煤礦區(qū)構(gòu)造控災(zāi)機(jī)理及地質(zhì)環(huán)境承載能力研究

前言

國(guó)際能源署（IEA）2007年11月公布的《世界能源展望2007》顯示，受油氣價(jià)格上漲影響，全球煤炭消費(fèi)增速加快，預(yù)計(jì)2008-2030年間，全球一次能源需求將增加55%，其中煤炭消費(fèi)增長(zhǎng)73%。我國(guó)是煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)。2005年，煤炭在我國(guó)一次能源生產(chǎn)總量和消費(fèi)總量中的比重分別為76.3%和68.7%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全球平均27%和27.8%的水平。煤炭產(chǎn)量多年來(lái)穩(wěn)居世界第一，2000年為9.8×108t，2004年猛增至1.96×109t，2007年已經(jīng)達(dá)到2.25×109t。我國(guó)煤炭產(chǎn)量已占到世界總產(chǎn)量的40%左右。礦產(chǎn)資源開發(fā)被公認(rèn)為是對(duì)環(huán)境破壞最嚴(yán)重的人類工程活動(dòng)之一。在我國(guó)，由于煤炭開采規(guī)模巨大，且絕大部分煤礦開采埋藏在人類生產(chǎn)、生活區(qū)之下的煤炭資源，所以由井工開采誘發(fā)的煤礦區(qū)地面沉陷、斷陷、開裂（簡(jiǎn)稱采煤沉陷）已成為煤礦區(qū)土地資源破壞和生態(tài)環(huán)境惡化的主要人為災(zāi)害之一。有統(tǒng)計(jì)資料表明，我國(guó)煤礦區(qū)萬(wàn)噸采煤塌陷率一般在2.80-6.75ha/萬(wàn)t之間。即使按1ha/萬(wàn)t的采煤沉陷率估算，年產(chǎn)原煤2.5×109t，將引起采煤沉陷面積2.5×105ha以上。從構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，以采煤沉陷為代表的煤礦區(qū)環(huán)境災(zāi)害（environment hazards related to coal-mining）是由人類地下采礦活動(dòng)在主采煤層上覆巖、土體（簡(jiǎn)稱覆巖）中引起或誘發(fā)的一種特殊的變形現(xiàn)象。變形的物理過程在覆巖中進(jìn)行，引起變形的力在覆巖中傳遞，因此，覆巖在采煤沉陷過程中扮演著構(gòu)造介質(zhì)的角色。大多數(shù)煤礦區(qū)在地質(zhì)歷史時(shí)期曾經(jīng)受過構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造，形成單斜、褶皺等構(gòu)造形態(tài)和節(jié)理、斷層等構(gòu)造界面。因此，采煤沉陷是經(jīng)受過變形、遭受過破壞的煤層及其覆巖，在環(huán)境應(yīng)力條件改變時(shí)，產(chǎn)生的再變形和再破壞。如果說(shuō)構(gòu)造介質(zhì)本身的特點(diǎn)（力學(xué)特性、構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造界面）是地質(zhì)歷史時(shí)期產(chǎn)生的影響煤礦區(qū)環(huán)境災(zāi)害的靜態(tài)因素，那么，構(gòu)造應(yīng)力就是反映目前覆巖動(dòng)力學(xué)狀態(tài)且影響煤礦區(qū)環(huán)境災(zāi)害的動(dòng)態(tài)因素。構(gòu)造介質(zhì)、構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造界面、構(gòu)造應(yīng)力等要素構(gòu)成了煤礦區(qū)的構(gòu)造環(huán)境（tectonic settings）。大量觀測(cè)資料和實(shí)驗(yàn)證明，在不同的構(gòu)造環(huán)境下，同樣強(qiáng)度的地下采礦活動(dòng)所造成的采煤沉陷有明顯差異。這說(shuō)明，雖然采煤沉陷是人類地下采礦活動(dòng)對(duì)煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境（geological environment）產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)的結(jié)果，但煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的抗擾動(dòng)能力是由構(gòu)造環(huán)境決定的?？箶_動(dòng)能力強(qiáng)的煤礦區(qū)可以承受較大的開采強(qiáng)度；而抗擾動(dòng)能力差的煤礦區(qū)，同樣強(qiáng)度的地下開采，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的地表?yè)p害甚至環(huán)境災(zāi)害。因此，構(gòu)造環(huán)境的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和特性是采煤沉陷形成與發(fā)展的控制性因素。由此可見，在一定的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)下，煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境所能承受的最大開采強(qiáng)度（稱為地質(zhì)環(huán)境承載能力），因其所處構(gòu)造環(huán)境的不同會(huì)有明顯的區(qū)別。研究構(gòu)造環(huán)境對(duì)采煤沉陷的控制機(jī)理，對(duì)預(yù)測(cè)采煤沉陷的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，評(píng)價(jià)煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的承載能力，從而通過給定損害，限制開采，實(shí)現(xiàn)采動(dòng)損害最小化及煤礦區(qū)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展目標(biāo)有十分重要的意義。為此，第一作者在完成博士學(xué)位論文期間，應(yīng)用構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的觀點(diǎn)對(duì)煤礦區(qū)地表沉陷問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，初步建立了“構(gòu)造控災(zāi)”理論框架。作者提出的構(gòu)造控災(zāi)觀點(diǎn)和圍繞構(gòu)造控災(zāi)開展的研究工作，得到了我國(guó)構(gòu)造地質(zhì)與巖層控制專家的熱情鼓勵(lì)。中國(guó)科學(xué)院院士張國(guó)偉教授在評(píng)語(yǔ)中寫道：“構(gòu)造控災(zāi)是一項(xiàng)學(xué)科交叉研究探索的新成果，有新意，有深化發(fā)展前景。雖然過去有類似或相仿的研究思考，但作為一個(gè)新的整體思維、理念性思考研究，應(yīng)當(dāng)說(shuō)是很少的。不管這一術(shù)語(yǔ)是否公認(rèn)為完全合適，但作為一個(gè)研究方向，應(yīng)予充分肯定并具有重要?jiǎng)?chuàng)新意義的”。中國(guó)工程院院士錢鳴高教授在評(píng)語(yǔ)中寫道：“應(yīng)該認(rèn)為作者在構(gòu)造環(huán)境對(duì)采動(dòng)損害的影響方面做了初步而有益的探索。論文表明作者在地質(zhì)與采礦兩個(gè)學(xué)科的結(jié)合上有新的探索，并表明了作者在基礎(chǔ)與專業(yè)方面的知識(shí)面?！睘榱诉M(jìn)一步深化、細(xì)化和完善構(gòu)造控災(zāi)理論體系，第一作者以“地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤礦區(qū)地表環(huán)境災(zāi)害的控制機(jī)理研究”為題申請(qǐng)了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，并獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)批準(zhǔn)資助（項(xiàng)目編號(hào)：40472104）。本書是對(duì)第一作者博士學(xué)位論文和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目研究成果的系統(tǒng)總結(jié)。全書共分八章。

內(nèi)容概要

　　《煤礦區(qū)構(gòu)造控災(zāi)機(jī)理及地質(zhì)環(huán)境承載能力研究》是作者近年來(lái)從事煤礦區(qū)構(gòu)造控災(zāi)理論研究的最新成果。全書共分八章，以地質(zhì)構(gòu)造控制論為指導(dǎo)，以我國(guó)北方典型煤礦區(qū)采煤沉陷觀測(cè)資料為依據(jù)，以相似材料模擬和計(jì)算機(jī)數(shù)值試驗(yàn)為手段，系統(tǒng)深入地分析和論證了構(gòu)造介質(zhì)（煤層覆巖）、構(gòu)造形態(tài)（單斜與褶皺）、構(gòu)造界面（節(jié)理與斷層）、構(gòu)造應(yīng)力以及地下水對(duì)采煤沉陷的控制作用及其機(jī)理。建立了全新的煤礦區(qū)構(gòu)造控災(zāi)理論體系；在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)理論和方法?！睹旱V區(qū)構(gòu)造控災(zāi)機(jī)理及地質(zhì)環(huán)境承載能力研究》基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)翔實(shí)、試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠?！睹旱V區(qū)構(gòu)造控災(zāi)機(jī)理及地質(zhì)環(huán)境承載能力研究》可作為地質(zhì)工程、采礦工程、礦山測(cè)量、環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程等專業(yè)高年級(jí)學(xué)生和研究生的選修課教材，也可供相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

前言第一章  緒論1.1  煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力的相關(guān)概念與研究意義1.2  煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力的影響因素與研究重點(diǎn)1.3  采煤沉陷及其相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)1.3.1  礦產(chǎn)工業(yè)正在積極應(yīng)對(duì)可持續(xù)發(fā)展提出的挑戰(zhàn)1.3.2  建設(shè)“綠色礦區(qū)”是礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇1.3.3  研究采煤沉陷控制機(jī)理是建設(shè)“綠色礦區(qū)”的關(guān)鍵1.3.4  地質(zhì)環(huán)境承載能力研究將得到進(jìn)一步加強(qiáng)第二章  煤礦區(qū)地表環(huán)境災(zāi)害及其影響因素概述2.1  采煤沉陷對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害2.1.1  破壞寶貴的土地資源2.1.2  破壞水資源且加劇水土流失2.1.3  造成地表土壤退化2.1.4  破壞地表建（構(gòu)）筑物2.1.5  誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害2.2  地下開采對(duì)地質(zhì)環(huán)境的擾動(dòng)2.2.1  開采深度2.2.2  開采厚度與采空區(qū)面積2.2.3  頂板管理與采煤方法2.2.4  開采速度2.2.5  重復(fù)采動(dòng)2.3  地質(zhì)環(huán)境固有的抗擾動(dòng)能力2.3.1  構(gòu)造介質(zhì)2.3.2  構(gòu)造形態(tài)2.3.3  構(gòu)造界面2.3.4  構(gòu)造應(yīng)力2.3.5  地下水第三章  構(gòu)造介質(zhì)對(duì)采煤沉陷的控制3.1  煤礦區(qū)構(gòu)造介質(zhì)的地質(zhì)-力學(xué)特征3.1.1  沉積巖的地質(zhì)特征及其對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響3.1.2  煤礦區(qū)常見構(gòu)造介質(zhì)的工程地質(zhì)類型3.1.3  構(gòu)造介質(zhì)的三個(gè)要素3.2  不同構(gòu)造介質(zhì)采煤沉陷典型實(shí)例3.2.1  銅川某煤礦508工作面3.2.2  銅川某煤礦291工作面3.2.3  神府51101工作面和銅川905工作面3.3  覆巖綜合硬度與采煤沉陷的關(guān)系3.3.1 覆巖類型劃分3.3.2  相似材料模擬3.3.3  數(shù)值試驗(yàn)研究3.4  松散層比例與采煤沉陷的關(guān)系3.4.1  常見松散層及其力學(xué)性質(zhì)3.4.2  數(shù)值試驗(yàn)研究3.5  關(guān)鍵層位置與采煤沉陷的關(guān)系3.5.1  關(guān)鍵層及其特征3.5.2  數(shù)值試驗(yàn)研究3.6  構(gòu)造介質(zhì)對(duì)采煤沉陷的控制作用3.7  構(gòu)造介質(zhì)對(duì)采煤沉陷的控制機(jī)理3.7.1  巖石的變形破壞機(jī)理3.7.2  巖體破壞機(jī)制與本構(gòu)關(guān)系3.7.3  覆巖綜合硬度和關(guān)鍵層的作用第四章  構(gòu)造形態(tài)對(duì)采煤沉陷的控制4.1  單斜構(gòu)造與采煤沉陷4.1.1  傾角分類4.1.2  建模與試驗(yàn)方法4.1.3  模擬開采試驗(yàn)4.1.4  試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比4.2  褶皺構(gòu)造與采煤沉陷4.2.1  試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c邊界條件4.2.2  模擬開采試驗(yàn)4.2.3  試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比4.3  構(gòu)造形態(tài)對(duì)采煤沉陷的控制作用4.3.1  單斜構(gòu)造對(duì)采煤沉陷的控制作用4.3.2  褶皺構(gòu)造對(duì)采煤沉陷的控制作用4.4  構(gòu)造形態(tài)對(duì)采煤沉陷的控制機(jī)理4.4.1  單斜構(gòu)造對(duì)采煤沉陷的控制機(jī)理4.4.2  褶皺構(gòu)造對(duì)采煤沉陷的控制機(jī)理第五章  構(gòu)造界面對(duì)采煤沉陷的控制5.1  煤層覆巖中的構(gòu)造界面及其特點(diǎn)5.2  塊裂介質(zhì)采煤沉陷的典型實(shí)例5.2.1  河南云蓋山井田5.2.2  徐州董莊井田5.3  節(jié)理與采煤沉陷的關(guān)系5.3.1  節(jié)理傾角與采煤沉陷5.3.2  節(jié)理發(fā)育程度與采煤沉陷5.4  斷層與采煤沉陷的關(guān)系5.4.1  隱伏斷層下采煤引起的地表沉陷5.4.2  斷層產(chǎn)狀及組合形式與采煤沉陷5.5  構(gòu)造界面對(duì)采煤沉陷的控制作用5.5.1  節(jié)理對(duì)采煤沉陷的控制作用5.5.2  斷層對(duì)采煤沉陷的控制作用5.6  構(gòu)造界面對(duì)采煤沉陷的控制機(jī)理5.6.1  構(gòu)造界面的力學(xué)性質(zhì)5.6.2  構(gòu)造界面的力學(xué)模型和破壞準(zhǔn)則5.6.3  節(jié)理對(duì)采煤沉陷的控制機(jī)理5.6.4  斷層對(duì)采煤沉陷的控制機(jī)理第六章  構(gòu)造應(yīng)力對(duì)采煤沉陷的控制6.1  煤礦區(qū)原巖構(gòu)造應(yīng)力基本狀態(tài)6.1.1  地應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力6.1.2  大地構(gòu)造背景與構(gòu)造應(yīng)力概況6.1.3  煤礦區(qū)原巖構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的一般特點(diǎn)6.2  構(gòu)造應(yīng)力影響采煤沉陷的典型實(shí)例6.2.1  陶莊井田6.2.2  臺(tái)吉井田6.3  構(gòu)造應(yīng)力與采煤沉陷關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究6.3.1  相似材料模擬實(shí)驗(yàn)裝置6.3.2  相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果6.3.3  數(shù)值試驗(yàn)軟件與建模6.3.4  數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果6.4  構(gòu)造應(yīng)力對(duì)采煤沉陷的控制作用6.5  構(gòu)造應(yīng)力對(duì)采煤沉陷的控制機(jī)理6.5.1  煤層覆巖單元體平衡理論分析6.5.2  煤層覆巖彎曲變形理論分析6.5.3  構(gòu)造應(yīng)力與其他因素的關(guān)系分析第七章  煤層覆巖與地下水在采煤沉陷中的互饋效應(yīng)7.1  煤礦區(qū)地下水系統(tǒng)的特點(diǎn)7.2  地下水對(duì)覆巖抗擾動(dòng)能力的影響7.2.1  對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)力狀態(tài)的影響7.2.2  地下水對(duì)采煤沉陷影響的數(shù)值試驗(yàn)7.3  覆巖破壞對(duì)地下水系統(tǒng)的影響7.3.1  地下水向煤礦采空區(qū)滲流的機(jī)理7.3.2  采煤沉陷對(duì)地下水系統(tǒng)的改造效應(yīng)7.4  固液耦合采煤沉陷模擬實(shí)驗(yàn)7.4.1  實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.4.2  實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料7.4.3  實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象7.4.4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析7.5  主要結(jié)論第八章  煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)方法與實(shí)例8.1  評(píng)價(jià)指標(biāo)體系8.2  評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)8.2.1  建筑物損壞等級(jí)8.2.2  土地?fù)p害等級(jí)8.2.3  地質(zhì)環(huán)境承載能力等級(jí)8.3  評(píng)價(jià)方法及主要工作流程8.3.1  煤礦區(qū)原巖構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)的確定方法8.3.2  地質(zhì)環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)工作流程8.3.3  地質(zhì)環(huán)境本身抗擾動(dòng)能力量化評(píng)價(jià)方法8.4  煤礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)分析實(shí)例8.4.1  研究區(qū)地質(zhì)概況8.4.2  區(qū)域古構(gòu)造應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)演化歷史分析8.4.3  現(xiàn)今區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)的GPS測(cè)量8.4.4  井田構(gòu)造反映的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征8.5  建筑物下允許開采強(qiáng)度預(yù)測(cè)實(shí)例8.5.1  地質(zhì)與開采條件8.5.2  計(jì)算機(jī)數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?.5.3  計(jì)算機(jī)數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果8.5.4  安全開采尺寸預(yù)計(jì)8.5.5  預(yù)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證8.6  地質(zhì)環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)實(shí)例8.6.1  評(píng)價(jià)區(qū)地質(zhì)概況8.6.2  區(qū)域構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景8.6.3  礦區(qū)構(gòu)造樣式8.6.4  地質(zhì)環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：4.3.2 褶皺構(gòu)造對(duì)采煤沉陷的控制作用在其他地質(zhì)、采礦條件相同的情況下，采動(dòng)應(yīng)力和采煤沉陷特征與褶皺構(gòu)造的形態(tài)特征有密切聯(lián)系。1）采動(dòng)應(yīng)力特征。壓應(yīng)力集中在切割眼、停采線附近，拉張應(yīng)力集中在采空區(qū)上方的煤層頂板部位；無(wú)論是壓應(yīng)力還是張應(yīng)力，其量值均以向斜構(gòu)造最大，背斜構(gòu)造最小，水平煤層介于背斜和向斜之間。2）工作面推進(jìn)相同長(zhǎng)度時(shí)，向斜構(gòu)造煤層開采時(shí)的地表下沉值最大，其次為水平煤層，背斜構(gòu)造煤層開采時(shí)的地表下沉值最小。3）相同的地質(zhì)、采礦條件下，隨著背斜構(gòu)造翼間角增大，采煤沉陷下沉值逐漸增大；而隨著向斜構(gòu)造翼間角增大，下沉值逐漸減小。4）對(duì)于采煤沉陷的影響范圍而言，開采背斜構(gòu)造的煤層在地表形成的采煤沉陷盆地最大，開采向斜構(gòu)造的煤層時(shí)在地表形成的采煤沉陷盆地范圍最小，開采水平煤層時(shí)在地表形成的采煤沉陷盆地范圍介于前二者之間。

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《煤礦區(qū)構(gòu)造控災(zāi)機(jī)理及地質(zhì)環(huán)境承載能力研究》由科學(xué)出版社出版。

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