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煤矿采空塌陷特征与危险性预测研究

作　者: 张长敏
导　师: 冉勇康
学　校: 中国地震局地质研究所
专　业: 构造地质学
关键词: 西山采空塌陷 GIS 可拓理论层次分析法
分类号: P208
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文主要利用可拓理论及层次分析法进行了西山地区采空塌陷危险性预测研究,并在典型地段利用概率积分法、数值模拟方法进行了采空塌陷预测。主要思路是探讨解决采空塌陷危险性预测、区划中人为干扰的问题,为开展地质灾害预警预报工作提供基础资料。北京西山地区煤炭开采历史悠久,长期的煤炭开采在地下形成了大面积的采空区,时刻威胁当地生态环境和人民生命财产的安全,这些问题已成为研究区内经济建设发展的制约因素。进行采空塌陷危险性评价可有效预防采空塌陷灾害对人民生命财产的危害,保持经济和环境的可持续发展。因此,开展西山地区采空塌陷危险性预测研究工作对于北京市地质灾害防治、防灾减灾工作方面具有重要的指导作用,对于保护国家和人民的生命财产安全,实现人与环境的协调发展具有重要的现实意义。前人对于采空塌陷的研究着重分析岩石力学因素,对于地质因素和附加荷载因素的考虑比较少。目前国内外在采空塌陷研究中尚存在一些问题,主要包括:对采矿因素考虑较为周全,对地层结构和地质背景等方面因素考虑较少;评价方法有多种,但进行评价时人为主观因素占比重较大,比较客观的评价和预测方法还需要进一步探索;采空塌陷危险性区划方法的研究深度不够,不同的评价方法直接影响到区划结果的准确性,如何探索新理论、新方法进行采空塌陷危险性评价仍需要进一步深入研究;对于地质灾害预测、预报、评价模型及其基于GIS实现方法的研究还很薄弱。从目前国内外研究现状入手,结合西山地区实际情况,本文重点进行了西山地区采空塌陷的特征分析及危险性预测研究工作。在详细野外调查、资料分析基础上对西山地区采空塌陷现状、煤炭开采历史与采空塌陷形成的规律、影响采空塌陷的空间分布的各种因素进行了全面系统的总结与论述。同时对国内外采空塌陷危险性预测研究现状进行了分析,在此基础上,基于GIS系统、可拓理论及层次分析法提出了采空塌陷危险性区划模型,进行了采空塌陷危险性评判,取得了以下研究成果:1)系统总结了西山地区采空塌陷的发育特征、地面塌陷类型、空间及时间分布等,分析了西山地区采空塌陷分布与覆岩时代、岩体结构、采空区尺寸、煤层倾角、煤层厚度及开采深度、重复采动、水文条件、地形地势、松散盖层、构造应力场、不连续面性状等方面的关系。2)基于可拓理论及层次分析法进行了西山地区采空塌陷危险性区划研究。煤矿开采后引发地面塌陷的危险性预测评估是煤矿地质灾害危险性评估的核心内容。由于采空塌陷的影响因素非常复杂,对其研究的文献也比较少,本文在GIS的支持下,结合层次分析法及可拓模型,以IDL为程序设计语言,进行了采空塌陷危险性区划研究。根据研究结果,西山地区采空塌陷危险性共分为五级:四级危险度分区主要分布于门头沟门城镇、王平地区,面积为9.81km²;三级危险度分区主要分布于门头沟门城镇、军庄、潭柘寺、王平、安家滩、大台、千军台、斋堂黄岭西、马栏及洪水峪、房山北窖、上英水、中英水、三合村、他窖、史家营、宝水等地区,面积为20.19km²;二级危险度分区主要分布于门头沟门城镇、军庄、潭柘寺、王平、安家滩、大台、千军台、斋堂黄岭西、马栏及洪水峪、房山北窖、上英水、中英水、三合村、他窖、史家营、宝水等地区,面积为42.18km²;一级危险度分区主要分布于门头沟门城镇、军庄、潭柘寺、王平、安家滩、大台、千军台、斋堂黄岭西、马栏及洪水峪、房山北窖、上英水、中英水、三合村、他窖、史家营、宝水等地区,面积为27.28km²;其它地区为零级危险度分区,面积为1907.65km²。3)进行了典型地段采空塌陷的数值模拟研究。收集了大量西山地区采空塌陷的资料,并进行了现场调查。利用物探和钻探方法对典型地区的采空分布情况进行了勘查。通过资料分析及现场调查、勘查工作成果,对采空塌陷的发生、演化规律及其控制、影响因素取得初步认识。在此基础上以利用概率积分法和FLAC程序进行了典型地段的采空塌陷危险性预测研究,对108国道K125+400-K125+800路段和门头沟南港地区采空塌陷引发的地表移动进行了预测评价。根据模拟计算结果,108国道K125+400-K125+800路段在车辆动荷载、降雨条件及地震荷载作用下,区内地表移动加剧,地表沉陷可达到4.5m左右,水平移动可达到1.50m左右。地表移动将直接造成108国道路基、路坡开裂,甚至导致道路失稳破坏。门头沟南港地区内马各庄煤矿采区Ⅰ和Ⅱ地段地面变形较大,预计沉降量为1.7～2.3m;曲率为0.3～0.7×10^-3/m,水平变形为10.0～23.0mm/m,倾斜为10～24mm/m。南港村东南侧地段预计地面沉降量为0.6～1.4m,曲率为0.15～0.3×10^-3/m,水平变形为1.0～6.0 mm/m,倾斜为4～10mm/m。本研究在研究深度、精度及区划理论、区划方法方面都进行了探索,在一定程度上丰富了采空塌陷灾害理论、方法,提高了地质灾害研究水平,可为其它地区地质灾害危险性区划研究工作提供参考。

全文目录

摘要  3-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-30
  1.1 北京西山地区采空塌陷特征研究的意义  11-13
  1.2 国内、外研究进展  13-27
    1.2.1 采空塌陷定义与形成机制  13-15
    1.2.2 采空塌陷预测、模拟研究现状  15-19
    1.2.3 地质灾害危险性评价研究现状  19-24
    1.2.4 可拓理论的发展现状  24-27
  1.3 论文研究内容  27-30
    1.3.1 主要研究内容  27-28
    1.3.2 论文拟解决科学问题的基本思路  28
    1.3.3 技术路线  28-30
第二章北京西山地区环境地质条件  30-42
  2.1 地理位置和经济社会发展概况  30-31
  2.2 气象水文  31
  2.3 地形地貌  31-32
  2.4 地质构造  32
  2.5 地层岩性  32-39
    2.5.1 区域地层岩性概况  32
    2.5.2 含煤地层地质特征  32-34
    2.5.3 京西主要煤产地地质特征  34-39
  2.6 地震活动环境  39-41
  2.7 小结  41-42
第三章北京西山地区采空塌陷发育特征  42-77
  3.1 采空区分布  42-45
  3.2 地面塌陷的基本类型及发育特征  45-57
    3.2.1 地面塌陷的基本类型  45-52
    3.2.2 地面塌陷的发育特征  52-57
  3.3 采空及地面塌陷分布特征  57-62
    3.3.1 地面塌陷的空间分布  57-60
    3.3.2 地面塌陷的时间分布  60-62
  3.4 地面塌陷影响因素  62-76
    3.4.1 采空区覆岩破坏的一般规律和参数  62-64
    3.4.2 塌陷形成的影响因素  64-76
  3.5 小结  76-77
第四章西山地区采空塌陷危险性分析与区划  77-110
  4.1 采空塌陷危险性构成与危险性指标  77-80
  4.2 指标权重系数的确定  80-85
  4.3 采空塌陷危险性区划方法选取  85-91
    4.3.1 可拓学基本理论  85-91
    4.3.2 可拓理论解决问题的一般步骤  91
  4.4 采空塌陷危险性区划  91-108
  4.5 小结  108-109
  4.6 讨论  109-110
第五章典型地区采空塌陷危险性预测  110-151
  5.1 采空塌陷危险性预测方法的选取  110-115
    5.1.1 概率积分法概述  111-114
    5.1.2 数值模拟法概述  114-115
  5.2 108国道K125+400—K125+800路段采空塌陷预测  115-136
    5.2.1 地质环境背景  115-117
    5.2.2 采空塌陷灾害及地下采空区特征  117-125
    5.2.3 塌陷预测结果  125-136
  5.3 门头沟南港地区采空塌陷灾害  136-148
    5.3.1 地质环境背景概况  136-140
    5.3.2 采空塌陷灾害及地下采空区特征  140-143
    5.3.3 预测结果  143-148
  5.4 小结  148-150
  5.5 研究成果在其它地区的适用性  150-151
第六章主要认识与创新点  151-155
  6.1 结论  151-153
  6.2 主要创新点  153
  6.3 讨论与今后的研究方向  153-155
参考文献  155-164
附件  164-168
攻读博士学位期间的研究成果  168-169
致谢  169

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