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1、安全技术理论,王李管 工学博士 中南大学资源与安全工程学院 教授,讲授内容,一、矿山地质安全 二、露天矿山开采安全 三、地下矿山开采安全,矿山地质安全,矿山地质安全矿床与矿石矿物,矿床是指可开采有用矿物的富集体。 具有冶炼金属价值的固体物质称之为矿石，一般简称为矿或矿产。 矿石矿物是指在工业上能从其中提炼出一种或数种有用金属元素的矿物。,矿山地质安全矿物的基本特征,矿物是各种地质作用形成的天然化合物或单质，比如火山作用。 矿物具有一定的化学成分。 矿物还具有一定的晶体结构，它们的原子呈规律的排列。 矿物具有较为稳定的物理性质。 矿物是组成矿石和岩石的基本单位。,矿山地质安全世界主要资源分布,截
2、止到1998年底，全世界已发现且命名的矿物有三千八百多种，其中绝大多数是无机物。,矿山地质安全我国矿产资源情况,在我国的现代经济社会发展中，矿产资源起着重要的基础性作用，95%左右的一次能源、80%以上的工业原料，大部分农业生产资料和1/3的饮用水都取自于矿产资源。每年投入国民经济运转的固体矿产的矿石采出量达50多亿吨，石油、天然气达1亿多吨。目前，全国已建成国有矿山企业8400个，集体个体矿山企业27万多个，形成了300多个以矿业为依托的城镇。 我国已探明储量的金属矿产有54种。,矿山地质安全各种金属矿开采方式,矿山地质安全矿岩的物理力学性质,a岩石的物理、水理性质. b岩石的力学性质：变形
3、特征、强度特征，它们与岩石的水理性质和岩石的结构构造和岩性有关。 c岩石的强度理论和破坏准则。,内容,矿山地质安全矿岩的物理水理性质,物理性质 容重：单位体积岩石的重量，包括干容重和湿容重。,空隙：孔隙与裂隙的总称。 大开型：在大气压下水能进入； 小开型：在150个大气压下或在真空中水才能进入。 闭型空隙：与外界不通。,开型空隙,空隙率：空隙体积与总体积之比。,矿山地质安全矿岩的物理水理性质,水理性质 吸水率： 在大气压力下吸入水的重量与岩石干重量之比 的百分数。 饱水率： 在高压下(一般为150个大气压)或真空中吸入水 的重量与岩石干重量之比的百分数。 饱水系数：吸水率与饱水率之比叫饱水系数
4、。 透水性： 岩石能被水透过的性能。用渗透性系数来衡量 (cm/s)。,矿山地质安全岩石材料,结构面：岩体中已开裂和易于开裂的地质界面。不同于几何平面，有厚度，有弯曲。例如：断层、节理、劈理已开裂结构面，又称不连续面。层理、板理、片理易开裂结构面。 结构体：由不连续面切割成的大小不等、形态各异的岩块。 岩体： 由不连续面和结构体组成的地质体。,岩石的结构：岩石中晶粒(结晶岩)和岩石颗粒(非结晶岩)的大小、形状及结合方式。 岩浆岩粒状结构、斑状结构、玻璃质结构； 沉积岩粒状结构、片架结构、斑基结构； 变质岩板理结构、片理结构、片麻理结构。,矿山地质安全岩石材料,结构面：岩体中已开裂和易于开裂的地
5、质界面。不同于几何平面，有厚度，有弯曲。例如：断层、节理、劈理已开裂结构面，又称不连续面。层理、板理、片理易开裂结构面。 结构体：由不连续面切割成的大小不等、形态各异的岩块。 岩体： 由不连续面和结构体组成的地质体。,岩石的结构：岩石中晶粒(结晶岩)和岩石颗粒(非结晶岩)的大小、形状及结合方式。,岩石的构造：岩石中不同矿物集合体之间或矿物集合体与其它组成部分之间的排列方式及充填方式。,矿山地质安全岩石的变形特征,载荷类型,瞬时动荷作用下的变形特征：冲击荷载作用，如凿岩爆破。 瞬时静荷载作用下的变形特征：作用时间为数分钟至10余分钟。 长期静荷载作用下的变形特征：蠕变特征,矿山地质安全岩石的变形
6、特征,特点 (1)或多或少具有一定的弹性，但完全弹性的岩石较少； (2)岩石的变形特征与岩石的岩性和结构构造有关； (3)岩石的非弹性变形不一定只在高应力才出现，有此岩石在低应力条件下也出现非弹性变形孔隙、裂隙压缩。,致密坚硬，玄武岩、石英岩、白云岩等； II. 致密较软岩石，石灰岩等； III. 坚硬裂隙发育岩石，花岗岩、砂岩等； IV. 叫坚硬致密的岩石，大理岩、片麻岩等； V. 片岩垂直片理加压 VI.岩盐。,弹性,弹塑性,塑弹性,塑弹塑性,塑弹塑性,弹塑蠕变型,1. 单调连续加载,矿山地质安全岩石的变形特征,2岩石的弹性参数确定( 弹模E与泊桑比),泊桑比：,矿山地质安全岩石的变形特征
7、,3. 岩石的全应力应变曲线应力应变全图,岩石全应力应变曲线,A微裂隙压密极限; B弹性极限; C屈服极限； D峰值强度; E 残余强度。,矿山地质安全岩石的变形特征,4. 岩石在循环加卸载条件下的变形特征,矿山地质安全岩石的变形特征,5. 岩石在常规三轴压缩条件下的变形特征,软岩： 3 增大：曲线斜率上升，塑性变形增大， 1- 3增大；,硬岩： 3 增大,曲线斜率几乎不变，塑性变形增大，1- 3增大。,围压影响：,软岩,硬岩,矿山地质安全岩石的变形特征,6. 真三轴压缩条件下的变形特征,2不变,3不变,3不变，2增大， 1- 3上升；屈服限上升；塑性变形下降； 2不变，3增大， 1- 3上升
8、；屈服限不变；塑性变形增大。,矿山地质安全岩石的强度,1. 抗拉强度,直接拉伸法,劈裂法,间接拉伸方形试件,点荷载法,矿山地质安全岩石的强度,2. 单轴抗压强度,直接压缩法,点荷载法,矿山地质安全影响矿岩性质的因素,1. 应力状态； 2. 矿物成分; 矿物硬度； 不稳定矿物； 粘土矿物。 3. 岩石的构造； 4. 水； 5. 温度。,矿山地质安全岩石的破坏方式与过程,破坏方式,破坏过程,矿山地质安全岩石的强度理论,摩尔库仑强度理论,矿山地质安全岩体结构及其定义,结构面： 岩体中已开裂或易开裂的所有地质界面。 不连续面： 开裂的或抗拉强度为零或很小的结构面。 结构体： 由不连续面所切割成的岩石块
9、体。 岩体结构： 岩体中结构单元的组合和排列形式。 组合： 结构单元在岩体中的搭配关系。 排列： 结构单无的有序和无序，不连续面的贯通 或断续特征。 岩体的力学效应 变形效应： 岩体的变形是结构面的变形和结构体的变 形的综合效应。 岩体的破坏：是结构体破坏、结构面错动、开裂或延 伸的结果。,矿山地质安全岩体构造调查,主要由巷道详细线调查及钻孔调查两部分组成。调查的主要内容包括：不连续面的几何参数（产状（倾角/倾向）、间距及持续性）、不连续面表面条件（平直度、粗糙度、张开度）、充填物性质、风化等级及地下水条件等。,钻孔岩芯调查,巷道详细线调查,矿山地质安全岩体构造调查结果分析,节理密度等值线（调
10、查巷道长度1148米，节理数3938）,断层密度等值线（调查巷道长度1148米，节理数324）,不连续面密度等值线图,矿山地质安全岩体构造调查结果分析,不连续面几何参数概率分布模型,倾角,倾向,间距,持续长度,矿山地质安全不连续面分级,级：延长数百米以上的断层或断层破碎带。影响矿山开拓工程的布置，影响开采顺序、矿区和矿山山体的稳定性。 级：延长数十米至数百米的断层或层间错动面。影响回采顺序和回采方向，影响多个采埸和多条巷道和稳定性。 级：延长十余米至数十米的大节理或开裂层面。影响单一采埸和单条巷道的稳定性。 级：延展性短、无充填物的节理、劈理和次生裂隙。影响坑道和采埸的局部稳定性，影响岩体的力
11、学效应。 级：连续性差的小节理或隐节理，一般不切割成结构体。主要影响岩石的力学性质。,矿山地质安全水文地质结构,含水体(层)： 孔隙含水体砂岩、砾岩。 裂隙含水体：构造变动剧烈岩体。 管道含水体：卡斯特化岩体。 隔水体(层) 层状隔水体软弱岩层 块状隔水体A由不透水岩层组成，如碳酸盐胶结砂砾层； B地应力作用下紧闭的碎裂结构岩体。,矿山地质安全水文地质结构,常见于没有隔水体的河间地块岩体，排泄于河湖，补给来自河湖。它可以是统一含水体，也可以是裂隙含水体。其补给来源主要靠大气降水。在地块两侧河道水位相差较大时亦可河道运流补给。其运动方式在很大程度上是受岩体结构所控制。其运动速度受潜水面的水力坡度
12、和岩体渗透性控制。,1统一含水体结构,矿山地质安全水文地质结构,2层状含水体结构,存在于两隔水层之间的透水层中，远源补给，远缘排泄， 多数为承压水。 特点是夹于隔水层之间。其补给、运行、排泄严格受隔水层控制，多半是远源补给，远缘排泄。由大气降水或者河湖补给。排泄于湖河或统一含水体内，亦可以泉水的方式溢出地表，多数为承压水。地下水面受上下隔水层的顶、底板控制。其运动形态主要受补给区与排泄区地下水位差、运行距离及含水体的透水性的控制。,矿山地质安全水文地质结构,3脉状含水体结构,存在于断层破碎带或结构面内，其产状主要受断层往往与统一含水体和层状含水体发育特征所控制，也可以把它视为陡倾角的层状含水体
13、，它可以有很多分枝，成为脉状地下水系，系往往与统一含水体、层状含水体相通，使它们成为脉状地下水补给排泄场所。,矿山地质安全水文地质结构,4管道含水体结构,存在于喀斯特化岩体，大气补给，沿卡斯特管道流动，以喀斯特泉的方式排出。,矿山地质安全矿山地质环境与地质灾害,人类从地表和地表深处开采出巨大数额的矿石和围岩，改变和破坏了地球表面和岩石圈的自然平衡，使地质环境不断地改变和恶化，给生产建设和人民生活带来了很大的危害，称矿山环境地质问题。当前我国矿山地质环境存在的问题主要表现在下列几个方面：,矿山废水污染 矿山疏干排水造成灾害频生 占用和破坏大量土地 地质灾害频繁发生 大气污染,矿山地质安全矿山地质
14、环境与地质灾害,矿山建设和生产过程中的矿坑排水，洗矿过程中加入有机和无机药剂而形成的尾矿水，露天矿、排矿堆、尾矿及矸石堆受雨水淋滤、渗透溶解矿物中可溶成份的废水，矿区其他工业和医疗、生活废水等。这些受污染的废水，大部分未经处理，排放后又直接或间接地污染了地表水、地下水和周围农田、土地，并进一步污染了农作物，有害元素成份经挥发也污染空气。 我国年排放选矿废水大约为36亿吨，北方岩溶地区的煤、铁矿山，每年要排矿坑水12亿吨，绝大部分都受到不同程度的污染，其中30%左右经处理使用，其他都是自然排放。,1. 矿山废水污染,矿山地质安全矿山地质环境与地质灾害,2. 矿山疏干排水造成灾害频生,地下水深降强
15、排，产生的巨大水头差，引起矿井突水事故不断发生。30多年来我国主要煤炭矿区，因突水淹没全矿井58次，部分淹井64次，造成经济损失27亿元。 在岩溶充水矿区，疏干排水引起地面塌陷，严重地影响地面建筑，交通运输以及农田耕作与灌溉。 沿海地区有些矿区，因蔬干排水形成海水入侵，破坏了当地淡水资源，影响了植物生长。 由于排水，疏干了附近的地表水，浅层地下水长期得不到补充恢复，影响植物生长；有的矿区甚至形成土地石化和沙化，生态环境遭到破坏。,矿山地质安全矿山地质环境与地质灾害,3. 占用和破坏大量土地,采矿活动所占用的土地（如厂房、工业广场、碓矿场）； 为采矿服务的交通（公里、铁路等）设施； 采矿生产过程
16、中堆放的大量固体废弃物所占用的土地； 矿山开采而产生地面裂缝、变形及地表大面积的塌陷等。 到目前为止，我国采矿工业占用和破坏的土地已达2000至3000万亩之多。每采万吨煤炭要塌陷土地3亩 。,矿山地质安全矿山地质环境与地质灾害,4. 地质灾害频繁发生,开采引起边坡失稳、滑坡和崩塌等灾害。如阜新海洲、平庄西露天、抚顺西露天、辽宁大孤山铁矿、湖北盐池河磷矿，都发生过较严重的滑坡和崩塌，少则几百立方米，多则几十万、几百万立方米，除造成运输和生产中断、附近建筑物遭受破坏外，严重地影响人民群众的生命安全。 矿渣及尾矿的堆放，除了占用大量土地、严重污染水土资源及大气外，还经常发生塌方、滑坡、泥石流。 尾矿和矸石堆，发生自燃
