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矿山地面塌陷是由于地下矿产资源开挖而诱发的地质灾害问题,常形成塌陷坑、塌陷盆地等,并伴随有地裂缝、滑塌等现象。地面塌陷往往给人类造成重大的经济损失,危及人类生命安全,严重制约了社会和经济发展。
邯郸市的主要矿产资源为煤矿和铁矿,至今已有五十余年开采历史,随着矿产资源的开发利用,邯郸市矿山地区采空范围在不断扩大,矿山地质环境质量日趋恶化,其中采空诱发的地面塌陷问题尤为突出。2002年统计资料显示,建国以来邯郸市发生的矿山地面塌陷150处,占全省地面塌陷总量的35.4%。矿山地面塌陷严重影响了矿山生产和经济发展。综合分析矿山地面塌陷的类型、影响因素、形成机制,为预防和治理矿山地质环境(地面塌陷)提供科学依据,具有十分重要的现实意义。
论文在系统分析现有地质工作和研究成果的基础上,结合多年来在邯郸市从事矿山地质工作中形成的对本区矿山工程地质特征的认识,系统总结了邯郸市井下开采矿产资源的赋存特征、工程地质条件、以及采空区特征。
在系统调查分析邯郸市矿山采空区地质条件以及其诱发地面塌陷的特征的基础上,将采空塌陷类型分为:三带型、拱冒型、弯曲型、不对称拱冒型和非拱型。同时采空诱发的地面塌陷又表现为连续性地面塌陷和非连续性地面塌陷。
论文采用优势面理论研究思路,定性分析邯郸市矿山地面塌陷的诱发因素,区分一般因素和主要因素(优势因素),以及诱发因素对矿山地面塌陷的影响作用。主要因素有三方面:①矿床围岩工程地质条件:煤矿上覆岩层中的薄层石灰岩、含炭质石灰岩、炭质页岩为影响煤矿采空区稳定性的优势层;铁矿上覆岩层中的角砾岩层、矽卡岩、以及粉末状矿石层,为影响采空区稳定性的优势层。整体而言,铁矿围岩为闪长岩和奥陶系灰岩,煤矿围岩为石炭、二叠系含煤岩系,分析三种岩体的工程地质特征,从中找出了铁矿顶板围岩中发育的断裂结构面为
影响采空区稳定性的优势面。优势层、优势面组合,构成了优势分离体,决定了矿山采空塌陷的破坏模式。②矿山作业中不规范的采动作用是诱发矿山地面塌陷的重要因素。主要体现在国营矿山与个体矿山的区别,个体矿山从矿山建设设计到矿床开采施工、矿床采出后对采空区的回填处理等方面不规范、不合理,易产生地面塌陷,且难以控制;而国营矿山的采动作业较为规范,产生的地面塌陷少,且具有可控性。③降雨、地震、地表水和地下水的渗入等自然因素是加速地质灾害的客观因素。其中降雨具有周期性和季节性,地震具有偶发性,长期作用的是地表水和地下水,是影响矿山地面塌陷的自然因素中主要评价因子,地下含水层为奥陶系中统灰岩和含煤岩系中的碎屑岩层。 从形成机制上来讲,矿山地面塌陷是一个复杂的地质力学和地质体形变的过程,可分为采空塌陷和地面塌陷二个过程。其力学机制在于采空区顶板自身重力和上覆岩层的压力共同作用形成重力坍塌,地下水、地表降水的渗透、地下水位下降常常改变岩体的应力状态,会使围岩软弱、形成水压,膨胀岩含水后产生膨胀压;上覆岩层中由于水位下降形成真空负压能量等因素的作用,导致采场围岩破坏,表现为软弱岩层的塑性挤出、膨胀内鼓、塑流涌出、硬岩层间摩擦力降低发生掉块、坍塌。采空塌陷直接导致上覆岩层相继向下弯曲、移动,最终导致地面塌陷。
论文运用优势面分析理论,建立邯郸市矿山地质环境(地面塌陷)质量评价优势指标,划分地质单元,确定各优势指标值,定量评价邯郸市矿山地质环境(地面塌陷)质量,将其划分了五类区:不稳定区、较不稳定区、一般区、较稳定区和稳定区,并分别对各分区进行了综合评价。
论文针对邯郸市矿山地面塌陷的实际情况,探讨相应的预防对策,为矿山地质环境治理、降低地质灾害造成的损失提供依据。