地下采矿与地质环境互馈机理及矿山地质环境治理研究——以四川华蓥山矿区为例

摘要

矿产资源作为人类生存不可或缺的物质条件，对社会发展起着重要的基础性作用。近年来，矿产资源开发力度不断加强，矿山地质环境恶化带来的危害也愈来愈严重。矿山地质环境及相伴的地质灾害问题成为制约我国矿山发展的重大地质环境问题。论文以华蓥山矿区为研究对象，对矿山地质环境治理有关问题进行了研究，取得了以下成果： (1)论文针对地下采矿活动的特点，提出和建立了复杂地质环境条件下，地下采矿工程与地质环境互馈作用机理及环境效应的分析评价方法与防治的技术途径，对类似矿山的环境地质问题分析有较好的理论和方法指导意义。 (2)地下采矿对地下水的疏干作用是引起水环境地质问题的关键。以李子垭矿区为例，研究了地下采矿对地下水的疏干作用规律： ①提出了利用地下径流模数和疏干排水量反算矿区地下水疏干面积的方法，利用该方法可有效计算和评价地下采空所影响的疏干面积。通过实例验证其计算结果与现场调查有较好的一致性。 ②提出利用灰色系统GM(1，1)模型和时间序列AR(p)模型预测地下水疏干漏斗的扩展规律。为评价地下采矿引起的地下水垂向变化规律奠定了基础。 ③得到了矿井涌水量的变化规律。矿井涌水量逐年递增，但增加幅度逐年减缓，矿井排水量由建井初期的含水层疏干水逐渐转化为含水层接受降水入渗补给水量，水量大小取决于该区地下含水层的降水补给量。 (3)系统分析了龙滩煤矿10.4突水事故原因。查明突水点位于长兴组厚层状石灰岩分布段，该岩石具有较强的可溶性和更快的溶蚀速度。受近东西向应力挤压扰折成膝状构造，伴随产生大量的纵向张性裂隙及层间脱空区域；同时长兴组灰岩在矿区北段出露标高约900～1000m，有利于降水入渗补给；造就了岩溶地下水系及岩溶空间发育的独特优势，形成巨大的岩溶储水空间。当采掘扰动后，隔水岩体形成破裂带，为突水提供了通道。 (4)在分析地下水水动力平衡条件和原有矿井突水过程的三阶段理论的基础上，提出了突水过程的四阶段理论。该理论为正确选择矿山突水救灾的时机提供依据，从而保证救援或探测工作安全。同时运用数值模拟技术，对矿井开挖后地下水渗流场的变化特征进行了数值模拟及分析，动态分析了矿区地下水与采矿过程的相互作用过程。提出了以矿区水文地质条件为依据的避、排、堵手段和相关的配套方法以及合理的矿井突水预防方法。 (5)对绿水洞煤矿实测工作面采空区地表变形实际观测数据分析，得出该工作面采空区主断面观测线移动变形规律，确定了该矿区控制地表变形的关键参数。以此为基础，利用概率积分法能计算采空矿区沉陷范围，为地下采矿所引起的地表沉陷灾害的防治奠定了基础。 (6)通过对绿水洞排土场矸石堆积体灾害的形成机理、稳定性的研究，提出了相应的治理对策，为排土场的地质环境问题的治理提供了方法。具体成果如下： ①应用FLAC3D方法建立了矸石堆积体数值模型，对堆积体的在各种工况下的变形特征进行模拟，找出了滑动可能性最大的潜在滑动区域。滑面为近圆弧形，位于排土场的中部，后缘拉裂，中部沿粘土层滑动，前缘在排土场坡脚上方一定位置剪出。变形量大小从表面向滑面逐渐减小(成带分布)，位移方向基本与坡面平行，在前缘剪出口发生偏转。 ②应用极限平衡分析理论，对排土场堆积体的稳定性进行了定量分析，得到了矸石堆积体在天然、天然+暴雨、天然+暴雨+地震等不同状态下的稳定状况。计算结果表明，天然状态下，坡顶存在较大范围的局部失稳，特别是在暴雨作用下，坡体的稳定性进一步降低，坡体失稳的方量大幅增加，可为泥石流的形成提供丰富的物源。 ③在稳定性分析与数值模拟的基础上，提出“挡墙+地表排水+削坡及坡面防护”的排土场综合治理方案，分析结果表明，该措施实施后，边坡的稳定性较好，达到了设计要求。

目录

文摘

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声明

第1章前言

1.1选题依据与研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1影响矿井岩体稳定的主要因素分析

1.2.2地下采矿对地质环境的影响研究

1.2.3矿区生态环境恢复治理研究

1.2.4矿区地质环境问题及防治对策研究

1.3研究技术路线和研究内容

1.4取得的主要成果

第2章华蓥山矿区地质环境条件及主要矿山地质环境问题

2.1矿区自然地理条件及开采利用概况

2.1.1自然地理条件

2.1.2开采利用概况

2.2矿区区域地质概况

2.2.1地形地貌

2.2.2地层岩性

2.2.3地质构造

2.2.4区域水文地质特征

2.3矿区主要地质环境问题

2.3.1矿区采矿活动与地下水环境的互馈作用

2.3.2采矿形成的地面变形

2.3.3尾矿造成的环境问题

第3章采矿疏干的环境地质效应及其治理研究

3.1李子垭地区水文地质条件

3.1.1李子垭地区岩溶发育特征

3.1.2李子垭地区含水层与隔水层划分

3.1.3李子垭地区地下水的运动特征

3.1.4李子垭地区岩溶水动态特征

3.2李子垭矿区采矿条件下的水文地质特征

3.2.1采矿排水的疏干作用

3.2.2矿区采矿排水动态

3.2.3矿区疏干条件下地下水渗流场

3.2.4矿区涌水量及疏干范围的预测

3.3采矿疏干作用引起的环境问题

3.4地下水疏干区地质环境问题治理对策

3.4.1受损村民住宅调查

3.4.2治理方案的选择

3.5小结

第4章矿井涌突水灾害问题及其预防处置研究

4.1矿井突水分类

4.2龙滩矿井岩溶水文地质条件

4.2.1岩溶发育特征

4.2.2岩溶地下水的富集与分布

4.2.3地下水埋藏条件及岩溶水垂直分布特征

4.2.4岩溶地下水的补给、径流、排泄条件

4.3龙滩煤矿10.4过程分析

4.3.1龙滩10.4事故概况

4.3.2突水阶段过程分析

4.4龙滩矿井透水过程的三维数值模拟

4.4.1地下水渗流模型的建立

4.4.2地下水渗流场分析

4.5矿井突(涌)水的预防及治理

4.5.1堵水设计的主要思路

4.5.2堵水的主要措施

4.5.3疏排卸压

4.6小结

第5章采空区上覆岩体变形机理及沉陷灾害防治

5.1概述

5.2绿水洞矿区地质条件及地面变形状况

5.2.1研究区概述

5.2.2岩溶发育的一般特征

5.2.3采煤导致地面变形状况

5.3采空区上覆岩体变形机理分析

5.3.1影响采空区稳定性的主要因素

5.3.2绿水洞煤矿采空区地表变形监测分析

5.3.3采空区变形机理分析

5.4采空区地表变形特征及其灾害效应分析

5.4.1采空区地表变形特征

5.4.2地表变形对建筑物的影响

5.4.3采空区地表变形引起的环境地质问题分析

5.5采空沉陷区变形综合防治措施研究

5.5.1综合防治措施

5.5.2采空沉陷对地表构筑物影响的预防措施

5.6小结

第6章排土场地质环境治理研究

6.1概述

6.2绿水洞排土场基本特特征

6.3排土场变形破坏模式及稳定性分析

6.3.1天然状态下排土场应力—变形特征分析

6.3.2基于变形理论的三维稳定性分析

6.3.3基于极限平衡理论的稳定性评价

6.4排土场矸石堆积体处理措施建议

6.4.1排土场治理方案设计

6.4.2治理后排土场稳定性状况分析

6.5排土场环境地质问题的处理对策

6.5.1少排

6.5.2综合利用

6.5.3合理堆放

6.6 小结

第7章结论

致谢

参考文献