直接或间接与地球上的空间位置有关的信息，又称为空间信 息【1 6 J 。一般来说，G I S 可定义为“用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和 表达地理空间数据的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术一。从 G I S 系统应用角度，可进一步定义为“G I S 由计算机系统、地理数据和用户组成， 通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息， 从而为土地利用、资源评价与管理、环境监测、交通运输、经济