（安全技术及工程专业论文）地下采空区灾害危险度的模糊综合评价.pdf

中南大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h e s ed a y s ，r i bf a l l ，r o o ff a l l ，w a t e ri n r u s h ，e a r t h q u a k e ，r o c kb u r s t ， g r o u n dc o l l a p s e ，g r o u n ds u b s i d e ，g r o u n d c r a c kc a u s e d b y g o a fo f u n d e r g r o u n dm i n i n ga sw e l la st h e i ri n d u c e dd i s a s t e rs u c ha sl a n d s l i d e ， d e b r i sf l o w , s u r f a c ev e g e t a t i o nd e m o l i s he t c w h i c hh a v eb e e nt h em a j o r d i s a s t e ri nu n d e r g r o u n dm i n e ，h a v er e s u l t e di nm o m e n t o u sp e r s o n n e l c a s u a l t ya n de q u i p m e n ta c c i d e n ta n da r o u s e dg o v e r n m e n ta n de n t e r p r i s e s i n t e n s er e c o g n i t i o n a i m i n ga tl a r g ea m o u n to fu n s e t t l e dg o a ff o r m e db y u n d e r g r o u n do p e n s t o p em i n i n gp r o c e s si nc o p p e rf i l i a l eo fd a b a o s h a n m i n i n gl t d ，t h i sp a p e rp u tu ps y s t e m a t i ca n dd e e pr e s e a r c ht ot h e i rs a f e t y a n ds t a b i l i t y m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ed a t a o f f e r e db yo ns p o tt e c h n i q u ed e p a r t m e n ta n dt h e v a s to ns p o ti n q u i s i t i o no fu n d e r g r o u n dg o a fw i t h i nm i n i n ga r e aw h i c h t e n dt o w a r d sa b o u t2 0 0 0 ml o n g ，w ec a r r i e dt h r o u g hs t a t i s t i c a la n a l y s i s a n dg o td i s t r i b u t i n gd e n s i t y , g e o m e t r ys i z e ，s p a c es h a p eo fg o a fa n d d i s t r i b u t i n gs t a t u so fg o a fm a s s e s ，m o r e o v e ra n a l y z e dp a s ty e a r s g o a f d i s a s t e ra c c i d e n to f t h i sm i n e 2 w ea n a l y z e dt h eb r e a k a g em e c h a n i s ma n db r e a k a g et y p eo f s u r r o u n d i n gr o c kf r o mt h ev i e wo fr o c km e c h a n i c s m a i nf a c t o r so fg o a f s t a b i l i t yw e r eo b t a i n e db ya n a l y z i n gf o u ra f f e c t i n gm a t t e r sc o n t a i n i n g g e o l o g y , h y d r o l o g y , e n v i r o n m e n ta n dg e o m e t r yp a r a m e t e r o fg o a 3 f u z z yi n t e g r a t e da s s e s s i n gt h e o r yw a su s e di n h a r dr o c km i n e g o a ff o rm ef i r s tt i m ea n dm u l t l f a c t o ra s s e s s i n gm o d e lf o rg o a fh a z a r d d e g r e ew a sa l s oc o n s t i t u t e d w ep r o p o s e dg o a fh a z a r dd e g r e ei n d e x ， a d o p t e dm u l t i - p r o p o r t i o n a lp a i r w i s ec o m p a r a t i v em e t h o d t oa s c e r t a i nt h e w e i g h to fa s s e s s i n gi n d e xf a c t o r , a n df o u r - v a l u e dl o g i cz o n i n gm e t h o d t o a s c e r t a i ns u b o r d i n a t i o nf u n c t i o na n dg r a d es t a n d a r d t h e r e b yq u a n t i t a t i v e a n a l y s i so fu n d e r g r o u n dg o a f d i s a s t e rh a z a r dd e g r e ei nd a b a o s h a nw a s r e a l i z e d ，t h e n37s t a t i s t i c a lg o a f w e r ec o m p a r t m e n t a l i z e dt ob ee x t r e m e l y h i g hh a z a r dd e g r e e ，h i g hh a z a r dd e g r e e ，c o m m o nh a z a r dd e g r e ea n dl o w h a z a r dd e g r e e ，s p a c el o c a t i o na n dd i s t r i b u t i n gc h a r a c t e ro fv a r i o u sg o a f h a z a r dd e g r e ew e r ea l s oi n d i c a t e d 4 f t am o d e lo fg o a fd i s a s t e rw a sc o n s t r u c t e d ，t h eb a s i ce v e n t s i i 中南大学硕士学位论文英文摘要 l e a d i n gt oa c c i d e n tw e r ef o u n da c c o r d i n gt oa n a l y z i n go fg o a fd i s a s t e r , a n dt h es t r u c t u r ei m p o r t a n c eo fe a c hb a s i ce n v e n t sw e r ec a l c u l a t e db y f a u l tt r e eq u a l i t a t i v ea n a l y s i s ，f i n a l l y , t h ep o s s i b l el e a s tp a t h l e a d i n gt o a c c i d e n ta n db a s i ca p p r o a c h e sf o ra c c i d e n tp r e v e n t i o nw e r ea n a l y z e d 5 s t a b i l i t yo f g o a f 3 4a n d6 ”w i t hh i g hh a z a r dd e g r e ew e r ec a l c u l a t e d b yt h r e e d i m e n s i o ns o f t w a r ea n s y st oo b t a i nt h em a i np o s i t i o no f b r e a k a g e 6 i d i o g r a p h i cm a n a g e m e n tm e a s u r e sw i t hf e a s i b l et e c l l l l o i o 甜a n d r e a s o n a b l ee c o n o m yw e r ep u tf o r w a r dr e s p e c t i v e l yf o rv a r i o u sh a z a r d d e g r e eg o a ft oo f f e rt h el e a d i n gt h e o r yb a s i sa n dt e c h n i c a li n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：g o a f d i s a s t e rh a z a r dd e g r e e f u z z ya s s e s s m e n t f t a ( f a u l t t r e ea n a l y s i s )a n s y s i i i 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 二十一世纪是人类全面实现可持续发展的时代，但世界范围内，自然灾害 频繁发生，成为限制可持续发展的重大因素。全世界每年因自然灾害造成的经 济损失估计占国民生产总值的o 5 v 5 之间。而中国面临的问题更为严重。我 国是世界上自然灾害最严重的少数国家之一，除火山喷发外，地球上所有自然 灾害在我国都有发生。据统计，5 0 , - - 6 0 年代各种自然灾害造成的年均直接经济 损失为3 0 0 , - 4 0 0 亿元，7 0 8 0 年代约为4 0 0 5 0 0 亿元，8 0 年代末期增加至6 0 0 亿元以上，9 0 年代则达到1 0 0 0 亿元以上1 2 j 。 因此，灾害已成为社会与经济发展面临的重大问题，为此，联合国曾连续 在1 9 8 7 年、1 9 8 8 年和1 9 8 9 年的第4 2 、4 3 、4 4 届联大会议上通过相关决议，确 定1 9 9 0 1 9 9 9 年在世界范围内开展“国际减灾十年活动”，并成立了专门的机 构来推动全球范围内的减灾工作。这表明防灾减灾己成为国际社会的一个共同 主题。我国是各种灾害较严重的国家，在中国减灾委员会的领导下，积极参与 “国际减灾十年活动”，相关部门对此投入了大量的人力物力开展了全面系统 的防灾减灾运动，己初步取得成效1 3 1 。 1 1 1 灾害的定义及分类 有鉴于灾害对人类的影响，那么，究竟什么是灾害? 曾经有学者将灾害定义 为：“是一种自然现象，与人类关系密切，常会给人类生存带来危害或损坏人类 生活环境，这样的自然现象就称为灾害”。也就是说，灾害是那些会给人类的生 存与发展带来各种损失的自然现象的总称【4 】。然而，随着对灾害问题的深入认识， 灾害作为威胁人类生存的一类自然现象的总称，除了包括火山、地震、山崩、海 啸等“纯粹”的自然灾害外，还包括诸如酸雨、沙尘暴、沙漠化、海啸、洪水等 打上人类活动印记的自然灾害。而且作为对人类生存的威胁，灾害并非仅限于各 种自然现象，它同样还包括各种有损于人类自身利益的社会现象，诸如人口失控、 城市膨胀、海难、空难、车祸、战乱、三废污染等社会灾害p j 。因此，罗祖德、 徐长乐等认为：灾害是由自然原因、人为原因或两者共同作用而给人类的生存和 社会的发展带来不利后果的祸害，灾害并不是单纯的自然现象或社会现象，而是 一种自然社会现象，是自然系统与人类物质文化系统相互作用的产物【6 j 。 从灾害的属性上看，任何一种灾害都具有自然属性和灾害的社会属性。自然 属性指灾害对客观世界的影响程度，称为受灾程度，通常由实物指标表示：社会 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 属性指灾害对人类社会生活尤其是社会经济活动影响程度，称为成灾程度，通常 可由价值指标表示i ，j 。 目前，对灾害所包含的灾害种类范围有许多不同的认识。不同研究人员根 据需要从不同角度对其提出多种分类方法。有学者根据对其现象特征分析，将 灾害划分为自然灾害和社会灾害两类。“自然灾害”指自然界物质运动过程中 一种或数种具有破坏性的自然力，通过非正常方式的释放而给人类造成的危害。 自然灾害一般包括天文灾害( 如陨石冲击、太阳辐射异常、电磁异爆、宇宙射线 等) ，地质灾害( 如火山、地震、岩崩、雪崩、海啸、滑坡、泥石流等) 、气象水 文灾害( 如风灾、水灾、旱灾、雪灾、雹灾、雷灾、寒潮、风暴潮、海岸侵蚀、 海水倒灌、厄尔尼诺现象等) 、环境灾害( 如烟雾事件、酸雨、水土流失、三废 污染、太阳黑子、全球气候异常等) 。“社会灾害”指人类社会内部由于人的主 客观原因和社会行为的失控所造成的灾害，般包括行为过失灾害、认识灾害、 社会失控灾害、政治灾害以及生理灾害等等。然而，从灾害的发生过程特性分 析，我们又可以把灾害划分为“突发性灾害”“渐进性灾害”两类【8 】1 9 l 。 那么，采空区的灾害又是如何定义的? 它属于哪一种类型的灾害? 它的表 现形式又有那些? 顾名思义，采空区灾害是由于开采形成的地下采空区导致的 对人、物、环境以及社会的一种灾害事件。从发生的时期方面，它可以分为开 采过程中产生的、开采完毕产生的、也可以是在处理过程中产生的灾害。随着 对灾害领域的深入研究，已经倾向于将其划归为地质灾害的一种。其灾害的主 要表现形式有：片帮、冒顶、突水、地震、岩爆、冲击地压、地面塌陷、地面 沉降、地裂缝以及由其导致的滑坡、泥石流、地表植被破坏等多种形式。 1 1 2 采空区灾害的实例 随着人口的增长、国民经济的高速发展，矿产资源的需求也急剧增加。据统 计，目前我国9 2 以上的一次性能源、8 0 以上的工业原料取自矿产资源。矿产 资源的开发利用已成为我国社会经济发展的重要支柱。据预测，未来2 0 年，我 国对铜、铝等矿产资源累计需求总量至少是目前已探明储量的2 5 倍，我国铁矿 石缺1 ：3 总量3 0 亿吨，铜金属量超过5 0 0 0 万吨，精炼铝l 亿吨【l o 】【“】。 近些年来，我国江西、湖南、云南、辽宁、吉林各省等的数十个矿山先后相 继发生由于采空区导致的大面积地压活动，造成人员伤害和重大经潲i 失。 湖南某锡矿山，深度3 0 0 , - - 4 0 0 多米，矿岩中等稳固，1 9 6 5 年发生两次、1 9 7 1 年发生一次大面积地压活动，采空区体积达2 3 0 万立方米：井下冒落约1 7 万平 方米，地表移动约8 0 万平方米；新老采矿场冒落2 9 5 个，损失矿量达数十万吨， 破坏巷道4 0 0 0 多米。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 江西盘古山钨矿于1 9 6 6 年6 月、1 9 6 7 年+ 9 月发生两次大面积地压灾害，在 3 4 小时之内，上万米巷道下沉，3 8 6 个空区迅速倒塌，地面塌陷，海拔高1 1 0 0 米的山脊拦腰折断，裂缝宽达o 8 米，地面塌陷的面积达1 0 万平方米，形成一 个从山顶开始到坑下6 9 0 米中段为止的垂高达4 2 4 米，南北宽2 2 5 米，东西走向 长5 0 0 米的大塌陷漏斗。 2 0 0 4 年5 月2 0 日峄城石膏矿区发生一次矿区顶板大面积塌陷事故。据山东 省地震局测定，峄城矿区塌陷释放的能量相当于一次3 6 级地震，是迄今为止监 测到的山东境内强度最高的矿山塌陷事故。塌陷造成巨大的冲击波掀掉了井架的 顶盖，强大的气流呼啸着卷起大大小小的石膏块，撞击着井架，在很短的时间内 使得井口周围已形成了一座矿石山。矿区塌陷的面积1 4 4 7 万平方米、总重量超 过2 3 0 万吨，冒落的体积约1 0 0 万立方米。 目前，据不完全统计，在全国2 0 个省、区内，共发生大规模采空区灾害1 8 0 处以上，累计塌陷面积超过7 0 万公顷，造成的损失已经超过5 0 0 亿元。而在矿 山城市，采空区灾害尤为严重1 。由山西省社科院研究员李连济主持完成的这份 报告表明：山西是采空区灾害最严重的地区。全省共】5 万多平方公里的土地， 采空区就达两万多平方公里，相当于总面积的七分之一。而其中6 0 0 平方公里的 地域遭受了地质灾害。近1 0 年来，山西省地质灾害造成5 0 0 多人伤亡，经济损 失达2 6 亿多元。大面积的地质灾害造成了巨大的经济损失【1 2 1 。据不完全统计， 大同市矿区目前累计采矿面积约8 3 4 平方公里。地裂缝9 7 处，最大裂缝宽度2 米，总面积约4 3 9 公顷，塌陷6 7 处，总面积约1 7 2 4 公顷。 国外如：美国俄亥俄州的一个高岭土矿发生滑坡，体积达3 8 0 0 万立方米， 填塞了矿山附近的一个河床，使上游形成了一个6 0 米长的湖泊，导致整个矿山 报废。捷克东莫拉维亚的一个粘土矿，由于全面失稳发生整体滑坡，淹埋了附近 t 一个村庄，死亡2 0 0 0 多人。 以上这些采空区灾害实例说明，矿山地压灾害的危害极大，轻者造成生产 的局部停产、人员伤亡，造成巨大的经济损失，重者可能导致更大灾难。 1 2 国内外灾害研究现状 1 2 1 国外对灾害研究概况 6 0 年代以前，灾害研究主要限于灾害机理及预测方法，重点调查分析灾害 形成条件与活动过程。7 0 年代以后，随着灾害破坏损失的急剧增加，一些发达 国家首先拓宽了灾害研究领域，在继续深入研究灾害机理的同时，开始进行灾害 评价工作。进入8 0 年代，对各种灾害的研究得到高度重视。1 9 8 7 年1 2 月1 1 日， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第4 2 届联大通过了1 6 9 号决议，决定将1 9 9 0 2 0 0 0 这l o 年定为“国际减轻自然 灾害十年”( i d n d r ) ，简称“国际减灾十年”。旨在通过广泛的国际合作、技 术援助和转让、项目示范、教育与培训等手段，把当今世界各国，特别是发展中 国家由于自然灾害造成的人员财产损失以及社会和经济的影响减轻到最低程度。 这也标志着国际灾害研究进入了个新的发展阶段1 1 3 】。 1 国际上对灾害科学的主要研究内容 灾害科学研究有着十分明确的目标和目的，其目标是认识灾害的本质，灾害 的发生基础、成因和机制，它们的时空分布规律与发展变化的趋势：其目的是有 助于选择减灾和防灾的方式方法和具体措施，使灾害获得有效的防治，从而促进 人类社会的繁荣发展。灾害的科学研究包括自然科学和社会科学两大部分，其中 自然科学部分的研究内容为： ( 1 ) 灾害的性质和特点： ( 2 ) 灾害的诱发因素及其成灾机制； ( 3 ) 原生灾害与次生灾害的相互关系； ( 4 ) 灾害的相关因子分析； ( 5 ) 灾害未来发展趋势的预测。 社会科学方面的研究内容为： ( 1 ) 灾害规模及损害程度的评估； ( 2 ) 减灾的实际效益评估： ( 3 ) 减灾措施的环境效应和工程条件。 2 国际上灾害科学的研究方向 目前，国际上许多国家都十分重视对地震、洪涝、风灾和地质灾害等自然灾 害的基础性研究，特别是在近2 0 年来有了迅速的发展。在自然灾害危险性评估方 面，先进国家多从工程角度出发，研究了各类灾害危险性的评估方法，建立了相 应的信息库与地图册。 对于防灾研究，美、日、加、英、澳等国家走在前面，但是目前大多只考虑 单一的灾种，没有同时考虑地震、洪水、火灾、地质灾害的综合危险性分析和损 失评估。 在地震研究方面，有地震的成因、起源、预报技术、地震危险性分析，结构 的抗震、耗能、隔振技术、震灾要素、成灾机理、成灾条件，地震灾害的类型划 分等。以上各方面的研究均有很丰富的成果。 在洪水灾害方面，主要有对成灾的机理研究、发生的时空分布规律、预测预 报、防洪设防标准的研究、洪水造成经济损失的预计、洪水淹没过程的数值模拟、 洪水发展的水力学模型、防洪应急对策等等，并已取得了很大的进展。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 在美国，国家海洋和大气管理局( n o a a ) 和国家地质调查局( u s g s ) 在旧金 山、洛杉矶等城市开展了地震灾害损失的预测系统的研究。与此同时，日本和西 欧国家也开展了类似的研究。日本对大阪和静冈地区的震灾预测和防灾预案十分 详尽，葡萄牙科学家对首都里斯本三个小区在未来地震中的经济损失和人员伤亡 进行了预测研究。近几年来，美国的科学家提出了一种“假想地震”的模型，即 针对某一城市，假定未来若干年内发生某一震级的地震，预测可能造成的灾害损 失。预测的损失包括商业财产、房地产、商业活动中断、人员伤亡、公共财产、 毒气泄漏污染等【l ”。 另外，国际上应用人工智能技术和人工神经元网络技术预测工程灾害等方面 进行了较为深入的研究。 1 2 2 国内灾害研究概况 我国是一个自然灾害高发的国家，对灾害的防治和减灾研究工作，正越来越 受到国内专家学者和政府部门的重视。但是，由于我国经济发展跟发达国家相比 有较大差距，所以在灾害研究方面尚处于起步阶段，在灾害的防治和减灾措施方 面相对滞后于发达国家。 在联合国提出“国际减灾十年”以后，我国的灾害学研究处于快速地发展阶 段。在灾害研究方面所发表的文献呈逐年上升趋势。与国际上的研究方法类似， 也是以单一灾种研究为主，研究灾害的成因，发生规律、破坏程度和防治方法等 等【3 】。 我国是一个自然灾害种类繁多，灾情严重的国家，又是一个处于发展中的人 口大国，人为致灾作用比较严重。建国以来，虽然在气象、地震、海洋、洪水、 地质、农、林等七大类自然灾害的减灾工作方面，形成了自成一体的监测、预报、 防灾、抗灾、救灾、援建的工作管理系统，为减灾工作作出了重大贡献。然而， 与先进国家相比存在一定的差距。在减灾的科学技术水平和装备方面，各部门之 间发展很不平衡，大多数只相当于国际上8 0 年代甚至7 0 年代的水平。 我国的灾害科学主要开展了以下几个方面的工作： ( 1 ) 确立减灾观念，全面开展灾情调研，加强灾害评估工作； ( 2 ) 利用先进的科学技术推动防灾减灾系统工程建设； ( 3 ) 研究人口一资源一环境一灾害的关系，寻求发展与减灾相协调的最佳方 案； ( 4 ) 促进灾害科学研究体系的发展： ( 5 ) 研究灾害的综合管理系统。 另外，随着灾害科学研究的进一步深入，我国灾害科学研究的方法，也在不 中南大学硕士学位论文第一章绪论 断地创新并实时地与各个相关学科进行交流和融合。例如，在灾害研究中，使用 3 s ( r s ，g i s ，g p s ) 技术、多媒体技术、数据库技术、计算机网络技术等等【1 6 】 1 7 1 。 1 2 3 国内外灾害研究进展和趋势 1 纵观近几十年来灾害的研究，取得的进展主要表现在以下方面： ( 1 ) 灾害研究理论 目前，在国内外流行的、具有影响的灾害研究理论主要有致灾因子论、孕灾 环境论、承灾体论以及区域灾害系统论四种。 致灾因子论：致灾因子包括自然致灾因子、环境及人为致灾因子。由于灾害 的形成是致灾因子对承灾体作用的结果，没有致灾因子就没有灾害。主要内容是 对致灾因子的分类，以及在此基础上，着重研究致灾因子产生的机制及其风险评 估【1 9 】。 孕灾环境论：孕灾环境包括孕育产生灾害的自然环境与人文环境。主要内容 包括区域环境演变时空分异规律( 气候变化、地貌变化以及土地覆盖变化过程) 的重建，编制不同空间尺度的自然环境动态图件。在这些图件基础上，建立坏境 变化与各种致灾因子时空分布规律的关系，从而寻找在不同环境演变特征时期， 区域自然灾害空间分布规律，进而结合区域承灾体的变化，对未来灾情进行评估。 承灾体论：承灾体就是各种致灾因子作用的对象，是人类及其活动所在的社 会与各种资源的集合。其中，人类既是承灾体，又是致灾因子。主要内容包括承 灾体的分类，以及在此基础上，进行承灾体的脆弱性( 易损性) 评价。 区域灾害系统论：我国学者史培军于1 9 9 1 年提出了“区域灾害系统论”，认 为灾害是地球表层异变过程的产物，是致灾因子、孕灾环境与承灾体综合作用的 结果【2 0 1 。 ( 2 ) 岩体工程灾害隐患探测技术 探地雷达法、地震法、电阻率法、电磁法、综合物探法、常规电法、超声波 法、c t 成像法等等；用来监测或预警地下岩体工程灾害的主要技术有：微震监测 技术、声发射技术、多媒体信息技术等【2 ”。 ( 3 ) 地下岩体工程灾害隐患灾变预测理论 于学馥等人运用岩石力学、损伤力学、断裂力学等理论，进行地下岩体工程 稳定性分析2 1 1 。王渭明通过研究巷道“危岩”，进而预测巷道坍塌灾变【2 3 】。常 虹从连续介质力学和随机介质理论两个途径开展煤矿地表沉陷灾害预测研究 【2 4 】：纪万斌等人通过现场调查与统计分析相结合方法进行矿山地表沉陷灾害预 测研究【2 5 l 。 ( 4 ) 地下岩体工程灾害防治理论与技术 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 理论上，纪万斌等人对矿山塌陷、工程塌陷和地表沉降等灾害防治理论与技 术进行了专题研究。张永波、张恒君、王慧等人就煤矿开采引发的地面裂陷提出 了一些预防治理措施与技术【2 “。吴建林认为地面培植工程是防治矿山塌陷恶化 的有效措施。在地表沉陷方面有离层高压注浆技术和锚索加固断层控制活化技 术。在采空区与巷道坍塌方面，主要采用的防治技术有充填、加固、封闭和崩塌 四种。在地下突水防治方面，目前主要采用注浆堵水和探放水技术。刘希林等 ( 1 9 9 5 ) 提出了判断泥石流危险性程度和评价泥石流泛槛堆积范围的统计模型，并 对云南和四川省泥石流灾害风险进行了评价。 ( 5 ) 地下岩体工程灾情评估理论 我国学者己在地质灾害灾情评估、洪水灾害灾情评估、泥石流灾害灾情评估、 地震灾害灾情评估等方面进行了系统的研究，在此基础上对矿山地质灾害灾情评 估进行了探索性研究。但至今，还没有一个完整的地下岩体工程灾害灾情评估系 统。 2 国内外灾害研究的趋势有： ( 1 ) 各国政府与科技界对灾害越来越重视【1 肛1 1 l 由于灾害问题越来越严重，对经济建设和社会发展的影响越来越大，各国政 府越来越认识到了灾害研究的重大意义，纷纷以各种形式支持科技人员从事灾害 研究。 ( 2 ) 灾害研究的国际协作日趋密切 国际间关于灾害研究的协作将日益密切。例如，加勒比海地区组织了灾害研 究与防御工程，为2 9 个成员国服务。亚洲于1 9 8 6 年1 月在泰国曼谷成立了“亚洲 灾害防御中心”，向亚洲国家提供灾害研究和防治方面的人员、技术、信息服务。 ( 3 ) 灾害研究走向综合化和系统化 灾害研究正向综合化和系统化方面发展，即开展对多种灾害的总体研究，并 注意研究灾害与灾害的主体人类社会的相互联系与相互作用。 ( 4 ) 灾害研究与灾害防治紧密结合 现代灾害研究将与灾害防治实践相融合。因为灾害研究的最终目的是减少灾 害的发生，降低灾害的危害。只有与灾害防治紧密结合，灾害研究才会有生命力。 1 3 论文研究的意义和主要工作内容 1 3 1 论文研究的意义 我国地下开采矿山目前的实际情况是采空区灾害发生频繁，因事故死亡人数 和国外同类相比相对较高，安全生产形势相当严峻，危及到人民群众的生命安全， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 对生态环境造成了严重破坏，给国家造成了巨大的经济损失，制约了我国矿山企 业的可持续发展。 长期以来，国内外许多专家学者针对采空区围岩的稳定性作了大量的理论研 究工作，提出了许多控制采空区灾害的实用技术。但是，由于采空区围岩的特性、 应力环境以及地质环境的复杂性，现有的各种数值分析仅局限在定性的分析基础 上，难以对采空区围岩的应力变化的时效性加以准确分析与预测。 为有效的进行预防、控制由采空区引起的灾害，减少损失，为安全生产提供 技术指导与支持。实践证明，对矿山重大危险源辨识、监控、预报、预警是有效 防止和控制重、特大事故发生的关键。所以，本文将针对广东大宝山矿业有限公 司铜业分公司地下开采所形成的大量采空区现状开展相关研究，从而为该矿有效 防治采空区灾害提供技术支持。因此，本研究具有重要的理论于现实意义。 1 3 2 研究内容和目的 1 研究内容 ( 1 ) 采空区灾害的影响因素分析 采空区灾窖的影响因素相当复杂。对于不同的矿山开采技术条件和开采的人 为因素都有可能成为采空区灾害的致因。围岩本身的物理化学性质、围岩的力学 性能、围岩的支撑方式、采空区几何尺寸、埋藏要素开采过程中对围岩的损伤程 度、围岩所处的应力场等影响到采空区的稳定性。因此应探讨各种主要因素对采 空区灾害的作用程度以及灾害发生所产生的危害程度。 ( 2 ) 采空区灾害危险性评价指标体系 采空区灾害的危险性和灾害区易损性是决定采空区灾害破坏损失的两个基 本条件。其中采空区灾害危险性主要是采空区灾害自然属性特征的体现，它的核 心要素是采空区灾害的活动程度。定性分析表明，采空区灾害的活动程度越高， 危险性就越大，可能造成的灾害损失就越严重。因此根据量化评价的要求，采空 区灾害的危险性需要通过具体的指标加以量化。这需要建立参评因素和因子并通 过等级划分标准的确定来实现。 ( 3 ) 采空区灾害危险度的评价方法 “危险度”本身就是一个模糊概念，就是不安全的程度。通常的安全，就是 指没有超过允许限度的危险，也就是事故发生、造成人员伤亡或财物损失的危险 没有超过允许的限度。这里的“允许的限度”是人们用来判别安全与危险的基准。 根据模糊数学理论，危险性是对安全的隶属度。即某项工作属于安全的程度小， 危险性就大；反之属于安全的程度大，则危险性就小。当危险性达到某种程度时， 即危险性对于安全的隶属度达到一定程度，人们就认为是安全的了。所以，对采 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 空区灾害的危险度可以运用模糊数学的模糊综合评判方法建立模型并加以分析。 ( 4 ) 采空区灾害的事故树分析 利用事故树方法，对产生采空区灾害的基本事件进行查找，并利用布尔逻辑 代数对基本事件进行定性的分析，进一步对采空区灾害的影响因素进行查找验 证。 2 研究目的 针对矿山采空区灾害事故的日益增加，为了有效地防范和控制重特大事故的 发生，给矿山提供安全方面的技术支持。本论文研究目的为： ( 1 ) 针对采空区灾害发生的条件，研究采空区围岩的破坏机理，找出影响 采空区稳定性的主要因素，分析其对采空区稳定性的影响程度及其关系； ( 2 ) 建立采空区灾害危险度参数的分级指标，根据实际情况和大量数据确 定危险度的等级； ( 3 ) 运用模糊综合评判方法，建立采空区危险度的评价模型，对采空区灾 害进行危险度的分级： ( 4 ) 通过数值模拟手段，进一步对采空区灾害危险度的进行验证： ( 5 ) 运用系统安全工程的基本方法，事故树方法对发生采空区灾害这一顶 上事件进行事故树分析，进一步查找其影响的基本要素； ( 6 ) 根据不同危险度级别的采空区，提出具体的技术可行，经济合理采空 区的治理方法和措施。 中南大学硕士学位论文 第二章矿山基本情况 第二章矿山基本情况 2 1 矿山基本情况概述 2 1 1 矿区地质概况 ( 1 ) 矿区地质 大宝山矿区位于粤桂海西坳陷区的东侧，曲江盆地东南缘，大东山贵东 东西向构造带与北东向北江断裂带的复合处( 见大宝山矿区地质图2 1 ) 。 矿区内主要发育有两组构造带，即北北西向和北东东向。北北西向构造带包 括褶皱和断裂。大宝山向斜位于矿区中部，轴向北北西，延长约2 k m 。向南北两 端渐趋开阔而过渡为单斜构造。向斜轴部由东岗岭组地层组成，东翼较陡 ( 6 0 7 0 。) ；西翼较缓( 4 0 t 5 0 * ) 。本区主要铜硫矿体即赋存在此向斜之槽部。北 北西向断裂十分发育，主要的有f 。1 f a 3 断裂，属成矿前的控矿构造。 ( 2 ) 矿床地质 矿床成因与类型 该矿床类型按成矿地质条件和矿床产出空间位置，可分为上部风化淋滤型褐 铁矿床、中部火山沉积热液改造型层状菱铁矿床、下部火山沉热改造型 层状铜铅锌多金属矿床和西部斑岩型钼矿床。 矿体与矿石特征 矿区内的主要矿产为风化淋滤型褐铁矿、海相火山喷发沉积型菱铁矿、斑岩 型钼矿、及铜、铅、锌、硫等多金属矿。矿体的形态、产状明显受大宝山向斜构 造的控制，轴部厚大，两翼较薄。矿体一般呈层状、似层状、随岩层褶皱起伏。 矿体走向北北西，倾向东或北东，倾角平缓，多为2 5 0 左右。露天褐铁矿结构有 致密块状、疏松块状、粉状和土状。铜铅锌硫多金属矿矿石结构有条带状、块状、 团块状、浸染状、脉状等构造。 铜铅锌多金属矿床赋存在东岗岭下亚组地层中。矿床由大小3 3 个矿体组成， 其中i 号矿体规模最大，其它为i i 号、x 号和x 号矿体，其余皆为零星小 矿体。i 号矿体铜金属占全区总储量的9 4 。在0 线以北以铜硫矿体为主，夹有 零星的铅锌矿体：在0 线以南，则以铅锌矿体为主。矿体轴部厚大，两翼较薄。 矿体呈层状、似层状，随岩层褶皱起伏。走向北北西，倾向东或北东，倾角平缓， 多为2 5 。左右。矿体赋存标高+ 8 5 7 m + 2 7 0 m 之间。 i i 号矿体铜金属储量只占全区总储量的2 8 。里似层状产于i 号矿体之上， 两矿体相距5 5 0 m 。矿体赋存于标高+ 7 3 5 + 5 8 5 m 之间，系一铜硫矿体。 中南大学硕七学位论文 第二章矿山基本情况 ( 3 ) 矿区水文地质 矿区盆地汇水面积约5 k m 2 ，矿区地形有利于地表水和地下水的排泄。矿区 地表溪流较多，东侧的凡洞河发源于大宝山，南部发源于麻溪坳的几条溪流往南 流向凉桥后与凡洞河汇合，流入翁江。西侧的船肚河，向西北流入北江。各溪流 经矿区地段均为透水性弱的地层，入渗条件差，对矿坑充水影响不大。 1 矿区主要含水层为： 第四系残坡洪积孔隙含水层。分布于较为平缓的山坡和盆地的低洼处，厚度 2 2 0 m ，水量小且受降雨控制。 泥翁系中下统桂头群石英砂岩弱富水风化裂隙含水带。分布于大宝山向斜东 翼，为矿体的底板，浅部风化强烈，风化带厚度3 0 6 0 m ，含水带透水性弱。深 部岩石致密坚硬，简易水文钻孔全见返水。 泥盆系中统东岗岭下亚组灰岩弱富水风化裂隙含水带。东岗岭下亚组灰岩为 矿体直接围岩，分布于向斜轴部，其上大部分被上亚组粘土岩覆盖。轴部厚度 1 4 0 2 3 0 m ，两翼7 0 l o o m ，由于含泥质、硅质较高，加上蚀变作用的影响， 无论是地表还是深部都不见或少见溶蚀现象，岩石抗风化能力较强，风化裂隙不 发育。 火成岩( 流纹岩、花岗斑岩) 弱富水风化裂隙含水带。流纹斑岩和花岗闪长 斑岩是矿体的直接( 部分间接) 底板，岩体浅部风化裂隙发育，风化带深度5 1 5 0 m ，一般为5 0 6 0 m ，其风化裂隙含水带透水性弱，富水性小。但在构造断 裂发育地段，透水性较强。 2 矿区主要隔水层有： 泥盆系中统东岗岭上亚组沉凝灰岩、粘土岩隔水层。该层分布于向斜的轴部， 为矿体的直接顶板。厚度2 0 1 5 0 m ，一般为6 0 8 0 m 。该层成岩作用差，风化 强烈，风化后呈土状，具有塑性和硬塑性，属良好的隔水层。 非风化带隔水层。前述桂头群石英砂岩，东岗岭下亚组灰岩、火成岩，在东 风化带以下岩石致密坚硬，岩石完整，归属隔水岩层。 3 裂隙构造与老窿的含水性 矿区主要断裂有北北西向f 。组断裂和北东东向f 。组断裂。f 。组断裂的透水 性一般较强，f 。组断裂属剪切性质，有断层泥充填，透水性弱。 因此，矿区是一近于封闭的含水弱的储水构造，与区域地下水无水力联系。 矿体赋存标高一般都在当地浸蚀基准面以上，矿区地下水以垂向补给为主，含水 层主要为基岩风化带裂隙含水层，其透水性弱，富水性小，断裂构造发育地段岩 石较破碎，裂隙较发育，透水性较强，有利于大气降雨和第四系孔隙水的补给。 区内地表溪流流经地段，多为东岗岭上亚组隔水层，局部地段为灰岩，但透水性 中南大学硕士学位论文 第二章 矿山基本情况 弱，渗入条件差，与地下水水力联系不密切。矿区属于水文地质条件简单类型。 图2 一l 矿区地质图 2 中南大学硕士学位论文第二章矿山基本情况 2 1 2 矿山开采沿革 大宝山矿区资源大规模的开发利用始于1 9 5 8 年。为采选联合企业，采用平 硐溜井窄轨索道开拓，分别从+ 6 3 0 m 、+ 4 2 0 m 和+ 3 1 5 m 标高各掘进 平硐，开采矿体，并在船肚建一配套的铜硫选场。 1 9 6 0 年，冶金部批准大宝山多金属矿的初步设计。开拓运输系统方案为： 露天采场斜坡卷扬至+ 6 4 0 m ，东口电机车至+ 6 4 0 m ，西口斜坡卷扬至 + 4 2 0 m ，平硐口电机车道斜坡储矿仓装火车外运。+ 6 4 0 m 平硐从凡 硐穿山而过，为铁矿石运输咽喉工程。 1 9 6 6 1 9 6 9 年7 月之间，建设规模及开拓方案进行变更，矿山建设规模为： 年产铁矿石2 3 0 万t 。开拓运输方案为：汽车窄轨索道，采矿场用汽车， + 6 4 0m 水平用窄轨电机车，+ 6 4 0m 平硐以下到东华成品矿仓用索道。 1 9 7 1 年6 月，北采进行大爆破，并于1 9 7 5 年建成投产。至此，2 3 0 万讹 的铁矿规模业已建成。至1 9 8 3 年底，矿山生产能力为：铁矿石2 3 0 万“a ，铜业 分公司采选综合能力2 0 万忱，铜冶炼( 含铜量计) 8 0 0 1 0 0 0 t a ，其后，大宝山 露天铁矿年产金属铁基本稳定在目前8 0 9 0 万t 的规模。 对于3 9 5 1 线露头铜矿，采用露天方式开采( 其标高为+ 8 0 0 m + 6 8 0 m 之 间) 。1 9 9 3 年大宝山将0 线以北的矿体进行规划性开采。首先将3 7 线以北矿段 作为铜硫矿体首采区( 称北露采) ，并以2 3 线矿段( 称南露采) 和2 3 - 3 7 线矿 段( 称中露采) 依次接替。1 9 9 5 年，首先在3 7 5 1 线，+ 5 9 0 m 标高以上露天开 采铜硫矿体，并形成3 0 万池的规模生产能力。 1 9 9 7 年3 月，大宝山矿业有限公司委托北京矿冶研究总院对标高+ 7 0 0 m 以 下的铜硫矿体进行地下开采设计，于1 9 9 7 年底施工，9 8 年系统峻工投产。其设 计采用分期建设原则，前期开采范围为+ 5 8 0 - - + 7 0 0 m 标高，后期开采范围为 + 4 2 0 - - + 5 8 0 m 标高。设计采用双斜井开拓运输方案，主斜井在开采矿段中央，沿 3 5 线布置，采用单箕斗带平衡锤提升工艺，担负矿石提升任务。副盲斜井布置 在开采矿段侧翼，采用单钩串车提升工艺，井口设在+ 6 5 0 m 水平，以平硐与地表 连通。盲副斜井与各中段采用甩车道连接，担负废石、副产的硫矿石、铅锌矿石、 材料、设备的提升任务。通风系统：在矿段北翼3 7 线附近设计一斜井作为出风 井，由+ 6 5 0 m 平硐1 2 1 进风，采用单一对角抽出式通风方式。排水系统：采用集中 排水，即在副盲斜井+ 5 7 0 m 中段井底车场附近设中央水泵房和水仓，各中段水集 中流入中央水仓。采用一段排至+ 6 5 0 m 平硐流出地表。 为了确保矿山露天与地下联合开采顺利进行，将原来的凡洞分公司进行调整 划分，成立铁矿分公司和铜业分公司，铁矿分公司进行露天开采铁矿；铜业分公 中南大学硕士学位论文 第二章矿山基本情况 司进行地下开采铜硫矿体。并与露天铁矿开采并行，构成露天与地下联合开采见 图2 2 。 井下一露天对照图 ，舶 1 5 l ：。43 1 ： l 、 3 9 ，| _lj 3 1 雾移f rk i_- - 弱 一 f 。，p 二 _黔主 一3 l 一，2 9 e r。 ， 一一。 、 ，一2 7 ， 薹彩 ，一2 3 气纛 。一 且井。4 - ，r 7 7 薯鞴。 屉面 雾主j 撬( j巨型i 、 + 量， 紫1辇。j 一。j j， l ，一 1 1 ， ，9 ? i ， 、， ，一 1 - l7 ，+ 。7 + ，一7 。 ：，一5 霞：；i 羽寥 亨7 二? 参一7 ，3 ；，! ，一二 ! 一，一。， 鬯- ，一一 酶蠛二 二j 。 移 1 7 0 s 2 1 3 矿区开采现状 囤2 2 大宝山矿区联合开采坑内外对照图 1 ) 露天开采现状 矿区上部铁帽为露天开采，露天开采设计生产能力为2 3 0 万t a ，实际生产 能力为1 5 0 - 2 1 0 万a 。目前采剥总量约2 5 0 万“a ，采剥比为1 ：1 。露天开采的起 中南大学硕士学位论文 第二章矿山基本情况 始层面为8 1 7 层面，目前工作的最低层面为7 3 3 层面，设计开采的最低层面标高 为6 7 3 层面，阶梯高度为1 2 米。采剥工作采用q b 2 0 0 m m 潜孔钻机穿孔，4 6 m 3 电铲采装，原矿经汽车运至斜坡道卸载，经破碎筛选和选矿车间处理后，粗粒级 成品矿经6 4 0 m 平峒轻轨运输至索道装运站，转运至矿山专用铁路终点东华站装 车外运，筛洗下的细粒级经强磁选回收一部分，其