（地质工程专业论文）辽宁省铁法煤田大隆矿区地表沉陷地质灾害危险性分区研究.pdf

摘要本文同时考虑采矿和矿坑降水两方面因素，研究铁法煤田大隆矿区因采矿引发的地面沉降和地面塌陷两种地质灾害。应用地表变形模拟软件模拟出因采矿引发的地面沉降变形曲线和水平变形曲线；应用s u r f e r 和v is u a lm o d f l o w软件模拟出因降水引发的地面沉降变形曲线，并应用m a t l a b程序将两种因素引发的地面变形曲线进行叠加。利用传统的地质历史分析方法和现代数理统计方法，根据叠加的地面变形曲线，对照。三下”采煤规程规定的建筑物允许地表变形值，对铁法煤田沉陷区范围内村庄进行地质灾害危险性分级、分区。基于图论的模糊聚类方法的基本思想、具体步骤，采用c + + 语言对原始数据标准化并构造相似矩阵，用克鲁斯卡尔算法构造最大树，验证地质灾害危险性分区的正确性。进而，为沉陷区的灾害防治、村屯规划提供依据。关键词：地面沉降；地面塌陷；模糊聚类；灾害分区a b s t r s c tt h ep a p e rc o n s i d e r st w of a c e t so f m i n i n ga n dt h ed e w a t e r i n gi nt h em i n ep i ta tt h es a m et i m e , s t u d i e st w og e o l o g i c a lc a l a m i t i e so fl a n ds u b s i d e n c ea n dl a n dc o l l a p s ew h i c ha r eb r o u g h tb yt h em i n i n ga c t i v i t yi nd a l o n gm i n eo ft i e f ac o a lf i e l d s i m u l a t e sl a n ds u b s i d e n c ec u r v ea n dt h el e v e ld i s t o r t i o nc u r v ew h i c ha r eb r o u g h tb yt h em i n i n gu s i n gs u r f a c ed i s t o r t i o ns i m u l a t i o ns o f t w a r e ；s i m u l a t e sl a n ds u b s i d e n c ed i s t o r t i o nc l r v ew h i c hi sb r o u g h tb yt h ep r e c i p i t a t i o nu s i n gs u r f e ra n dv i s u a lm o d f l o w , a n ds p l i c e ss u r f a c ed i s t o r t i o nc u r v e sw h i c ha r eb r o u g h tb yt w of a c t o r su s i n gt h em a t l a bp r o c e d u r e 1 1 ”p a p e ru s e st h et r a d i t i o ng e o l o g yh i s t o r ya n a l y s i sm e t h o da n dm o d e r nn u m b e rs t a t i s t i c a lm e t h o d ，a c c o r d i n gt os u p e r i m p o s e ds u r f a c ed i s t o r t i o nc u ! e ，c o m p a r i n gt h eb u i l d i n gp e r m i t t e ds u r f a c ed i s t o r t i o nv a l u ew h i c ht h e ”t h r e ed o w n “t h em i n i n gc o a lr e g u l a t i o n sp r e s c r i b e d 1 1 坞v i l l a g ei sc a r r i e do u tg e o l o g yd i s a s t e rd a n g e rc l a s s i f i c a t i o na n dt h es u b a r e ai nt i e f ac o a lf i e l dd o w n p u n c ha r e ai n n e r 1 1 1 eb a s i ci d e a sa n dt h ec o n c r e t es t e po ff u z z yg a t h e r e dm e t h o db a s e d0 1 1t h ed i a g r a m m a t i c ，t h ep a p e rs t a n d a r d i z e st h eo r i g i n a ld a t aa n ds t r u c t u r e ss i m i l a rm a t r i xu s i n gc + + l a n g u a g e ，s t r u c t u r e st h el a r g e s tt r e eu s i n gk r u s k a l ，v a l i d a t e sa c c u r a c yo fc a l a m i t ys u b a r e a , m o r e o v e r , p r o v i d e sb a s e st od o w n p u n c ha r e a sd i s a s t e rp r e v e m i o na n dc o n t r o l ，t h ev i l l a g el a y o u t k e yw o r d s ：l a n ds u b s i d e n c e ；l a n dc o l l a p s e ；f u z z yg a t h e r ；c a l a m i t ys u b a r e a创新点声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果：本文同时考虑采矿和矿坑降水两方面影响因素，研究铁法煤田大隆矿区因采矿引发的地面沉降和地面塌陷两种地质灾害。利用传统的地质历史分析方法和现代数理统计方法，根据模拟的地面变形曲线，对照“三下”采煤规程规定的建筑物允许地表变形值，对铁法煤田大隆矿沉陷区范围内村庄进行地质灾害危险性分级、分区。尽我所知，到目前国内外文献未见报道。作者：孳型e t 期：丝辽宁工程技术大学硕士学位论文1 前言1 1 论文选题依据本论文是围绕导师科研项目进行的，主要针对因采矿和矿坑降水引发的地面沉降和地面塌陷两种地质灾害( 以铁法煤田大隆矿区为例) 进行研究，采用传统的地质历史定性分析方法和现代数理统计定量分析方法，运用计算机程序对地面变形进行预计计算，并根据结果进行地质灾害分级、分区，更准确的分析、评价开采引发的地质灾害。铁法煤田是辽宁省的主要煤炭产业基地，该煤田现正处在盛产期，多年来矿业职工和当地政府群众为国家的能源供应做出了重要贡献。但是，随着采煤生产的深入，陆续出现了环境地质问题，并且不断地加剧，特别是采矿引发的地面沉降、地面塌陷闯题，严重地影响着矿区内群众的居住安全和环境质量，影响着和谐社会的构建。所以，本文研究目前由于采矿和矿坑降水引发的地面变形问题，并预测到2 0 1 4 年地面将发生的变形情况，进而进行地质灾害危险性分区。其结论为沉陷区的灾害防治、村屯规划、保护附近居民的生命财产安全具有指导意义。1 2 地面沉降、地面塌陷的类型地面沉降、地面塌陷是人们关注的地质灾害与地质环境问题，也是世界性重要问题，尤其是地面沉降、地面塌陷多发生在经济发达，人口相对稠密的城市以及重要的经济开发区，包括矿山、交通干线等地带。引发和影响地面沉降、地面塌陷灾害的因素很多，宏观分为自然因素和人为因素。自然因素：地面沉降、地面塌陷在地球自然演化过程中，是一个必然发生的地质现象。它包括地下水的渗流潜蚀、溶蚀，岩溶塌落，以及地壳运动、海平面的升降等。人为因素：人类活动，如地下矿床的开采是诱发地面沉降、地面塌陷地质灾害的重要因素。人类活动特别集中于平坦的盆地或平原地带。而这些地带是由于自然沉降过程中而形成具有松散第四纪地层沉积的地带。这些地带在自然演化过程中，仍发生着松散地层的压实与固结过程，因而也存在着地面沉降、地面塌陷现象的发生心”诱发地面沉降、地面塌陷现象的发生有多种类型：辽宁工程技术大学硕士学位论文2固体矿产资源开采诱发地面沉降、地面塌陷地下矿产资源如煤、石膏等矿产采出前，地下岩体处在一种准静态平衡状态，地下矿产资源采出后，这种平衡状态遭到破坏，使采场上覆岩体远离平衡，发生一系列的变形破坏现象。随着开采的进行，这种不平衡状态会引起上覆岩体的移动与变形，由此引起地面沉降、塌陷与变形，进而达到新的平衡状态。矿产资源开采引起地面建筑物等的变形破坏是普遍存在的一种现象。黑龙江省的七台河、鸡西、双鸭山，辽宁省的阜新、铁岭、北票等煤矿，已经出现大面积地面沉降、地面塌陷，并引起房屋倒塌、人员伤亡、铁路受损、市政设施破坏、耕地被毁等灾害，付出的代价是沉重的。辽宁抚顺煤田，引起地表沉降、塌陷已经2 0 k m 2 。淮南煤田分布面积3 6 0 0 k m 2 ，引起沉降、塌陷的深度大的近2 0 m 。开发地下水诱发地面沉降由于平原、盆地、三角洲有相对较好的人类生存条件，所以是人口密集居住地域。在较厚的松散地层中，有较丰富的地下水资源可供开采。然而，过量开采地下水，会造成大面积的地面沉降。由于大量开采地下水造成地面沉降的国家很多，其中主要的有美国、墨西哥、委内瑞拉、巴西、日本、泰国、澳大利亚、中国、意大利、英国、法国、西班牙、俄罗斯等国。我国发生地面沉降的城市近百个，主要有上海、北京、天津、太原、西安、石家庄、无锡、苏州、杭州、宁波、嘉兴、徐州、洛阳、开封等城市。在美国的加州圣毕金流域最大沉降量为8 5 m 以上，墨西哥城达7 5 m 。我国台湾岛西部为滨海平原，总面积有1 1 0 0 0 k m 2 ，但是由于过量开采地下水，造成地面沉降的地带已达2 0 0 0 - - 3 0 0 0 k m 2 。美国加州圣毕金流域发生地面沉降的面积达9 0 0 0 k m 2 ，墨西哥城沉降面积7 5 0 0 k m 2 ，我国天津地区沉降面积也达7 0 0 0 k m 2 。随着人类对地下水开采的加剧，开采地下水诱发地面沉降越来越严重。其发展趋势是，多个城市的沉降带相连接而形成区域性的地面沉降，我国台湾西部海岸滨海平原就是这种情况，长江三角洲的上海、无锡、苏州、常州也是逐渐相连而成为大的沉降带。辽宁工程技术大学硕士学位论文3其它流体资源开采引起的地面沉降、地面塌陷其它流体资源开采如油、气等资源也会引起地面沉降、地面塌陷。在辽河、大庆等油田都不同程度的观测到了地面沉降、地面塌陷现象。在华北平原东部的任丘、大港和东营等地出现了较严重的由于油、气开采引起的地面沉降、地面塌陷。大都市综合开发诱发地面沉降、地面塌陷目前不断扩大的大都市，不仅存在着开发地下水资源而诱发地面沉降的不良现象，而且高层建筑的荷载及其它工程设施，也可以诱发地面沉降、地面塌陷，特别是地下空间的开拓，诱发的地面沉降、地面塌陷是不可忽视的。例如：因地下开挖修建地铁，产生的地面沉降已达到2 0 m m 一1 5 0 m m ；大桥产生的基础沉降大的达几百毫米；高层建筑物产生的沉降有的已达3 0 0 m m 2 8 1 。因此，产生地面沉降、地面塌陷地质灾害的因素是多方面的，现在地面沉降、地面塌陷地质灾害已经成为当今世界城市化进程中不可忽视的环境地质问题，它与人类的经济活动密切相关，对社会经济的可持续发展造成严重的危害。1 3 论文的研究意义矿山开采破坏了岩体内部原有的力学平衡状态，使岩层位移、变形，使岩体的完整性受到破坏。当开采的面积达到一定范围之后，起始于采场附近的移动和破坏将扩展到地表，引起地面沉降、地面塌陷。这里把采矿引发的地面沉降和地面塌陷统称为采矿沉陷。为了进行现代化建设，需要开采大量矿产。但是开采有用矿产引发的地面沉陷，又反过来影响和破坏岩体内和地面上的一些生产和生活设施，制约人与自然的和谐发展。要解决好这个矛盾，只有依靠对开采沉陷的深入研究。仅仅从我国“三下”( 建筑物下、水体下和铁路下) 压煤的情况来看，就可以显示出研究开采沉陷的重要性：据1 9 8 2 年底的不完全统计，我国生产矿井“三下”压煤量总计达到1 3 3 4 8 亿吨，其中建筑物下7 8 1 8 亿吨、水体下3 6 。3 9 亿吨、铁路下1 8 9 1 亿吨。如果通过开采沉陷的研究，能将我国。三下”压煤哪怕只“解放”出来一半，就可供一个年产1 0 0 万吨的大型矿井生辽宁工程技术大学硕士学位论文4产1 0 0 年。但是，到目前为止，我国从“三下”采出的煤炭尚不足7 亿吨，只占整个“三下”压煤量的5 左右。由此可见，开采沉陷的研究现状还远远不能满足我国现代化建设的需要曙”。随着煤矿生产规模的扩大和开采强度的提高，开采建筑物下、铁路下压煤的必要性更加突出。在解决这类问题时，总是要提出问题：地下煤层采出后，上覆岩层和地表将发生的移动和变形的范围和程度有多大，它将给各类建筑物带来多大的危害和影响。为此，就需要根据己知的地质采矿条件在开采之前预先计算出地表可能产生的移动和变形，这就是所谓的地表移动预计，或称她表移动计算及估算。地表移动预计应用于以下诸方面乜m ”：( 1 ) 判断地表移动对建筑物的影响程度，确定合理的有利于保护建筑物的开采方案及措施；( 2 ) 在建筑物下开采时，为建筑物的加固维修措施提供依据；( 3 ) 分析开采对铁路的影响，判断在铁路下开采的可能性，估算铁路维修工作量及维修材料用量；( 4 ) 合理布局煤矿区的地面建筑物；( 5 ) 为矿区内新建的建筑物合理结构的设计提供必要资料。根据预计的结果可以进行地质灾害危险性分区，预计的结果对指导建筑物下、铁路下、水体下的开采实践具有重要作用。特别是在建筑物下开采时，预计所得的结果常被用来判别建筑物是否受开采影响和受开采影响的程度，作为受影响建筑物进行维修、加固、就地重建或采取地下开采措施的依据；在铁路下采煤时，可以根据预计的结果判断铁路下开采的可能性，估算铁路维修工作量和材料用量，安排维修计划：在水体下采煤时，预计结果被用来判断矿井受水患威胁的程度以及研究开采对受影响的堤坝等水工建筑物的破坏和影响的程度，以便进行必要的维修和保护。过于保守的( 偏大的) 预计结果，将导致花费不必要的保护费用，造成浪费；过于低估影响的( 偏小的)预计结果，可能导致保护措施不足，使保护对象受到破坏，造成不必要的经济损失，甚至危及人身安全。所以，必须谨慎选取参数进行预计，预计结果必须与实际接近，为地质灾害危险性分区提供理论依据。辽宁工程技术大学硕士学位论文51 4 研究现状研究采矿沉陷，主要研究采矿引发的地表移动变形的灾变，以及由此引起地面上建筑物受损的灾度。目前国内外关于地表移动、变形的地质灾害危险性分级、分区的研究成果较多，但多数为定性研究。1 4 1 地表移动预计理论研究现状地下矿物资源开采，当采空面积达到一定的数值，岩层将产生移动并发展到地表，引起地表的移动、变形和破坏。这种现象从人类开始利用地下资源时就被观察到了。早在1 8 世纪下半叶，已能对移动范围进行估计，这就是所谓的“法线理论”和“自然斜面理论”。另一方面杜马特( d u m o n t ) 提出了一个下沉量矿的算式，即w = n l c o s 口，这里m 为采厚口为煤层倾角。本世纪2 0 至3 0 年代，斯奇米茨( s c h m i t z ) 、凯因斯特( k e i n h o s t ) 和巴斯( b a l s )研究了开采影响的作用面积及分带，这可以作为影响函数法的初级阶段。值得指出的是，凯因斯特首先提出了水平移动的算法，即u = w t g - ，这里为缝表点到开采中心的连线与铅垂线的夹角。以上可以称为研究岩层移动的第一阶段。第二次世界大战后，生产的发展及其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。前苏联学者阿维尔辛通过塑性理论和经验方法提出了下沉剖面方程呈指数函数形式，并提出了水平移动与地面倾斜成正比的著名观点，这一观点至今被许多资料所证实。波兰学者克诺特( k n o t h e ) 提出了几何理论，布德雷克解决了克诺特提出的下沉盆地中的水平移动及水平变形问题，这一理论现在称为布德雷克一克诺特理论。其高斯型的影响曲线对近水平煤层的下沉描述十分成功。另一波兰学者李特维尼申( l i t w i n i s z y n ) 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罗夫方程，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。另外，沙武斯托维奇( s a l u s t o w i c z ) 根据弹性基础梁的理论得到了地表下沉盆地的表达式。6 0 年代初，英国学者拜瑞( b e r r y ) 和沃利斯( w a l e s ) 根据弹性理论分别讨论了均质岩层平面和横观各向同性平面以及三维条件下的地表移动表达式，但由于参数确定方面的困难，应用较少。此期间，英国大辽宁工程技术大学硕士学位论文6量研究和发展了应用典型曲线计算地表移动的方法。美国学者沙拉蒙( s a l a m o n ) 对地表移动也有一些研究，他几乎与拜瑞同期研究弹性理论求解地表移动。上述阶段可认为是研究岩层与地表移动的第二阶段。随着计算机技术的发展，岩层与地表移动的数学模型发展很快。从7 0年代至今，人们将经典理论( 第二阶段发展的理论) 的算法编成计算机程序，使得过去难于计算的问题成为可能。值得一提的是，三种主要的数值分析方法( 有限元法、边界元法和离散元法) 均在岩层移动计算中得到了应用。岩层移动计算正在向着自动化、智能化、复杂化和直观化方向发展。在自动化方面，可以根据己有观测资料反求参数、计算不同采矿方案下的地表移动变形；在智能化方面，根据计算理论和专家经验设计的专家系统可以辅助决策；在复杂化方面，不仅能对倾斜煤层、岩层内部进行计算，而且对复杂地质条件( 如有断层) 下的移动变形也能计算，同时还能给出应力分析的结果；在直观化方面，计算结果能直接以曲线图甚至三维图的方式给出，十分直观，一目了然。目前正在深入研究的这些方面可作为岩层移动发展的第三阶段。与波兰、前苏联等国相比，我国岩层与地表移动研究起步较晚，分阶段的特征不明显，实际上解放后我国才进行这一方面的研究工作。淮南和开滦煤矿在五十年代初期即建立了地表移动观测站，开始了我国岩层移动的仪器观测工作。五十年代后期，我国各主要矿区，开滦、抚顺、阜新、峰峰、淮南、大同、鹤岗、新汉、阳泉、本溪等先后制定了开展地表移动观测的规划，并建立了一批观测站。多年来的仪器观测，积累了大量的资料，在此基础上，初步提出了移动与变形的计算公式，以及选定有关参数的方法，从而改变了过去那种引用外国数据解决我国实际问题的局面。刘宝深、廖国华将随机介质理论引入我国，并发展和完善了这种计算方法。刘天泉、周国锉等一批学者对我国此项事业的发展做出了贡献，在我国己形成了概率积分法，典型曲线法，负指数函数法等多种计算方法并存的“百花齐放”的局面，在大量的地表移动观测资料的基础上制订出了自己的规程。可以毫不夸张地说，我国在岩层与地表移动的理论研究和实际应用方面都取得了巨大的成绩，并在国际上占据应有的地位n 们口”。目前，人们己初步掌握了岩层与地表移动的基本规律。通过大量的现场辽宁工程技术大学硕士学位论文7仪器观测，寻求了岩层与地表移动各主要参数与地质采矿因素的关系，并建立了各种类型的地表移动盆地剖面数学表达式，为地表移动与变形预计方法的建立创造了条件。有了地表移动预计方法，就可以预计一定条件下开采引起的地表变形值，因而，就有可能估计出房屋、铁路由于地下开采而受损害的程度。为此，人们可以事先采取防护措施，避免灾难性的破坏。1 4 2 地表移动预计软件的研究现状迄今为止，国内外对采矿引起的地表移动、破坏预计理论和方法作了大量的研究，并取得了很大的发展。由于开采弓l 起地表破坏涉及覆岩内部的破坏机理、结构、开采方法、开采工艺、地质构造及保护建筑物设施的结构等因素，是一个多因素的复杂影响系统，因而借助于计算机技术快速综合分析评价，已成为一种有效的方法。从7 0 年代至今，人们将经典理论的算法编成计算机程序，使得过去难于计算的问题成为可能。国内的不少煤炭研究院和高校都开发了自己的矿山开采地表移动预计程序，具有代表性的有；( 1 ) 中国矿业大学康建荣、王金庄等开发研制的“任意形多工作面多线段开采沉陷预计系统”( m s p s ) ；( 2 ) 西安矿业学院余学义、刘春光等开发研制的。三下开采与地面保护预计评价软件”( y l h 一1 2 ) ；( 3 ) 焦作工学院特殊开采所开发研制的“任意形状采区地表移动盆地内任意点任意方向的移动和变形预计程序”( d b y j ) 。地表移动变形预计值的精确度是实现最大资源回收率，提高开采经济效益，保护建筑物安全的关键性技术抬儿”1 1 4 3 地质灾害危险性分区的研究现状地质灾害危险性分区评价逐渐受到人们的重视，国内外评价发展过程基本上是由定性化、半定性半定量化方法向定量化方法过渡的。最雏形的评价方法始于国外对泥石流的制图，早在1 8 2 6 年，奥地利学者杜伊列( d u i l e ) 就提出了荒溪绘图方法用于泥石流的区划。虽然灾害区划方法的历史久远，但真正对地质灾害进行研究是最近一二十年。2 0 世纪8 0年代以后，许多专家和同行学者先后使用不同的方法，对各种灾害进行了分辽宁工程技术大学硕士学位论文8区评价。最初，采用多种勘测测试，根据取得的资料，利用地质分析的方法，参考地质因素演化机制中的判据，并适当结合地质类比的方法，论证其演化机制，对灾害做出分区评价，这些方法只局限于定性评价，没有上升到定量化高度。后来，所采用的评价方法在许多方面继承了地理学的评价方法，可归纳为；主导因素法、多因素的单因子逐项叠置法、地理相关分析法、理论推导分析法、趋向于半定性半定量化评价方法。在2 0 世纪9 0 年代以后，数理知识在地学中的应用向纵横方向发展，各学科的穿插渗透，评价方法逐渐趋于定量化综合评价。回归线性预测、数学模型分析得到了广泛的应用，尤其是白箱、黑箱、灰色预测、层次分析理论的引入，地质灾害分区评价更有了得心应手的方法，特别是层次分析理论适合危险性影响因素多，分布更加复杂的大区域地质灾害危险性分区评价。随着对地质灾害研究的深入，大量的研究表明，灾害是一种复杂的非线性环境问题，这使得入们采用传统的理论、研究思路和方法手段来进行地质灾害的评价预测并不能得到令人满意的效果。近几年发展起来的其它一些非线性科学理论，其一系列的新思想、新观点和新方法( 如人工神经网络、分数维理论) 引起了世界各国的科技工作者和各学科领域的广泛关注，给地质灾害的研究注入了新的活力，将现代非线性科学理论与传统的地质灾害评价预测理论相结合，应用于地质灾害危险性分区评价。这些方法处于发展阶段，技术上还不够成熟，需要得到近一步验证。其应用还停留在物理模式探索阶段。总之，在当前的地质灾害领域，学科之间的渗透和交融，已经摆脱了过去定性评价、静态分析、单一问题的讨论局面，进入了定量化、动态化、综合性的评价阶段。1 5 本文工作本次论文工作是在充分收集、研究现有地质资料和矿产资源开发利用方案及相关文件的基础上，并通过野外地质灾害调查，对采矿和降水引发的地面沉降、地面塌陷进行定性定量分析，地质灾害危险性分级、分区研究，实现对采矿沉陷灾害的综合评价。辽宁工程技术大学硕士学位论文9以往的地质灾害危险性分区只单一考虑采矿引发地面沉降、地面塌陷，本次工作是在前人测得的实际数据基础上，同时考虑采矿和矿坑降水两方面因素。针对铁法煤田大隆矿区因采矿和矿坑降水引发的地面沉降和地面塌陷两种地质灾害进行研究，认为采法、采区、采深、采高、顶板管理是影响沉陷灾害的直接因素；岩性、构造、水文地质条件及矿坑降水是影响沉陷灾害的间接因素，其中矿坑降水是不可忽视的重要因素。具体步骤如下：( 1 ) 结合采煤引起的开采沉陷研究理论，应用地表变形模拟软件模拟出因采矿引发的地面沉降和水平变形曲线；根据地下水降深、降落漏斗影响半径、岩土工程地质性质，应用s u r f e r 和v i s u a lm o d f l o w 软件模拟出因矿坑降水引发的地面沉降变形曲线。( 2 ) 应用m a t l a b 中分段线性插值法，将采煤引起的地面沉降等值线和矿坑降水引起的地面沉降等值线进行叠加，现有的地表变形曲线是采矿和矿坑降水引发地表变形曲线的叠加，精确表示出地面的变形情况。( 3 ) 根据叠加后的地表变形曲线，对照“三下”采煤规程规定的建筑物允许地表变形值，论述研究区的现状地质灾害危险性的分级、分区；预测研究区今后1 0 年地质灾害危险性的分级、分区。在煤田现有村庄中，确定截至目前地面沉陷已经稳定，今后开采( 根据铁法煤田大隆矿提供的开采计划)地表变形值在建筑物允许范围内的区域( 危险性小区) ；预测截至目前地面沉陷尚未稳定，根据地面沉陷时问规律近期稳定，今后开采地表变形值在建筑物允许范围内的区域( 危险性中等区) ；预测圈定今后开采活动引发地表变形值超出建筑物允许范围的区域( 危险性大区) 。( 4 ) 应用图论的模糊聚类方法验证地质灾害危险性分区结论，为大隆矿采煤沉陷区内的村庄建设场地规划提供可靠的地质灾害论证资料胡n ”。辽宁工程技术大学硕士学位论文1 02 矿区地质概况2 1 概述2 1 1 交通位置大隆井田位于铁法煤田的中西部，地处铁法市晓明镇，行政区划属调兵山市管辖地理坐标为：东经1 2 3 。3 3 4 9 ”一1 2 3 。3 772 8 ”，北纬：4 2 。2 41 6 ”一4 2 。2 7 1 7 大隆井田距沈阳l o o k m ，距铁岭3 0 k m 矿区专用铁路经过井田中部，在大青站与国铁接轨。连通全国各地矿区内交通十分便利，铁、法，康公路呈东西向横越井田中部，以矿物局所在地调兵山为中心至各矿及周边各县城均有公路相通( 见图2 - - 1 ) 图2 一l铁法矿区交通位置图辽宁工程技术大学硕士学位论文1 l2 1 2 井田自然概况大隆井田于1 9 6 6 年9 月动工建井，于1 9 7 2 年1 2 月投产，原设计能力9 0 万t a ，1 9 9 0 年改扩建后设计能力为1 8 0 万t a 。现年产量1 8 0 万吨，井田走向长( 东西) 4 4 8 k m ，倾斜宽( 南北) 3 3 4 k m ，面积1 4 9 6 k m 2 。采用倾斜长壁采煤方法，全部冒落顶板管理方法。大隆井田东部与小青井田相邻，以f 。、f a 、f 。f ：。号断层为界；井田南及西南部与大兴井田接壤，以f 。、f 。、f 。号断层及井田转点坐标为界；西及西北部以各煤层可采范围及井田转点坐标为界；北部与小明井田相临，以风井工业广场煤柱及f 。、f 。、f ，、f ，、f 。号断层为界( 见图2 - 2 ) 。辽宁工程技术大学硕士学位论文1 2图2 2 铁法煤田并田分布示意圈辽宁工程技术大学硕士学位论文1 32 2 地质环境条件2 2 1 水文气象本地区属北温带大陆性季风气候，常年主导风向多为西南风和西北风，四季变化明显，春季多西北风，风力最大8 9 级，小至2 - - 3 级，气温上升迅速；夏季炎热多雨，降雨量较少，主要集中在7 、8 、9 三个月，平均降雨量为5 0 0 - - 6 0 0 m m ，最大达1 0 0 9 1 l m m ，年蒸发量为1 7 0 0 m m 。年平均气温为7 左右，最低气温一3 2 1 ，最高气温3 3 3 。最大冻土深度1 4 0 m ，平均年无霜期1 5 0 天。本区光照条件较好，平均年日照时数为2 7 8 6 ，6 小时。区内主要为季节性河流，共两条：一条由调兵山南岭流经娘娘庙，另一条由施荒地流经兴隆屯，在小明安碑村西汇合一体，然后向东南经田家窝棚流出本井田。2 2 2 地形地貌大隆井田位于铁法煤田中西部，本井田内地势较为平坦，其东部是冲积平原，西部是洪积平原。冲积平原较为平坦，标高在6 5 6 9 m 之间；洪积平原自西向东微倾，标高在6 9 9 0 m 之间，高差变化有一定规律。西部地势稍高，向东逐渐减低，娘娘庙一带标高在7 7 8 1 m 左右，兴隆屯附近则为7 3 8 0 m 左右，仅在小明安碑、娘娘庙与海房屯之间有一高岗，标高最大可达9 0 9 7 m 。2 2 3 地层岩性铁法煤田位于华北陆台阴山陆隆带东段，处于较稳定的地台之上，前震旦系变质岩构成煤层之基底，其上沉积有中生界侏罗系、白垩系及第四系地层。通过钻探、地震、测井及生产地质资料的综合分析、研究，建立了地层柱状，由老至新是：前震旦系：岩性为花岗片麻岩、片岩等。侏罗系：不整合于前震旦系之上，为本煤田的含煤地层。在东部的西营盘、西部的柏家沟有露头。白垩系：除西北部及东部的部分地段被剥蚀以外，全区普遍发育，一般厚度在2 8 0 m 左右。岩性特征可分为下部灰绿色砾岩组和上部紫色砾岩组，本系与侏罗系平行不整合接触。第四系：分布于全煤田，主要为冲积层，其次为残积层、洪积层及坡积层，厚度为0 3 0 一3 5 m ，一般为2 0 m ”。辽宁工程技术大学硕士学位论文“大隆矿位于铁法煤田中西部，井田煤系地层基底为前震旦变质岩系，其上形成了侏罗系、白垩系及第四系地层，现由下而上分述如下：( 1 ) 前震旦系变质岩( a n z )i该系地层以花岗片岩及绿泥片岩为主，其中有各种火成岩侵入体，出露于井田西部兀术街、锁龙沟、调兵山一带。地貌构成低山。井田内无露头。( 2 ) 中上侏罗系( j 3 )中上侏罗系分为下部砂岩组及底部砾岩组、上部含煤组。上部含煤组又分为下部含煤段、中部砂岩段及上部含煤段，现分述如下：底部砾岩组；以砾岩、砂砾岩为主，并含有砂岩及砂质泥岩，上部呈灰绿色，下部呈暗褐色。砾岩的砾石以花岗片麻岩、片岩、石英岩为主，火成岩及变质岩次之。砾石分选性差，具棱角状，粒径一般为2 0 - - 2 5 c m ，最大达l m 左右。胶结物多为泥质，钙质次之。本组厚度为2 0 0 - - 3 8 0 m 。下部砂岩组：以深灰色、灰色、灰白色粉砂岩、细砂岩及中砂岩为主，并含有粗砂岩及砂砾岩。砂岩成分以石英为主，长石及其他矿物次之。胶结物多为泥质，钙质次之，层理清晰，多呈缓波状。该组在井田中部沉积较厚，向西部逐渐变薄，颗粒变粗，砂砾岩增多。本层以动水湖泊相为主，无煤层沉积，本组厚度约5 0 0 m 左右。下含煤段：有灰白色、灰色、灰黑色砂岩、泥岩、炭质泥岩及煤层组成，泥质胶结。该段厚度为2 1 0 一3 1 0 m ，一般为2 5 0 m 左右。中部砂泥岩段：本段主要以灰白色、灰色粉砂岩至粗砂岩和灰黑色砂质泥岩组成，局部夹有薄层泥岩及煤层，个别含少许砂砾岩。砾岩成分以长石、石英为主，泥质胶结。本段厚度4 1 8 9 m ，一般为6 0 m 左右。上部含煤段：灰白色、灰色、灰黑色砂岩、砂质泥岩、炭质泥岩及煤层为主，并含砂砾岩1 3 层。本段厚度9 5 - - 1 9 5 m ，一般为1 2 0 m 左右。( 3 ) 白垩系( k )白垩系在本井田较发育，井田西北部沉积较薄，向南逐渐增厚。该系以砂岩、砂砾岩为主，并含有砂质泥岩。白垩系分为两层，上部为赭色砂砾岩层，下部为灰绿色砂砾岩层。现将各层分述如下：下部为灰绿色砂砾岩组：本组以灰绿色砂岩、砂砾岩及砾岩为主，并辽宁工程技末大学硕士学位论文1 5夹有砂质泥岩，底部含少量煤线及植物化石碎片。砂岩及砾岩成分以石英、长石为主，泥质胶结。本组厚度为1 2 0 - - 3 3 5 m ，一般为1 6 0 m 。上部为赭色砂砾岩组：该层以赭色砂岩、砂砾岩为主。砂岩成分为石英、长石，泥质胶结。砾岩的砾石成分以片麻岩、花岗岩为主，粒径为5 3 0 c m ，最大可达i m 以上，分选不佳。本组厚度为8 0 - - 2 8 0 m ，一般为2 0 0 m 。( 4 ) 第四系( q )本井田第四系沉积厚度为1 6 3 6 m ，一般为2 0 m 。其组成以冲积层、洪积层为主，坡积层次之，主要成分为亚粘土、砂及砂砾等组成。2 2 4 煤层赋存情况及煤的特性煤系地层主要为晚侏罗系上部含煤组，厚度近千米。共含煤2 0 层，可采1 2 层，可采煤层总厚度平均2 1 m ，最厚达7 0 m 。赋存稳定，含煤性好，含煤系数为2 1 。煤层生产能力2 7 9 3 t m 2 。根据煤层赋存特点，可将上含煤组分为上下两个含煤段，各含煤1 0 层。其中上含煤段的4 、7 。层，下含煤段的1 4 、1 6 层全煤田发育，为最主要可采煤层。煤层倾角一般4 。1 0 。，属缓倾斜煤层。单层厚度稳定，层与层之间差别很大，但大多数中厚煤层厚度变化由东向西逐渐增厚，南北相差不大。煤层结构中等复杂，对比清楚，煤层与顶底板多为过渡接触，少为明显接触和冲刷接触，顶底板一般较完整。煤质：煤种以长焰煤和气煤为主，少量为不粘煤和天然焦。肉眼煤岩类型为半光亮型煤，光泽较强，以亮煤、镜煤为主，暗煤次之。条带状结构，块状构造，贝壳状，棱角状断口，性脆。容重一般为1 3 2 1 3 6 t m 3 。2 2 5 井田构造与她震铁法煤田在大地构造中的位置是：中朝准地台华北断坳下辽河断陷法库断凸。具体构造位置是大明安碑一大台向斜的西部，煤层总的构造形态与向斜总的方向一致，东翼岩层平缓，倾角小于1 0 0 ，无明显的褶皱和断裂，西翼和南部则出现次一级的构造，瓢家屯( 创业) 斜、小明背斜、辽河屯向斜及蔡牛背斜，随背斜的产生又引起程度不同的断裂。、铁法煤田矿区内构造以断裂为主，特别是西南部断层比较发育，并伴有宽缓的褶皱、水平或波状层理。火成岩活动，对煤层有一定的影响。褶皱不大发辽宁工程技术大学硕士学位论文1 6育，有北北东向和北西西向两组，褶皱构造控制煤层的展布和厚度变化，对生产无大影响。断裂多为高角度正断层，倾角多为6 0 。一7 0 0 。大隆井田处于晓明背斜和大兴向斜之间，形成一个北高南低的单斜构造，并有轻微褶曲。井田构造以断裂为主，褶曲次之，有岩浆岩侵入体。断层均属于高角度正断层，倾角一般在5 5 7 0 0 左右，断层落差最大可达1 3 0 m 。现已查明的大中型断层3 9 条，因断层相互切割交叉，将井田内地层分割成菱形块段，使井田内地质构造复杂化，并且小断层极发育。依据2 0 0 1 年中国地震动蜂值加速度、地震动反应谱特征周期区划图( 辽宁部分) ，及辽宁省地震震中及地震烈度区划图，本区地震活动强度小，为频率低的弱震区。地震动峰值加速度为0 0 5 一o 1 0 m s ，地震特征周期分区为一区，地震动反应谱特征周期为0 3 5 s ，地震烈度为度，该区发生破坏性地震的可能性较小。但受采煤活动的影响，可能引起小型矿震“川。2 2 6 水文地质条件铁法煤田东、西边缘是火成岩及交质岩构成的低山，相对地势较高：南北面临辽河流域；中间地区为第四系沉积的洪积层、冲积层平原。大隆井田位于铁法煤田中西部，其东部是冲积平原，西部是洪积平原。侏罗系含水层为本矿并主要含水层，该矿井水文地质条件简单。上覆岩层的透水性差，裂隙不发育，平均透水系数不大，可认定为微弱透水。可划分为三个主要含水层，自上而下分为：( 1 ) 第四系含水层：亚粘土孔隙潜水含水层：分布于全井田，含水层岩性为黄色亚粘土，是接受降雨直接补给的。第一个含水层，厚度在3 9 3 3 m 之问，一般为1 5 m 。渗透系数k = 0 3 8 6 米日，q = 0 0 5 9 5 7 公升秒米。洪积砂砾、粗砂含水层：该含水层位于亚粘土下，分布于海房屯、小明安碑以西，主要岩性为砂砾和粗砂，粒径2 1 5 m m ，以石英为主，黄色，分选不好，有棱角，厚度2 6 m 。渗透系数k = 2 5 6 8 2 8 3 6 米日，q = i 0 2 4 1 6 9 0 公升秒米。冲积细、中砂含水层：该含水层在洪积层东侧，上覆亚粘土，厚度4 1 5 m ，主要含水层为细、中砂，粉砂和较少量的粗砂。成分以石英为主，灰辽宁工程技术大学硕士学位论文。1 7白色，层次清楚，分选好。渗透系数k = 8 2 6 米日，q = i 0 3 6 公升秒米。第四系属于重碳酸钙型水，第四系底部有一层粘土层。未采动时起到阻隔第四系水与井下的联系作用，采动后，由于裂隙的生成，第四系水与井下具有水力联系。( 2 ) 白垩系含水层：在第四系覆盖之下厚度一般3 6 0 m ，与第四系接触的风化带约2 0 3 0 m 。赋存由西向东渐深，厚度增大。主要含水层有砾岩、砂砾岩，其次是粗砂岩和中砂岩，成分以花岗片麻岩、石英碎屑岩为主，泥质胶结。粒径1 0 3 0 m m ，个别也有1 0 0 r a m 的。白垩系地层沉积相变甚剧，厚度为1 5 0 3 2 0 m 之间，一般为2 5 0 m 。因相变甚剧，隔水层也不稳定，其岩层有粉砂岩、页岩、泥岩等，它们多集中在白垩系下部灰绿色岩层中，与含水层频繁交错出现为其沉积特点，在一定范围内起到隔水作用。白垩系含水性较弱，k = 0 0 0 5 米日，q = o 0 2 4 公升秒米。水质属于重碳酸型。( 3 ) 侏罗系含水层上含煤段含水层位于白垩系底板至第十层煤之间，含水层总厚在2 5 1 1 0 m 之间，一般为6 7 5 m 。其含水性较强，对开采有影响，普遍发育的含水层是自第二煤层以下至第七煤层以上的砾质砂岩和粗砂岩，灰白色，以石英、长石为主要成分，胶结疏松，粒径2 5 r a m 。分布规律是东部较厚，4 0 6 0 m ，向西变薄为2 0 4 0 m 或更薄。这些含水层在井田东部多为第四和第七煤层的直接或间接顶板。上含煤段上部第二煤层上下，由粉砂岩、泥岩组成连续的隔水层带，其规律是东部较厚，1 0 2 0 m ，向西变薄至1 0 m 以下，其次是与含水层或煤层呈复杂交错沉积的粉砂岩、泥岩，虽然不能构成连续的隔水层带，但能起到一定的隔水作用，它们多分布于七层煤以下。水质属于氯一一钾钠型。下含煤段含水层从第十煤层以下至第十一煤层之间的中粗砂、页岩组将上、下含煤段分辽宁工程技术大学硕士学位论文1 8开，与开采结合起来看，构成了不同的含水层组。下含煤段的主要含水层是中、粗砂岩、砾岩居多。含水层多分布于第十三与第十五煤层之间，粒度不大于2 m m ，比上含煤段含水弱，从第七煤层至第十五煤层之间的含水层总厚为7 0 8 0 m 之间，最厚为4 0 m 。其变化规律是自西向东渐厚h 1 。综上，本区水文地质条件属于简单型。2 2 7 岩土工程地质特征场地地层主要为第四系亚粘土、砾砂、粗砂、白垩纪泥岩、粉砂岩、中砂岩、砂岩。其中：亚粘土g 褐黄色，稍湿，硬塑，含少量铁锰结核，上部可见少量碎石。o o = l l o 一1 5 0k p a ，q = 4 5k p a 。砾砂：黄褐色，很湿，中密，含黑色锰质结核。o o = 2 7 0k p a ， i =7 0k p a 。粗砂：黄褐色，很湿，松散，石英长石成分，含少量圆砾。c r 0 = 2 0 0k p a ，毛= 6 0k p a 。泥岩：紫色，全风化，泥质结构，层理构造，岩心呈短柱状，遇水软化。o o = 3 0 0k p a ，t i = 5 3k p a 。中砂岩：紫色，灰白色，全风化，碎屑结构，层理构造，主要成分为石英、长石，含少量角砾状颗粒，局部见泥岩，遇水软化。t i t o = 3 0 0k p a ，f i = 5 5k p a 。泥岩：紫色，强风化，泥质结构，层理构造，岩心里短柱状，遇水软化。( 7 0 = 3 3 0k p a ，q = 5 8k p a 。粉砂岩：紫色、灰白色，弱风化，碎屑结构，层理构造，岩心呈碎块一短柱状，夹薄层泥岩。o o = 4 0 0k p a ，t i = 7 0k p a 。泥岩：紫色，弱风化，岩心呈碎块一短柱状，有粉砂岩夹层。盯。=3 8 0k p a ，f i = 6 5k p a 。中砂岩：灰白色，弱风化，碎屑结构，层理构造，夹泥岩、粉砂岩夹层，含角砾，岩心破碎呈碎块状，夹薄层泥岩。c r o = 4 0 0k p a ，奶= 7 0k p a 。粉砂岩：紫色，弱风化，碎屑结构，层理构造，主要成分为石英、辽宁工程技术大学硕士学位论文1 9长石等，岩心呈碎块状。c r 0 = 4 5 0k p a ，q = 8 5k p a 。该区地形较为平缓，地貌类型较为单一。为地震烈度小于6 度的弱震区。地下煤层采出后，采空区周围岩体的应力平衡状态发生改变，引起覆岩的变形、破坏和移动，最终导致地面沉陷，地质环境破坏较为严重b m l 。煤层上覆岩层为厚层软质岩组，抗压强度一般为5 3 5 3 0 m p a ，第四系松散沉积2 m 深处均为含砂黄粘土，其地基承载力特征值f i k 2 0 0k p a 。岩土种类较多，岩性变化不大，地下水对地基有一定的不利影响。2 2 8 人类工程活动影响铁法煤田大隆矿生产矿井经过4 5 年的开采，地面沉陷对原有地貌有所改变和破坏，并造成耕地部分地段积水。其次，地面沉陷还引发土地盐渍化、矸石山造成的粉尘污染及大气污染。总之，人类工程活动较为强烈，对地质环境产生了一定的影响。辽宁工程技术大学硕士学位论文2 03 矿区地质灾害现状3 1 地质灾害类型随着煤炭资源的大量采出，采矿引发的地质灾害也是显而易见的，特别是地面沉降与地面塌陷。平均开采万吨煤地面沉陷面积为6 8 7 亩，地面沉陷与地面塌陷造成了房屋及其他构筑物的变形和破坏n 1 。通过对铁法煤田采煤沉陷区及受损村庄地质灾害调查，矿区主要地质灾害类型为地面沉降、地面塌陷，次要类型为与地面沉陷伴生的地裂缝( 见表3 - - 1 ) 。表3 1 地质灾害一览表( 1 ) 采矿地面沉降采矿地面沉降是指由于采矿引发的地面下降，其特点是下降过程是渐变的，较为缓慢，造成的变化是地面高程的普遍的均匀的降低，对地面的原始形态影响不大，从区域上形成浅而大的平底盆地，面积较大，进行简单排水，对农耕无大影响。( 2 ) 采矿地面塌陷采矿地面塌陷是指由于采矿引发的地面下陷，其特点是在时问上突发或在短期内发生，形成明显的地形破坏和塌坑，深度较大，面积较小。地面塌陷多出现在采深较浅( 6 0 - - 4 0 0 m ) 的矿区，通常塌陷坑内有积水。这里把采矿沉降和采矿塌陷统称为采矿沉陷。( 3 ) 采矿地裂缝本区地裂缝为采煤沉陷的伴生灾害，分布在地面沉降、地面塌陷的边缘。根据地表变形模拟曲线分析，地裂缝多发生在曲线的拐点处，属于拉张断裂。( 4 ) 矸石山崩塌平地自卸式排矸形成的矸石山，坡度较大，自燃现象普遍。偶尔发生喷辽宁工程技术大学硕士学位论文2 1爆现象，造成一定规模的矸石山崩塌。近年来，大隆矿区发生过3 起矸石山崩塌