抚顺煤田地质灾害成因机理与预测分析研究

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地质灾害是在地球发展演化历史过程中,由各种自然地质作用和人类活动所导致的灾害性事件,目前已经成为人们关心的主要社会问题之一,采矿活动区是发生滑坡、泥石流、矿震等地质灾害的重要场所。在经济发展的同时,若想实现自然与社会的平稳过渡、和谐发展,人类就必须花费大量的时间与精力来对这些灾害的机理、机制、规律进行研究,为进一步的预测与防治做好基础工作。抚顺煤田是我国著名的“煤都”,开采已有百余年,为新中国经济的腾飞作出了突出贡献,先后建有东、西两大露天矿和胜利、龙凤、老虎台三大井工矿。在煤炭开采过程中,引发了滑坡、地面变形、地面沉陷、地面塌陷、地裂缝和矿震等地质灾害。这些地质灾害的发生造成了人员的伤亡、财产的损失、采煤进度的中断,进而波及到抚顺城市的安全建设,影响了人们的日常生活。目前抚顺煤田开采已经进入残采期,主要开采深部煤层。显然,在开采的过程中,若要尽量避免地质灾害的发生,应该加强对地质构造、岩性条件、水文地质、应力平衡这些影响地质灾害的重要因素的研究,以便确定未来深部煤炭开采的方向和深度,为地质灾害发展趋势和预测防治提供科学依据,这具有重要的理论和现实意义。本论文针对抚顺煤田地质灾害具有深度大、范围广、类型多、影响重的特点,在总结分析引发抚顺煤田地质灾害地质环境背景的基础上,开展了本区的断裂活化特征、岩石性质、水动力学等重要因素的研究和利用FLAC软件结合有关地质条件对地质灾害的形成演化机理进行了仿真模拟,探讨了抚顺煤田地质灾害的种类特征以及演化规律,得到了如下成果:(1)通过对抚顺煤田地质灾害类型及特点进行分析,抚顺煤田地质灾害具有多灾种密集出现、相伴出现和交替出现的特点,从而地质灾害的破坏力也具有集中性、突发性、周期性。在西露天矿地裂缝的出现可以作为滑坡体的形成和边坡变形的一种主要标志,在老虎台煤矿地下开采区段地裂缝围绕沉陷区形成环型分布。根据抚顺市区地质灾害类型、分布范围、发育程度、危险程度及发展趋势,将抚顺煤田范围区划分为13个地质灾害危险区、3个易发区和2个稳定区。(2)通过对抚顺煤田地构造和岩性的分析得出:抚顺煤田断层构造方向以北东向为主,F1和F1A是影响抚顺煤田地质灾害的主干断层。断层活化与深部开采有着直接的成因联系,表现出断层活化具有局部性、区段性和浅层性。西露天矿北帮的滑坡和地面变形、老虎台与龙凤矿地面沉陷及一些地裂缝都与地质构造有着直接和间接的关系,尤其是煤田北侧靠近浑河断裂的次级F1和F1∧断层对各种地质灾害的影响较大。另一个影响地质灾害的重要地质构造是发育于煤田北侧的残破倒转向斜,为浑河断裂挤压错动过程中“拖曳”所致。通过试验和分析得出,地质灾害主要发生于煤系软岩类和构造岩类。(3)利用FLAC模拟水对地质灾害的影响和人为活动的影响分析得出,水的作用降低了斜坡体抗剪强度和增加了下滑力。岩体内裂隙聚集使含水量增加,将导致边坡岩坡体的重量增加,致使坡体的下滑力增大,边坡体向不稳定的方向发展。水在坡体内运移产生的渗流力同样也增加下滑力。同时水的作用有助于岩石中的粘土矿物产生水化作用,使颗粒间结合力减弱,粘聚力降低,岩体稳定性受到破坏。岩石均匀性越差,水化作用越强,岩石强度下降越大。显然在抚顺西露天矿边坡存在着岩石不均匀性和裂隙聚集的地质条件下、水化作用和水渗流作用的耦合作用为滑坡体和地裂缝的形成创造了充分条件。采煤活动所形成的深部采空区对抚顺煤田地质灾害有着重要的影响作用。在地表会影响到地面变形、地裂缝、地面沉陷和地面塌陷。(4)地质灾害成因机理分析得出,采矿引发的局部性、浅层性断层活化效应与采空区效应是抚顺煤田各种地质灾害的形成基础。利用FLAC软件对西露天北帮边坡进行了岩体力学模拟,模拟结果显示:变形破坏一般不会进入花岗片麻岩区,开采深度不易超过850m。通过采煤沉陷多年观测数据的应用数理统计分析,得出了一套适合预测抚顺煤田采煤沉陷的经验公式,并用此对采煤沉陷的未来发展趋势进行了预测分析。预测表明随着开采深度增加沉陷区范围和沉降深度将会加大,未来沉陷区主要集中在东面和北面两个方向,其中东面的沉陷区的扩大长度大约为2000m左右,北面的扩大长度约为300m左右。(5)对西露天边坡的滑坡体、地裂缝、边坡变形需要在加强活化断层监测和控制开采深度与强度的基础上,采取合理避让、有效防治的策略,尽量减少损失。对采煤沉陷区的地面变形、地裂缝、地面沉陷等在严格控制深部开采强度和范围基础上,加强监测和充填、注浆等技术处理,减轻和缓解沉陷。
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