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1、黔西北猫猫厂-榨子厂矿区地质及成矿分析1、相关定义1.1、煤矿区采动损害的概念 煤炭资源的大规模开采,一方面满足了我国经济建设的需要,另一方面,诱发或引起了煤矿冒顶、震矿等井下安全事故和煤矿区地表地质环境灾害(简称为采动损害)。曾有专家撰文指出:从全国范围看,每年矿山开采沉陷灾害的总体损失不亚于一次地震或洪水3。在煤炭开采之前,由岩土、煤炭资源、地壳稳定性等构成的地质环境受自然地质作用控制,处于天然形成的应力平衡状态。由于煤炭井工开采,当开采面积达到一定范围之后,开采区域周围岩土体的原始应力平衡状态受到干扰,因此,在采煤的过程中以及开采以后一段时期内,岩土体和地表必然要通过连续的移动、变形和非
2、连续的破坏(开裂、冒落等),使应力重新分布,以达到新的平衡。这种现象在采矿界被称为”开采沉陷”(Mining subsidence)或岩层与地表移动3(Rock strata and ground movement)。开采沉陷或岩层与地表移动必然引起地表变形,导致位于移动岩体内的井巷、峒室等以及位于地表开采影响范围内的房屋建筑物、水体、铁路和管线等,改变其原有状态,甚至破坏,称之为采动损害4(Mining damage)。 采动损害的定义可分为两种,一是由于采矿动作是地上地下的建筑物、构筑物和自然对象受到的影响统称为采动损害,它与矿山岩体工程力学相对应。广义的采动损害主要指岩层和地表受开采影响
3、而发生的大量移动变形导致一切有害后果。岩层及地表移动规律,对地表建筑物和自然对象的有害影响是这一研究的主要内容。采动损害的表现形式很多,大体上归纳如下: 1)地表沉陷损害; 2)地面倾斜损害,即开采引起的不均匀沉降改变了地表原始坡度,造成了地面倾斜; 3)地表弯曲损害; 4)地面水平变形损害; 5)矿山地表水位下降,即在破裂带达到地表或地下含水层时,地下水可能大量渗入井下而疏干上覆岩层中的地下水,使地下水位快速大幅度下降。 6)山区地表滑移与崩塌。 1.2、地质环境承载能力的概念及其影响因素 2.1 地质环境承载能力的概念及内涵2.1 地质环境承载能力的概念及内涵 (1)地质环境承载能力概念
4、地质环境是在漫长的地质演化过程中,在各种内、外动力地质作用下形成的。在自 然状况下,相对于人类活动来说,地质环境本身的变化显得极为缓慢,甚至在人的一生 中都难以察觉其变化。因此,在考查人类工程活动(采动)对地质环境的影响时,可以 认为地质环境自身是稳定不变的,即可以忽略自然地质作用对地质环境产生的影响,而 主要考虑人为地质作用对地质环境产生的影响。本文所研究的煤矿区地质环境主要是指 煤矿区地表附近的岩土体、水体及其稳定性;煤矿区地质环境问题或环境灾害主要是指 由于煤炭资源的井工开采而引起的采煤沉陷。 虽然煤炭资源的井工开采引起了煤矿区地质环境的恶化,但不能由此得出”只要开 采煤炭就必然破坏环境
5、”的推论。人类地下采矿活动必然对煤矿区地质环境产生扰动, 但煤矿区地质环境灾害一般出现在地下采空区达到一定规模之后。这说明,煤矿区地质 环境本身具有一定的抗扰动能力。西安科技大学夏玉成教授参照地质环境容量的定义, 将煤矿区地质环境承载能力定义如下:在一定的生态环境质量目标下,煤矿区可以承受 的采矿工程对地质环境产生的扰动强度的最大值,或煤矿区可承受的最大开采强度43 。 (2)地质环境承载能力内涵 地质环境系统的任何一种结构都有承受一定程度外部作用的能力,我们把这种能 力称为地质环境抗扰动能力。在这种程度之内,系统可以通过自身内部各部分子系统协 调,使其本身的结构、特征、总体功能均不会发生质的
6、变化44。例如岩石、土壤、水、 气体等对有害物质都有吸附、迁移和转化功能,从而消减其危害性。这种”自净”能力有 一定的限度,即环境对各种有害物质的容纳能力有一定限度,超过这个阈值环境就会发 生质变。同样煤矿区的地质环境对采煤产生的扰动也具有一定的抵抗能力,当开采强度 超过了地质环境本身的抗扰动能力时,地质环境系统结构就会发生质变,产生地质环境 灾害。地质环境抗扰动能力是其具有承载能力的根源,它从根本上决定了地质环境承载 能力的大小。 地质环境的承载对象是人类活动。地质环境承载能力是人类活动(开采、利用、 改造地质环境)的规模、强度、和速度的极限值,因而,其大小可以用人类活动的规模、 强度、和速
7、度等量来表现。就煤矿区而言,其开采强度不同,地质环境的破坏程度不同, 换言之,当开采强度大于地质环境承载能力的时候,地质环境必然遭受破坏。 地质环境承载能力本身是一个表征地质环境系统属性的客观量,是地质环境系统 10 产出能力和自我调节能力的表现41。在不同的环境目标下,或在不同的区域,其地质环 境承载能力也不同。例如,在荒山、沙漠地区,开采引起的地表沉陷对地面生态环境、 人们生活不会产生很大影响,因此,这一类地区的地质环境承载能力也相对较强;而对 于居民区和工业区,不允许地表有明显的下沉和变形,因此,对于这些地区,其开采强 度需要严格控制。 综上所述,煤矿区地质环境承载能力受地质环境抗扰动能
8、力、开采强度和煤矿区的 自然生态条件影响。开采强度决定了开采对地质环境产生的扰动程度,地质环境本身的 抗扰动能力与自然生态环境所能承受的扰动共同决定了地质环境承载能力的大小。 (3)煤矿区地质环境承载能力的特征 客观性:在大部分煤矿区,人为地质作用主要表现为在煤炭资源井工开采过程中 对地质环境产生的强烈扰动。通过分析大量煤矿区的资料发现,不同的煤矿区,由于开 采煤层上覆岩系的力学性质、构造发育情况、构造应力状态、水文地质条件等方面存在 差异,即使在同样的开采强度下,地质环境受影响或遭破坏的程度也不同的。这说明, 每个煤矿区都具有一定的抗扰动能力。当煤矿区地质环境受到的扰动强度很小,在煤矿 区固
9、有的抗扰动能力可承受的范围之内时,地质环境可以保持原有状态,即使有变化也 不影响人类的各种生产、生活活动;如果扰动强度超过了某个临界值,煤矿区固有的抗 扰动能力已经承受不了这种扰动时,就会引起煤矿区各种地质环境问题,甚至引起地质 灾害。这说明地质环境抗扰动能力客观存在,在地质环境不发生质的改变前提下,地质 环境承载能力的质和量客观存在。 可变性:煤矿区地质环境承载能力是由地质环境抗扰动能力、开采强度和煤矿区 的自然生态条件共同构成的一个系统,尽管地质环境的抗扰动能力是”先天”决定的,是 不能由人改变的,但人类活动可以改变土地利用单元的属性(例如在荒地上建设构筑 物),随着土地利用单元属性的改变
10、,其对采动的承受能力也将发生变化。因此,煤矿 区地质环境承载能力在不同地区、不同时期是可变的。 可持续性:对于一个具体的评价区而言,地质环境抗扰动能力和土地利用单元的 属性是确定的,因而该区地质环境是否将遭到破坏,取决于开采强度是否超过了该区地 质环境的承载能力。只要人类在掌握了地质环境演变和人类活动-地质环境相互作用规 律的基础上,将开采强度限制在评价区地质-生态环境可以承受的范围内,地质环境的 承载能力就会持续存在,生态环境质量就不致发生恶化。这正是我们研究煤矿区地质环 境承载能力的现实意义所在。 1.3、物元的概念 物元是描述事物的基本单元,它由事物、特征及事物关于该特征的量值所组成。给
11、 定事物的名称 N,它关于特征 C 的量值为 V,以有序三元 R=(N、C、V)组作为描述事 物的基本元。把事物的名称、特征和量值称为物元三要素。 一个事物往往有多个物征,若事物 N 以 n 个特征 c1,c2 cn,和相应的量值 v1, v2 vn,描述,则称它为 n 维物元,表示为: 27 N c 1 v1 c 2 v2 R =M M c n vn R 即为物元矩阵,简记为 R=(N,C,V) 1.4、相关概念 1.2.1 地质遗迹1.2.1 地质遗迹 遗迹是古代或旧时代的人和事物遗留下来的痕迹,汉代王粲诗云:”先民遗迹, 来世之矩” 7 ,由此可见遗迹具有反应历史痕迹中规律的功能,地质遗
12、迹便是地球 46 亿年发展变化的历史痕迹,籍此人们可以了解地球演化变迁的规律。广义上讲,地球 目前的地表状态无不是其发展变化的遗迹表现,只是各遗迹斑带新老年龄不一。从遗 存角度考虑,赵逊(2003) 8 认为地质遗迹是指地质历史时期保存遗留下来,可用以 追索地球演化历史的重要地质现象,是大自然赐予人类的宝贵遗产;杨涛等(2007) 2 9 则从成因学和价值角度认为地质遗迹资源是指在地球演化的漫长地质历史时期中, 由于内外动力的地质作用而形成、发展并保存下来的珍贵的、不可再生的,并能在现 在和可预见的将来,可供人类开发利用并产生经济价值,以提高人类当前和将来福利 的自然遗产,它具有四种价值,即资
13、源价值、科学研究价值、审美价值、生态价值。 狭义上而言,地质遗迹是指那些能够反应地球古地貌、古气候和古构造等自然特征信 息的自然遗存,其中后立胜(2003) 10 认为地质遗迹指的是在地球演化的漫长地质历 史时期,由于内外力的地质作用,形成、发展并遗留下来,记录了其所在地区或地点 的古地理、古气候、古生物、古构造方面的自然信息,能科学地说明某些地质事件的 特点和某段地质演化历史的不可再生的地质自然遗产或者某些具有特殊地学意义的 自然遗存等;而郭建强(2005) 11 同样认为地质遗迹指地球演化过程中保留下来的直 观、可解读的天然记录,是提供研究岩石圈、水圈、土壤圈、生物圈与大气圈相互作 用地壳
14、演化、海陆变迁、生物进化的样本、典型和天然的资讯库。 综上可知,地质遗迹应该是具备资源属性、演化特征和地质信息的一种自然外显, 它是地球追溯过去的重要凭证,同时又是地球将要演化的现实根据,它的涵义可以外 延到整个地球人文以外的自然表现,又可以内化到每一块石头具体的演化纹理当中。 本文也正是基于这样一种理解进而对依托其而建设的地质公园进行分析和研究。 1.5、饱和度基类定义 Class SATURATION_BASE_ CLASS Private: float SATU_parameter1 饱和度分析参量 1 float SATU_parameter2 饱和度分析参量 2 float SATU
15、_parameter3 饱和度分析参量 3 float SATU_parameter4 饱和度分析参量 4 float SATU_parameter5 饱和度分析参量 5 float SATU_parameter6 饱和度分析参量 6 float SATU_parameter7 饱和度分析参量 7 float SATU_parameter8 饱和度分析参量 8 float SATU_parameter9 饱和度分析参量 9 float SATU_parameter10 饱和度分析参量 10 Public: CG_I1D() 62 void SATU_calculation(float *) 渗
16、透率计算 ; 1.6、渗透率基类定义 Class PERMEABILITY_BASE_ CLASS Private: float PERM_parameter1 渗透率分析参量 1 61 float PERM_parameter2 渗透率分析参量 2 float PERM_parameter3 渗透率分析参量 3 float PERM_parameter4 渗透率分析参量 4 float PERM_parameter5 渗透率分析参量 5 float PERM_parameter6 渗透率分析参量 6 float PERM_parameter7 渗透率分析参量 7 float PERM_parameter8 渗透率分析参量 8 float PERM_parameter9 渗透率分析参量 9 float PERM_parameter10 渗透率分析参量 10 Public: CG_I1D() void PERM_calculation(float *
