矿山地质环境变异系统分析研究：以太原西山矿区为例.pdf

I H IL I I I H I I I I I I I I H Y 1 5 2 8 9 2 8 分类号P 6 4 2 滚步太海 博士学位论文 矿山地质环境变异系统分析研究 以太原西山矿区为例 导师姓名职称 申请学位级别 论文提交日期 毛新虎 彭建兵教授 2 0 0 7 年4 月1 7 日论文替辩日期 地质工程 2 0 0 7 年6 月9 日 答辩委员舍主席关文帮 学位论文评闻人陈志新王家鼎朱滨华隆威王常明 摘要 随着经济的迅猛发展，人口的不断增加，人们对矿产品的需求不断上涨，在世界范 围内矿山地质环境变异也日趋严重。中国是世界上矿山地质灾害多发的国家之一，矿山 地质灾害关系到国计民生，关系到社会的可持续发展。因此研究矿山地质环境变异形成 机理和演化规律，对于有效地防治这些灾害的发生具有重要的理论意义和实用价值。 首次从地质环境变异系统的角度，在对研究区地质环境影响因素进行分析的基础 上，对太原西山矿区地质环境变异的类型与规律进行了分析研究，从而对矿山地质环境 变异规律有了一个新的认识矿山地质环境变异具有群发性、衍生性、区域性和影响多 方面性的特点；煤矿地质环境变异的环境效应主要表现在地面建筑的破坏，耕地的破 坏，对矿区市政设施的破坏和对矿区水资源的影响等。 首次将三维有限元、离散元应用到太原西山矿区的地质环境变异系统研究中，采用 离散元对采空区上覆岩层塌陷过程进行了模拟，采用有限元3 D 一0 程序对采空推进过程 进行了数值模拟，通过数值模拟，并结合岩移野外观测数据，通过综合分析和预计计算， 得出了研究区采煤沉陷的基本规律，并对矿山地质灾害链的成生规律有了全新的认识 ①随着开挖工作面不断向前推进，垂直位移量不断增大，当开采规模达到一定程度时， 最大下沉值达到极限值而趋于稳定。从地表沉陷的移动过程中还可以看到，最大下沉值 点位于采空区上方附近，且偏向于下山方向，在空区两侧逐渐减小，即地表移动曲线呈 现不对称拱形；②随着开采工作面的向前推进，采空区面积不断增大，水平移动值逐渐 增大，水平移动值由零点随着工作面的推进而向前推进。在空区的上方水平位移值最小， 在空区两侧的边缘点处水平位移最大；③研究区塌陷区地表不会像平地那样出现明显的 下沉盆地；④山地塌陷区地表的断裂和滑动破坏比平地严重；⑤山区地表塌陷区可能造 成不同程度的水土流失，但不会出现积水淹没土地；⑥地表形态变化影响水平移动和水 ，， 平变形，突出表现在凸形和凹形地貌交接处，其移动变形加剧，在地表往往出现较大的 阶梯状塌陷；⑦地表裂缝由于受附加水平拉伸的影响，处于凸形地貌和凸形变坡部位 山 顶和梁峁的边缘 的动态裂缝不但不能闭合，而且其宽度、密度和落差比平地更大；⑧ 开采裂缝使岩土开裂，同时也加剧了地表水的渗透，降低了采动山体的稳定性，在暴雨 来临时，诱发山体崩塌、滑坡，解体后的滑动土体从源地滑出后，在滑动过程中，滑动 土体碰撞，剥离而解体形成泥石流。 以太原西山矿区虎峪沟特大泥石流为例，首次对太原西山矿区泥石流灾害进行了系 统研究，通过岩、土、水混和试验，并利用计算机模拟和数值计算，对矿山泥石流的形 成、发生、运动、发展等机理有了一个全新的认识；数值计算结果与实验模拟和实际观 测资料对比表明具有较好的拟合率，符合实际，具有实用价值。数值模拟泥石流堆积的 动态过程符合泥石流运动规律。应用模糊综合评判法对研究区的泥石流沟进行了危险性 评判，模糊综合评判结果与专家系统分析结果、现场调查情况基本一致，可见用这种方 法对泥石流危险度评判是可行的。 应用模糊综和评判法和灰色聚类法两种方法对太原西山矿区的地质环境变异引发的 地质灾害危险性进行了分区研究，从评判结果的归类分析方面看，采用模拟综合评判和 灰色聚类法两种方法定量计算结果与太原市西山矿区实际情况基本相符，说明针对该区 建立的评价指标体系及危险性评价因子的取值和分级是可行的，为其它矿区地质环境变 异分区的定量计算提供了参考依据。 论文对两种评价方法进行了对比分析。两种方法所得危险程度数值，均能反映出太 原市西山矿区地质灾害危险程度，所得的评估结果基本相同，个别单元地质灾害危险程 度有一定的差别，这与所采用的评估方法、评估指标类型和评估指标的数量有一定的关 系，但总体来说，所选取的评估指标体系及其取值依据是有效和可靠的。从评估结果的 归类分析方面看，采用模糊综合评判和灰色聚类两种方法定量计算结果与太原市西山矿 区实际情况基本吻合。根据评价结果，结合地形和岩性条件，按地质灾害危险性程度将 太原市西山矿区划分为三个区。本文用模糊综合评判法和灰色聚类法两种方法对太原市 西山矿区进行地质灾害危险性评价，所得结果令人满意。 关键词太原西山矿区；地质环境变异系统；地表移动；矿山泥石流；灰色聚类关联分 析；模糊综合评判 I l A b s t r a c t 1 1 1 ep a p e rr e v i e w e dt h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p i n go fc o a lm i n i n gs u b s i d e n c es t u d y , a n a l y z i n gt h ek i n d so ft h eh a z a r d sc a u s e db yc o a lm i n i n gi nX i s h a nm i n i n ga r e a , i n t r o d u c i n g t h eg e o l o g yc i r c u m s t a n c e s ，g e o l o g yt e c t o n i ca n dh y d r o l o g yc o n d i t i o no ft h em i n i n ga r e a s ， s t u d y i n gt h eh a z a r d sc a u s e db yc o a lm i n i n gb yc l a s s i f y i n g ，a n a l y z i n gt h es u b s i d e n c ei n f l u e n c e t ot h em i n i n gw o r k i n gf a c eb yn u m e r i c a li m i t a t i o n , c o n s i d e r i n gt h ei nc r e e pc h a r a e t e r i s t i e so f t h es u r f a c es u b s i d e n c e ． O nc o n s i d e ro fp r e s e n ts u b s i d e n c es i t u a t i o nc a u s e db yc o a lm i n i n g ， u t i l i z i n gn u m e r i c a li m i t a t i o nm e t h o d ．g i v i n gt h em o d e la n dr e g u l a t i o no ft h ei m i t a t i o n c a l c u l a t i o n ． O nt h e b a s i so fa n a l y s i so ft h ed a t as u r v e y e da n di n v e s t i g a t e d ，t h eP a p e rh a sg i v e n d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i e sf o rm i n i n gg r o u n df i s s u r ea n dg r o u n ds u b s i d e n c ei nm o u n t a i na r e a , a n de x p l o r e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h el a wo fd i s t r i b u t i o na n dd e m a r k e dt h e mt w oc l a s s e s ． T h eo n ei s g e o l o g i cc o n d i t i o n ．t h eo t h e ri sm i n i n gt e c h n i c a lc o n d i t i o n s 。s oi th a sb e e n c o n s i d e r e dt h a tl a n d f o n na n dm i n o rf e a t u r e s ．s u r f a c es o i lc h a r a c t e ra n dm i n i n gm e t h o da r e m a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r s ．M e a n w h i l e ，i th a sn o n - c o n t i n u o u sa n dc o n t i n u o u s s u r f a c e m o v e m e n td i s t o r t i o nf r o mm i n i n gs u b s i d e n c ei nm o u n t a i na r e a ．T h r o u g hl a y i n gp r e d i c t i n g l i n ei nw o r k i n gf a c ea p p l y i n gg r o u n dm o v e m e n tp r e d i c t i o ns y s t e m ，t h er e a s o no fd i f f e r e n c e b e t w e e nr e a la n dp r e d i c t i n gl i e si np r o d u c i n ga d d i t i o n a ls l i p p i n gf r o ml a n d f o r ma n dm i n o r f e a t u r e s ．G e n e r a l l v ’t h eg r o u n df i s s u r ea n dg r o u n ds u b s i d e n c ep r o d u c e si nc o n v e xf e a t u r e s a n dc o n v e xv a r i a b l es l o p e ．T h e va r ec l e a rd i f f e r e n ta b o u tt h el o c a t i o na n dw i d t ho fg r o u n d f i s s u r ea n dg r o u n ds u b s i d e n c eb e t w e e nr e a la n dp r e d i c t i n gi nn o n - f u l ls u b s i d e n c e ，a n db a s i c i d e n t i c a li n 向Us u b s i d e n c e ．I nt h ee n d ．t h el o c a t i o na n dw i d t ho fg r o u n df i s s u r ea n dg r o u n d s u b s i d e n c ew e r ep r e d i c t e di nn o n - m i n i n gw o r k i n gf a c eo ft h em i l l ea p p l y i n gg r o u n d m o v e m e n tp r e d i c t i o ns y s t e m ．1 1 1 ep a p e rh a sp u tf o r w a r ds e v e r a lp r o p o s a l so fp r e c a u t i o na n d c o n t r o l l i n ga b o u tm i n i n gg r o u n df i s s u r ea n dg r o u n ds u b s i d e n c e ． I nt h ep r o g r e s so fd e v e l o p i n gt h eW 宅s t e mo fC h i n a , t h ed e b r i sf l o wi sas e r i o u sp r o b l e m o fg e o l o g i ce n v i r o n m e n tw h i c hi sw o r t ho fc o n c e r n i n g ．B a s e do nt h er e a s o na b o v e ，t h ea u t h o r g i v eap a t hb r e a k i n gs t u d yo ft h em i n ed e b r i sf l o wi nX i s h a nm i n e so fT a i y u a nc i t y ．M i n e d e b r i sf l o wc l o u g hi san o n ee q u i l i b r i u mo p e n i n gs y s t e mw h i c hi si n f l u e n c e db yv a r i o u s f a c t o r s ．J u s ta st h en a t u r a ld e b r i sf l o w , i t si n f o r m a t i o nm u s tp o s s e s st h et h r e ee s s e n t i a l c o n d i t i o n s g e o l o g i cf a c t o r , t o p o g r a p h i c a lf a c t o ra n dh y d r o l o g yh y d r o - m e t e o r o l o g i c a lf a c t o r ． H o w e v e rm a l l sa c t i v i t yg i v e sp r o m i n e n c ea c t i o nt ot h ef o r m a t i o no fm i n ed e b r i sf l o w ．I no t h e r w o r d s ，m a l l sa c t i v i t yg i v e st h el e a d i n ge f f e c t sd u r i n gt h ed e b r i sf l o wf o r m a t i o n ，a n ds o ，a r o u t ei st oa n a l y z et h ea c t i o no fh u m a nf a c t o r sf o rt h ef o r m a t i o no ft h em i n ed e b r i sf l o wi nt h e p a p e r ． F r o mJ u l y3 0 t ht oA u g u s t4 t hi n19 9 6 ．t h e r ew e r eas e r i e sd o w n p o u r si nX i s h a na r e ao f ％y u a nC i t yi nS h a n x ip r o v i n c e ．w h i c hl e a dt ot h ef o r m a t i o no fv e r yl a r g es c a l ed e b r i s - f l o w s i nH u y ug u l l yo ft h ea r e a ．T h ed e b r i sf l o w ss e r i o u s l yd e s t r o y e dt h ef a c t o r i e s ，m i n e sa n dt h e 、 c i v i cf a c i l i t i e s ．I tc l a i m s3 6p e o p l ea n dt h ed i r e c tl o s s e so fa b o u t2 4 0m i l l i o nB M B ．B a s e do n t h es t r i c td i s c u s s i n go ft h ef i e l di n v e s t i g a t i o na n dt h eh i s t o r i c a li n f o r m a t i o no fH u y ug u l l y , t h i sp a p e rg i v e ss o m ec o n c l u s i o n sb ya n a l y z i n gt h ef o r m i n gc o n d i t i o n , m o v i n gp r o c e s so ft h e d e b r i s - f l o wa n dt h ep r e s e n tg e o l o g i ce n v i r o n m e n tq u a l i t y ．H u v ug u l l yi sad a n g e r o u sa r e a w h e r et h ef r e q u e n c yo fd e b r i s ．f l o wo c c u r r e n c ei si n t e r m e d i a t e ．I tc a r lb es u r et h a tt h eh u m a n a c t i v i t yo fc o a lm i n i n gi nt h i sa r e ai so n eo ft h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h e 台e q u e n c ya n d s c a l eo fd e b r i s ，f l o w s ．T h ec o a lm i n i n ga c t i v i t i e si n f l u e n c et l l eg r o w t ho ft h ep l a n ta n dd e s t r o y t h eo r i g i n a ls t r u c t u r eo fr o c km a s s ．L a n d s l i d e sa n dd e b r i sf l o w sw i l lh a p p e nm o r ef r e q u e n t l y b e c a u s eo ft h em i n i n ga c t i v i t i e s ．T h em a s so fg a n g u eo f f e r sap l e n t yo fs o l i dm a t e d a lf o r d e b r i s f l o w s ． B a s e do nt h ee x t e n s i v ef i e l di n v e s t i g a t i o na n dc o l l e c t i o nd a t ai nX i s h a nm i n er e g i o n ，t h e t h r e em a i nf a c t o r so ff o r m i n gd e b r i sf l o wa r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d ，a n dh e r ec o m e st ot h r e e c o n c l u s i o n s Q T h es o u r c eo fl o o s em a t e r i a l sa r ef u l l ．T h e r ea r eag r e a tl o to fw a s t em a t e d a l d i s c a r d e di nt h em i n ec o n s t r u c t i o n ，a c c u m u l a t i o nm a t e r i a l sp i l e df r o mc o l l a p s i n go fs t e e p s l o p e ，a n ds l o p ew a s hf o r m e db yw e a t h e r i n ga n dd e n u d a t i o n ； 至 R a i n f a l la n d r u n o f fa r em a i n o u t s i d ep o w e ro ff o r m i n gd e b r i sf l o w ； 9 T h eg r a d i e n to fg u l l yb e di st h ei r r e v e r s i b l e d y n a m i c so ff o r m i n gd e b r i sf l o w ．A sar e s u l to fm i n er e g i o nc o n s t r u c t i o n , t h es t e 印s l o p eo f t o p o g r a p h yi sv e r yd i s t i n c ta n dt h eg r a d i e n to fg u l l yb e da r ei n c r e a s e d ．砀ep o t e n t i M d y n a m i c so ft o p o g r a p h yc a u s i n gd e b r i sf l o wi sv e r yg r e a t ．O nt h eb a s eo fr e s u l t s ，t h ek e y p o i n to ff o r m i n gd e b r i sf l o wi sa l s ot h ec o m b i n a t i o no ft h et h r e eb a s i cf a c t o r s ．A c c o r d i n gt o v o l u m ei n d e x e so fl o o s em a t e r i a l s ，t h ed e v e l o p i n gp r o c e s s e so fs t o c h a s t i cc o n j o i n i n go ft h r e e f a c t o r sf o r l n i n gd e b r i sf l o wa r ed i s c u s s e da n dt h ep r e d i c t i o ne q u a t i o n sa r ed e v e l o p e dw i m t h e o r yo fs y s t e mp r i n c i p l e s ． T a k i n go n er e g u l a r i z a t i o nw o r ko fc o a lg o ba r e aa se x a m p l e ，an e wm e t h o di si n t r o d u c e d f o rg r o u t i n gp i p ec o n n e c t i o n , w h i c hs u c c e s s f u l l yr e s o l v e dt h ep u l l - o u ta n dr e u t i l i z a t i o ni s s u e s o fg r o u t i n gp i p e ．I nt h i sp a p e re c o n o m i ca n a l y s i sa n dc o m p a r i s o na r em a d ef o rt h i sn e w m e t h o dw i t ht r a d i t i o n a lm e a s u r e s ．W i t hr e s p e c tt on u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd e b r i sf l o w d e p o s i t i o nf a n 。t h ep r e v i o u ss t u d i e sh a v eb e e nr e v i e w e di nt h i st h e s i s ．鼢e nt h ea u t h o rs e t su p t h em a t h e m a t i c sm o d e lw i t hd e s c r i b i n gt h ep r o c e s so ft w od i m e n s i o n a ld e b r i sf l o w , h e d e v e l o p st h ec o n t i n u i t ye q u a t i o nb yt h el a wo fc o n s e r v a t i o no fm a s sa n de s t a b l i s h e st h e m o m e n t u me q u a t i o n sb yt h el a wo fc o n s e r v a t i o no fm o m e n t u m ．啊1 ea u t h o rm a k e sf u l lu s eo f t h ea d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n o l o g i e s ，e s t a b l i s h e st h ef i n i t ed i f f e r e n c ee q u a t i o no fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nb yt h ed i f f e r e n t i a lo p e r a t o rf i s s i o nm e t h o d ，a n dw r i t e sp r o g r a m sf o rc o m p u t e r s w h i c hc o n t a c tf r i e n d l yW l ‘t ht h eo t h e rp r o g r a m s ．，玎1 ep a r a m e t e r sa r ed i r e c t l yi n p u to nt h e k e y b o a r d ．T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o c e s si sc o r r e c ta n ds t a b l e ．T h ew h o l ep r o g r a m sc a nb e u s e dc o m m o n l ya n db ee x p a n d e de a s i l y ．C o m p a r i n gw i t ht h er e s u l t so ft h el a b o r a t o r y e x p e r i m e n ta n dt h ed a t ao b s e r v e di nt h ef i e l d ．t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ei d e n t i c a l ． 刃玲d e p o s i t i o np r o c e s sb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni si nk e e p i n gw i t ht h el a wo fd e b r i sf l o w m o v e m e n t ．I ti sn e c e s s a r yt h a tt h ec o m p r e h e n s i v ec o n t r o l l i n ga n dr e n o v a t i n gm e a s u r e s ，s u c h a sb i o l o g i c a la n de n g i n e e r i n gm e a s u r e s ，a r ea d o p t e d ． F o rt o om u c hf a c t o r s ，f u z z ys y n t h e s i z ea s s e s s m e n tm e t h o ds e l e c t st h et w o l e v e lm o d e l ．I n o r d e rt oe v a l u a t eq u a n t i t a t i v e l yt h er i s ko fg e o l o g i c a ld i s a s t e r , t h ew h o l ea r e ao fX i s h a n m i n i n ga r e ai nT a i y u a nc i t yi sd i v i d e di n t o2 3u n i t s ．n l ee v a l u a t i o n s e th a st h r e e ．s t a g e s t a n d a r d ．t h a ti st os a yt h ed a n g e r o u sd e g r e eo ft h ed i s a s t e ri sd i v i d e dt h r e es t a g e s ．I ts e l e c t s t h r e ep r i m a r yf a c t o r s ，i n c l u d i n gg e o l o g i c a le n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n , g e o l o g i c a lp o w e ra n d h i s t o r i c a lc o n d i t i o n ．n l e Yi n c l u d ee l e v e ns e c o n d a r yf a c t o r s ，w h i c ha r el i t h ol o g i c c h a r a c t e r s ， s t r u c t u r e d e n s i t y , e a r t h q u a k ei n t e n s i t y , d e g r e e o fs l o p e ，r e l a t i v eh e i g h t d i f f e r e n c e ，o r e ．b e de x p l o i t e ds t a t e ，r a i n f a l li n t e n s i t y , d e n s i t yo fc o v e r ，m i n ec o n d i t i o n ，h a z a r d d e n s i t ya n dh a z a r ds c a l e 。M e m b e r s h i pf u n c t i o na d o p t st h ee c h e l o nf o r mo n e ．F u z z ya n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s F A H P i su s e dt od e t e r m i n et h ew e i g h to fa b o v ef a c t o r s ．A f t e rf u z z y m a p p i n ga n dc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i n g ，t h eu n i t ’Sr i s kd e g r e ei sd e t e r m i n e d ，a c c o r d i n gt h e p r i n c i p l eo ft h em a x i m u mm e m b e r s h i pg r a d e 。乃ea r t i c l et a k e st h e15 曲u n i tf o re x a m p l e ． T h e na l lt h eu n i t s ’r i s kd e g r e ei sd e t e r m i n e d ． I n 固r e yc l u s t e ra n a l y s i s ，t h eq u a l i t yo fX i s h a nm i n i n ge n v i r o n m e n ti sq u a l i t a t i v er e s e a r c h s y r s t e ma sag r e y , a n dg r e yc l u s t e rm e t h o di su s e di nt h eg e o l o g i c a ld i s a s t e r sr i s ka s s e s s m e n t s ． I no r d e rt oe v a l u a t eq u a n t i t a t i v e l yt h er i s ko fg e o l o g i c a ld i s a s t e r , t h ew h o l ea r e ao fX i s h a n m i n i n ga r e ai nT a i y u a nc i t yi sd i v i d e di n t o7 0u n i t s ．E l e v e na s s e s s m e n tf a c t o r sa r es e l e c t e d ， l i t h ol o g i cc h a r a c t e r s ，s t r u c t u r e d e n s i t y , e a r t h q u a k ei n t e n s i t y , d e g r e eo fs l o p e ，r e l a t i v e h e i g h td i f f e r e n c e ，o r e ．b e de x p l o i t e ds t a t e ，r a i n f a l li n t e n s i t y , d e n s i t yo fc o v e r , m i l l ec o n d i t i o n ， h a z a r dd e n s i t ya n dh a z a r ds c a l e ．T h er