煤矿资源枯竭衍生灾害中的环境岩石力学问题.doc

煤矿资源枯竭衍生灾害中的环境岩石力学问题摘要：煤矿枯竭衍生灾害是一个矿山系统与外界环境相互作用的非线性演化过程。开采活动导致灾害系统空间的边界、岩层结构、岩层的物理力学参数、结构破坏等不断演化，是一个典型的动态边界、结构、参数等非线性特性的灾害系统演化问题。资源枯竭城市衍生灾害特征和固体环境水环境大气环境及其相互耦合灾害演化过程中的岩石力学问题。关键词：衍生灾害 岩石力学 资源枯竭 地层结构 非线性特性PROBLEMS OF ENVIRONMENTAL ROCK MECHANICS INDERIVED CALAMITIES OF COAL EXHAUSTIONAbstract：In the process of resources exhaustion , derivative disasters is an nonlinear evolution process which dry up mine system and external environment of the interaction of the inoculation. Mining activities in the boundary of the space disaster systems and rock layer structure, strata of physical and mechanical parameters, structure destroying an evolution, and it is a typical dynamic boundary, structure and parameters, such as nonlinear characteristics of the disaster system evolution. Coal mine resource exhaustion derivative disasters characteristics and solid environmental water environment atmospheric environment and its mutual coupling disasters in the evolution process of rock mechanics problems.Key words：derived calamity rock mechanics resources exhaustion stratum structure nonlinearity characters51 引言随着煤矿开采的发展，煤矿都要经历成长期、鼎盛期和衰退期3个阶段。进入鼎盛期和衰退期后矿井所孕育或潜伏着各种环境灾害逐步显现出来，随着资源的枯竭，煤矿衍生的各种灾害频发，并且相互影响导致对周围环境造成进一步的破坏，例如地表塌陷、地面坝体安全、地下水水位变化等问题。引起人们越来越多的关注，有必要对煤矿枯竭衍生灾害进行进一步研究；据预测在未来的20年内，我国又将有近百座矿业城市资源部分或全部枯竭。由于矿产资源赋存地质条件的复杂性，开发初期不合理规划设计或设计时没有考虑环境治理，致使几十、甚至上百年掠夺式开采的同时没有及时治理环境，加之不可抗拒的自然因素，生产矿井从鼎盛时期就已经开始孕育、潜伏并出现衍生灾害，随着资源逐渐枯竭，矿山城市衍生灾害频发，环境灾害问题日趋严重并衍生了许多新的灾害。矿井在生产过程中，人类工程活动对环境的破坏超过了环境的自然恢复能力，已成为危及人类生存、阻碍社会进步和稳定、影响经济可持续协调发展的重要因素。而相应灾害治理的速度，远小于开采损毁的速度。矿山城市衍生灾害主要包括地面固体环境灾害、水环境灾害和大气环境灾害，这些灾害本质上对应的是环境岩石力学问题，其研究散见各种文献资料，煤矿资源枯竭衍生灾害特征主要体现在以下几个方面：1.1 煤矿原始地层结构复杂性以及开采导致大面积地层结构弱化煤矿是由地质年代形成的天然物质，埋入地下的植被，经过长期地一系列的地质运动和不同程度的变质作用而形成的，原始含煤地层结构非常复杂，常含有大量的断层、弱面、褶皱、层理、节理等一系列地质构造，但处于相对稳定平衡状态原始地层结构具有天然缺陷，为定量分析复杂化的基本问题之一。采矿调整、控制并破坏了由地质年代形成的处于相对稳定平衡状态的地层结构，使应力状态、地层含水、瓦斯状态发生改变。在资源枯竭城市的废旧矿山，地下采空区达几十甚至上百平方公里，形成立体、多层不规则地下空间；废旧巷道达几百万延长米，地下采空区或露天矿坑容积达几亿到几十亿m3，各类硐室围岩产生的冒落带、裂隙带和弯曲带；影响面远远超过矿区存在的时间和空间范围，形成大面积采动地层同时在矿区形成了几十平方公里的矸石山。在几十到百余年的开采历史中，人为大规模地改变调整和弱化了地层结构，使地层结构形式复杂化。1.2 煤矿枯竭灾害孕育时间长煤矿枯竭衍生灾害多在煤矿发展的鼎盛期、衰退期才显现，随着矿山系统周围环境的逐渐变化而越演越烈。它是一个矿山系统与外界环境相互作用的，具有孕育、潜伏、爆发、持续、衰减等特性的非线性演化过程。开挖、堆积过程等导致灾害系统空间的边界、岩层结构、岩层的物理力学参数、结构破坏等不断演化，是一个典型的动态边界、结构、参数等非线性特性的灾害系统演化问题。资源枯竭矿山灾害孕育、发展和发生过程缓慢，损害程度由轻微到严重渐进发展，相对于开采有一个时间滞后的过程，即在开采数年、数十年时间甚至闭矿后很长时间才体现出来。例如开采后造成地面沉陷、地面坝体安全、地下水水位变化等问题。1.3 地层岩石结构响应呈非线性特性原始煤层上下的地层结构介质由于地质成因不同，存在着不连续性的结构面，它们的发育多呈无序状、不平整、不连续的状态；加之开采过程中形成各式各样的硐室，使地层结构的变形特性具有非线性性质：同时由于外力、温度、湿度甚至物理、化学、生物等各种耦合激扰作用，使结构响应特性体现出多样性、非线性、复杂性。1.4 外部多种、多相作用过程复杂煤矿枯竭衍生灾害发生作为一个开放的系统，与外界环境有物质、能量、信息的交换；系统受外力(静力和动力)温度、湿度变化等多种外界的复杂作用。具体表现为：银河系及太阳系对地球的万有引力引起固体潮，太阳输送给地球的能量，地球的自重及自转，降雨、降雪、刮风、地震、火山爆发，人为活动如开挖、回填、堆积、行车、放炮、核爆炸、抽水排水、植树，其他生物、植物作用等。同时固体、液体和气体多相相互耦合和转化，包括物理、化学、力学甚至生物的非线性演化过程。2 煤矿资源枯竭所衍生灾害中的环境岩石力学问题在外界复杂环境作用下，采动导致的地面环境、水环境、大气环境及其相互耦合灾害的演化过程显示出明显的复杂性。因此煤矿枯竭城市衍生灾害表现为：继续大规模损毁土地、岩层结构抗震性能降低、水资源流失、塌陷区积水、废旧地下采场积水形成地下暗湖、固体废矿渣积存污染、有害气体污染、大型露天矿闭坑后对环境影响等主要衍生灾害类型和现象。资煤矿枯竭城市衍生灾害归纳为固体环境、水环境和大气环境相关的环境岩石力学。废弃矿井里的巷道和采空区已经跨塌，但并不妨碍其储水、储气功能，甚至由于废弃巷道和采空区的上覆岩层中充满了裂隙，而成为地下水、气的畅通渠道，和积水、储气的充分补给来源。因此，可从下述几个方面来进行分析。2.1 衍生灾害中的固体环境岩石力学在采煤活动中，需要修建各种临时或永久的支护结构的各种巷道，原始岩体的处事平衡状态被破坏，发生应力重分布，巷道围岩不断变形并向巷道逐渐位移，同时随着应力重新分布引起大的变形而影响岩基的正常功能甚至导致岩基破坏。因此，要研究矿山环境岩石力学；必须从掌握矿山原始环境，结合开采全过程对地层结构的调整和外界的作用，研究开采活动涉及岩石力学问题。(1) 影响地下硐室围岩的稳定性在岩体中开挖硐室之后，随着围岩的应力重分布，围岩发生变形或位移，在二次应力作用下，岩层产生裂隙或剪切位移，围岩破坏、失稳现象就会发生，甚至出现帽顶、塌方等。(2) 影响岩石边坡稳定性煤层开采过程中，导致地层周围地质条件发生变化，在应力重分布下，发生岩坡失稳现象，主要有崩塌和滑坡两种破坏形式。(3) 影响岩基稳定性煤层上下的岩层在采煤的影响下，加之随之带来的地质条件的改变，使得岩体发生岩基失稳现象。采动是对经过地质年代形成地层结构的人为扰动和弱化，是矿山环境改变的根源。矿山固体环境岩石力学主要考虑岩层的破坏、变形和稳定性问题，主要为：采动地层结构演变与环境互馈机理； 复杂环境作用下大面积采动地层结构演化趋势和灾变机理；地震作用下大面积采动地层结构稳定性；水作用下各类地下硐室对地层结构变形特性的影响；大面积采动地层灾害控制和治理的基础理论。2.2 衍生灾害中的水环境岩石力学矿山水环境，主要包括在采动过程和采动后，地表和地下水系径流改变、调整、破坏和水质污染问题，即水环境对开采的依赖关系，主要为：(1) 大面积采动地层结构水系调整破坏与动态演化规律； (2) 水质复合污染成因机制与特征；(3) 大面积沉陷地层积水污染过程研究；(4) 矸石山淋滤过程及污染范围研究；(5) 矿区受污染水环境和生态系统修复基础研究；(6) 大面积地下采动空间积水渗流过程及周边水分循环；(7) 废弃矿山水质污染控制的新理论与方法。2.3 衍生灾害中的大气环境岩石力学残采期以后，残煤、油母页岩等围岩还会释放大量的瓦斯、二氧化碳、一氧化碳等气体，各种因素残煤自燃污染大气环境、甚至爆炸。因此，须研究采动对气体的生成、扩散、致灾及其控制等问题，主要为：(1) 大面积采动空间有害气体的生成机制；(2) 大面积采动地层有害气体的运移扩散规律；(3) 大面积废弃矿井可燃气体爆炸等致灾机制；(4) 大面积采动地层有害气体控制的新理论与方法。2.4 地面环境 水环境大气环境及其相互耦合灾害演化过程在采动的影响下，地面固体环境、水环境及大气环境不是孤立存在的，而是相互关联的，须研究它们的耦合作用机理和控制原理，主要为：(1) 大面积采动地层中固体、液体和气体多相、物理、化学、力学甚至生物的非线性复杂演化过程相互耦合致灾机理；(2) 大面积采动地层中固体、液体和气体多相，物理、化学、力学甚至生物的非线性复杂演化过程相互耦合致灾防治和控制原理。3 讨论煤矿资源枯竭衍生的各种灾害是一个复杂的非线性演化的结果，并涉及岩石力学的各个方面，它在岩石以受荷对象出现时，它的基本力学性质，如应力、变形、强度和破坏等规律的认识，由于岩体地质特征的复杂性和岩体工程的多样性，我们通过试验和现场监测的方法来进行应力应变、强度特性和破坏规律的研究和分析。4结语煤矿枯竭衍生灾害是一个复杂的非线性演化过程。为了统筹考虑灾害的孕育、潜伏、爆发、持续、衰减等演化过程和控制因素，须了解灾害发生的来龙去脉和前因后果，进而进行定量化半、定量化的描述，建立数学、力学模型，确定灾害发生的条件和判据，并进行数值和解析求解。并采用新的实验测试、现场监测手段，验证、证实灾害现象，有利于地面、水、大气环境及其相互耦合灾害演化过程的预测、预报、评价、治理等重大科学问题的解决。参考文献(References)1张忠亭 景锋 杨和礼 工程实用岩石力学M. 北京 中国水利水电出版社2009（Zhang zhongting Jing feng Yang heli rock mechanics engineeringM.Beijing China WaterPower Press 2009）2Donald L.Kate: Handbook of Natural Gas Engineering, Mcgraw-w-Hill Book Company ,INC .New York,Toronto,London,1959 3 王来贵 潘一山王永岩等. 资源枯竭煤城环境灾害系统分析A.见朱望喜,王来贵,王建国编. 资源枯竭城市灾害形成机理与控制战略研讨会议论文集C. 北京地质出版社2003. 35.(WangLaigui Pan Yishan Wang Yongyan et al. 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