（地质工程专业论文）广西大新铅锌矿矿区地面沉陷控制因素及其数值模拟研究.pdf

摘要 地下开采引起的岩层移动和地表沉陷是地下工程中一个非常重要的问题。在进行地下开 采过程中，原岩应力平衡遭到破坏，围岩发生变形、位移，甚至产生大面积移动。随着开采 深度的增加，矿石不断采出，围岩变形、移动和破坏逐渐加剧。因此，为实现矿山的安全开 采，在地下开采过程中，必须对地下开采引起的上覆岩层的移动规律及其对地表移动的影响 和采场地压分布规律进行研究。 针对上述现状，以广西大新铅锌矿为研究对象，调查了广西大新铅锌矿的水文地质工程 地质条件，分析了影响地面沉陷的控制因素。通过对矿山水文地质、工程地质、采场结构参 数及原岩应力场的调研建立了地表沉陷的力学简化模型和a n s y s 数学模型，运用a n s y s 软 件，采用数值模拟的方法，对广西大新铅锌矿矿地表沉陷数学模型的开采过程进行分步开挖 模拟。在模拟过程中，主要分析了岩体开挖过程中的应力和位移的变化过程。根据应力和位 移的分析结果，总结出了地下开采引起的上覆岩层和地表的移动规律，得出了矿山在水文地 质、工程地质条件不良的情况下，产生地面沉陷的原因，并与实际监测相对比分析，进一步 提出了矿山治理方案。 研究结果为矿山的地质灾害治理与生态环境保护提供了理论基础，丰富了矿山沉陷理 论，拓宽了开采沉陷理论的应用领域，为地表沉陷理论的研究提出了新方法，对将来同类矿 山地下开采的技术条件和地面沉陷规律具有普遍的指导意义，具有较高的推广价值和广阔的 发展前景。 关键词：金属矿山；地下开采；岩层移动；地面沉陷：数值模拟 a bs t r a c t c a u s e db yu n d e r g r o u n dm i n i n go fr o c km o v e m e n ta n ds u r f a c es u b s i d e n c ei nu n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n gi sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n tq u e s t i o n i nt h ep r o c e s so fu n d e r g r o u n dm i n i n g ，t h eo r i g i n a l r o c ks t r e s sb a l a n c ei sd e s t r u c t e d ，t h ea d j a c e n tf o r m a t i o nh a st h ed i s t o r t i o n , t h ed i s p l a c e m e n t ，e v e n h a st h eb i ga r e am i g r a t i o n a l o n gw i t hm i n i n gd e p t hi n c r e a s e ，t h eo r ei sp i c k e du n c e a s i n g l y ，t h e a d j a c e n tf o r m a t i o ni sd i s t o r t e de n d l e s s l y , t h em i g r a t i o na n dt h ed e s t r u c t i o ni si n t e n s i f i e dg r a d u a l l y t h e r e f o r e ，i no r d e rt or e a l i z em i n es a f em i n i n g ，i nt h ep r o c e s so fu n d e r g r o u n dm i n i n g , t h e o v e r b u r d e nm o t i o nr u l e ，t h es u r f a c em i g r a t i o ni n f l u e n c ea n dt h e s t o p eg e o s t a t i cp r e s s u r e d i s t r i b u t i o nr u l ew h i c hc a u s e st ou n d e r g r o u n dm i n i n gc o n d u c t sm u s tb es t u d i e d i nv i e wo ft h ea b o v ep r e s e n ts i t u a t i o n ，t a k eg u a n g x id a x i nl e a dz i n co r ea so b j e c to fs t u d y , t h ec o n d i t i o n so fh y d r o g e o l o g ya n de n g i n e e r i n gg e o l o g yb ei n v e s t i g a t e di nl e a d - z i n cm i n e ， g u a n g x id a x i n , t h ei m p a c to ft h ec o n t r o l l i n gf a c t o r so ft h eg r o u n ds u b s i d e n c eh a sb ea n a l y z e d h y d r o g e o l o g yo fm i n i n g , e n g i n e e r i n gg e o l o g y , m i n i n gs t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dt h eo r i g i n a lr o c k s t r e s sf i e l db er e s e a r c ho ft h em i n e ，t h es u r f a c es e t t l e m e n tm e c h a n i c ss i m p l i f i e dm o d e la n dt h e a n s y sm a t h e m a t i c a lm o d e lb ee s t a b l i s h e d ，t h eu s eo fa n s y ss o f t w a r e ，t h eu s eo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d s ，l e a d z i n cm i n ei ng u a n g x id a x i nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fs u r f a c es u b s i d e n c e m i n i n ge x c a v a t i o np r o c e s ss t e p b y - s t e pb es i m u l a t i o n e d i nt h es i m u l a t i o np r o c e s s ，t h er o c km a s s d u r i n ge x c a v a t i o no ft h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tp r o c e s s e sb em a i n l ya n a l y s i s e d a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i so fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tr e s u l t s ，t h eo v e r b u r d e na n dt h es u r f a c em o b i l er u l ec a u s e db y u n d e r g r o u n dm i n i n gb es u m m a r i z e d ，c o m et ot h em i n e si nt h eh y d r o - g e o l o g i c a l ，e n g i n e e r i n g g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fa d v e r s ec i r c u m s t a n c e s ，h a v et h er e a s o n sf o rt h eg r o u n ds u b s i d e n c e , c o m p a r e dw i t ht h ea c t u a lm o n i t o r i n ga n a l y s i s ，a n df u r t h e rp u tf o r w a r dap r o g r a mo fm i n e m a n a g e m e n t t h er e s u l t so fs d u t e df o rt h em a n a g e m e n to fg e o l o g i c a ld i s a s t e r si nm i n i n ga n de c o l o g i c a la n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o np r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rar i c hm i n es u b s i d e n c et h e o r y ，t ob r o a d e n t h ea p p l i c a t i o no ft h et h e o r yo fm i n i n gs u b s i d e n c ea r e a s ，s u r f a c es u b s i d e n c et h e o r yf o rt h es t u d y o fn e wm e t h o d s ，m i n et h ef u t u r eo fs i m i l a rt e c h n i c a lc o n d i t i o n so fu n d e r g r o u n dm i n i n ga n d s u r f a c es u b s i d e n c eo ft h eg u i d a n c er u l eo fu n i v e r s a ls i g n i f i c a n c e ，t h ep r o m o t i o no fh i g hv a l u ea n d b r o a dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t k e yw o r d ：m e t a lm i n e ；u n d e r g r o u n dm i n i n g ；s t r a t am o v e m e n t ；g r o u n ds u b s i d e n c e ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ： 签字日期： 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，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和 借阅。本人授权( 学校) 可以将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、汇编学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 绣钐 钢丁 ，i、厂 畛 搿嗍 、侈锣 扩 一兹0 f-，7 ， 名 三 猁墨厂 者如储少 文小谢瑚僦扣靴婵 桂林理工大学硕士学位论文 第1 章：绪论 1 1 问题的提出及选题意义 随着社会的发展和生产技术的进步，人们对矿产资源的需求越来越大。矿石 从地下采出后，其覆盖岩层失去支撑，原岩应力的平衡状态遭到破坏，引起岩体 内应力的重新分布，使采空区围岩及地表发生位移、变形、直至破坏，位于上部 的建筑物也随之发生移动、变形以至破坏。过去，由于人们对矿产品的需求量不 是很大，主要是开采地面无建筑物地区的矿体。另有一些矿山，由于地质勘探程 度不高，或受地形交通条件限制以及设计偏差等原因，往往把一些重要的工业建 筑物与生产设施建在矿体上方地表及其附近，从而造成了一些意想不到的后果。 各类矿产的大量开采，一方面加速国民经济的迅速发展，同时也带来了一系列的 生态环境变化问题。其中之一就是由于地下矿藏的开采，地表出现了大面积人为 的空洞( 采空区) 。这些空洞在一系列的内外因素作用下，以垮落、断裂、离层、 弯曲等形式扩展到地表，使地表形成各种类型的破坏。例如：大面积连续下沉形 成的下沉盆地，大量的地表裂缝，台阶状、漏斗状的沉陷坑等。各种类型的地表 变形，既影响了原始的自然景观，破坏了土壤、森林、植被，给农牧林各业的发 展、水土保持和野生动物造成了严重的影响，又破坏和影响了城乡厂矿的规划设 计以及地表原有的建筑物、构筑物、各类公路铁路管线等的正常使用口1 ，给工业 项目的建设造成一系列的困难。地表移动是地下采矿的必然后果，移动区域或小 而集中，或大而扩展，地表移动或随采矿活动立即发生，或滞后数年显现。随着 城市的扩大和对环境的日益关注，人们日趋关注地下采矿对地表建筑物和人身安 全的影响与危害。 目前，国内的一些大型地下金属矿山，例如广西高峰矿业有限责任公司高 峰矿口、广西桂华成有限责任公司珊瑚矿h 1 、武钢矿业公司的程潮铁矿、金山店 铁矿、大冶铁矿，鲁中冶金矿山公司的小官庄铁矿、张家洼铁矿，上海梅山铁矿 和酒钢的镜铁山铁矿等，随着开采深度的增加，开采范围的不断扩大，相继出现 了各种各样的地表沉陷。许多矿山的地表沉陷范围超过了设计范围，给矿山带来 一些意想不到的问题，而在地下金属矿山中，对开采引起地表沉陷的问题研究甚 少。 本论文将根据广西大新铅锌矿的地表移动和沉陷( 塌陷) 调查，在此基础上 对大新铅锌矿的地面沉陷规律进行研究以及运用实际观测和数值模拟计算相结 合的方法研究其机理，并针对可能出现的问题提出具体的工程控制措施，并通过 数值模拟进行定性和定量分析其受力变形，对于工程安全，优化设计，特别是为 桂林理工大学硕士学位论文 同类地质条件的工程项目及今后的工程建设提供研究思路和计算方法方面都具 有重要意义。 1 2 国内、外研究概况 地面沉陷研究发展历史自年人类开始了对矿山沉陷的研究，其历史大致可分 为三个阶段一年间的肉眼观察和理论探索期一年间的简单测量和推导经验公式 时期，现在，对地面下沉做精确测量、预报及建立物理模型的研究时期。 地表开采沉陷问题早已被人们所注意，早期人们曾制订过一些预防开采沉陷 有害影响的法律性措施。早在1 8 2 5 年、1 8 3 9 年，比利时组成专门委员会对列 日城受采矿影响而引起破坏进行调查，形成了最初的开采影响传播的“垂线理论 假设。在随后的1 8 5 8 年，以观测资料为基础，比利时人哥诺( g o n o t ) 提出了 “法线理论 ，认为采空区上下边界开采影响可用相应点的层面法线确定。对法 线理论，i ：i ：n 时人狄芒认为只适用于倾角小于1 5 0 矿层，1 8 7 6 年德国依琴斯凯提 出了“二等分线理论 。为试用统一模式去描述采矿地面沉陷，1 8 8 2 年耳西哈教 授【4 】又发展了“自然斜面理论 并给出了从完整岩石到原含水冲积层的六类岩层 的自然斜面角。法国人约法尔利用模型研究，提出了开采沉陷的“拱形理论 ， 豪斯建立了采空区上方有三带分布沉陷模式，即在采空区上方首先形成梯形的冒 落带和裂隙带，高度为采厚的一倍，其上方为弯曲带。进入二十世纪后，门者尔 观测到水平移动和变形，使覆岩活动的理论研究更为丰富，除地表下沉以外，扩 充至水平移动计算以及急倾斜煤层条件下的地表移动条件下的地表移动动态过 程的分析。第二次世界大战后，生产力的发展及社会对煤炭需求量的增大，使地 表移动问题更为突出。许多学者开始对地表移动计算进行深入探索。苏联学者阿 维尔申对覆岩活动进行了细致的研究工作，出版了煤矿地下开采的岩层移动 专著，并给出了下沉盆地剖面议程及数学塑性理论。波兰学者诺特提出了几何理 论，这一理论现在称为布德雷克克诺特理论。其高斯型的曲线对近水平煤层的 下沉描述十分成功。1 9 5 4 年波兰学者李特威尼申对岩层移动计算理论有较大贡 献。他把岩层移动过程作为一个随机过程，推证下沉服从柯尔莫哥夫方程，这一 理论被称为随机介质理论，依据这一理论发展了至今在我国广泛应用的概率积分 方法。吲 目前研究地面沉陷的基本理论畸 7 1 目前，国内外研究地面沉陷的基本理论有五大类随机介质理论、弹塑性理论、 几何理论、典型曲线法。 随机介质理论：随机介质理论是李特维尼申教授年提出的，他把岩石移动过 程看作是一个随机过程，并用概率理论证明岩石下沉可用随机过程的柯尔莫哥洛 2 桂林理工大学硕士学位论文 夫方程式表示。由于这一理论能够解释岩层与地表移动的一些现象和规律，在学 术上的意义是毋庸置疑的。刘天泉院士、刘宝深院士、廖国华院士、周国锉教授 等在这方面做了许多工作，完善和发展了这一理论，并提高了它实用性。 弹塑性理论：前苏联阿维尔申曾用应用弹塑性理论研究地表移动，沙乌斯托 维奇波兰，库玛尔印度等人据弹性理论认为下沉盆地剖面奔似于梁或扳的弯曲。 这种理论虽然能够解释岩层移动的力学现象，但由于受采动岩体的力学常数难以 精确确定，至今尚未达到定量的实用阶段。近十余年来，有限元法的广泛应用， 使弹塑性理论用于计算地表移动和变形成为可能。电子计算机的快速运算能力给 选择较为复杂而又与实际符合的数学力学模型创造了条件。 几何理论：几何理论创始于世纪年代，按照这一理论用几何方法划分开采影 响带，即从几何学角度出发研究地表移动规律。1 8 6 3 年以来这个理论由布得雷 克、克诺特教授波兰加以发展和完善一。几何理论的最终表达式与随机介质理论 的公式是一致的，由于都利用了概率积分函数计算，统称概率积分法。几何理论 在我国和包括波兰在内的世界许多国家得到了广泛的应用。 典型曲线法：是将同类型地质采矿条件地表下沉盆地的移动和变形分布用无 因次曲线或表格表示。这种方法要求对应于类型相同的地质采矿条件，绘制出相 应的典型曲线，使用起来比较简便。这种方法在我国抚顺等矿区得到使用。在国 外，前苏联和英国应用的比较普遍。年英国煤炭管理局出版的下沉工程师手册 所介绍的计算方法就属于典型曲线法。 地面沉陷研究发展趋势 近年来，国内外研究岩层与地表移动思路及方法非常活跃，提出了很多新的 描述岩层及地表移动的数学模型和力学模型n 州，使对岩层及地表移动的研究工 作进入了一个新的高峰。同时，我国国家自然科学基金委员会也提出了对岩层移 动规律研究优先资助的指导意见。这再一次说明，岩层与地表移动规律的研究是 矿业工程领域中的重中之重的研究课题。 研究方法解析法。1 9 8 1 以来，我国采矿界有人提出了将开挖引起的地表移 动看成是层间既满足力学平衡条件、又满足几何接触条件的多层横观各向同性弹 性介质的弹性力学平面问题。为此，采用了富氏积分变换方法计算开采引起的岩 层和地表移动。这种方法的计算公式虽很繁琐，但可在计算机上完成，因而有可 能在生产中获得应用 1 钉。 数值方法。由于各种通用程序和专用程序的出现，在开采沉陷研究中的数值 方法，不仅有有限元法，而且还有边界元法和离散元法。可用于地表移动计算的 有限元程序有系列、和等边界元程序有、等离散元程序有、和等。此外，还有离 散元和边界元藕合的程序等。在地质模型及岩体力学参数选择恰当的情况下，数 桂林理工大学硕士学位论文 值计算获得了有实用价值的结果。用数值计算方法研究地表和岩层移动规律，具 有独特的作用和优越性n 3 1 4 l 。 事实上，矿山开采活动及其引起的采动沉陷是发生在三维空间的。因此，无 论对于全陷法开采、刀柱式开采还是块段开采好条带开采和房柱式开采，也无论 对于顶板来压与破断预估还是地表沉陷控制也预计，且无论采空区上方对沉陷起 控制作用的厚岩所处位置如何，从三维角度去研究各种不同地质采矿条件下这种 对地表沉陷起控制作用的厚硬岩层的力学变形机制与规律，都无疑具有重要的理 论与实践意义。 1 3 本文的主要工作 本论文研究程大新铅锌矿地面沉陷机理及工程控制措施，所涉及的研究内容 主要有以下几个方面： ( 1 ) 、矿区现有资料的调查 1 、大新铅锌矿开采历史 2 、大新铅锌矿岩体基本特征调查分析 3 、引起地表沉陷的因素调查：岩体结构类型、岩体质量、采空区规模、形 态、采矿方法、矿体赋存条件、开采厚度等因素对地表沉陷的影响。 ( 2 ) 、广西大新铅锌矿水文地质工程地质条件调查 ( 3 ) 、地面沉陷规律及控制因素分析 ( 4 ) 、矿区典型沉降区的观测 ( 5 ) 、采空区地面沉陷规律模拟研究 该部分主要针对柏绿山矿段长屯村地下采空区与地表实际沉陷的对应情况， 采用a n s y s 等模拟计算的手段，模拟研究采空区地表沉陷规律，为其他同类矿 山地面沉陷预测提供理论依据。 ( 6 ) 、提出合理的工程措施方案 针对地面沉陷已经给程大新铅锌矿的村庄及永久性工业设施造成的不良影 响提出合理的工程控制措施以及切实可行的实施方案 4 桂林理工大学硕士学位论文 2 1 自然地理概况 第2 童矿山基本情况 一、交通和位置 广西大新铅锌矿位于犬新县血山乡三合村长屯西北面。距离县城2 3 公里， 行政区划为五山乡。县城到矿区和五山乡有柏油路通达，交通方便“”。见图2 一l 。”2 ：霭。，“。轴 。“嚣”彦 峨e 喝“ 。* 镕w 。日# c ，i h h8 。”齄 如* 弄 囤2 1 矿区交通睛厦调查区范围 矿区地理坐标为东经1 0 7 。1 6 3 3 ”一1 0 7 。1 7 2 8 ”北纬2 2 。5 7 7 1 6 ” 盘2 。5 8 3 0 ”，矿区东西长6 2 9 m ，面积1 29 k m 2 。 2 2 地层岩性与地质构造 一、地层岩性 矿山调查区沉积地层有寒武系、泥盆系和石炭系以及第四系，其中以泥盆系 分布最广。各时代地层岩性、厚度见综合统计表21 “。 = 、地质构造 o t b 磊 m 蒜 一 ；。 一 。 一 ，县 一 t 一 铷等 ， 一 * = 一 警 缈一 桂林理工大学硕士学位论文 矿山调查区构造形迹表现主要为纬向构造体系。纬向构造体系是以一组近东 西向的褶皱轴向压性结构面为代表，并派生出一套低次序的张扭性断裂( 以n e 向一组较为发育) 和区域性的二次纵张断裂，共同组合成为它的主要构造成分， 如图2 - 2 ”。 国2 - 2 矿区地质构造图 区域性二次纵张断裂面导水，岩溶作用强烈，发育于长屯谷地的纵张断裂 是地下水晟活跃的地段。 t - 扣 m拭箍。蒜 垂霎 采 暇 糕 缨篓廿采赠 熙饕 葵 喽 和 金 遐 。 趾蒜杂集永 i 垲 采 杂 删 糕 蒜 导曙磐，糕 秉黟壤 怠 篓 篓 如 世峰求爨 莲蓬 脚 赵 噬 嘤 毯镫桧会器 醭 昶 岳 。 缀扪蠡器嗵 黑 雀 状越，篓 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5 1 2 万t a 1 9 8 8 1 9 9 5 年6 4 万t a 1 9 6 6 年1 0 月，矿山设计扩建选厂正式投产，至1 9 8 7 年是矿山采选产量最 高的时段。 2 3 3 开矿的方法 柏绿山矿段主要采用房柱法进行开采，并兼用长壁崩落法进行回采。因顶板 围岩松散不稳固，围岩沉( 塌) 陷而充实矿房采空区( 所谓围岩，即为断层破碎 带断层泥和断层角砾) ，特别是经过长时间的地压，到目前，所有的采空区都无 人力干预，由其自然崩落，充填采空区n 9 1 。 矿体成矿阶段受区域性断裂控制，矿体处于下盘，断层上盘为灰岩和白云岩 ( d 2 d ) ，较稳定，该矿段设计开采深度不大，为3 5 1 0 0 m ，所以采区地压现象 并不十分突出，地表陷落应不太明显。但是，由于当地农民盗采及其采空区的无 序的崩落，特别是在有地面地表水渗入时，在受断层影响，岩层破碎裂隙发育的 地段导致了地表沉陷。 8 桂林理工大学硕士学位论文 2 4 矿山地质 2 4 1 矿区地质特征 矿区地质构造为一近东西向的龙茗古雾岭背斜。沿背斜轴南侧，发育有一 条近东西向缓倾压性断裂，另外，在下泥盆系地层中，还发育有多组低序次的陡 倾断裂。这些构造是控制着本区成矿的主要构造n 6 l 。 矿区分布的金属矿产以铅、锌、银、黄铁矿为主，并伴生有镓、褚、镉矿。 为低温热液充填型铅锌矿床。 矿区分为出银山、柏绿山两个矿段。柏绿山矿体产于上述东西向缓倾断裂带 中。岜落山矿段矿体产于陡倾斜断裂带中。莲花山组( d l ，) 砂页岩、泥岩为矿 层的底板，上覆为中泥盆系东岗岭灰岩( d l d ) ，不整合接触于莲花山组之上。柏 绿山矿段，矿体呈透镜状，似层状，南北宽1 2 0 1 5 0 m ，东西长1 0 7 0 m ，矿体参 状西部倾向2 2 0 0 ，倾角8 0 1 2 0 ，东部倾向1 6 0 0 ，倾角1 0 0 1 5 0 ，矿体厚度 0 4 3 m 一1 4 6 2 m 。矿体顶底板特征：顶板为蚀变页岩、泥岩及断层泥和角砾灰岩块， 底板为砂页岩，局部有陡倾斜铅锌矿细脉和石英脉分布。n 引。 2 4 2 矿石特征 矿物组分：以褐色闪锌矿为主，其次为方铅矿、黄铁矿及微量黄铜矿，脉石 矿物以砂岩、页岩角砾石为主，石英次之，方解石少见n 引。 矿石结构：闪锌矿、方铅矿为他形结构，黄铁矿为自形结构及富集黄铁矿时 为半自形结构。 矿石构造：以角砾为主，其次有致密块状，侵染状，条带状，及少量的浑圆 状，细脉状构造。 矿石类型：主矿为硫化锌矿石，石英生矿为硫化铅矿石。 有益组分：银0 0 0 1 0 0 0 5 镓0 0 0 1 4 锗0 0 0 1 7 镉0 0 5 2 。 矿石类型：主矿为硫化锌矿石；共生矿为硫化铅矿石。 9 桂林理工大学硕士学位论文 第3 章广西大新铅锌矿水文地质工程地质条件 3 1 水文地质条件 3 1 1 地下水类型及其富水性 根据矿山及周边出露的各时代地层岩性及其组合类型，地下水的赋存条件及 其水力特征，可将本区划分为三个地下水类型：松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、 裂隙溶洞水，见广西大新铅锌矿水文地质图3 1 1 5 1 9 o 一、松散岩类孔隙水 松散岩类孔隙水分布于岩溶峰丛谷地、峰丛洼地。矿山所在长屯岩溶峰丛谷 地第四系主要为洪冲积堆积层，上部为含砾、含碎石粘土，粒径2 1 0 c m ，下部 为粘性土，土层为隔水层。冲积物来源主要为北部碎屑岩区，厚度o 1 7 m 。 此外，岩溶峰丛谷地、峰丛洼地第四系主要为坡残积层，以溶余堆积为主， 为红色、黄褐色粘土，含碎石、角砾等，厚0 一- , 2 2 m 。在岩溶区上覆土层，大部 分属红粘土，透水性弱。 二、基岩裂隙水 基岩裂隙水主要分布于矿区北部的寒武系上段( ) 及泥盆系下统莲花山组 ( d 。，) 、那商岭组( d 。) 、郁江阶( d 。，) 的砂岩、泥岩、硅质岩中，面积约为7 k m 2 ， 水量中等，泉流量般3 5 1 s ，地下水类型为h c o 。一n a c a 和h c o 。一c a c a ，矿 化度0 10 9 , - , - , 0 3 0 9 9 1 。 三、裂隙溶洞水 裂隙溶洞水主要分布在南西部、中部、东部灰岩、白云岩区。矿区纯碳酸盐 岩岩组分布面积最广，占矿山调查区9 3 ，水量丰富，地下河及泉流量6 0 1 5 3 1 s ，地下水类型为h c 0 3 - c a ，矿化度0 1 0 9 - - , 0 3 0 9 9 1 。 1 0 目ii￥r l * o i # ll： 叮萎州芒奄船卑每啦l下n田 ；。 _ # i 胃峰浊熬飞罐藤藩粪警乏瑟譬。磐囊。婚 鬃藏獭愚 1 i 。讨i 润荔辫闯黔i ；篪 戮镳 蹩 ? r 豁 蓼攀满 灞磐阕露。芦 鬻 鬻 辫淤豢螈 n 、一孑硌心、 簇1褫蓬蒸攘蘸螯 绽德餐蒸黼鬻糍 貔镰黍翘藤箩 隧满獬瞩墉蒸 禳糕黼飘黜燃 州留堪扑书蟹特求h尉嬖樊 桂林理工大学硕士学位论文 3 1 2 地下水补给、径流、排泄特征 一、地下水补给 矿区位于左江支流黑水河与右江支流绿水江的流域分水岭以南，地貌上处 于由碎屑岩组成的低山地貌和碳酸盐岩岩层组成峰林洼地两地貌单元交汇带地 段， 由于泥盆系碎屑岩低山的存在，地下水依分水岭为界，分别向南向北分流 调查区地下水由北向南径流汇入龙门地下河，矿区以北地下水向北径流，汇入乔 建地下河n5 1 7 1 驯。 矿区岩溶地下水主要接受降雨补给，还有来自溪沟水及碎屑岩基岩裂隙水的 侧向补给，其中矿区内补给布立地下河岩溶地下水溪沟有5 条，见表3 1 。 表3 1 矿区主要地表溪沟统计表 大气降雨补给形式有2 种形式，第一种形式是面状渗入式补给，即雨水通过 岩石裂隙特别是通过岩溶裂隙缓慢的渗入补给地下水，这是岩溶水的主要补给来 源。第二种形式是集中注入式补给，即通过地面沉陷坑集中注入，补给矿区地下 水和汇集成股后注入2 4 、2 6 、2 7 号落水洞汇流到布立地下河中，这种补给形式， 由于落水洞过水能力有限，不能及时排泄洪水，常造成长屯谷地短时积水成涝以 及地下河水位暴涨。 二、地下水径流排泄特征 矿区范围自弄念塘以南至长屯村的洼地为径流区，洼地边缘灰岩裸露，中心 1 2 桂林理工大学硕士学位论文 为粘土覆盖，构成潜水和承压水径流区，长屯村以南为排泄区，出露的泉水2 2 、 2 3 、5 5 号泉，泉流量1 1 0 5 1 s ，枯季时2 2 、5 5 泉断流，矿区内由于上游补给 区分布范围狭小，无大水源补给，同时距排泄区近，排泄迅速，所以缺乏水动力 补给，造成矿区内水量不充沛。 矿区范围外岩溶地下水主要是以地下河管道为主干、以小型溶洞或岩溶化裂 隙为支脉的管隙流系统，主要发育两条地下河系统，布立地下河和或屯地下河系 统。 岩溶地下水主要赋存、运移在地下河管道、裂隙溶洞、溶洞裂隙中。主要以 地下河和岩溶大泉的形式集中迳流、排泄，其次是以小泉的形式分散迳流、排泄。 地下河主管道直径一般为数十厘米到数米，岩溶化裂隙宽度一般为数厘米到数十 厘米。主管道水流一般为紊流，局部形成急流甚至有跌水。地下河中局部可见有 泥沙或砂砾石堆积。岩溶地下水的出露形式，除以地下河出口和岩溶泉流出地表 外，多数以天窗形式出露，但不流出，只有少数为季节性溢出地表。岩溶地下水 总体迳流方向是由北向南迳流，大部分岩溶水均由地下河出口排出地表，部分由 溢流、溢洪天窗、岩溶泉流出地表，最终汇入在布立和或屯地下河出口汇入龙门 河。见3 2 布立、或屯地下河展布图。 l 、布立地下河 布立地下河发源于在2 4 、2 6 、2 7 号落水洞以南，流经洞零、端屯、伏马， 最后于布立汇入龙门河，主要排泄洞零水库部份库水及从榜屯一育内谷地地表 水，地下河段流程较短，约2 1 k m 。地下河埋藏浅，在5 1 0 m 左右。丰水期， 观测到最大流量4 9 5 m 3 s ( 2 0 0 7 年8 月1 3 日测) ，枯水期断流，为季节性地下河， 地下河汇水面积17 k m 2 。 2 、或屯地下河 地下河发育于矿区东南面，赋存于d 3 、d 2 d 、c l v 、c l d 碳酸盐岩地层，流经 立屯、布晤、律况，于或屯汇入龙门河，长约8 k m ，水力坡降6 8 0 ，汇水面积 1 5 7 2 0 k m 2 。水位埋深5 - - 1 5 m 左右，排泄迅速，地下河水位变幅7 1 0 m ，迳流 区岜至谷地地下河出露地表成明流，迳流5 0 0 m 多复潜入地下，丰水期岜至谷地 受涝严重。端屯谷地以东，洞零水库用于灌溉的部分库水潜入地下沿层面裂隙往 东径流，补给或屯地下河。 在或屯地下河主要水点2 号布唔天窗测得丰水期流量为0 5 m 3 s ( 时间 2 0 0 7 8 1 3 ) ；平水期流量为o 1 0 1 m 3 s ( 时间2 0 0 7 8 1 3 ) 、o 0 6 7 m 3 s ( 时间 2 0 0 7 1 0 2 5 ) ；地下河枯水期流量为0 2 7 2m 3 s ( 时间2 0 0 7 1 2 9 ) 。 1 3 桂林理工大学硕士学位论文 3 1 3 岩溶发育程度分析 图3 - 2 布立、或屯地下河展布图 一、地下岩溶发育特征 根据矿山勘探资料表明，矿区内溶洞强烈发育带处于海拔高程3 7 0 m 3 8 0 m 范围，溶洞距地面深度l o 一- , 1 6 m ，距基岩面2 1 3 m 。3 5 0 m 以下地层无溶洞发育。 深层矿坑地下水与上层联系较差。矿区及其周边地区，浅层岩溶发育强烈，深层 岩溶发育差，溶洞发育成层性明显n 引。 二、岩溶发育控制因素 ( 一) 地质构造对岩溶有发育的控制作用 矿山所在区域纬向构造断裂发育，断裂结构面为压性，断裂面阻水，其规模 1 4 桂林理工大学硕士学位论文 大，影响深度大。 纬向构造二次纵张断裂分布在柏绿山矿段北东面。矿山开采资料揭露，断裂 倾角陡，影响深度大，断裂所至，裂隙发育，岩层破碎，岩溶发育强烈。 ( 二) 、碳酸盐岩溶与岩溶发育 中石炭统东岗岭地层( d 2 岩性主要为灰岩和白云岩互夹，含有少量硅质 岩。灰岩灰黑色，含杂质较多，影响了水对碳酸盐的溶蚀。白云岩岩溶发育较强 烈，灰岩较差。矿山溶洞发育多处在白云岩地层。浅部地下水运移，主要沿层面 裂隙走向，矿山开采揭露，大部份溶洞发育于层面裂隙之间。 三、水动力条件对岩溶发育的影响 地下水运移对溶洞的冲涮侵蚀使洞体崩塌，拓大了溶洞，使水和碳酸盐岩接 触面增加，加速了岩溶作用进程。水力坡度愈大，对溶洞的破坏作用愈大。区域 地下水坡降为7 5 ，在局部区段，水力坡度要大得多，如长屯地表水进入伏流 泄于洞零水库，水力坡降为2 0 。 3 2 工程地质条件 3 2 1 工程地质岩组的划分 矿区岩土类型有松散岩类、碎屑岩类、碳酸盐岩类三类。根据其岩性、结构 类型、强度特征，将矿区岩土体划分为第四系松散堆积岩土组；坚硬夹软弱中厚 层薄层含砾砂岩、粉砂岩、石英砂岩、泥质砂岩、页岩岩组和坚硬较坚硬厚 中厚层状中等岩溶化白云质灰岩、灰岩岩组n5 巩2 。 一、第四系松散堆积岩组 由第四系组成，岩性为含碎石粘土、粉质粘土、块石及砂砾，在溪沟、洼地 中有卵砾石层。粘性土呈可塑状，碎石呈棱角状，粒径一般2 0 , - 一4 0 m m ，分布不 规则，成分不均一。山体表面残坡积层厚度0 5 l m ，山脚平坦地带一般为0 1 5 m 。粘性土的压缩系数为0 1 0 2 m p a ，抗剪强度为2 0 - - - 8 0 k p a ， 可塑硬塑状，基岩面附近局部为软塑状，可塑硬塑状粘土强度较 大，组合厚度较大。 二、坚硬夹软弱中厚层薄层含砾砂岩、粉砂岩、石英砂岩、页岩、泥质砂 岩岩组 由寒武系上统、下泥盆统莲花山组和那高岭组、中泥盆统郁江阶组成，岩性 以含砾砂岩、粉砂岩、页岩、泥质砂岩、石英砂岩为主，为矿床的主要顶板，强 风化中风化，该层厚度较大，分布稳定，岩土体力学强度较高，工程性质较稳 定( 具体参数值见表3 2 ) ，厚度4 0 , - 一, 2 0 0 m 。 桂林理工大学硕士学位论文 表3 2岩石物理力学性质参数表 三、坚硬较坚硬厚中厚层状中等岩溶化白云质灰岩、灰岩岩组 由中泥盆统东岗岭组和上下石炭大塘阶、岩关阶组成，岩性主要为灰岩夹白 云质灰岩。 该层厚度大，岩石微风化中风化，强度大，力学性能好。本岩组属纯碳酸 盐岩类型，根据区域地质资料并结合现场调查，地表溶沟、溶槽发育及地下溶蚀 裂隙、溶洞较发育，透水性好，节理裂隙发育，主要发育节理裂隙为三组，第一 组产状为：2 2 5 。z 4 6 。；第二组产状为1 6 5 。l 5 6 。；第三组产状为：2 5 。么 6 5 。但深部岩体中仍以原生节理为主，呈较均质的块状岩体，强度较高，完整 性好，工程性质较稳定。 3 2 2 矿区围岩的稳定性分析 矿体和开拓井巷、采场主要分布于坚硬夹软弱中厚层薄层含砾砂岩、粉砂 岩、石英砂岩页岩、泥质砂岩岩组中。因此，其井巷、采场围岩稳定性总体较好， 局部较差。 出银山矿段采区顶板为松散土体( 粗中粒砂页岩卵石) 及断层软泥组成，并直 接与泥盆系中统d 2 灰岩接触，灰岩裂隙发育，稳定性较差。 柏绿山矿段采区：顶板为断层泥( 破碎带) 厚0 5 - - 1 2 m 左右，破碎带由破碎 砂页岩，灰岩组成，断层直接与泥盆系中统( d 2 ) 灰岩接触，岩石破碎，d 2 灰岩中 溶蚀裂隙发育，稳定性差n 引。 由于顶板稳定性差，易引起地面沉陷、采空区沉陷等不良工程现象；采空区 山体上方形成危岩、崩塌等地质灾害。 3 2 3 矿山采空区地面不良工程地质条件 矿区发育的地质灾害主要有地面沉( 塌) 陷和崩塌、危岩和地下水污染。由 于柏绿山采空区顶板距地表近，该采空区东部有部分离地表仅为3 0 2 5 m 左右， 由于矿区处于岩溶区，加之民窿盗采，特别是长屯内村( 已搬迁) 防洪沟一带下 陷较为严重，发生多次下陷。根据资料收集访问和实地调查，矿区范围内共发现 有多处采空区地面沉陷、一处岩溶地面塌陷，两处危岩群和崩塌n 引，见图3 3 1 6 桂林理工大学硕士学位论文 ， l 磊 一一一 一一一毒 xo 一一一一 誓蘩 搿 ”、， 缓 ， “_ 二 。 e 一 ， 一一 f i 八i 譬 $ t m _ ：t 多磐 簖 琴l ： “ 。- 霉。 一“ 圹一一一、q 、 。近 l - 一 h 一 - l ) ”，。一， t ， “ r 一之j 一 j 一一一 。 ， “ 、 、 ， 1 。 囤3 - 3 大新铅锌矿地质灾害点分布图 一、地面沉( 塌) 陷 l 、采空区地面沉陷( c x i ) 该地面沉陷点位于长屯北l o o m 左右，形成的陷坑为椭圆形，宽2 4 m ，长5 7 m ， 面积为9 7 1 m 2 ，下陪深度1 2 m 左右，形成一个水塘，根据物探资料异常特征进行 综合分析，认为该异常由于地下存在地下采窄区原因造成，其深度在4 0 m 以上， 异常区面积约5 5 0 0 m 2 该沉陷点距离村庄较远，沉陷主要破坏耕地，造成1 亩多 耕地无法耕种，预测产生沉陷可能性太，危害程度中等危险性中等。 2 、采空区地面沉陷( c x 2 ) 该地面沉陷点位于长屯北1 5 0 m 左右，形成的陷坑为椭圆形，宽6 3 r a ，k9 5 m ，面 积为4 6 2 5 m ：，下陷深度l m 左右，形成一个水塘根据物探资料异常特征进行综合 分析，认为该异常由于地下存在地下采空区原因造成，其影响深度在6 0 m 以上， 异常区面积约1 0 0 0 0 一，该沉陷点距离村庄较远，沉陷主要破坏耕地，造成6 亩 多耕地无法耕种，预测产生沉陷可能性大，危害程度中等，危险性中等。 3 、采空区地面沉陷( c x 3 ) 该地面沉陷点位于长屯村边，形成的船坑为扇形，宽1 5 5 8 m ，长5 4 m ，面积 为1 5 9 8 m 2 ，下陷深