（地质工程专业论文）锡铁山矿山地面塌陷控制因素及其地表稳定性分析.pdf

昆明理工大学硕士学位论文 摘要 锡铁山铅锌矿山位子青海省境内，矿山经过多年开采，采空区已达3 2 0 多 万m 3 ，沿开采走向，绝大部分地表都发生了地表塌陷，如果任其发展势必会对矿 山的生产安全产生一定的影响。 本文根据野外现场调查和所收集的资料，做了如下研究工作：按岩石的工 程地质特征，将塌陷区及周围的岩石划分为五组工程地质岩组：分析影响塌陷的 控制因素；预测地表稳定性变化趋势，最后提出治理措施。 根据矿区岩石的物理力学性质，把塌陷区及其周围的岩性划分为五大工程地 质岩组：大理岩组、片岩岩组、矿体岩组、火山岩组和紫色砂岩岩组。 塌陷区的形成与矿山存在巨大规模的采空区、塌陷区所处的地质构造、地层 岩性及其物理力学性质和气象、水文地质条件这几个因素有关。 造成矿区塌陷的主要原因是由于采空区的存在，采空区的形状及规模直接影 响着上覆盖层的稳定性，决定是否塌陷以及塌陷的规模。本文根据空区的规模以 及它对地表塌陷是否产生影响大小，将空区分成四类：相对较为孤立和远离生产 作业区的采空区、上下中段连通并靠近生产作业区规模较小的采空区、位于同一 矿带，上下中段连通，区间空区直接或间接连成一片的巨大空区、位于2 9 4 2 到 3 0 6 2 之间正在逐渐形成的空区；其中后两类空区对塌陷影响很大，它们决定了 地表是否发生塌陷以及塌陷的规模。 矿区构造对塌陷的作用表现在：断层破坏了采空区上方覆盖岩岩体的完整 性，使空区上覆岩体的承载力大大降低；矿区绿泥片岩中的小型褶皱使岩体发生 扭曲，使岩体破碎成片状和块状，力学性质明显降低。 在五大工程岩组中，对塌陷区影响最大的是片岩岩组，它既是矿区的含矿层 位，同时也是矿体的直接顶、底板围岩，其中含炭片岩、炭质片岩等软质岩石， 由于构造作用，岩石破碎、节理裂隙发育，强度低，遇水易软化、膨胀，作为矿 体围岩，稳定性差。 气象、水文对塌艄的影响主要表现为：在雨季或冰雪融化的季节，雨水在采 空区上部汇聚，使上部的荷载加重，并且汇聚的雨水会通过岩体风化和构造裂隙 向下渗透，使含炭片岩、炭质片岩等软质岩石处于浸泡状态，导致岩石膨胀、软 化，致使强度降低。另外，矿区风化作用强烈，由于风化作用，地表岩体形成较 厚的风化壳，这也导致表层岩体物理力学性质降低。 i i i 昆明理工大学硕士学位论文 在阐明地面塌陷控制因素的基础上，最后本文对9 6 3 # 勘探线间岩层今后的 发展趋势进行了预测，并分析了o 9 群勘探线间地表移动变化规律，并基于地面 塌陷控制因素提出了防治建议。 关键词：地面塌陷控制因素概率积分法空区锡铁山青海 昆明理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t x i t i em o u n t a i nl e a dz i n co r ei sl o c a t e di nq i n g h a ipr o v i n c e ，t hr o u g hm a n y y e a r se x p l o r i n g t h e r ee x i s t sa3 2m i l l i o ne m p t ya r e a a l o n gt h ed ir e c t i o no f e x p l or i n g ，e a r t hs u r f a c ec o l l a p s e h a sh a p p e n e di n m a n yp ar t s i t m u s t i n f l u e n e et h em i n ep r o d u c t i o ns a f e t yi fl e ti tb e a c c o r d i n gt o t h ei n v e s t i g a t i o no nt h es c e n ea n dc o l l e c t i o nd a t a ，t h e a u t h o rh a v ed o n es o m ew o r ka sf o l l o w i n g ：d i v i d i n gl a n dc o l l a p s ear e aa n d s ur r o u n d i n gr o c kt of i v ee n g i n e e r i n gg e o l o g yr o c ks e ta c c o r d i n gt ot h er o c k e n g i n e e r i n gg e o l o g yc h a r a c t e r i s t i c ；a n a l y z i n g l a n d c o l l a p s ec o n t r o l l i n g e l e m e n t s ，t h e np r e d i c t i n ge a r t h s ur f a c es t a b i l i t y ，a tl a s t p u t t i n gf o r w a r d m e a s u r e s i na c c o r d a n c ew i t hm i n ea r e ar o c kp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lpr o p e r t i e s ， d i v i d i n gl a n dc o l l a p s ea n di t ss u r r o u n d i n gr o c kt of i v egr o u p s ：m b ，s c ，t h e m i n er a ls e t t h ev o l c a n or o c ks e ta n ds t t h ef o r m a t i o no fl a n d c o l l a p s e i sr e l a t e dt ot h eh u g ee m p t ya r e a ， g e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，s t r a t aa n dr o c kp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d w e a t h e r ，h y d r o l o g y t h em a i nr e a s o nr e s u l t e di nt h el a n dc o l l a p s ei st h ee x i s t e n c eo fe m p t y a r e a ，t h es h a p ea n ds c a l eo fe m p t ya r e aa f f e c t st h es t a b i l i t yo ft h eo v e r l y i n g r o c kd ir e c t l y w h i c hd e c i d ew h e t h e rt h el a n dc o l l a p s ew i l lh a p p e na n di t ss c a l e ， a c c o r d i n gt ot h es c a l eo fe m p t ya r e aa n dw h i c hw h e t h e rl e a dt ol a n dc o l l a p s e 。 t h i sa r t i c l ed i v i d e si tt of o urg r o u p s ：t h ee m p t ya r e aw h i c hi si s o l a t e da n df a r a w a yt h ep r o d u c i n ga r e a ，t h et o pa n db o t t o ml e v e ls e g m e n t i sc o n n e c t e da n d c l o s e dt op r o d u c i n ga r e a ，t h et o pa n db o t t o ml e v e ls e g m e n ti sc o n n e c t e da n d l o c a t e di nt h es a m eo r eb o d yw h i c hh a v ef o r m e dh u g ee m p t ya r e a ，t h ee m p t y a r e aw h i c hi si n2 4 9 2 3 0 6 2 ml e v e ls e g m e n t ，a m o n gt h e mt h el a s tt w oe m p t y a r e ai n f l u e n c et h el a n d c o l l a p s eg r e a t l y ，w h i c h d e c i d ew h e t h e rt h el a n d c o l l a p s ew i l lh a p p e na n di t ss c a l e t h ea f f e c t i o no ft h em i n e r a la r e as t r u c t u r et 0t h el a n dc o i i a p s ea p p e a r sl n f a u l t sbr o k e nt h ei n t e g r i t yo fo v e r l y i n gr o c ko ft h ee m p t ya r e aa n dl o w e r e dt h e v 昆明理工大学硕士学位论文 r o c kb e a r i n gc a p a c i t y ，t h es m a l ls c a l ep l a i tw i t h i nt h eg r e e ns c h i s tm a k e sr o c k d i s t o r t ，a n db r o k e nr o c kt op i e c e s s oi tr e d u c e st h er o c k sp h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so b v i o u s l y a m o n gt h ef i v ee n g i n e e r i n gg e o l o g yr o c ks e t s ，t h eg r e a t e s ti n f l u e n c e0 n t h el a n dc o l l a p s ei ss c ，w h i c hi sn o to n l yt h el a y e rt h em i n ew i t h i ni t b u ta l s o w h i c hi st h es u r r o u n d i n gr o c k a m o n gt h e mc a r b o ns c h i s ti sb r o k e n 。f i s s u r e w e l l d e v e l o p m e n t 1 0 wi n t e n s i t ya n dw h i c hw i l lb e s o f t e na n de 而a n s i o ni fi t c o n t a c tw i t hw a t e r s oi ti s n ts t a b l ea ss u r r o u n d i n gr o c k t h ei n f l u e n c eo fw e a t h e r ，h y d r o l o g yo nl a n dc o l l a p s ei st h a tw a t e rw i l l h e a v e no v e r l y i n gr o c kl o a db e c a u s eo fw a t e rg a t h e r i n gi nr a i n ys e a s o no ri c e m e l t i n ga n dt h eg a t h e r i n gw a t e rc a np e n e t r a t eu n d e r gr o u n dt om a k ec a r b o n s c h i s ts o a k e di nw a t erw h i c hw i l ll e a dt ot h er o c ks o f t e n ，e x p a n da n dl o w i n t e n s i t y i na d d i t i o n ，m i n ea r e aw e a t h e r i n gi si n t e n s i t y ，s ot h ee a r t hs ur f a c e f o r m sah u g ew e a t h e rc r u s t ，w h i c hw i l ll o wt h er o c ki n t e n s i t y o nt h eb a s eo fc l a r i f y i n gt h ec o n t r o l l i n ge l e m e n t so fl a n dc o l l a p s e ，t h i s ar t i c l e p r e d i c t st h e r o c kd e v e l o p m e n tt r e n di n g - 6 3 # e x p l o r i n gl i n e a n d a n a l y z e st h et a wo fe a r t hs u r f a c ei n0 - 9 群e x p l o r i n gl i n e a tl a s tp u t sf o r w a r d l h ep r e v e n t i o na n dt r e a t m e n lm e a s u r e st ot h ej a n dc o l l a p s e k e y w o r d ：l a n dc o l l a p s e ，c o n t r o l l i n ge l e m e n t s ，p r o b a b i l i t yi n t e g r a l ，e m p t ya r e a x i t i em o u n t a i n q i n g h a i 昆明理工大学硕士学位论文 月u舀 1 选题依据和研究意义 1 1全国范围内矿山塌陷状况 矿山开采所引起的地面塌陷是许多矿山所面临的共同问题，每年国家和地方 都要投入大量的人力和物力来治理矿山塌陷。 从全国范围来看，矿山塌陷广泛分布于我国各地的矿山及其周围地区。随着 我国采矿业的发展，尤其是在个体采矿业比较发达而法制法规不健全且执行不力 的地区，大量的个体业者进行采煤采矿活动，使得采矿引起的塌陷在各地频频发 生，几乎在全国的采煤、采矿区均有出现，黑龙江、山西、安徽、江苏、山东等 省是采空区塌陷严重发育地区 1 3 1 。据不完全统计，在全国2 0 个省区内，共发生 矿山塌陷18 0 处以上，塌陷坑超过1 5 9 5 个，塌陷面积大于1 1 5 0 k m 2 【”。 矿山开采是人类重要的一项经济活动。每年开挖到地面的煤炭、石油等能源 以及各种金属和非金属矿山已经远远超过了1 0 0 亿吨，如果再加上夹运到地面的 各种矸石、废石、天然气和数量庞大的地下水，数量就更加巨大了。矿山开采必 然留下极大的地下空间，这就是矿山塌陷的根本原因1 5 。 矿山塌陷由于其发展过程中隐蔽性及突然性，造成了多方面的危害，主要表 现在：人畜伤亡及财产损失：破坏建构筑物、公共设旆( 公路及铁路路基、 水电基础设施等) ：地质环境及生产环境平衡遭破坏( 毁坏农田、水土流失等) ； 毁坏资源( 水资源、矿产资源等) 6 1 。 1 2 锡铁山矿山地面塌陷状况 锡铁山铅锌矿山位于青海省海西蒙古藏族自治州境内，地处柴达木盆地东北 边缘。矿山自1 9 8 8 年7 月正式投产以来，经过十多年的开采。留下了大量的采 空区。据不完全统计，采空区已达3 2 0 多万m 3 f7 1 。有些采空区已与地表塌透贯 通，有些相邻的采空区逐渐连成一片；并且矿山正向深部开采，使其周围的空区 规模不断扩大。 这些空区如果长期存在，不进行处理，就有可能引发大规模的地压灾害，危 及矿山的生产安全，并且目前位于2 9 4 2 到3 0 6 2 米之间正在逐渐形成的空区会直 t 昆明理工大学硕士学位论文 接对3 0 6 2 米主要运输平巷构成威胁。因此为了矿山的可持续发展，有必要对矿 山的塌陷区进行研究。 为了更好地采取防治措施，首先应必须了解塌陷区的形成机理，然后才能在 此基础上，预测塌陷区今后的发展趋势并提出治理措施，因此，本文选题为锡 铁山矿山地面塌陷控制因素及其地表稳定性分析。 2 工作概况 2 1 准备工作阶段( 2 0 0 3 3 2 0 0 3 12 ) 1 、到矿山进行野外进行实地调研，并收集前人己做过相关工作的一些资料。 2 、通过在昆明理工大学图书馆、国土资源工程学院资料室查阅了国内外近 二十年来的相关文献资料，为顺利完成课题研究做好充分的前期准备工作。 2 2 室内研究工作及论文编写( 2 0 0 3 12 2 0 0 5 2 ) 由于锡铁山铅锌矿山开采年代久，空区规模大，塌陷区分布范围广，所处地 质构造复杂，地表及岩体变形监测资料缺乏，加上前人对金属矿山相关研究成果 甚少，所以本论文研究塌陷区的机理和地表移动变形区具有一定的难度。 但通过李峰教授现场和室内的指导，并结合李峰教授此前所做过的与矿山有 关的一些课题，了解了塌陷区的地层分布、地质构造及影响塌陷的内因和外因， 分析并预测了塌陷区和地表移动变形区的地表移动变化规律及其发展趋势，最后 针对矿山的实际情况提出了防治建议。 n 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：；钆砂中 日 期：斯酉年；月7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、迭交论文的复印件，允许论文被查阕，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名： 日 期： 注：此页放在封面后，目录前。 论文作者签名：! 匿量：垒 2 丝! 生月! z 旦 昆明理工大学硕士学位论文 第一章地面塌陷研究现状及展望 1 1 地面塌陷研究发展历史 自18 2 0 年人类开始了对矿山塌陷的研究，其历史大致可分为三个阶段【8 ： ( 1 ) 18 0 0 1 9 0 0 年间的肉眼观察和理论探索期； ( 2 ) 1 9 0 0 1 9 4 0 年间的简单测量和推导经验公式时期； ( 3 ) 1 9 4 0 一现在，对地面下沉做精确测量、预报及建立物理模型的研究时期。 地表开采塌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、18 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1 9 。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【l ”。 对法线理论，比利时人狄芒认为只适用于倾角小于6 8 。矿层，18 7 6 年德国 零依琴斯凯提出了“二等分线理论”。为试用统一模式去描述采矿地面沉陷， 18 8 2 年耳西哈教授又发展了“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，范围为5 4 。8 4 。p h 3 。 1 8 8 5 年，法国人约法尔( f a y 0 1 ) 利用模型研究，提出了开采抗陷的“拱形 理论”1 1 4 。1 8 8 5 年1 8 9 7 年，豪斯( h a u s s e ) 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3 0 5 0 倍，其上方为弯曲带f ”】。 进入二十世纪后，门者尔观测到水平移动和变形 16 i ，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 7 l 。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一克诺特理 论【埔】。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 1 9 - 2 0 。 1 。2 目前研究地面塌陷的基本理论 目前。国内外研究地面塌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、典型盐线法。 1 、随机介质理论 随机介质理论是李特维尼早教授1 9 5 6 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场可用随机过程的柯尔莫哥洛夫方程 式表示1 2 1 1 。由于这一理论能够懈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、刘宝琛院士、廖国华院士、周国铨教授等 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 2 2 1 。 2 、弹塑性理论 阿维尔申( 前苏联) 曾用应用弹塑性理论研究地表移动，沙鸟斯托维奇( 波 兰) ，库玛尔( 印度) 昝人据弹性理论认为下沉盆：| 氇剖面类似于粱或扳的弯曲【2 3 1 。 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2 4 1 。 3 、几何理论 几何理论创始于2 0 世纪2 0 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 9 5 0 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 2 5 2 6 。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。 此方法的特点是在计算她表各变形量过程中爨要先确定四个基本参数：水 平移动系数b 、最大下沉系数、地表最大下沉值w 。地表最大水平移动值u 。 然后运用概率积分法中的皮尔森m 型函数计算地表点下沉、倾斜、曲率以及地 表点水平移动与水平变形量f 2 。 此方法的优点是由于用高斯曲线作为开采的连续影响曲线而使几何理论更 2 昆明理工大学硕士学位论文 加严密和符合实际，另外根据我国以往使用结果表明，此方法适用于计算金属矿 山的地表移动变化规律，即使在矿体倾角很大的情况下，也能比较准确地模拟出 地表移动变化规律1 2 8 1 。但缺点是计算的结果准确程度依赖于参数的选取，虽然 参数的确定可以部分借鉴于经验值，但与实际情况有所出入，因此在实际研究当 中，需要依赖于实地观测值，要对所建立的数学模型不断地进行修正，改进参数， 从而最终获得矿山本身的地表移动与变形的基本规律。 锡铁山矿山属于金属矿山，矿体倾角较大，塌陷区地表移动变形监测数据 缺乏，因此本文利用此方法计算塌陷区地表移动变形规律。 4 、典型曲线法 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 2 9 1 。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。1 9 7 5 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1 3 0 。 1 3 地面塌陷研究发展趋势 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，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。 1 3 1 研究方法 ( 1 ) 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【3 1 32 1 。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。 ( 2 ) 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s a p 系列、n o n s a p 和n a s t r a n 等；边界元程序有 t w o f s 、t w o d d 等；离散元程序有u d e c 、m d e c 和3 d e c 等。此外，还有离 散元和边界元耦合的h y d e b e 程序等1 3 3 3 5 。在地质模型及岩体力学参数选择恰 当的情况下，数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。 1 3 2 研究理论 ( 1 ) 几何理论研究地表移动获得进展。在分析覆岩破坏大量实测资料的基 础上，我国采矿界又有人提出了地表变形的形态与覆岩破坏的形态相关的论点。 据此，将所采煤层覆岩的垮落空间形态概括为倒梯形( 近水平及缓斜煤层) 、偏 三角形( 倾斜煤层) 和倒三角形( 急倾斜煤层) 。然后利用等价转换原理，得出 了计算水平、缓倾斜、急倾斜、有地质构造破坏煤层及露天矿边界附近等下地表 变形的统一计算公式，从而使她表变形与覆岩变形二者有了机理上的结合【9 j 。经 应用，上述各种情况下的地表下沉盆地形态，计算结果与实测结果吻合，可以满 足工程应用要求。 ( 2 ) 特殊地质采矿条件下的地表变形规律取得了明显进展。正常地质采矿 条件下的地表移动计算方法在我国已经比较成熟。应用较多的计算方法有概率积 分法、负指数函数法、典型曲线法及威布尔函数法。在特殊地质采矿条件下，例 如山区地表移动、基岩直接出露地区的地表移动、深部开采的地表移动及厚冲积 层覆盖地区的地表移动等，通过对典型条件下的现场实测和理论研究，也取得了 有应用价值的初步成果【37 1 。特别是在条带开采沉陷方面，对正常地质采矿条件 下的正规条带下的正规条带开采和复杂地质采矿条件下的非正规条带开采，以及 不同采深条件下的大、中、小条带开采方法，都做了不同程序的研究，提出了托 板理论计算方法及正规、非正规条带开采的地表下沉系数计算确定方法，并在生 产中得到应用，取得了较好的效果【3 引。 ( 3 ) 覆岩破坏规律研究得到进一步的深化。覆岩破坏在过去研究成果的基 础上，又在以下方法取得进展；一是对分层开采与整层一次采全高的覆岩破坏规 律有了新的研究：二是对“两带”内部及外部岩层的离层现象进行研究1 3 9 。不 仅获得了采高对顶、底板破坏作用的新认识，而且已将离层裂缝的控制作为地表 沉降控制新的措施，在实践中取得成功并产生了良好的效益。 ( 4 ) 初步建立了底板岩体运动的力学概念与计算方法。由于煤矿生产的需 要，近年来对开采引起的煤层底板岩体中的应力应变及变形规律进行了大量的现 场实测与理论研究工作，获得了底板应力变化、位移与破坏特征及其最大深度和 昆明理工大学硕士学位论文 分布形态等方面的数据，而采用弹性薄板等方法计算得出的破坏深度与实测结果 接近，数值计算方法在底板采动影响研究中也取得相应结果【4 。 ( 5 ) 岩梁理论。目前，研究较多、较广泛的是以波兰学者萨武斯托维奇及 m 胡戴克为代表岩梁理论继续深入研究，他们认为岩体由各向同性弹性介质组 成，通过研究其所定义的宏观岩梁的应力应变规律来分析覆岩及地表的移动变形 【4 1 1 。这种弹性岩梁理论仍有其局限性，即仅从二维空间的角度去研究问题，且 岩梁的各种边界约束模式未能探讨清楚【4 引。 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【43 1 。 1 4 锡铁山铅锌矿采空区研究进展 1 4 1 矿山现状 虽然矿山建设投产时间较早，但由于空区形成后，金属矿山地面塌陷具有 一定滞后性，所以以前矿山管理部门并没有对采空区所引发的地面塌陷问题引起 足够的重视，只是在近几年由于矿山地面塌陷现象比较严重，已对矿山的生产安 全和深部采矿造成影响，才对采空区所诱发的问题的展开研究。 目前锡铁山矿山采空区体积已达3 2 0 多万m 3 ，有些采空区已与地表塌透， 有些相邻的采空区逐渐连在一片，此外，还存在一定数量的孤立、边缘的盲空区。 1 4 ，2 前人已做相关工作及存在问题 2 0 0 2 年由湖南有色地质勘查局二一七队完成的青海省海西州大柴旦锡铁山 铅锌矿水文地质、工程地质和环境地质勘查。此次勘查对区域气象、水文、地震、 岩体的工程地质特征做了详细研究。 2 0 0 2 年由中南工大对锡铁山铅锌矿空区处理展开了研究，此项工作对矿山 塌陷区现状、采空区规模做出了分析，并提出了治理措施。 虽然矿山针对塌陷做过这些相关工作，但也存在一些问题：没有对影响塌 陷的控制因素进行分析，缺乏地表和岩层移动变形监测数据，没有分析塌陷区今 后的发展趋势。 要治理一个矿山塌陷，酋先需要从根本上了解塌陷的形成机理，然后在此 基础上，针对矿山现状，采用适宜的理论和方法，建立模型，分析地表和岩层的 移动变化规律，预测其今后的变化趋势。 但研究地面塌陷的过程是一个复杂的过程，其中涉及到构造作用、地层岩 性及其物理力学性质、地表水和地下水的作用、采空区的形状及规模、岩体的应 力变化，需要理论、经验支持和现场的勘测以及长期的观测资料。在我国，地面 塌陷研究起步较晚，并且所形成的理论和积累的经验主要是从煤矿当中获得的， 其实用性在金属矿产中还有一定的不足。 锡铁山矿山是一座金属矿山，构造复杂，空区规模大、形状不规则，对地 表变形的动态观测资料缺乏。因此研究矿山的塌陷的成因及地表的移动变化规律 具有一定的难度。 1 4 3 本文针对性 本文针对矿山的现状和目前存在的问题，根据野外现场勘察和所收集的资 料，分析影响塌陷的控制因素和以及塌陷区今后发展趋势和地表移动变形区的移 动变形规律，最后提出治理措施。 昆明理工大学硕士学位论文 2 ，1 自然地理概况 第二章矿区地质背景 西北矿业股份有限公司锡铁山铅锌矿位于青海省海西蒙古藏族自治州境内 地位位置在柴达木盆地东北边缘，地理坐标：东经9 5 。1 27 ，北纬3 7 。2 0 ， 面积9 9 平方公里( 见图2 1 ) 。 锡铁山 铅锌矿床位 于柴达木盆 地北缘的隆 起带中，矿 区位于 n w s e 分布 的山脉中， 南侧是戈壁 滩，海拔标 高3 0 0 0 3 5 0 0 米。该 隆起带由一 系列西南 “m d“时，删 重芒 捌 交通位置图 毋。巷 榭 0m l 血- _ j 馨 尔曩 禁、 。 螂簦蔓上又”。 7 “ 厂一、厂谳旷一，彳 凳r ? 麓z 太 盆 一r m l d ：1 彤t * 蕊舢r _ 一t 葛磊j 签 p a 矗 图2 1 青海省锡铁山铅锌矿山交通位置图 东方向分布的中低山脉组戒。延绵数十公里，海拔标高为3 1 0 0 3 7 0 0 米。地形 总的趋势是由西北东南方向倾斜，海拔标高由3 5 0 0 米降至3 1 0 0 。 矿区地处青藏高原腹地，具有典型的高原大陆气候特点：空气干燥，风丈雨 少，冰冻期长，高寒缺氧。此外，缺氧亦是该地区的一个突出特点，大气含氧量 仅为海平面的7 4 。 2 2 矿山概况 锡铁山铅锌矿体主要赋存于下盘大理岩( 硬度系数为6 8 ，体重为2 5 4 吨 米3 ) 和上盘绿泥石片岩( 硬度系数5 ，体重2 3 吨米3 ) 的接触部位。矿体以 昆明理工大学硕士学位论文 第二章矿区地质背景 2 1 自然地理概况 西北矿业股份有限公司锡铁山错锌矿位于青海省海西蒙古藏援自泊州境内 地位位置在柴达木盆地东北边缘，地理坐标：东经9 5 。1 2 ，北纬3 7 。2 0 ， 面积9 9 平方公里( 见图z 1 ) 。 锡铁山 铅锌矿床位 于柴达木盆 地北缘的隆 起带中，矿 区位于 n ws e 分布 的山脉中， 南侧是戈壁 滩，海拔标 高3 0 0 0 3 5 0 0 米。该 隆起带由一 蔗捌交通位置图 。蛰了 t ” 一弋 n # “譬r * 9 上， 删b “!”f 广孓一m i_ 女l ，“ 厂1 、厂魏矿一，、i o l r 、气r ? ：。f 柬 盏 _ ， z 濞 i l 系列西南图2 1 青海省锡铁山铅锌矿山交通位置图 东方向分布的中低山脉组成，延绵数十公里，海拔标高为3 1 0 0 3 7 0 0 米。地形 总的趋势是由西北东南方向倾斜，海拔标高由3 5 0 0 米降至3 1 0 0 。 矿区地处青藏高原腹地，具有典型的高原大陆气候特点：空气干燥，风丈雨 少，冰冻期长，高寒缺氧。此外，缺氧亦是该地区的一个突出特点，大气含氧量 仅为海平面的7 4 。 2 2 矿山概况 锡铁山铅锌矿体主要赋存于下盘大理岩( 硬度系数为6 8 ，体重为2 5 4 吨 米3 ) 和上盘绿泥石片岩( 硬度系数5 ，体重2 3 吨米3 ) 的接触部位。矿体以 米3 ) 和上盘绿泥石片岩( 硬度系数5 ，体重2 3 吨米3 ) 的接触部位。矿体以 昆明理工大学硕士学位论文 似层状、透镜状、脉状为主( 硬度系数为6 8 ，体重为3 5 9 吨米3 ) 。矿体和 近矿围央的总体产状与区域构造一致，走向n w - s e ，倾向s w ，倾角6 5 7 5 。矿 体规模中等偏小。矿区内在1 3 线、3 5 线和4 5 线有几个较大的横向断层，属成 矿后期断层，断层走向n e s e ，倾向s e ，倾角6 5 。左右，对矿体有较大的改造 作用。 矿山3 0 6 2 中段以上采用平硐溜井开拓，3 0 6 2 中段以下采用盲竖井开拓。目 前矿山各中段基本形成了上下盘脉外平巷与穿脉组成的环行运输方式。其中， 3 0 6 2 上下各中段矿石和废石通过7 吨架线式电机车牵引2 m 3 侧卸式矿车分别经本 中段运输巷道至2 # ( 3 # ) 、2 # 溜井或运往井底车场利用4 # 罐笼提升到3 0 6 2 水平， 再由1 4 吨电动车牵引4 m 3 或2 m 3 侧卸矿车以3 0 6 2 主平硐运往选厂或废石堆场。 3 0 6 2 中段矿山在采场放矿口装车后，直接运往选厂。 矿山自1 9 8 7 年投入生产1 5 年以来，按自上至下、从两翼向中间推进总体回 采顺序，分别对3 2 8 2 、3 2 2 2 、3 1 4 2 、3 0 6 2 、3 0 0 2 米中段矿体进行了回采，1 5 年 间累计采矿量1 0 1 8 4 5 万吨，出矿量1 1 4 5 5 5 万吨，共产出铅、锌金属量9 8 3 万吨。 截至2 0 0 1 年底，矿山3 2 8 2 米中段矿体的回采工作已经全部结束，3 2 2 2 米 中段仅剩2 6 2 万吨底柱矿量( 分布在1 7 1 9 线e 6 、7 采场) 目前尚未回采外， 其余地段已回采完毕，现正在进行3 1 4 2 、3 0 6 2 、3 0 0 2 米中段矿体的回采【“】。 2 3 区域地质背景 2 3 1 矿区主要地层岩性特征 锡铁山铅锌矿床位予柴达木盆地北缘。该地区出露地层由老至新为：下元古 界达肯大板群( p t 。d k ) ，上奥陶统滩间山群( o 。t n ) ，上泥盆阿木尼克组( d 3 a ) ， 下石炭统城墙沟组( c 。) 。由于构造推覆挤压作用，使元古界地层不整合于上奥 陶统滩间山群( 0 ；t n ) 之上，而上奥陶统滩间山群( 0 3 t n ) 则与上泥盆统阿木尼 克组( d3 a ) 呈平行不整合接触。本区南西侧为柴达木盆地北缘，断续分布有第 三系( n ) 砖红色、黄褐色砂岩、含砾砂岩及砾岩，其次为大片第四系覆盖层”。 2 3 1 1 达肯大坂群 达肯大坂群是区域性基底岩系的组成部分，由一套深变质岩系组成，按岩性 组合可分两段：主要由灰一灰白色混合岩化自云二长片麻岩、二云二长片麻岩等 组成，夹斜长角闪片岩及黑云二长片岩等，局部见伟晶岩脉和变辉绿岩脉，根据 昆明理工大学硕士学位论文 区域地质资料，达肯大坂群中的锆石u p b 同位素年龄为2 2 0 5 亿年。 达肯大坂群总体走向北西一南东，较稳定，但沿走向地层有反倾的特点，北 部以倾向南西为主，南段以倾向北东为主，倾角变化大，一般在6 5 。一8 5 。之间。 地层构造变形强烈，内部揉皱和片理化带广泛发育，并沿f 断层逆冲于滩间山 群( o ，t n ) 之上。 2 3 1 2 滩间山群 含矿岩系的上奥陶统滩间山群( o 。t n ) 为一套海相火山沉积变质岩系，是在 拉张环境下形成，区域上受古裂谷作用控制，后期则表现为强烈的构造挤压、推 覆和交形。矿区内含矿岩系呈恕谣一南东懿狭长带状出鼹，北西端在黄羊沟以话， 南东端位于泉吉河以东，出露总长约2 0 k m ，一般宽约1 1 7 k m 。在铁锡山沟至 中间沟一带最宽约2 4 k m ，但在黄羊沟附近和绿石岗以东，出弦宽仅1 0 0 2 0 0 m 左右。前人投入了大量卓有成就的研究，但在基础地质方面对其进一步划分意见 不一，已有多种地层划分方案。西部矿业公司邓吉牛( 1 9 9 8 ) 通过对锡铁山矿区 构造和成矿规律系统研究后，提出锡铁山沟一带存在倒转向斜，主矿体及其s w 侧为向斜的倒转翼。李峰教授通过对锡铁山沟实测剖面、大量钻孔岩性剖面的观 察研究，按倒转层序的思路和火山作用、岩性组合、沉积环境等特征，初步将滩 间山群自下而上划分为三个岩性组： ( 1 ) 第一岩性组( o 。t n ) ：是一套原岩以基性熔岩、凝灰岩为主，夹中性火 山岩和薄层大理岩的火山一沉积岩系。地表出露的主要岩性为灰绿色绿泥石英片 岩、绿泥片岩、绿泥绿帘斜长片岩夹浅灰色条带状大理岩或白色薄层大理岩。在 锡铁山沟原0 3 t n “1 中可见部分变玄武岩、变安山岩。原o 。t n 5 岩性段中见有部分 细脉浸染状一似层状的铅锌黄铁矿体矿伴，局部有含铜石英脉，是矿区次要含矿 层。厚度3 3 一1 5 0 m ( 未觅顶底 。 ( 2 ) 第二岩性段( o ，t n 2 ) ：按岩性组合，又可分为上、中、下三亚段： 下亚段( 0 3 t n ”) ：是一套原岩以中基性一中酸性火山岩为主，夹少量薄层大 理岩的火山一沉积岩系。主要岩性组合有：灰绿色绿泥斜长片岩、浅灰色变英安 流纹岩、变流纹岩、变英安流纹质( 晶屑、岩屑) 凝灰岩夹绿泥片岩、薄层大理 岩等，厚约2 0 - 1 0 4 m 。 据锡铁山矿段钻孔揭露资料综合整理，在3 l 线以西，中酸性火山岩厚度明 显增厚( 图2 - 1 ) ，说明在锡铁山沟7 1 线附近存在火山穹隆。在矿体厚大的地段， 该岩性层的硅化蚀变极为强烈，甚至形成厚大的热液蚀变型石英岩( 如 昆明理工大学硕士学位论文 z k 4 4 1 3 1 5 、z k 4 4 3 1 1 5 、z k 4 4 3 3 1 4 等) ，隐爆角砾岩也较发育，具典型的矿下 蚀变带特征。 中亚段( 03 t n ”2 ) ：是一套较典型的浅海相沉积岩系。在锡铁山沟主要为灰白 色中厚层状大理岩、灰黑色炭质( 或含炭) 绿泥片岩、含炭绢云石英片岩夹灰白 色条带状硅质岩、细粒石膏岩、纹层状石膏一菱铁矿岩、菱锰矿岩等热水沉积岩。 在断层沟一带大理岩仅以薄夹层形式出现，主要出现灰黑色含炭绢云绿泥石英片 岩、褐铁矿化绢云石英片岩等。该岩性层是矿区最主要的赋矿层位。厚3 2 1 1 6 m 。 上亚段( o ，t n ”3 ) ：主要岩性为灰黄一黄褐色绢云石英片岩、绢云绿泥石英片 岩夹变余细一粉砂岩、薄层钙质片岩及大理岩，厚1 9 - 8 5 m 。在锡铁山沟矿段，钻 孔揭露的该岩性层主要为灰一灰黑色含炭绿泥片岩、绿泥绢云石英片岩夹大理岩 ( 图2 一1 ) 。 ( 3 ) 第三岩性段( 0 。t n 3 ) ：该套地层在锡铁山沟一带出露最全，为一套山间 盆地陆源碎屑岩建造，变质程度较低。大体可分两部分：中下部由紫红色细粒硬 砂岩、粉砂岩及砂质泥岩组成；上部由紫红色砾岩、砂砾岩夹砂质泥岩组成。其 中砾岩呈厚层状，砾石成分主要以绿泥石英片岩岩屑、凝灰质岩屑和石英岩( 或 石英脉) 角砾为主，并可见一定量的大理岩角砾，绿片岩角砾呈棱角状，大理岩 和硅质岩屑有一定的磨圆度。 2 3 1 。3 上泥盆统阿本尼克组( d 3 a ) 主要分布