（地质工程专业论文）基于gis的矿山地质灾害治理辅助设计方法研究.pdf

摘要 摘要 中国是矿产资源大国和矿业大国，矿产资源开发所引起的矿山地质灾害已经给 矿区及矿山企业造成了巨大的经济损失，也严重制约了矿山的可持续发展。因此， 采用合理的技术手段对矿山开采引发的地质灾害进行治理设计，恢复矿山的生态环 境，具有非常重要的现实意义。 随着g i s 技术的飞速发展，其在矿山环境治理恢复中的应用正在逐步深入。利 用g i s 所提供的三维可视化功能，建立起矿山治理恢复后的具有真实感的三维景观 模型，使得规划效果形象、直观。本论文针对以往对矿山地质灾害治理设计工具比 较落后的问题，采用先进的地理信息系统软件- - a r c v i e w ，并结合其自身所带的编 程语言a v e n u e 建立了矿山地质灾害治理设计规划平台，在此平台上实现了以下功 能：( 1 ) 完成了矿山环境的数据库设计，实现了属性数据与空间数据的自动链接以 及数据的存储、查询功能等；( 2 ) 实现了矿山地质灾害的综合治理设计，如采空塌 陷区的回填、削坡设计、修渠设计、建坝设计及矿山绿化设计等，并实现了自动计 算土石方量的功能；( 3 ) 实现了矿山地质灾害治理后矿山环境的三维可视化，使治 理后的矿山效果图显得更加形象、直观。 论文研究成果对于矿山环境的治理规划设计方法选择具有指导意义 图3 4 个，表6 个，参考文献6 2 个 关键词：矿山；地质灾害；a r c v i e w ：治理设计 分类号：( t d l 6 7 ) 河北理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t c h i n aw a st h em i n e r a lr e s o u r c eg r e a tn a t i o na n dt h em i n i n gi n d u s t r yg r e a tn a t i o n ，t h e m i n eg e o l o g yd i s a s t e rw h i c ht h em i n e r a lr e s o u r c ed e v e l o p m e n tc a u s e da l r e a d yh a sc r e a t e d t h eh u g ce c o n o m i cl o s st ot h em i n i n ga r e aa n dt h em i n ee n t e r p r i s e ，i ta l s oh a sr e s t r i c t e dt h e m i n es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts e r i o u s l y t h e r e f o r e ，u s i n gt h er e a s o n a b l et e c h n i c a lm e t h o d c a r r yo nt h eg o v e r n m e n td e s i g nt ot h em i n eg e o l o g i c a ld i s a s t e ra n dr e s t o r et h em i n et h e e c o l o g i c a le n v i r o n m e n th a se x t r e m e l yv i t a lp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e w i t ht h eg i st e c h n o l o g yr a p i dd e v e l o p m e n t ，i ti sg o i n gd e e pi n t og r a d u a l l yi nt h e m i n ee n v i r o n m e n tg o v e r n m e n ta p p l i c a t i o n w i t hg i sp r o v i d i n gt h et h r e ed i m e n s i o n a l v i s u a l i z a t i o nf u n c t i o nt oe s t a b l i s h et h et h i r dd i m e n s i o nt h r e ed i m e u s i o n a ll a n d s c a p em o d e l w h i c ht h em i n er e s t o r e sm a k e st h ep l a nv i s u a la n di n t u i t i o n i s t i c t h ep r e s e n t p a p e r i nv i e w o ff o r m e r l yg o v e m e dt h ed e s i g nt o o lq u i t eb a c k w a r dq u e s t i o nt ot h em i n eg e o l o g yd i s a s t e r , u s e da d v a n c e d g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e ms o f t w a r e - a r c v i e w , a n du n i f i e d p r o g r a m m i n gl a n g u a g ea v e n u ew h i c hi t so w nb r o u g h tt oe s t a b l i s hag o v e r n m e n td e s i g n p l a t f o r mo fm i n eg e o l o g yd i s a s t e r , w i t ht h i sp l a t f o r mh a sr e a l i z e df o l l o w i n gf u n c t i o n ：( 1 ) h a sc o m p l e t e dt h em i n ee n v i r o n m e n td a t a b a s ed e s i g n , h a sr e a l i z e dt h ea t t r i b u t ed a t aa n d t h es p a t i a ld a t aa u t o m a t i cl i n ka sw e l la st h ed a t am e m o r y , t h ei n q u i r yf u n c t i o na n ds oo i l ( 2 ) h a sr e a l i z e dc o m p r e h e n s i v ed e s i g nt h em i n eg e o l o g yd i s a s t e r , l i k eb a c k f i l lo fc o l l a p s e a r e a , d e s i g no ft r u n c a t i n gs l o p e , d e s i g no fd i g g i n gd i t c h e s ，d e s i g no fc o n s t r u c t i n gd a ma n d t h em i n ea f f o r e s t a t i o nd e s i g na n ds oo n , a n dh a sr e a l i z e dt h ea u t o m a t i cc o m p u t a t i o nc u b i c m e t e ro fe a r t ha n ds t o n eq u a n t i t yf u n c t i o n ( 3 ) h a sr e a l i z e dt h em i n eg e o l o g yd i s a s t e rt o g o v e r nt h em i n ee n v i r o n m e n tt h r e ed i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o n ，m a k e st h eg o v e r n m e n t m i n ee f f e c tc h a r tv i s n a la n di n t u i t i o n i s t i c t h ep a p e rr e s e a r c hr e s u l t sh a v eg u i d i n gs e n s e r e g a r d i n gt h em i n ee n v i r o n m e n t g o v e r n m e n tp l a nd e s i g nm e t h o dc h o i c e f i g u r e3 4 ，t a b l e6 ，r e f e r e n c e6 2 k e yw o r d s ：m i n i n g ，g e o l o g i c a ld i s a s t e r ，a r c v i e w ，g o v e r n m e n ta n dd e s i g n c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：c r d l 6 7 ) n 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：乌扯日期：正年皇月型日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名： 豸q 盘导师签名：主1 1 蔓聋 日期：立年卫月型日 引言 引言 矿山地质灾害是指由于矿山生产活动而造成的对地质环境的作用，使矿山地区 地质环境发生变异，而产生的影响人类正常生活和生产的灾害性地质事件。我国矿 山地质灾害十分严重，常见的有采空区塌陷、崩塌，滑坡、泥石流、矿井突水、岩 溶塌陷、水土流失及水土污染等。由于矿山面临的诸多地质灾害，不仅给矿山企业 造成巨大的经济损失，而且严重制约着矿山的可持续发展。因此，采取合理而有效 的措施对矿山地质灾害进行治理规划具有非常重要的现实意义。 目前，许多国家都将矿山环境恢复治理工作纳入了法规和计划，这不得不迫使 人们对矿山地质灾害予以高度的重视与关注。2 0 0 1 年起，国家开始推行矿山环境恢 复治理试点( 示范区项目) ，至2 0 0 4 年已启动3 批。下达3 2 0 多个矿山环境治理项 目，累计投资9 4 亿元以上。河北省3 批获得批准的矿山治理项目有1 2 个。这些项 目的治理设计工具主要采用c a d 进行，部分项目使用m a p g i s 进行绘图。使用上 述工具虽然可以基本满足要求，但不可避免存在以下缺点： 1 使用c a d 或m a p g i s 只是代替过去手工绘图，不能建立空间数据库，将属 性数据与空间数据自动连接，不能将有关的位置和高程数据等自动成图，不能进行 数据的存储、查询等功能。这样的缺陷不利于信息的管理。 2 缺乏数据的空间分析功能。过去的设计对于塌陷的填方量、削坡的土石量、 渠道及道路的长度、溢洪坝的用料计算等都不能自动计算，必须采用手工在图上的 量测并经过比例尺的换算等才能获得这样既费时又计算不准确。 3 使用c a d 绘制的治理规划图是二维的符号图，不能将矿山治理后的三维效 果直观的显示出来。 为了摆脱以上不足，实现矿山数据直观、侠捷的获取，方便数据与矿山三维模 型视景的统一管理，本课题是把g i s 技术应用到矿山环境治理规划的研究中，在研 究矿山地质灾害的基础上，采用g i s 技术建立地理信息系统基础平台，在此平台上 利用现有的信息化进程进行矿山地质灾害的现状分析和治理后矿山环境的三维显 示这不仅会给用户提供一个清晰的视景以便对矿山地质灾害进行及时的防治，同 时也为矿山环境整体规划提供了便捷的手段。 河北理工人学硕十学位论文 1 文献综述 g i s 始于六、七十年代的加拿大与美国，1 9 7 2 年加拿大土地调查局建立的加拿 大地理信息系统全面投入使用，成为世界上第一个运行的地理信息系统，此后，美 国、加拿大、英国、澳大利亚都相继投入了大量的人力、物力和财力，并确立了他 们在这一领域的领先地位。年代末以来，特别是随着计算机技术的飞速发展，地 理信息的处理分析手段日趋先进，g i s 技术日趋成熟，已广泛的应用于环境、资 源、石油，电力、土地、交通、公安、急救、航空、市政管理、城市规划、经济咨 询、灾害损失预测、投资评价、政府管理和军事等与地理相关的几乎所有领域【1 1 。 1 1 国内外将g i s 技术应用于地质灾害中的研究现状 1 1 1 国外研究现状 国外尤其发达国家，对g i s 应用于地质灾害研究已做了很多工作。从2 0 世纪 年代至今，g 1 s 技术的应用已从数据管理、多源数据集数字化输入和绘图输出，到 数字高程模( d e m ) 或数字地形模型( d t m ) 的使用、g i s 结合灾害评价模型的扩 展分析、g i s 与决策支持系统( d s s ) 的集成、g i s 虚拟现实技术的应用等如表1 所 示阁。 在诸多的工作中，以下项目是具有代表性的研究： 印度r o o r k e e 大学地球科学系的r p g u p t a 和b c j o s h i ( 1 9 9 0 年) 用g i s 方法 对喜马拉雅山麓的r a m g a n g ac a t c h m e n t 地区进行滑坡灾害危险性分带 3 1 。该项研究 基于多源数据集，如航空像片、磁带数据、图像、假彩色合成图像及各种野外数 据，包括地质、构造、地形、土地利用及滑坡分布。以上数据需要进行数字处理、 图像处理等处理，然后解译绘制出地质图( 岩性与构造) 、滑坡分布图、土地利用 图等专题平面图。这些数字化图件及属性数据都存储在g i s 系统中，找出与滑坡灾 害评价相关的因素，利用g i s 的存储、更新、网格化、空间叠加功能，得到一张综 合图件，图上反映的是每个地区的权重总和。根据标准，即可在这张图上绘出滑坡 灾害危险性分区图。 美国科罗拉多州立大学m a r i om e j i a n a y 和e l l e ne w o l d ( 1 9 9 4 年) 在哥伦比亚 的卖德林地区用g i s 进行地质灾害和风险评估【4 1 。利用g i s 对卖德林地区地质灾害 进行了分析和研究，重点考虑了基岩和地表地质条件、构造地质条件、气候、地 2 1 文献综述 形、地貌单元及其形成作用、土地利用和水文条件等因素；根据个因素的组成成分 和灾害之间的对应关系，把每一种因素细分为不同范畴等级，借助于g i s 软僻 g r a s s 的空间信息存储、缓冲区分析、d e m 模型及叠加分析等功能，对有关渭 坡，洪水和河岸侵蚀等倾向地区进行了灾害分析，并对某一具体事件构成因素的脆 弱性进行了评价。 表1 国外g 1 s 在地质环境研究中的典型应用 t a b l e1 t y p i c a ia p p l i c a t i o n o f g i s f o r g e o l o g i c a lr e s e a r c h i n g i n f o r e i g nc o u n t r y 国家研究内容 1 9 8 6 年美国 1 9 9 0 年印度 1 9 9 0 年荷兰，哥伦比亚 1 9 9 1 年美国 1 9 9 1 年意大利 1 9 9 3 年加拿大，美国 1 9 9 6 年美国 1 9 9 7 年加拿大 1 9 9 8 年美国 1 9 9 9 年印度 2 0 0 0 年加拿大 2 0 0 3 年印度 利用o l s 技术的数据管理功能评价工程数据并分析滑坡灾害 用g i s 的空间叠加和面积量算功能对喜马拉雅山麓的 r a m g a n g a c a t c h m e n t 地区进行滑坡灾害危险性分带 引入数字高稃模型( d e m ) 利用o l s 的空间定付和空间数据库管 理功能开发了斜坡稳定性分析模型，山区落钿滚落速率计算模型。 利用g i s 的空阃分析功能对滑坡灾害进行空间预测 利用g i s 空问分析模型结合统计模型，进行滑坡灾害评价 将g i s 应用于滑坡灾害分区的多因素综合分析中在哥伦比亚的麦 德林地区，用g i s 进行地质灾害和风险评估并进行灾害分区 运用g 1 s 及t 稃数学模砸建立了自然灾害及风险评估的决策支持 系统，并应用在克罗拉多州的o l e n w o o d s p r i n g s 地区 基于g i s 的模糊分类方法及可视化技术，虚拟真实再现斜坡形态 运用o l s 和m a na b 程序对新场地进行风险评价和分析在p u e r t o r i c o 运作f 的美国地质调查( u s g s ) 完成繁杂的数据运算。 运用g i s 在a r e l n f o 的番加，可视化和层次分析法，主因子分析法 相结合，分析绘制了p i t h o r a g a r hu p 地区的滑坡图 基于g i s ，m 信息和二进位的地图绘制，认识魁北克的c h a r l e v o i x 的地质区域断陷线和构造。 利用遥感收集的数据，基于g i s 的模型确定印度地表水和地下水 的适用性。 同样是美国科罗拉多州立大学m a r i om e j i a n a v 博士后等人( 1 9 9 6 年) 将g i s 技术与决策支持系统( d s s ) 结合，利用g i s ( 主要是地理资源分析系统g r a s s 软 件) 及工程数学模型建立了自然灾害及风险评估的决策支持系统并应用在科罗多州 的g l e n w o o ds p r i n g s 地团习。应用g i s 建立指标数据库，并建立基于g i s 的多个控 河北理上人学硕士学位论文 制变量的权重关系式。对泥石流、洪水、地面沉降、由风引起的火灾等灾害进行了 灾害敏感性分析，脆弱性分析及风险评估，辅助政府部门作出决策。 1 1 2 国内研究现状 我国利用g i s 技术开展地质灾害研究比较晚，研究程度不高。主要有： 姜云、王兰生( 1 9 9 4 年) 以重庆为典型的研究对象，对地面岩体变形破坏进行 了时空预测预报；同时，通过分析城市地质环境对土地工程利用的制约关系，运用 g i s 信息存储、查询、空间叠加运算及d e m 模型等功能，作出土地能力的定量分 级，斜坡稳定性综合评价分区图1 6 l 。 郑世书、孙亚军等( 1 9 9 4 年) 在煤矿地下开采工作面涌水预测及矿区岩溶水害 预测中应用了g i s 技术用。曹中初、孙苏南等( 1 9 9 6 年) 在煤矿底板突水危险性预 测中也应用了g i s 技术嘲。 中国矿业大学( 以下简称中国矿大) 以g 1 s 为基础，建立了的应力场分析系 统，将宏观遥感图象分析与为官应力测量相结合，并利用地理信息系统进行了多元 地学及矿山地区的综合叠加分析，以取得初步效剿9 1 。控制和反映矿山应力场的因 素很多，也十分复杂。用常规技术方法模拟应力，一般是把岩体当作均匀体来处 理。而事实上，矿山存在着各种尚未探明的小构造，使得出的应力场往往与实际情 况大相径庭。解决这一问题的办法，就是把多种影响因素综合起来进行分析，而矿 山地理信息系统则是完成这种空间分析的有力工具此外，中国矿大还在矿井三维 立体图、矿体底图底自动绘制方面取得了突出成果，其研制的矿山综合处理系统， 曾获得1 9 9 5 年煤炭部科技进步樊l q 。 西安煤田航测遥感局应用遥感和地理信息系统技术，在航空地质、测量遥感地 质等任务中取得了多项成果，效益颇佳。其中，在v a x ii 7 8 5 和m i c r ov a x ii 交 互网络支持下的g i s 系统发挥了效能【1 l l 。近年来，中国矿大在发展我国矿山地理信 息系统的技术方法和实际应用研究方面又有了新的进展，如他们利用航空和卫星遥 感图象资料，在a r c ，i n f dg i s 软件系统的支持下，完成了矿区和工业城市的土地 利用、环境生态、岩层陷落柱的探测、矿井水预测、地质构造调查等项目的研究。 取得了一些可喜的成果和经验i j 卅。 冯立品( 2 0 0 6 年) 在采矿塌陷治理设计中应用到了g i s 技术，并对治理后的塌 陷地形进行了三维显示1 1 3 1 。 4 1 文献综述 据以上资料我们可以看到，无论是国外还是国内将g i s 技术应用于地质灾害研 究都进行了大量的工作，也取的了丰硕的成果。这项技术在矿山中的应用也有了一 定的突破。但这些研究基本都是基于对矿山地质灾害进行评价、预测方面的研究， 而且研究系统的各种图件均是二维的，将g 1 s 技术应用于矿山地质灾害治理规划设 计方面的研究，并对治理后的矿山进行三维显示据所查资料表明除冯立品应用g i s 做过采空塌陷区回填方面的治理设计外，其他人并未发现，况且冯立品所做的这方 面研究虽然基本上实现了采空塌陷区回填的治理设计，但她的编程语句较繁琐，程 序运行速度慢，不宜操作人员使用。随着g i s 技术的迅猛发展，将其应用在三维可 视化方面的研究是g i s 未来发展的趋势。本课题就是在系统分析了矿山地质灾害的 基础上，采用g i s 技术对矿山地质灾害进行治理规划，并对治理后的矿山环境进行 三维显示，它不仅对冯立品所做的研究进行了完善，而且还实现了应用g i s 技术对 矿山环境治理设计功能的强大扩展。 1 2 矿山地质灾害现状及其综合分析 矿产资源的开发活动是人类社会赖以生存和发展的开发活动中非常重要的组成 部分。在可预见的未来，我国9 5 的能源和8 5 原材料仍然要依靠矿产资源。因 此，矿业仍将是我国经济发展的支柱产业之一然而在大力开发矿产资源的同时砖， 带来了许多的环境地质问题，引发了许多地质灾害【1 4 1 据国土资源部地质环境司司 长姜建军博士介绍，目前我国因采矿累计侵占土地达5 8 6 万公顷，破坏森林1 0 6 万 公顷，破坏草地2 6 3 万公顷：全国因采矿引起的塌陷1 8 0 余处，塌陷坑1 6 0 0 多 个，塌陷面积1 1 5 0 平方公里i 明全国发生采矿塌陷灾害的城市近4 0 个。造成严重 破坏的2 5 个，每年因采矿地面塌陷造成的损失达4 亿元以上。采矿造成了自然地貌 景观破坏，影响了地区环境的完整性1 1 6 1 。 河北省是一个矿产资源大省，近年来随着矿产资源的大力开发，矿山环境地质 问题日见突出，成为影响生态环境的最大因素i m l 8 1 。全省因矿山开采占用土地总数 达5 8 万公顷，其中，采场占地1 6 万公顷，塌陷占地3 4 万公顷，废渣占地4 9 0 0 公顷，煤矸石堆占地6 8 0 公顷，尾矿库占地2 1 4 5 公顷，地裂缝占地2 2 7 公顷；据不 完全统计，建国以来我省发生矿山重大矿山塌陷、滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害 事件8 0 0 多起，造成1 6 0 0 多人伤亡，直接经济损失达2 0 多亿元。 因此，进行地质灾害的治理，恢复矿山的生态环境，具有非常重要的现实意 义，推行绿色矿业刻不容缓。十六届五中全会明确提出；“要加快建设资源节约 河北理1 = 大学硕士学位论文 型、环境友好型社会，大力发展循环经济，加大环境保护力度，切实保护好自然生 态，认真解决影响经济社会发展特别是严生危害人民健康的突出的环境问剐1 9 1 。” 1 2 1 矿山开采引发的主要地质灾害及其治理方案 矿山地质灾害是指由于人类采矿生产活动而引发的一种破坏地质环境、危及生 命财产安全，并带来重大经济损失的矿区灾害。它是地质灾害的一个分支，也是自 然灾害的重要组成部分。我国矿山开采过程中引发的地质灾害十分严重。并且种类 繁多，常见的有采空区塌陷、崩塌、滑坡、泥石流、水土流失等。其中采空区塌陷 在地下矿开采中比较常见，而崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害在露天矿开采中比较 常见 1 2 1 1 采空区塌陷 矿山开采引起的地面沉陷影响的范围大，对土地的破坏严重，据不完全统计， 截至2 0 0 3 年采矿破坏土地面积达4 0 0 h m 2 ，全国因采矿引起的塌陷面积1 1 5 0 多 k m 2 ，全国发生因采矿塌陷受害的城市有3 0 多个i 冽。 1 采空区塌陷的影响因素 采空区塌陷范围、幅度和塌陷的时间进程等是多种因素综合作用的结果，其制 约条件很多，主要包括两个方面：一是自然因素，即矿区地质地形条件，是自然形 成的、客观所具备的条件；二是人为因素，即开采技术条件，是人为的，并随人的 主观意志为转移。如果开采技术条件选择适当，则可以大大减轻采矿塌陷的危害程 度。 2 采空区塌陷的形成过程 当地下矿层被采出之后，采空区的顶板岩层在自身重力和其上覆岩层的压力作 用下，产生向下的弯曲和移动。当顶板岩层内部所形成的拉张应力超过该层岩层的 抗拉强度极限时，直接顶板首先发生断裂和破碎并相继冒落。接着是上覆岩层相继 向下弯曲、移动，进而发生断裂和离层。随着采矿工作面向前推进，受到采动影响 的岩层范围也不断扩大。当矿层开采的范围扩大到某一时刻，在地表就会形成一个 比采空区大得多的塌陷盆地，从而危及地表的各种建筑物和农田等。 3 采空区塌陷灾害的成因机理 采矿塌陷的过程是十分复杂的，并且涉及岩层的结构、构造、岩性、成分等许 多因素，加之现场观察和测量极为困难，矿层压力的变化和岩层的移动状况难于详 细观测，因而至今尚未形成公认的通用的采矿塌陷机理。但是几种假说( 如拱形冒 6 1 文献综述 落论和压力拱假说、悬臂粱( 板) 冒落论和冒落岩块碎胀充填论、冒落岩块铰结论 和砌体梁平衡学说等) ，可以从不同角度解释各类矿塌陷形成机制。 4 采空区塌陷的治理方案 对矿山采空区塌陷的治理法案很多，但较常用的方法是充填复垦法。这种方法 是利用矿区附近的煤矸石、粉煤灰、露天矿剥离物等可供利用的充填材料充填采空 塌陷地复田【2 1 1 。这种方法多用于有足够的充填材料且充填材料无污染，可经济有效 防护治理的地区，因其既解决了塌陷地复垦问题又解决了矿山固体废弃物的处理闯 题，所以经济效益最佳 1 2 1 2 滑坡 无论露天开采时间较长或较短，都存在一个露天矿边坡滑落的危害问题。并带 来及其严重的经济损失。1 9 9 8 年6 月2 2 日福建省福鼎矿矿山堆渣边坡失稳，致死 1 7 人、伤1 0 人。辽宁抚顺西露天采坑深3 0 0 m ，共发生滑坡印次。1 9 9 6 年箩月3 1 日和6 月3 日，云南省元阳老金山金矿群采区接连发生两次滑坡，造成近4 0 0 人死 亡，直接经济损失1 a 亿元。 1 影响滑坡的主要因素 滑坡的产生和分布与特定的自然环境和区域工程地质条件关系密切，而不同类 型的滑坡，其空间分布特点又取决于地质地貌条件和人类工程活动的方式和影响程 度，影响矿山稳定的因素很多，但以下几种因素对矿山的稳定和滑坡的产生起控制 性作用。 1 ) 不连续面在边坡破坏中的作用 许多边坡在陡坡角和几酉米高的条件下是稳定的，而许多平缓边坡高仅几十米 击破坏了，这种差异是因为岩石边坡的稳定性是随岩体中不连续面的倾角而变化 的。如果这些不连续面是直立的或水平的，就不会发生水平的滑动，如果岩体所包 含的不连续面倾向于坡面，倾角又在3 0 * 到7 酽之间，就会发生简单的滑动。 2 ) 斜坡外形的改变，引起坡体应力分布的变化 河流、水库及湖海的冲刷及淘刷，使岸坡外形发生变化。当侵蚀切露坡体底部 的软弱结构面，使坡体处于临空状态，或侵蚀切露坡体下伏软弱层的顶面时，使坡 体失去平衡，最后导致破坏。 3 ) 岩土体力学性质的改变，使坡体强度发生变化 风化作用使坡体强度减小，坡体稳定性大大降低，促进斜坡变形与破坏，坡体 岩土风化越深，斜坡稳定性越来越差，稳定坡角越小 河北理工大学硕十学位论文 4 ) 斜坡直接受各种力的作用 区域构造应力的变化、地震、爆破、地下静水压力，以及施工载荷等，都使斜 坡直接受力，对斜坡稳定的影响直接而迅速。 2 滑坡的成因机理 滑坡是斜坡岩土体在重力和水，以及其他外营利的作用下，沿某一结构软弱面 产生的一种不良地质现象阎。边坡开挖前，岩体内部应力场处于相对平衡状态，随着 露天采场开挖与延深，岩体在采场一侧出现临空状态，失去侧向支撑力，引起岩体 内部应力场不断调整与变化。在坡脚和坡顶附近可能出现应力集中区和张应力区， 岩体应力变化促使其产生新的变形。当岩体应力超过其强度时，导致岩体破坏，即 形成滑坡。由此可知，滑坡产生原因主要是岩体自重应力、构造力、渗透力和震动 力综合作用的结果。 3 滑坡的治理万法 对于滑坡的治理方法主要是采取支挡、铆固、加固边坡、改变滑体外型及疏捧 地表、地下水等措施以防治滑坡，但对及其危险的滑体，通过改变边坡形状即降低 边坡高度或放缓边坡角，消坡减载嘲，永久性地改变边坡岩体内的应力状态，这通 常是保持边坡稳定性的最简便方法。 1 2 1 3 泥石流 矿山开采中乱采滥挖，随意丢弃废土废石及植被破坏等都可能导致泥石流的发生 或加大原有泥石流的规模和暴发频掣2 哪。四川冕宁县泸沽铁矿，向盐井沟内堆放5 5 万m ? 矿渣，1 9 7 0 年5 月2 6 日发生泥石流，冲毁房屋，堵塞河沟，死亡1 0 4 人，并 威胁成昆铁路和泸沽镇的安全。 1 泥石流成因的影响因素 泥石流的形成需要三个基本因素：( 1 ) 山地河流域内，破地上或河床内有数量 足够的岩石破坏产物；( 2 ) 有数量足够的水体；( 3 ) 有切割强烈的山地地形。据 泥石流形成的三个必要条件说明，泥石流的形成主要取决于地质因素、水文地貌因 素和气象因素。然而，除此之外，还有许多因素对泥石流的形成也有一定的影响， 有时甚至取决定性的作用，这些因素有植物因素、土壤因素、土体因素、水文地质 因素和人为因素等。 2 泥石流的形成机制 矿山开采后的松散碎屑堆积物为泥石流提供了丰富的固体碎屑物源。在一定的 地形地貌条件下，特定的水动力来源则会激发山体滑坡，然后快速转化为高速流 8 1 文献综述 动。堆积物能否发生位移，决定斜坡上物体的静力平衡是否破坏，一般堆积物堆积 于斜坡上，在其自重作用下产生垂直坡面的正压力和沿斜坡向下运动的分力及下滑 起动力，由于堆积体与斜坡地面之间产生抗滑动的摩擦力，及抗滑动的抗剪强度， 有人称临界起动力。当下滑起动力小于临界起动力时，堆积物处于稳定状态，当下 滑起动力等于临界起动力时，堆积物处于临界平衡状态。当下滑起动力大于临界起 动力时，极限平衡被破坏，堆积物快速向下滑动，在暴雨的激发条件下形成泥石 流。 3 泥石流的治理方案 对于矿山泥石流的治理主要以拦挡为主，排泄疏导，即在极易发生泥石流的地 段根据地形条件，修筑拦截坝，拦淤、封固流域内大量的松散固体物质1 2 5 1 。并在合 理位置修建沟渠，使治理后的泥石流能快速流畅的撵走。 1 2 1 4 水土流失 采矿过程中大量剥离和排土，改交了岩土的结构和分布，植被受到破坏，水土 流失一般都比较严重。露天矿山的土壤侵蚀模数往往大于1 0 0 0 0 k m 2 - a 。素有“天南 铜都”之称的昆明市东川区千百年来为了采矿冶铜，挖山打洞，伐木烧炭，造成全 区水土流失面积占总面积的6 8 5 。 1 水土流失的影响因素 造成矿山水土流失的因素很多，从成因分析看，主要是自然因素和人为因素两 方面所致，自然因素是水土流失发生和发展的内在条件，人为因素是人类不合理的 生产经营活动加剧了矿山土壤的侵蚀决定水土流失的自然因素有气候、土壤、地 形、地貌、地质、植被等而造成水土流失的人为原因是由于不合理的利用矿山资 源，毁林毁草，滥垦滥牧、开荒扩种、开矿修路及不合理的弃土弃渣等。 2 水土流失的形成机制 1 ) 水利侵蚀 矿山开采过程中产生的渣、土等松散堆积物，因其结构疏松，孔隙度大，在雨 滴的打击和水流的动力作用下，渣土颗粒质量不足以抵抗水流动力而发生位移运 动，形成水土流失。 2 ) 重力侵蚀 在矿山开采中，开挖土石方及采集矿料时，改变了原有地形地貌，使原有矿山 土石结构平衡遭到破坏。有的山坡土体的休止角变大，失去原已形成的平衡支撑， 有的弃渣堆积过高，使得这些原生堆积和人为堆积物失去重力平衡，在雨水渗入后 河北理工大学硕士学位论文 加重了堆积物的自重或在堆积体上方某处形成“滑坡面”，这些都为崩塌、滑坡、 泥石流等重力侵蚀创造了条件，在温度、暴雨，水分下渗、震动及人为活动的触发 下，有可能产生坍塌、滑坡等重力侵蚀，造成水土流失。 3 水土流失的治理方案 水土保持林草措施是水土保持中关键措施之一，在治理矿山水土流失中具有举 足轻重的作用。主要是建立起防水蚀、风蚀兼顾的综合防护体系，水土保持植被建 设，包括水土保持林草、经济林、防护林、薪炭林等内容1 2 6 1 。这样，可以在一定程 度上固结矿山土壤，可以有效地防止水土的流失。 1 2 2 矿山地质灾害治理的意义 我国矿山环境所面l 临的地质灾害问题既广泛又深切，它对矿业的可持续发展带 来一系列难题，继而阻碍了矿业的进一步良性发展，对于国民经济和社会长期持续 发展，也带来一些困扰【2 7 l 。近十年来，全国煤矿瓦斯爆炸共发生2 0 0 余次，死亡 1 4 0 0 人，直接经济损失达上亿元。尤其是近几年来，由于矿山地质灾害多方面的原 因，使得其频繁发生，在人民群众中造成极坏的影响。如何迅速而且彻底地解决好 这一问题，是摆在我国矿业从业人员面前的挑战之一，我们必须从一个全新的高度 上来解决好这一问题 2 8 _ 2 9 1 。因此，采用先进的技术方法和手段研究矿山环境所面临 的诸多地质灾害，开展矿山环境治理的研究工作，掌握矿山现状和发展趋势，对灾 害进行分类，研究其防治措施，建立政府和主管部门的科学防灾决策系统，对促进 我国矿山的可持续发展以及整个国民经济的持续、稳定发展具有重要意义。 1 3g i s 技术对于矿区地质环境治理规划研究的重要意义 由于世界工业化的进程对矿物的需求量不断增加，矿山开采对环境的影响也越 来越大，因而受到人们的重视。我国1 9 7 9 年公布了环境保护法，使矿山开采对 环境的影响评价和整治工作从此进人一个新阶段。近些年来，已完成煤矿( 局) 各 类环境影响评价报告达数十个，矿山开采后的整治( 特别是造地复田、综合利用地 表塌陷区) 取得了可喜的成果。目前，矿山开采对环境的影响及其整治的研究已逐 渐成为矿区开采研究课题的重要组成部分。1 9 8 8 年1 1 月8 日，国务院发布了“土 地复垦规定”，明确规定由于开发生产资源引起的地表塌陷地，必须进行土地复 垦，即采取整治措施，使其恢复到可供利用的状态。并规定实行“谁破坏、谁复 垦”的原则，使塌陷区土地复垦工作成为矿区最重要的环境保护工作之一。土地复 1 0 1 文献综述 垦的目标是恢复利用被人类生活和生产活动所破坏的土地，消除或防治因土地破坏 带来的各种危害，力求减轻受害程度、危害范围，有效恢复土地使用价值和生产 力。矿区土地复垦需处理的数据涉及采矿、地质、地理、土壤、农林、生物、社会 经济等众多领域，具有数据信息量大、相互之间关系复杂、具有严格的时空意义等 特点。g i s 作为目前处理空m 数据最有效的工具，便成为进行矿区地质环境治理规 划研究的理想平台l a o ) 。 随着信息社会的到来及采矿技术的发展，工矿企业由于自身的特点致使信息量 急剧增加，而传统落后的信息管理模式及手段已经大大落后于社会发展的脚步，远 远不能适应新形势，而g i s 作为传统学科( 如地理学、地图学和测量学) 与现代科 学技术( 如遥感、计算机科学等) 相结合的产物，正在逐步发展成为一门处理空间 数据的现代化综合性学科【3 1 删。基于g i s 的矿区地质环境治理规划将成为恢复和重 建矿区生态系统的发展方向，该规划主要包括生态农业、生态工业、固废综合利用 业及污染防治业等几个方面。规划时充分考虑矿区内各塌陷地的特征，因地制宣、 突出特色，最终使矿区实现生态良性循环、能量流动、物质和信息畅通。以便在被 破坏的土地上建立种多层次、多结构、多功能的集约经营管理的综合农业和生产 体系，以最少的人工投人取得最大的经济、环境和社会效益。 1 4 本论文研究的主要内容 本课题所研究的内容就是以a r c v i e w 为基础平台，利用此软件的二次开发功 能，在此平台上具体实现以下设计： 一 。 1 建立一个基于a r c v i e w 的矿山地质灾害信息管理平台在此平台上建立地质 环境与地质灾害的空问数据库，实现数据的输入、输出、查询、更新、检索及保存 等。 1 ) 搜集有关矿山地质灾害的资料，建立矿山地质灾害空问数据库。 2 ) 根据已有的c a d 数据，生成数字高程模型( d e m ) ，在三维空间中显示矿 山原始地形。 2 研究基于a r c v i e w 为基础平台的矿山地质灾害治理设计方法。 1 ) 采空塌陷区的回填，并对填挖方量进行计算。 2 ) 边坡稳定性分析，对有可能发生滑坡的山体进行削坡处理。 3 ) 泥石流的拦截，在易发生泥石流的地区建坝修渠对其进行合理防治。 3 研究矿山地质灾害治理后的土地复垦方法。 河北理工大学硕士学位论文 1 ) 以a r c v i e w 为基础平台对治理后的矿山进行土地复垦，即种草绿化，营造 林木，使矿山恢复成为“绿色矿山” 2 ) 对治理后的矿山进行三维可视化，虚拟再现矿山地貌。 1 2 2a r c v i e w g i s 技术 2a r c v i e w g i s 技术 2 1g i s 二次开发的三种模式 目前应用型g i s 开发主要有三种模式：独立开发、单纯二次开发和集成二次开 发 3 3 - 3 4 1 。 独立开发指不依赖于任何g i st 具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处 理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言 ( 如v i s u a lc + + 、v b 、d e l p h i 等) ，在一定的操作系统平台上编程实现。这种方 式的好处在于：无需依赖任何商业g i s 工具软件，可减少开发成本。但对于大多数 开发者来说，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商 业化g i s 工具软件相比，而且在g i s 工具软件上省下的钱可能还抵不上开发者在开 发过程中绞尽脑汁所花的代价。 单纯二次开发指完全借助于g i s 工具软件提供的开发语言进行应用系统开发 g i s 工具软件提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如e s r i 公司的a r c v i e w 提 供了a v e n u e 语言，m a p l n f o 公司研制的m a p l n f op r o f e s s i o n a l 提供了m a p b a s i c 语言 等等。用户可以利用这些宏语言，以原g i s 工具软件为开发平台，开发出针对不同 应用对象的应用程序。这种方式省时省心。 集成二次开发是指利用专业的g i s 工具软件( 如a r c v i e w 、m a p l n f o 等) ，实 现g i s 的基本功能，以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如d e l p h i ， v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 等为开发平台，进行二者的集成开发。 根据课题的需求，经过仔细的分析，最终本课题选取a r c v i e w 作为设计方法的 开发平台，并利用其自带的脚本语言- - a v e n u e 进行二次开发。 2 2a r c v i e wg i s 介绍 a r c v i e w 是一款功能全面的桌面g i s 通用软件，它通过工程( p r o j e c t ) 文件组 织管理用户的工作。工程文件包括用来完成各类任务的所有。文档”( d e c ) ，即 视图( v i e w s ) 、表格( t a b l e s ) 、统计图( c h a r t s ) 、图版( l a y o u t s ) 和程序 ( s c r i p s ) 等，各类文档都有自己的文档图形用户界面( d o c g u i ) 。为完成复杂的 任务，a r c v i e w 实现了数据在不同类文档中的动态连接，对一个文档的数据进行操 作，可能会影响其他类相关文档的状态和内容1 瑚。a r c v i e w 还随带一个功能强大的 1 3 河北理i ：人学硕士学位论文 面向对象的编程工具- - a v e n u e ，这就给用户提供了一个很好的二次开发环境。利用 a v e n u e ，用户可以重新组织a r c v i e w 的界面功能，开发出各种各样具有特定功能的 普及型g i s 应用系统。此外，a r c v i e w 还具有丰富的扩展模块资源，可以进一步强 化软件的功甜蚓。 2 2 1a r c v i e w 的特点 1 跨平台。a r c v i e w 在w i n d o w 和u n i x 上均可运行。 2 面向对象。由视图、表格、统计图和图版等对象组成，甚至进行二次开发的 每个程序都作为对象来操作。 3 开放性。包括系统用户界面的开放性，程序运行环境的开放性和数据管理的 开放性。 1 ) 系统用户界面的开放性：a r c v i e w 的菜单、按钮、工具栏、窗口等都可以实 现用户定制。a r c v i e w 同时内置了面向对象的程序设计脚本语言a v e n u e ，可用来进 行界面定制。 2 ) 程序运行环境的开放性：利用内置的a v e n u e 脚本语言，可直接调用操作系 统执行文件；在w i n d o w 环境下通过d d e 和d l l 与外部程序通讯，在环境下通过 i a c 与外部程序通讯。 3 ) 数据管理的开放性：空间数据可以直接接收d x f 、d w g 、t i f 、j p e g 、 b m p 、a r c i n f o 系列数据。通过a v