（地质工程专业论文）金属矿山开采地面沉陷预测模型研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 矿业工程开采过程中对地面沉陷的研究由来已久，但大多数研究都是针对煤炭开采、 地下水开采形成的采空区造成地面沉陷的研究，而对于金属矿山开采所造成的地面沉陷研 究较为缓慢，最近一些关于地面沉陷的研究也只是以煤矿地面的沉陷规律为依据，采用类 比的方法给出一些结论和预测方案，没有针对金属矿山采空区本身所具备的特点去研究它 的沉陷规律，要想对金属矿山的开采所引起的地面沉陷规律进行研究，必须首先要找到金 属矿山采空区的受力变形特点、分布方式以及与煤矿采空区的异同之处，通过对其它沉陷 的研究结果分析，来找出金属矿山采空区自身的特点及沉陷规律，给出地面沉降预测模型， 同时使它能在其他的类似情况下也能得到普遍的应用。 本课题在收集金属矿区已有地面沉陷灾害资料的基础上，对典型金属矿区的地面沉陷 灾害展开调查研究，通过现场工程地质测绘，取样试验与测试等方法，查明矿区地面沉陷 的工程地质条件，分析与研究矿区潜在的地面沉陷灾害问题，并对矿区当前沉陷进行现状 预测评价，模拟其发生、发展和演化趋势，利用已有的地面沉陷规律研究技术平台，将模 糊数学理论与有限元理论相结合建立金属矿山矿区的地面沉陷m - y 危险性综合评估预测模 型系统，对金属矿山开采所引起的地面沉陷进行有效的预测和防治，以便完善矿山地质环 境监督管理系统，为矿区工程建设与矿业企业的可持续发展提供科学依据和技术保障。 关键词：金属矿山、开采沉陷、模糊数学、有限元理论、m y 综合评估预测模型 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t i nm i n i n gi n d u s t r yp r o j o c t , m i n i n gp r o c e s st og r o u n ds e t t l e m e n tr e s e a r c hf o rl o n g - s t a n d i n g , b u tt h em a j o r i t yr e s e a r c ha l la i m a tc o a lm i m n g 、g r o u n dw a t e r m i m n gw h i c hf o r m st h ed e p l - e t i o nr e g i o nt oc r e a t et h eg r o u n ds e t t l e m e n t , b u tt h eg r o u n ds e t - t l e m e n tr e s e a r c hw h ic hr e g a r d s t om e t a lm i n em i n i n gi ss l o w r e c e n t l ys o m eg r o u n ds e t t l e m e n tr e s e a r c h sa l s oo n l yt a k et h ec o a lm i n eg r o u n ds e t t l e m e n tr u l ea st h eb a s e - s , o n l yu s e st h ea n a l o g ym e t h o dt op r o d u c es o m ec o n c l u s i o n sa n dt h ef o r e c a s tp l a n ，a n dn o tp i c kt h ec h a r a c t e r i s t i ci nv i e wo f t h em e t a lm i n ed e p l e t i o n r e g i o ni t s e l f t os t - u d yi t ss e t t l e m e n tr u l e ，i f w ew a n tt of i n dt h eg r o u n ds e t t l e m e n tr u l ew h i c hc a n - s o db ym e t a lm i n em i n i n gt oc o n d u c tt h er e s e a r c h ，w ef i r s th a v et of i n dt h et h es t r e s sd i s t o r t i o no h - a r a c t e r i s t i c 、t h ed i s t r i b u t i o nw a ya n dt h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sp l a c eo f t h ed e p l e t i o nr e g i o n w h i c hm e t a lm i n ea n dc o a lm i n eh a v e ，t h r o u g ha n a l y s eo t h e rs e t t l e m e n tf i n d i n g st od i s c o v e rt h e o w nc h a r a c t e r i s t i ca n ds e t t l e m e n tr u l eo f t h em e t a lm i n ed e p l e t i o nr e - g i o n , s ow ec a np r o d u c et h e s u r f a c es u b s i d e n c ef o r e c a s tm o d e l ，s i m u l t a n e - o u s l yi ta l s oc a nb ea b l et oo b t a i nt h eu n i v e r s a la p - p l i e a t i o ni no t h e rs i m i l a rs i t u a t i o n so f m e t a lm i n em i n i n ga r e a t h i st o p i cb a s e so nt h ed i s a s t e rm a t e r i a lo f m e t a lm i n i n ga r e aw h i c hc o l l e c t e d ，i n v e s t i g a t ea n d s t u d yt h et y p i c a lm e t a lm i n i n ga r e ag r o u n d ，t h r o u g ht h es c e n ee n g i n e e r i n gg e o l o g ym a p p i n g , e x p e r i m e n tf o rs a m p l i n ga n dt e s t i n ga n d o n i d e n t i f yt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g yc o n d i t i o no f m i n i n ga r e ag r o u n ds e t t l e m e n t t h e ，a n a l y z ea n ds t u d yt h el a t e n td i s a s t e rq u e s t i o no ft h em i n i n g a r e ag r o u n d ，s 0w ec a nc k r r yo nf o r e c a s t i n ga n da p p r a i s i n gc u r r e n ts t a t u s ，s i m u l a t et h eh a p p e n i n gt h e d e v e l o p m e n ta n dt h e e v o l v e dt e n d e n c y t l s ct h er e s e a r c ht e c h n o l o g yp l a t f o r mw h i c hg r o u n d s e t t l e m e n tr u l eh a s ，c o m b i n et h ef u z z ym a t h e m a t i c st h e o r yw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r yt o e s t a b l i s har i s ka n dc o m p r e h e n s i v em o d e ls y s t e mn a m e dm yw h i c hc a nb eu s e dt of o r e c a s ta n d a p p r a i s e ，t ot h eg r o u n ds e t t l e m e n to fm e t a lm i n em i n i n g , t h em o d e lc a nm a k ea ne f f e c t i v e f o r e c a s ta n dc o m b a t i o n , a n da l s oc a np e r f e c tt h ee n v i r o n m e n ts u r v e i l l a n c ea n dm a n a g e m e n t s y s t e m p r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rm i n ec o n s t r u c t i o na n d m i n i n ge n t e r p r i s e s k e yw o r d s ：m e t a lm i n e ；m i n i n gs e t t l e m e n t ；f u z z ym a t h e m a t i c s ；f i n i t ee l e m e n tt h e o r y ； m yo v e r a l la s s e s s m e n tf u r e c a s tm o d e l ； 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在王杰光教授、莫时雄教授共同指导下进 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，论文中不包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工 学院或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致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ： 签字r 期： 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部 内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期：地z ：z 桂林工学院硕士学位论文。 第l 章绪论 1 1 概述 随着当今社会冶金技术的不断发展以及企业对各种金属的大量需求，许多地方对金属 矿山的开采也日益增多，而因此所带来的环境问题也随之不断地涌现，在这其中由于开采造 成的地面沉陷问题就是人们普遍关心的问题。传统观点认为地面沉降是指在自然和人为因 素作用下，由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象。它具 有生成缓慢、持续时间长、影响范围大、成因机制复杂、防治难度大的特点，是一种对城 市规划建设、经济发展和人民生活构成威胁的地质灾害。本世纪以来，伴随矿业工程的发 展、地下水的不合理开采等人类活动，致使地面沉降范围的扩大和沉降量的增加，地面沉 降不仅对城市有很大的危害，而且在其他领域也有较大的影响和破坏作用，它能够使建筑 物发生倾斜开裂、道路路基下沉、管道系统弯曲变形、防洪大坝的下沉开裂等现象发生。 特别是一些建在第四纪松散堆积平原区的地区，受地面沉降灾害影响尤为严重，因此矿山 开采造成的地面沉降己成为严重的地质灾害之一 早在上世纪初，日本新泻、美国圣可塞和我国上海等地就发现了地面沉降现象，直到 1 9 3 6 年，墨西哥j a g u e v a s 发表了墨西哥城的地面沉降问题”1 一文后，这一问题才 逐渐引起人们的关注。目前世界上已有5 0 多个国家和地区发生地面沉降现象，沉降较为严 重的国家是美国、日本、墨西哥和意大利等。为加强各国对地面沉降研究的学术交流，由 联合国教科文组织、国际水文科学协会等团体发起地面沉降国际学术讨论会，曾于1 9 6 9 ， 1 9 7 6 ，1 9 8 4 ，1 9 9 1 年分别在日本、美国、意大利、美国召开。我国于1 9 6 4 ，1 9 8 0 ，1 9 8 8 ，1 9 9 0 ， 1 9 9 8 年和2 0 0 2 年分别在上海和天津召开了六次全国性地面沉降学术研讨会“”，极大地推动 了地面沉降研究工作的发展，取得了显著成效。目前，国际上研究地面沉降最多的国家是 美国和日本，我国上海、天津的研究成果也已步入国际先进水平0 1 。 我国己有许多城市和地区发生了不同程度的地面沉降，较为严重的有上海、山西地区、 两广地区、天津、太原等地，地面沉降已成为我国平原区主要地质灾害之一。导致地面沉 降的主要因素，可分为天然因素和人为影响因素。天然因素主要是各种地质条件，包括地 壳表层土体结构、土的物理力学性质、地下水埋藏条件及地震、火山等因素“”。人为因素 主要是指人类过量抽取地下流体或开采地下矿藏以及各种因工程建造而产生的地表、地下 荷载的变化。大量地面沉降实例表明，地质因素是产生地面沉降的基本因素：人为因素是产 生地面沉降的诱发因素。人为因素不仅能够诱发或促使地面沉降灾害的发生和发展，而且 往往能够转变为地面沉降发生、发展的控制性因素。经过长期的研究，各国科研人员普遍 认为：地壳运动导致的地面沉降可能存在，但沉降速率很小；地面动、静荷载引起的地面沉 桂林工学院硕士学位论文 降仅在局部地段内存在；地面沉降，尤其是许多地区发生区域整体性沉降，最为普遍和主 要的原因是由于抽汲地下流体而引起流体贮集层的压强降低，开采地下矿藏造成地应力的 释放，从而导致地面沉降。 因过量矿山开采与地下水开采而产生的地面沉降是我国乃至世界上许多城市和地区面 临的一个比较严重的地质灾害问题，尤其是一些矿藏丰富、沿海城市及经济发达地区，这 一问题表现得更为突出，在我国上海、天津、山西等地区是比较有代表性地区，其沉降中 心累计地面沉降量最大己达2 5 米之多“”，已影响到当地经济的可持续发展，对地面沉降机 理、影响因素及计算预测的研究己成为大多学者所关心的主要问题。 地下固、气、液体开采，导致岩层及地表移动变形、由此引起一系列的生态环境灾害， 多年来，我国在金属矿山灾害治理的工作者采用野外调查研究、资料收集整理等方法对矿 山周围的地面沉陷进行预测和治理，以规律研究为基础，用以控制地面沉陷和保护建筑物、 保护周围环境为目标，形成了不同矿山地质条件及开采方法的开采沉陷与防护理论及方法 体系，处于国际先进水平。目前，以信息论、系统论、人工神经网络、突变论等非线性科 学为基础，结合非线性动态力学，建立矿山开采沉陷的非线性预测理论已成为该领域研究 的主流，我国学者针对采动岩体移动破坏特性，建立了将覆盖、采场围岩、表土层作为统 一力学体系的动态力学模型，实现了连续、非连续介质之间的有机联系。该模型与传统的 力学模型相比，能计算岩层与地表移动动态移动、岩体的破裂高度、离层时空发育位置、 顶板断裂步距。开发了岩层破断过程分析系统，与传统的数值计算方法相比，体现了材料 破坏后非线性变化特征及不可逆性，使结果更符合实际，将矿山开采对岩体破坏视作一个 力学的演变过程，据此建立了相应的理论体系和在三维条件下进行数值计算的方法“”。采 用神经网络建立开采沉陷预测参数模型，使得在预测参数选取中考虑的地质采矿因素更多， 更全面、更合理，得到的参数更符合实际。针对离层注浆后地面沉陷预测问题，提出了基 于注采比的地表沉陷预测方法，使离层注浆地表沉陷预测更合理。提出了考虑倾角变化的 矢量预计模型及其参数分析方法，使得模型对于小倾角和大倾角开采层均具有良好的适应 性，能够模拟和描述包括直立金属层在内的任意角度倾斜金属层开采沉陷的地表移动与变 形分布形态，扩展了现有预计模型的应用范围。在开采沉陷控制方面，采用充填技术控制 地表沉陷越来越受到入们的重视，特别是近年来提出的似膏体充填技术由于充填材料的流 动性好、含水量少、充填程度高、成本低等而得到了广泛的研究，在充填材料配比、充填 工艺等方面的研究明显增加，并己开始进行现场试验，在采动区建筑物设计和保护方面， 重点研究了采动区建筑物地基，基础、结构协同变形的理论、应力分布规律及抗采动变形 措旄，提出采动区建筑物地基、基础、结构协同作用模型，该模型集采动区建筑物的地基 2 桂林工学院硕士学位论文 反力、建筑物的移动变形和附加内力计算于一体，为采动区建筑物设计提供了计算工具。 1 2 研究历史与现状 地面沉陷研究虽然是个古老的研究问题，但它大都是研究地下水开采所造成的地面沉 陷以及煤矿开采形成的采空区造成的地面沉陷，而对于金属矿山开采所造成的地面沉陷的 研究却为之甚少，因此要想对金属矿山的开采所引起的地面沉陷进行研究，必须首先要找 到金属矿山采空区的受力变形特点、分布方式以及与煤矿采空区的异同之处，通过对其它 沉陷的研究结果分析，来找出金属矿山采空区自身的特点及沉陷规律，因地制宜地采取防 治措施，给出地面沉降预测模型，使它能在其他的类似情况下能得到普遍的应用。 1 2 1 矿山开采沉陷理论发展现状 矿山开采沉陷问题早就被人们所重视早在1 5 世纪，比利时人就采用“垂线理论”假设 对矿山开采沉陷破坏进行调查分析；法国人法约尔( f a y 0 1 ) 矛l j 用模型研究，提出了开采沉陷的 的“拱形理论” 2 8 1 。欧洲工业大发展导致对有用矿产的需求大幅增加，促使沉陷理论研究 逐步深入，在研究各种沉陷分布与各类角度的同时，也开始了开采地表下沉与变形规律的 研究二次世界大战后，人们着重从连续介质理论和非连续介质理论来研究开采沉陷问题 如弹性、塑性有限元法、边界法、离散元法、随机介质理论法等都是分别建立在这两种理 论的基础上的同时在以实测资料为基础下也得到了一些经验公式法，如典型曲线法、剖面 函数法等。我国对开采沉陷理论的研究是从5 0 年代才开始起步的，经过十几年的努力，积 累了大量的实测资料在借鉴国外先进技术、经验的基础上，再加上工程技术人员、专家学 者的创新和改进，我国也逐渐形成了具有完全符合我国实际的一套开采沉陷理论。近年来， 随着采矿业的迅猛发展，科学计算软件在采矿业也得到了广泛的应用，开采沉陷预测理论 与开采沉陷规律研究也进入了崭新的阶段。国内外众多学者纷纷提出新的方法，探寻新的思 路去找出沉陷的规律性以及相应的解决方法，同时随着数学、力学、建筑、计算机等学科 新成果不断地引入到开采沉陷学科中来，从而形成了许多新的方法和理论。 j l i t w i n s z y n 对随机介质理论作了更深入的研究，刘宝琛将随机介质理论发展为多项介 质的耦合计算：李文秀、张玉卓将模糊数学引入随机介质理论中。中国矿大的学者们通过 对地层结构的研究，提出的托板及关键层理论，形成一种独特的研究方法。陈至达等对非 线性几何场论在开采沉陷预测中的应用进行研究，以拖带坐标描述法和s r 分解定理的非 线性几何场论为基础，分析了初始位形主断面上倾斜、曲率和水平变形计算公式的不合理 性，建立实时位形上的计算公式；利用平均整旋角概念和裂纹产生与扩张的几何准则，建立 了确定实时位形上开采沉降的方法此方法与传统的方法相比，计算简单、应用方便。郭守 礼等研究了灰色系统模型在采矿塌陷区残余沉降预测中的应用问题结合实例，建立了各自 桂林工学院硕士学位论文 的沉降增量预测方程 南华大学的丁德馨、中国矿业大学的崔希民、西南交通大学的李树勇等使用f l a c ( f a s t l a g r a n g i n ga n a l y s i so f c o n t i n u a 连续介质快速拉格朗同分析) 程序对开采沉陷进行预测，其中 丁德馨教授在水口山铅锌矿成功地完成地面沉陷预测的运用，在开采沉陷预测数值模拟方 面取得了阶段性的进步。f l a c 采用显式算法来获得模型全部运动方程的时间步长解，从 而可以跟踪材料的渐进破坏和垮落，这对研究开采时问效应和空间效应是非常重要的，进 一步发展矿山开采沉陷学科，使其在理论上更完备，实践上更符合实际，工程预测上更准确。 东北大学的麻风海博士、王泳嘉教授、焦作工学院的邹友峰教授、中国矿业大学的曹 丽文教授等将智能科学引入开采沉陷领域，利用神经网络的自学习、自组织，自适应和非 线性动态处理等特性来研究影响因素的选取、开采沉陷模型的建立以及模型的应用等问题。 采用b p 神经网络算法对开采沉陷量进行建摸和预测结果表明，用神经网络模型对复杂的 开采沉陷系统进行模拟预测，具有理论上的可行性和现实意义，说明人工神经网络技术在 开采沉陷预计领域中具有实用价值l u l 。人工神经网络a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是采用 物理可实现的器件或现有的计算机来模拟生物体中神经网络的某些结构与功能，并反过来 用于工程或其他领域，因其具有学习、联想、客观程度高、容错能力强等特点，在许多学科 中得到了很好的应用，基于煤矿开采地下岩体赋存环境的复杂性，在各种开采沉陷预计方 法中最为实用的是实测分析法，但是在使用实测分析法建摸时，传统的数学方法有时显得 无能为力，之所以会产生这种现象，是因为开采沉陷量与各影响因素之间所组成的是一个 典型的非线性系统。因而难以用传统的数学方法建立较为精确的模型，而人工神经网络在 处理多因素的、复杂的非线性系统中的数据具有精确的数学模型。王卫华等对开采沉陷反 分析的神经网络方法进行了研究，建立了沉陷反分析的神经网络模型，并用基于正交试验 获得的训练样本对网络进行学习，以此训练好的网络模型来描述力学参数与开采沉陷之间 的关系，利用反演结果，建立拉格朗日快速计算法模型，对地表沉陷进行预测，其预测结果是 令人满意的。 辽宁工程技术大学的于广明、中国矿业大学的谢和平教授，杨伦教授等将损伤力学及 分形几何等现代非线性科学应用于开采科学领域，在现有的开采沉陷理论基础上，进一步 揭示岩体( 特别是地质构造复杂的岩体) 开采沉陷更深层次的机理、特征和规律，就节理、断 层对开采沉陷规律的影响、采动岩体裂隙分形分布及演化规律、采动断层火化的分形截界 面效应等问题进行一系列的研究和探讨，使得该理论在应用上更切合可行【1 2 l 。 以上所提到的研究成果只是一种定性的描述，要进一步掌握金属矿山开采地面沉陷的 规律，还需要采用理论模型及其参数与地质采矿条件之间的定性、定量关系进行深入研究， 桂林工学院硕士学位论文 这些研究有助于加深对沉陷基本规律的认识。虽然这些方法还未能够完全解决开采沉陷中 的问题，但代表了开采沉陷领域的发展方向。 1 2 2 金属矿山开采造成地面沉陷特性方面 随着金属矿业的不断发展，它所引起的环境问题也不断涌现，在这其中开采造成的地 面沉陷问题就是一个对环境影响较大的问题，但传统研究地面沉陷的方法只是针对于煤矿 开采、地下水过量开采造成的地面沉陷规律的研究，对于金属矿山的地面沉陷研究还没有 一种成熟的理论与方法，由于这种原因，针对金属地面沉陷规律的研究以及沉降预测模型 建立一直进展缓慢。 这方面要做的工作主要是，其一：调查金属矿山的采空区，比较分析和煤矿采空区的 异同，找出金属矿山采空区的特点；其二：针对金属矿山采空区的特点找出地面沉降规律 的一般特性，并给出相应的地面沉陷预测模型。 1 3 问题的提出 人类的命运与地球息息相关。地球不但是人类产生和繁衍的摇篮，而且是我们赖以生 存的环境人类几千年来发展生产力和科学技术的不懈努力，目的是为了创造更高的生活 水准和更好的生活条件。但是，人类在努力征服自然的同时，又在有意无意地破坏着与我 们生命息息相关的环境。特别是近几十年来，随着世界入口的快速增长和工农业的迅速发 展，每年开采出的煤炭和石油等能源以及各种金属和非金属矿产己经远远超过t 1 0 0 亿吨， 如果再加上夹运到地面的各种研石、废石、天然气和地下水，数量就更加巨大了嗍。矿山 开采必然留下较大的采空区，经历一段时间后，这些采空区顶部将发生冒落，冒落发展到 地面，必然引起地面的变形和塌陷。例如淮南煤团的分布面积达3 6 0 0 k m 2 ，储量丰富，是我 国华东地区的重要煤炭生产基地。由于可采煤层多，开采强度大，因而塌陷的范围广，塌 陷幅度大，总塌陷面积达1 0 万亩以上，塌陷幅度达4 - 1 9 8 m ，积水深度超过1 5 m ，对于地面 的村庄和建筑物损坏严重在一些城市，由于地下采矿，地面发生大面积沉陷，致使地面建 筑物遭到破坏，甚至迫使原有工厂搬迁。例如辽宁省本溪市，因地下采煤引起地面下沉， 局部地段的沉陷达3 4 m ，造成公用设施严重破损。采屯地区的供水系统因地面下沉造成直 径2 5 0 m m 的配水管网出现断裂，平均每年损坏5 0 余m 。直径2 5 0 m m 以下的管线损坏情况更为严 重，市内l o k m 内排水管网全部失效。地面建筑物的破坏也很严重，本溪矿务局医院是一座 二层楼房，建筑面积4 2 4 0 m 2 ，因不均匀下沉，楼房两端高差达3 6 0 m m ，楼房整体向南倾斜， 楼的总长度缩短2 4 2 m m ，三次加固均未见效，最后报废。市缝纫机厂厂房平均下沉i 1 m ，厂 房倾斜开裂，最大裂缝宽度达3 0 0 m 。市食品厂厂房墙体多处开裂，最宽处达3 c m 。市陶瓷 厂成型车间厂房的墙体开裂，最宽处达5 c m 。市机械工业学校、市第三机床厂、市第六十一 桂林工学院硕士学位论文 中、二十二中和采西小学、采北俱乐部和矿工文化宫等都因地面下沉，遭到了破坏，有的 己不能使用。上述灾害显然是未对开采地面沉陷作出正确的预测而造成的。因此，研究开 采地面沉陷预测方法，是采矿工程领域涵须开展的一项工作。 1 4 开采沉陷与土地破坏 1 4 1 地面破坏的基本类型 地面移动盆地( 连续下沉) ：在开采波及地面后，地面从原有标高向下沉降，从而在采空 区上方地面形成一个比采空区面积大很多的沉陷区。由于采深、采高、覆岩岩性的影响， 这类移动盆地的边缘位置( 最大水平变形位置) 常出现宽0 o l 2 m ，长l 4 0 0 m 的裂缝。在移 动盆地形成的过程中，改变了原有的形态，引起了高低、坡度及水平位置的变化。因此， 对于影响范围内的道路、管路、河渠、建筑物、生态环境等，都带来不同程度的影响。在 华东地区，由于地下潜水位很高，地面下沉1 m 左右，移动盆地内便可积水，严重影响土地 的使用，造成矿区耕地的大量减少。这种类型的地面下沉通常出现在较软弱的非脆性岩层 覆盖下的水平或缓倾斜薄矿体的开采中，如长壁法采煤或沉积环境中形成的许多其他矿物 矿床( 如硫矿床和蒸发盐矿床) 的开采“。 不连续下沉：在有限地面产生很大的不连续下沉，在下沉剖面上表现为阶梯状变化或不 连续间断面。这种类型的地面下沉可由多种采矿方法引起，也可能涉及到多种下沉机理“”。 塌陷坑：一般是由于废弃的浅埋酮室顶板的突然跨落造成的。美国宾夕法尼亚北部无 烟煤矿区的大部分地面破坏均由是这种类型。在英格兰 5 ，一些老的煤矿、铁矿、隧石矿 的旧坑铜也造成了这类破坏( p i g g o t t 和e y n o n ，1 9 7 8 ) 。 矿柱破坏：在埋深较浅的旧坑铜中发生的矿柱破坏也可以导致类似于塌陷坑的不连续 下沉地貌。这种破坏可能是矿柱的强度随着时间而降低或地面建筑物对矿柱施加附加荷载 的结果。生产矿山中大面积的矿柱破坏可能导致后果严重的地面大面积不连续下沉。1 9 6 0 年1 月2 0 日在南非科尔布鲁克诺斯( c o a l b r o o k no r t h ) 煤矿曾发生过一起这种类型的灾 难性破坏。当时面积大约3 k m 2 左右的房柱法采区突然跨落，造成了4 3 7 人死亡o ”。 筒状、管状或漏斗状陷落：筒状、管状或漏斗状陷落涉及的是无支护开采巷铜的跨落逐 渐向上发展，穿过上覆岩层直至地面的类型。地面下沉区域的平面形状可能与最初的开采 巷铜的平面形状类似。筒状陷落可能在较软弱的上覆岩层中形成 7 ( 如赞比亚的铜带) ， 亦可在已崩落岩石中或在逐渐松散解体且节理裂隙有规律发育的岩体中发生。目前已知的 筒状陷落可穿过几百米高度向上传播而直透地面。 柱塞状下沉：如果筒状陷落是突然发生而不是逐渐形成的，就称这种下沉为柱塞状下 沉。柱塞状下沉一般都受到岩脉或断层等地质构造现象的控制。此时这些构造就提供了其 6 桂林工学院硕士学位论文 剪切强度已在某些关键性的采矿阶段丧失殆尽了的弱面。地下空气冲击波一般是由于这种 形式的沉降造成的。 筒状陷落：筒状陷落是1 9 7 0 年9 月2 5 日在穆富利拉( m u f u l i r a ) 矿“”发生，造成了8 9 人死亡。一个筒状陷落向上发展了大约5 0 0 m ：将一个尾矿池与其下部的分段崩落法采场连 通。事故最具灾难性的后果是许多人丧失了生命，另一个后果是该矿大部分采区不得不用 混凝土隔墙加以封闭“。 山体滑移：这种局域性大位移的地面破坏通常发生在山地矿区工作面的上方，是由于 地下开采引起山坡、陡崖下沉及稳定性丧失而造成的。在雨季更易发生，有时遇上暴雨还 会形成泥石流。仅山西省具有一定规模的滑坡己有3 0 多处，多在大同、阳泉、轩岗和太原 市郊的西山矿区。 1 4 2 开采沉陷对土地的危害 矿山开采沉陷除了表现为对地面建筑物和种植物的即时破坏外，还表现为对土地资源 的永久性的和难以恢复的破坏。 劣化：开采沉陷破坏了原有土地形态，使地面坑穴遍布，裂隙纵横，无法进行农田作业， 不少农田被迫弃耕，造成绝产。以山西省来看，采煤塌陷造成的弃耕绝产面积为塌陷总面 积的1 - 5 ，个别矿区可达7 - 8 。 贫瘩化：土地塌陷增大了原地面坡度，扰乱了原来相对稳定的土壤结构，水、肥沿倾 斜的地面流失和沿裂开的地缝漏失，土壤肥力不断下降，造成农作物不断减少。据调查， 被破坏的早地，其产量比正常水平低2 0 一3 0 ：被破坏的水浇地，其产量减少5 0 以上。 干旱化：开采塌陷及其裂缝造成地面水源和地下含水层水源的漏失。据统计，山西有 1 8 0 个县的5 3 0 多个村庄、3 3 万居民由于地下采煤造成饮水和用水严重短缺。如大同矿区， 人均水量只有全国人均的9 ( 约为世界人均水量的1 1 3 6 ) ，由于沉陷疏干和人为矿井摊水， 使得本来就十分珍贵的地面水和地下水资源更加紧张“”。 随着世界各国对自然灾害危害性认识的日益深刻和“国际减灾十年”活动的深入开展， 更由于开采沉陷研究的重要性，各国矿山工程技术人员投入了越来越多的时问和技术装备 来进行此项研究。苏联、波兰、联邦德国、澳大利亚、英国、加拿大、日本、美国等国家， 对开采沉陷理论及地面移动理论都进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果。但是，和生 产发展及现代化建设的要求相比，目前的地面沉陷理论研究还显得很不够。这就要求我们 在学习前人经验的基础上，不断探索，努力在开采沉陷的理论研究和应用技术开发方面多 做工作，为国民经济的发展做出自己的贡献。 7 桂林工学院硕士学位论文 1 5 现有模型的不足之处 模型的建立要以实用为主，它的计算原理要简单明了，所需计算参数少，计算工作量 小，在生产实践中才能获得较为广泛的应用。以前所建立的由于地下水开采所造成地面沉 陷模型是在由水流模型获得各土层的水头变化后再根据水头情况计算土层变形，但在求解 水流模型时，含水系统各点的水头己确定，土层的沉降量也已发生，这时再根据水头变化 计算各土层的变形量或根据与粘土层相邻的上下含水层的水头变化计算粘土层的变形，实 际上是在同一物理空问中采用了双重物理量，使得在第一步的水流模型计算和第二步的土 体变形计算中土体位移和孔隙水压力在同一时自j 和位置会出现不同的数值。这与实际情况 是不相适应的。另外针对于煤矿开采所造成的地面沉陷的模型主要限于计算一维垂向变形， 而且不考虑围岩的受力特点与自承能力，因为金属矿山在开采之后，由于围岩多为石质围 岩，所以有些金属矿山开采后所形成的采空区本身会形成一种拱效应，具有很好支撑能力， 在范围允许的情况下，可以不需要处理就能达到好的稳定效果，不会对环境及周围建筑物 造成影响“”。 由于金属矿山本身的特性，因此在处理这种问题的时候要因地制宜，不能盲目的套用， 部分耦合模型从力学机理上来说还不能完全应用于金属矿山的开采上面。 1 6 本项研究的内容、意义和创新点 本研究内容属方法研究，涉及工程地质、模糊数学理论、有限元理论、土力学等多个 学科。论文主要结合目前对金属矿山开采所造成的地面沉降的灾害问题，引入模糊数学理 论与有限元理论相结合的综合性评估模型。有限元理论与方法多用于基坑、沉井等大型基 础工程施工时加、卸载引发的地面变形计算，而对于金属山开采引起的地面沉陷计算在国 内外的刊物上较少报道，模糊数学理论曾在煤矿的开采沉陷等地方有所应用，但对于在金 属矿山上的使用却为之甚少，同时单独的使用这一理论本身会有一定的缺陷。基于这一原 因，本文首次将这两种理论相结合建立一种m y 危险性综合评估预测模型，并对金属矿山开 采沉陷所造成的灾害评估与计算，在广西大厂锡多金属矿田建立相应的地面沉陷模型，通 过计算结果与实测资料的对比，验证了模型的可行性与j 下确性。 本文主要工作 针对以上问题，本文以模糊数学理论与有限元理论为基础，在同一物理空间上采用统 一的物理量，将模型与土体变形模型完全耦合，结合金属矿山的工程地质条件，对其进行 评估和分析计算。本文所做的主要工作如下： 通过了解广西大厂锡多金属矿田地开采历史及地面沉陷的发生、发展过程、分析地 8 桂林工学院硕士学位论文 面沉降模式、发育特征及沉降机理，研究地面沉降与采空区的相关性，并以统计学方法给 出了模型中要用的的相关系数。 依据广西大厂锡多金属矿田各岩层的物理力学性质，结合地面监测资料，采用模糊 数学模型对沉陷灾害等级进行评估。 根据广西大厂锡多金属矿水文地质、工程地质条件，按各土层的物理力学性质进行 地质分层，选取与水准测量剖面一致的地质剖面进行单元剖分，建立概化地质模型。 利用模糊数学理论与有限元理论相结合的方法建立一种m y 危险性综合评估预测模 型，根据前期的勘测资料和土工试验所得的岩土体参数，并利用现场监测的方法，对计算 结果与实测结果进行了对比分析。 注：本文的研究工作为广西经委科研项目。金属矿山环境与灾害信息提取技 术及预警系统”的一个子课题。 9 桂林工学院硕士学位论文 第2 章采矿因素对开采沉陷的影响 多年的实践经验表明，开采沉陷的分布规律取决于地质和采矿因素的综合影响。在这 些地质和采矿因素中，一类是人们无法对其产生影响的，称为自然地质因素：另一类为采矿 技术因素。只有正确地认识和掌握这些因素的影响，才能进一步改进地面移动预测的方法 和手段。本章主要说明下列地质采矿因素对开采地面沉陷的影响。”： ( 1 ) 覆岩力学性质的影响 ( 2 ) 岩层倾角的影响 ( 3 ) 开采深度与开采厚度的影响 ( 4 ) 采区尺寸大小的影响 2 1 覆岩力学性质的影响 2 1 1 覆岩力学性质对地面沉陷的影响 岩石力学性质对开采引起的地面沉陷有很大影响。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 覆岩为坚硬、中硬、软弱岩层或其互层，开采时矿层顶板随采随落，不形成悬顶， 能被冒落岩块支撑，并继续发生弯曲与变形而达地面。这时地面产生缓慢的连续变形。但 如果开采深度较小，冒落带和断裂带可真达地面，地面产生非连续变形。 ( 2 ) 如果覆岩中大部分为极坚硬岩层，矿层顶板( 覆岩) 大面积暴露，矿柱支撑强度不够 时，覆岩产生切冒型变形，地面则产生突然塌陷的非连续变形。这里的切冒型变形是指采 空区达到一定面积后，其上方的厚层状极坚硬覆岩发生直达地面的一次性突然冒落。山西 大同马脊梁矿，顶板是厚5 0 米以上的硬砂岩，不易冒落，采空区距地面5 6 1 0 6 米，1 9 7 5 年9 月1 8 b ，当采空区面积达1 5 万平方米时顶板突然冒落，由于空气突然压缩，井口喷, m 3 0 0 米高的烟尘，地面塌陷约7 0 0 0 0 平方米，地震台记录n 3 2 级地震。湖南锡矿山南矿用房柱 法开采缓倾斜中厚矿体，由于多年开采留下大片采空区未处理，结果在1 9 6 5 - 1 9 7 1 年间曾发 生三次大规模冒落，地面下沉1 米多，塌陷坑面积达9 6 0 0 0 平方米。江西盘古山钨矿用留矿 法开采极倾斜薄矿脉群，采空区长时间未进行处理，1 9 6 7 年9 月2 4 开爆发了大规模毁灭性的 冒落。在地面，海拔l1 0 0 米山脊拦腰裂断，裂缝最宽处达0 8 米，地面塌陷面积达1 0 万平方 米，形成一个从山顶到下部6 9 0 米，中段垂高4 2 4 米，南北宽2 2 5 米，东西走n s o o 米的塌陷 漏斗1 。 ( 3 ) 如果覆岩中均为极软弱岩层或第四纪土层，矿层顶板( 覆岩) 即使是小面积暴露，也 会在局部地方沿直线向上发生冒落，并可直达地面。这时，地面出现漏斗型塌陷坑。 ( 4 ) 如果覆岩中仅在一定位置上存在厚层状极坚硬岩层，矿层顶板( 覆岩) 局部或大面积 暴露后发生冒落，但冒落发展到该极坚硬岩层时便形成悬顶，不再发展到地面。这时，覆 l o 桂林工学院硕士学位论文 岩产生拱冒型变形，地面产生缓慢的连续型变形。 在急倾斜矿体开采的情况下，如果上下盘岩层很坚硬，回采后，采空区上下盘不冒落，而 采空区上方矿体本身却冒落和下滑，矿体的这种冒落和下滑，可能在一定高度上停止，也 可能一直发展到地面，在地面矿体露头处出现塌陷坑，京西大台矿出现的塌陷坑，矿体上 下盘岩层均很坚硬，开采后地面出现了不少椭圆形的塌陷坑。如果上盘为坚硬岩层，下盘 为软弱岩层，则下盘岩层产生滑移，地面变形集中在下盘一侧；如果上盘为软弱岩层，下盘 为坚硬岩层，则上盘岩层产生滑移，地面变形集中在上盘侧。如果上下盘的坚硬岩层之 间存在软弱层或夹层，则地面变形集中在软弱夹层处。此时地面变形沿软弱夹层面形成台 阶状下沉盆地，而位于软弱夹层露头处的地面呈整体移动。如果上下盘均为软岩层，回采 后冒落岩石填充采空区，从而阻止了采空区上方的冒落和下滑，这样就避免了地面露头处 出现塌陷坑。 2 1 2 覆岩力学性质对开采沉陷分布规律的影响 上覆岩层为坚硬岩层时，地面下沉值要小于岩层较软时的地面下沉值。如覆岩中存在厚 层状极坚硬岩层时，地面下沉会显著减小。山西大同矿区2 # 煤层顶板为厚层状砾岩及砂岩， 在采用房柱法和长壁刀柱法采煤时，地面下沉系数均在0 4 以下。下沉系数是指在充分采动 或接近充分采动的情况下，开采水平煤层时的地面最大下沉值与开采厚度之比：在开采缓倾 斜或倾斜煤层情况下，下沉系数是最大下沉值除以煤层倾角的余弦与开采厚度的乘积。阜 新矿区平安六井，煤系地层之上为厚达7 0 m 的辉绿岩，强度高，两个煤层采完后( 采厚3 5 m ) ， 覆岩呈拱冒形变形，地面下沉值仅为1 9 6 2 0 4 m 。如覆岩中以第四纪土层为主并且其厚度很 大时，地面下沉系数在初次采动时可以接近甚至大于1 。随着第四纪地层厚度占覆岩总厚度 比例的减少，地面下沉系数亦减小。产生这种情况的原因是：若上覆岩层为坚硬岩层，在岩 层的破坏和移动过程中，裂缝带内岩层产生垂直层面的裂缝外，还产生大量顺层面离开的 离层裂缝，若覆岩为软岩层，在岩层移动过程中，上覆岩层不易产生离层裂缝，因此在其 他条件相同的情况下，坚硬岩层的地面下沉值小于软弱岩层的地面下沉值“”。 2 1 3 覆岩性质对地面裂缝的影响 下沉盆地的外边缘区为拉伸变形区。当其值超过岩层的允许值后，会发生张口裂缝。 张口裂缝的形成与特征同岩层的性质有密切关系。塑性大的粘土，一般在拉伸变形超过6 l o r r a n 时产生裂缝，塑性小的砂质粘土和粘土质砂，拉伸变形达2 3 m m 时发生裂缝，其延展 深度为2 5 m 。在岩石中，拉伸变形超过3 7 m m 时发生裂缝，其延展深度大于在土层中的深 度。如为坚硬岩石，这类裂缝可使地面与采空区连通。在第四纪土层较厚的地区，地面常 出现地堑式裂缝，这是在下沉盆地边缘区两条裂缝之间的地面下沉大于其两侧下沉的缘故。 桂林工学院硕士学位论文 2 - 2 矿体倾角的影响 2 2 1 对地面沉陷分布规律的影响 ( i ) 在水平和近水平矿层条件下，地面沉陷的分布对采空区是对称的，随着倾角的增大， 下沉盆地的非对称性十分明显，下山方向的影响范围远远大于上山方向的影响范围。随着 矿体倾角的增大，倾斜剖面形状由对称的碗形逐渐变为非对称的瓢形。当煤层倾角接近9 0 0 时，下沉盆地剖面又转变为比较对称的碗形或兜形。 ( 2 ) 随着矿体倾角的增大，最大下沉点位置逐渐移向矿体上山方向，当矿体倾角接近 9 0 。时，在矿体露头方向上方，极倾斜矿体丌采时不出现充分采动情况，最大下沉值随回 采阶段垂高的增加而增大。 2 2 2 对地面的移动形式破坏发展过程以及破坏分布状态的影响 ( 1 ) 在矿体为水平和缓倾斜( 0 3 5 。) 的条件下，由于岩层移动形式主要为沿岩层的法 向弯曲和崩落，因此地面下沉盆地为对称的碗形和盘形。 ( 2 ) 在矿体超过3 5 。以后，岩层移动的形式除有法向弯曲外，还伴随有沿层面的剪切 移动和岩石下滑，覆岩破坏部分呈抛物线形态，因此，地面下沉盆地为四周非对称的碗形 或瓢形。 ( 3 ) 当矿体倾角超过5 4 。以后，冒落到采空区内的矿石和岩块，除了单块滚动外，还会 成堆地沿矿体倾斜方向滑动。地面下沉盆地则呈兜形瓢形。当矿体倾角超过7 5 。以后，底 板一侧的地面也会出现许多的裂缝或形成台阶状盆地。在煤层倾角接近9 0 。时，下沉盆地 剖面形状又转化为比较对称的碗形或兜形。 2 2 3 对地面移动参数的影响 矿体倾角对地面移动参数的影响较为明