煤礦區(qū)構造控災機理及地質環(huán)境承載能力研究

前言

國際能源署（IEA）2007年11月公布的《世界能源展望2007》顯示，受油氣價格上漲影響，全球煤炭消費增速加快，預計2008-2030年間，全球一次能源需求將增加55%，其中煤炭消費增長73%。我國是煤炭生產與消費大國。2005年，煤炭在我國一次能源生產總量和消費總量中的比重分別為76.3%和68.7%，遠遠高于全球平均27%和27.8%的水平。煤炭產量多年來穩(wěn)居世界第一，2000年為9.8×108t，2004年猛增至1.96×109t，2007年已經達到2.25×109t。我國煤炭產量已占到世界總產量的40%左右。礦產資源開發(fā)被公認為是對環(huán)境破壞最嚴重的人類工程活動之一。在我國，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、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害之一。有統(tǒng)計資料表明，我國煤礦區(qū)萬噸采煤塌陷率一般在2.80-6.75ha/萬t之間。即使按1ha/萬t的采煤沉陷率估算，年產原煤2.5×109t，將引起采煤沉陷面積2.5×105ha以上。從構造地質學的觀點來看，以采煤沉陷為代表的煤礦區(qū)環(huán)境災害（environment hazards related to coal-mining）是由人類地下采礦活動在主采煤層上覆巖、土體（簡稱覆巖）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造介質的角色。大多數(shù)煤礦區(qū)在地質歷史時期曾經受過構造運動改造，形成單斜、褶皺等構造形態(tài)和節(jié)理、斷層等構造界面。因此，采煤沉陷是經受過變形、遭受過破壞的煤層及其覆巖，在環(huán)境應力條件改變時，產生的再變形和再破壞。如果說構造介質本身的特點（力學特性、構造形態(tài)、構造界面）是地質歷史時期產生的影響煤礦區(qū)環(huán)境災害的靜態(tài)因素，那么，構造應力就是反映目前覆巖動力學狀態(tài)且影響煤礦區(qū)環(huán)境災害的動態(tài)因素。構造介質、構造形態(tài)、構造界面、構造應力等要素構成了煤礦區(qū)的構造環(huán)境（tectonic settings）。大量觀測資料和實驗證明，在不同的構造環(huán)境下，同樣強度的地下采礦活動所造成的采煤沉陷有明顯差異。這說明，雖然采煤沉陷是人類地下采礦活動對煤礦區(qū)地質環(huán)境（geological environment）產生強烈擾動的結果，但煤礦區(qū)地質環(huán)境的抗擾動能力是由構造環(huán)境決定的?？箶_動能力強的煤礦區(qū)可以承受較大的開采強度；而抗擾動能力差的煤礦區(qū)，同樣強度的地下開采，就會導致嚴重的地表損害甚至環(huán)境災害。因此，構造環(huán)境的內在結構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)境質量目標下，煤礦區(qū)地質環(huán)境所能承受的最大開采強度（稱為地質環(huán)境承載能力），因其所處構造環(huán)境的不同會有明顯的區(qū)別。研究構造環(huán)境對采煤沉陷的控制機理，對預測采煤沉陷的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，評價煤礦區(qū)地質環(huán)境的承載能力，從而通過給定損害，限制開采，實現(xiàn)采動損害最小化及煤礦區(qū)經濟與環(huán)境協(xié)調發(fā)展目標有十分重要的意義。為此，第一作者在完成博士學位論文期間，應用構造地質學的觀點對煤礦區(qū)地表沉陷問題進行了系統(tǒng)研究，初步建立了“構造控災”理論框架。作者提出的構造控災觀點和圍繞構造控災開展的研究工作，得到了我國構造地質與巖層控制專家的熱情鼓勵。中國科學院院士張國偉教授在評語中寫道：“構造控災是一項學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，但作為一個新的整體思維、理念性思考研究，應當說是很少的。不管這一術語是否公認為完全合適，但作為一個研究方向，應予充分肯定并具有重要創(chuàng)新意義的”。中國工程院院士錢鳴高教授在評語中寫道：“應該認為作者在構造環(huán)境對采動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與采礦兩個學科的結合上有新的探索，并表明了作者在基礎與專業(yè)方面的知識面?！睘榱诉M一步深化、細化和完善構造控災理論體系，第一作者以“地質構造對煤礦區(qū)地表環(huán)境災害的控制機理研究”為題申請了國家自然科學基金面上項目，并獲得國家自然科學基金委員會批準資助（項目編號：40472104）。本書是對第一作者博士學位論文和國家自然科學基金項目研究成果的系統(tǒng)總結。全書共分八章。

內容概要

　　《煤礦區(qū)構造控災機理及地質環(huán)境承載能力研究》是作者近年來從事煤礦區(qū)構造控災理論研究的最新成果。全書共分八章，以地質構造控制論為指導，以我國北方典型煤礦區(qū)采煤沉陷觀測資料為依據(jù)，以相似材料模擬和計算機數(shù)值試驗為手段，系統(tǒng)深入地分析和論證了構造介質（煤層覆巖）、構造形態(tài)（單斜與褶皺）、構造界面（節(jié)理與斷層）、構造應力以及地下水對采煤沉陷的控制作用及其機理。建立了全新的煤礦區(qū)構造控災理論體系；在此基礎上，總結了煤礦區(qū)地質環(huán)境承載能力評價預測理論和方法?！睹旱V區(qū)構造控災機理及地質環(huán)境承載能力研究》基礎資料數(shù)據(jù)翔實、試驗結果真實可靠。《煤礦區(qū)構造控災機理及地質環(huán)境承載能力研究》可作為地質工程、采礦工程、礦山測量、環(huán)境科學、環(huán)境工程等專業(yè)高年級學生和研究生的選修課教材，也可供相關專業(yè)工程技術人員參考。

書籍目錄

前言第一章  緒論1.1  煤礦區(qū)地質環(huán)境承載能力的相關概念與研究意義1.2  煤礦區(qū)地質環(huán)境承載能力的影響因素與研究重點1.3  采煤沉陷及其相關領域的國內外研究現(xiàn)狀與趨勢1.3.1  礦產工業(yè)正在積極應對可持續(xù)發(fā)展提出的挑戰(zhàn)1.3.2  建設“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理是建設“綠色礦區(qū)”的關鍵1.3.4  地質環(huán)境承載能力研究將得到進一步加強第二章  煤礦區(qū)地表環(huán)境災害及其影響因素概述2.1  采煤沉陷對生態(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）筑物2.1.5  誘發(fā)次生地質災害2.2  地下開采對地質環(huán)境的擾動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  重復采動2.3  地質環(huán)境固有的抗擾動能力2.3.1  構造介質2.3.2  構造形態(tài)2.3.3  構造界面2.3.4  構造應力2.3.5  地下水第三章  構造介質對采煤沉陷的控制3.1  煤礦區(qū)構造介質的地質-力學特征3.1.1  沉積巖的地質特征及其對力學性質的影響3.1.2  煤礦區(qū)常見構造介質的工程地質類型3.1.3  構造介質的三個要素3.2  不同構造介質采煤沉陷典型實例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)值試驗研究3.4  松散層比例與采煤沉陷的關系3.4.1  常見松散層及其力學性質3.4.2  數(shù)值試驗研究3.5  關鍵層位置與采煤沉陷的關系3.5.1  關鍵層及其特征3.5.2  數(shù)值試驗研究3.6  構造介質對采煤沉陷的控制作用3.7  構造介質對采煤沉陷的控制機理3.7.1  巖石的變形破壞機理3.7.2  巖體破壞機制與本構關系3.7.3  覆巖綜合硬度和關鍵層的作用第四章  構造形態(tài)對采煤沉陷的控制4.1  單斜構造與采煤沉陷4.1.1  傾角分類4.1.2  建模與試驗方法4.1.3  模擬開采試驗4.1.4  試驗結果對比4.2  褶皺構造與采煤沉陷4.2.1  試驗模型與邊界條件4.2.2  模擬開采試驗4.2.3  試驗結果對比4.3  構造形態(tài)對采煤沉陷的控制作用4.3.1  單斜構造對采煤沉陷的控制作用4.3.2  褶皺構造對采煤沉陷的控制作用4.4  構造形態(tài)對采煤沉陷的控制機理4.4.1  單斜構造對采煤沉陷的控制機理4.4.2  褶皺構造對采煤沉陷的控制機理第五章  構造界面對采煤沉陷的控制5.1  煤層覆巖中的構造界面及其特點5.2  塊裂介質采煤沉陷的典型實例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系5.4.1  隱伏斷層下采煤引起的地表沉陷5.4.2  斷層產狀及組合形式與采煤沉陷5.5  構造界面對采煤沉陷的控制作用5.5.1  節(jié)理對采煤沉陷的控制作用5.5.2  斷層對采煤沉陷的控制作用5.6  構造界面對采煤沉陷的控制機理5.6.1  構造界面的力學性質5.6.2  構造界面的力學模型和破壞準則5.6.3  節(jié)理對采煤沉陷的控制機理5.6.4  斷層對采煤沉陷的控制機理第六章  構造應力對采煤沉陷的控制6.1  煤礦區(qū)原巖構造應力基本狀態(tài)6.1.1  地應力與構造應力6.1.2  大地構造背景與構造應力概況6.1.3  煤礦區(qū)原巖構造應力場的一般特點6.2  構造應力影響采煤沉陷的典型實例6.2.1  陶莊井田6.2.2  臺吉井田6.3  構造應力與采煤沉陷關系的實驗研究6.3.1  相似材料模擬實驗裝置6.3.2  相似材料模擬實驗結果6.3.3  數(shù)值試驗軟件與建模6.3.4  數(shù)值試驗結果6.4  構造應力對采煤沉陷的控制作用6.5  構造應力對采煤沉陷的控制機理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  構造應力與其他因素的關系分析第七章  煤層覆巖與地下水在采煤沉陷中的互饋效應7.1  煤礦區(qū)地下水系統(tǒng)的特點7.2  地下水對覆巖抗擾動能力的影響7.2.1  對巖體力學性質及應力狀態(tài)的影響7.2.2  地下水對采煤沉陷影響的數(shù)值試驗7.3  覆巖破壞對地下水系統(tǒng)的影響7.3.1  地下水向煤礦采空區(qū)滲流的機理7.3.2  采煤沉陷對地下水系統(tǒng)的改造效應7.4  固液耦合采煤沉陷模擬實驗7.4.1  實驗目的7.4.2  實驗設備及材料7.4.3  實驗過程及現(xiàn)象7.4.4  實驗結果分析7.5  主要結論第八章  煤礦區(qū)地質環(huán)境承載能力評價方法與實例8.1  評價指標體系8.2  評價分級標準8.2.1  建筑物損壞等級8.2.2  土地損害等級8.2.3  地質環(huán)境承載能力等級8.3  評價方法及主要工作流程8.3.1  煤礦區(qū)原巖構造應力狀態(tài)的確定方法8.3.2  地質環(huán)境承載能力評價工作流程8.3.3  地質環(huán)境本身抗擾動能力量化評價方法8.4  煤礦區(qū)構造應力狀態(tài)分析實例8.4.1  研究區(qū)地質概況8.4.2  區(qū)域古構造應力-應變場演化歷史分析8.4.3  現(xiàn)今區(qū)域構造應力-應變場的GPS測量8.4.4  井田構造反映的構造應力場特征8.5  建筑物下允許開采強度預測實例8.5.1  地質與開采條件8.5.2  計算機數(shù)值試驗模型8.5.3  計算機數(shù)值試驗結果8.5.4  安全開采尺寸預計8.5.5  預計結果驗證8.6  地質環(huán)境承載能力評價實例8.6.1  評價區(qū)地質概況8.6.2  區(qū)域構造動力學背景8.6.3  礦區(qū)構造樣式8.6.4  地質環(huán)境承載能力評價參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：4.3.2 褶皺構造對采煤沉陷的控制作用在其他地質、采礦條件相同的情況下，采動應力和采煤沉陷特征與褶皺構造的形態(tài)特征有密切聯(lián)系。1）采動應力特征。壓應力集中在切割眼、停采線附近，拉張應力集中在采空區(qū)上方的煤層頂板部位；無論是壓應力還是張應力，其量值均以向斜構造最大，背斜構造最小，水平煤層介于背斜和向斜之間。2）工作面推進相同長度時，向斜構造煤層開采時的地表下沉值最大，其次為水平煤層，背斜構造煤層開采時的地表下沉值最小。3）相同的地質、采礦條件下，隨著背斜構造翼間角增大，采煤沉陷下沉值逐漸增大；而隨著向斜構造翼間角增大，下沉值逐漸減小。4）對于采煤沉陷的影響范圍而言，開采背斜構造的煤層在地表形成的采煤沉陷盆地最大，開采向斜構造的煤層時在地表形成的采煤沉陷盆地范圍最小，開采水平煤層時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)構造控災機理及地質環(huán)境承載能力研究》由科學出版社出版。

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