地质环境-3

矿区地质环境承载能力•在一定的生态环境质量目标下，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，或矿区可承受的最大开采强度。•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。•矿床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“只要开采矿床就必然破坏环境”的推论。•人类地下采矿活动必然对矿区地质环境产生扰动，但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，矿区地质环境本身具有一定的抗扰动能力。•矿区地质环境承载能力受地质环境抗扰动能力、开采强度和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。•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，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变化。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。•地质环境“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。•矿区的地质环境对采矿产生的扰动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。•地质环境承载能力是表征地质环境系统属性的客观量，是地质环境系统产出能力和自我调节能力的表现。•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；–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。矿区地质环境承载能力的特征•客观性在矿区，人为地质作用主要表现为在矿产资源井工开采过程中对地质环境产生的强烈扰动。不同的矿区，由于开采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，每个矿区都具有一定的抗扰动能力。•可变性尽管矿区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，其对采动的承受能力也将发生变化。因此，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。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。•矿区地质环境抗扰动能力–构造介质–构造形态–构造应力–构造界面–水文地质条件•构造介质–主采矿层以上直至地表的所有基岩覆盖层和松散盖层，即通常所谓的覆岩。–覆岩是在漫长的地质作用中在构造因素影响下形成的，经历了多次构造运动改造的具有“记忆”的构造岩体。–井工开采引起的采矿沉陷变形过程在覆岩中进行，引起变形的应力在覆岩中传递，所以覆岩在采矿沉陷过程中扮演着“介质”的角色。•岩层与松散沉积层的层状叠置体，由于沉积物及其成岩程度的差异，不同地层具有不同的强度，从而具有不同的抗扰动能力。•构造介质对地质环境抗扰动能力的控制主要取决于–覆岩厚度–单一岩层的力学性质–松散层与基岩的厚度比例–关键层位置等•单一岩层的力学性质–形成时代较早的岩层经历了更充分的成岩作用过程，因此比形成时代较晚的岩层有更大的强度，而未成岩的第四系松散沉积物则基本没有抗变形能力。–在同时代形成的岩层，硅质或硅质胶结岩层的抗扰动能力比泥质或泥质胶结的岩层强得多。•松散层与基岩的厚度比例–松散层：黄土层、沙层、冲积层以及地表风化严重的岩石也属于松散层。–黄土：结构疏松、抗拉抗压等力学强度很低；垂直节理发育，受开采扰动后极易形成垂直地表的裂缝；富含Ca2CO3，极易发生溶蚀。–沙层：完全没有胶结，无力学强度。在开采过程中，沙层的作用只是增加煤炭覆岩的重力，降低构造介质的综合硬度。–冲积层：主要为第四系河流冲积物沉积，如鹅卵石层、沙层、亚沙土、黏土沉积等，其力学性质与沙层类似。–松散层与基岩层的厚度比例称为土岩比。–松散层基本没有抗变形能力，只是增加了基岩层的载荷，所以土岩比愈大，基岩承受的载荷愈大，愈容易发生顶板破断和地表塌陷，矿区的地质环境抗扰动能力也愈低。•关键层位置–关键层：对岩体局部或直至地表的全部岩体的运动起控制作用的坚硬岩层。亚关键层主关键层–关键层特征：①几何特征：相对于其他相同岩层厚度较大；②力学特性：岩层相对较坚硬，及弹性模量较大，抗压、抗拉强度相对较高；③变性特征：在关键层下沉变形时，其上覆全部或局部岩层的下沉量与它是同步协调的；④破断特征：关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的破断，引起较大范围内的岩层移动；–关键层位置对矿层覆岩移动变形和地表采矿沉陷特征有重要影响，位于覆岩上部的关键层，可以增强矿区地质环境的承载能力。–关键层在煤层覆岩中具有“托板”的作用。托板”强度愈大，覆岩愈稳定；“托板”愈接近地表，其承受的荷载愈小，愈不容易发生破断，愈有利于遏制地表沉陷，地质环境抗扰动能力也愈大。同样的开采强度下，如果关键层位于覆岩上部，地表移动变形可能不十分明显。•如果关键层位于覆岩下部，地表可能已经遭到非常严重的破坏。•覆岩主关键层对地表移动的动态过程起控制作用，主关键层的破断不仅引起地表下沉速度的明显增大，还导致地表移动影响边界的明显变化。•构造形态–单斜构造在同样强度的开采扰动下，覆岩因地层倾角的不同，而反映出不同的沉陷特征。以煤层为例，根据地层倾角，将煤层分为近水平、缓倾斜、倾斜、急倾斜4类：–•开采水平矿层时：开挖引起应力重新分布，在采空区顶板的中部拉应力明显集中。当开挖扰动产生的拉应力超过顶板抗拉强度时，顶板被破坏，上覆岩层在自重作用下沿竖直方向冒落和弯曲下沉，地表下沉曲线关于采空区竖向中心对称，地表破坏形态为对称的下沉盆地。–开采缓倾斜和倾斜矿层时：覆岩重力方向与岩层面法线斜交，除产生垂直层面的法向应力外，还会产生沿层面方向的切向应力。随着煤层倾角α增大，垂直于层面的应力减小，岩层面滑移的切向应力增大，致使采空区上山方向的部分岩层受拉伸，甚至被拉断，而下山方向的部分岩层受压缩。地表最大下沉点向下山方向偏移，地表下沉曲线在下山边界附近比上山边界附近要陡，地表破坏形态是非对称的下沉盘地。随着煤层倾角增大，指向上山方向的水平移动值逐渐增大，而指向下山方向的水平移动值逐渐减小。•开采急倾斜矿层时：对地表的破坏主要发生在矿层顶板（倾向）一侧。随着采空区范围向下延伸，顶板岩层向采空区发生离层变形和冒落，采空区上部边界以上未采煤体容易发生顺层下滑，从而在地表沿煤层走向方向形成半地堑式塌陷坑。–褶皱构造–构造界面•构造界面：指构造运动在煤层及其覆岩中产生的地质不连续面。–断层、节理：岩体中已经形成的破裂面；–层理、劈理：岩体中的潜在破裂面。•由于破裂面的存在，使完整、连续的整体块状岩体结构变成层状、碎裂、甚至散体结构，即使原本连续的构造介质也变成似连续甚至不连续的构造介质。岩体工程地质力学中将构造界面按其规模分为五级•断层对地质环境承载能力的影响主要取决于下列因素：断层活动的时代、断层的力学性质、断层的倾角、断层的倾向与开采方向的关系、断层的组合形式、断层的连贯性等。断层的倾角、倾向组合形式对地质环境承载能力的控制最为明显。•当开采方向与断层面倾向相反时，采动影响被断层切断，地表下沉范围缩小，下盘地表下沉和变形值减小，上盘地表下沉和变形值增加。•当断层倾向与采煤工作面推进方向一致时，断层对地表下沉范围无明显影响，但上盘地表下沉值减小，下盘地表下沉值增加，断层露头上方地表产生台阶，上盘地表出现裂缝。•断层倾角对采矿沉陷具有明显的影响。在相同的地质和采矿条件下，当工作面推进方向与断层倾向相同时，采空区向断层附近扩展，断层倾角越大，在露头处产生的台阶越陡。由于岩层沿断层发生滑移，因而断层倾角越大时，地表的下沉越大。•节理对地质环境承载能力的影响–从没有节理发育的连续介质，到有节理发育的似连续介质，地表下沉系数呈逐步增加的趋势。–水平节理对地表下沉的贡献不太显著；–随着节理倾角从缓到陡，地表下沉系数快速增大，地表采矿沉陷最大值与煤层覆岩中节理的倾角呈正相关关系。–开采近水平煤层时，覆岩中的水平节理或垂直节理使沉陷盆地以采空区中心为对称轴；当节理倾角小于45°时，沉陷盆地向节理倾向方向（工作面前进方向）偏移；当节理倾角大于45°时，沉陷盆地向节理倾向的相反方向（采空区方向）偏移。–构造应力•地球是一个高度活动的动态系统，处于地球表层的任何一个矿区都具有一定的大地构造背景。•挤压与拉张是矿区常见的两种最基本的构造应力场，对一个具体的矿区来说，要么处于挤压构造应力场，要么处于拉张构造应力场。•我国分为东部构造应力区（A）和西部构造应力区（B）两大区块：–东部构造应力区可进一步细分为东北应力区（A11）、华北应力区（A12）和华南应力区（A20）；–西部构造应力区可进一步细分为新疆应力区（B10）、青藏高原北部及东北边缘应力区（B21）、青藏高原南部应力区（B22）和喜马拉雅应力区（B23）。•以煤矿为例，我国煤矿区主要位于华北应力区（A12）、东北应力区（A11）、华南应力区（A20）和新疆应力区（B10）。•位于华北和东北应力区的煤矿区，大多表现为拉张应力状态；•新疆应力区的矿区，表现为以强烈挤压为特征；•位于华南应力区的煤矿区，应力状态比较复杂，差异较大。•在地质、采矿条件和开采条件相同完全相同的情况下，有挤压构造应力作用时，地表最大下沉值较小，而在拉张构造应力作用下，地表最大下沉值较大。•在相同强度的开采田条件下，处于挤压构造应力区的煤矿区地质环境承载能力较强；而处于拉张构造应力区的煤矿区地质环境承载能力较弱。挤压构造应力•使岩体受到夹持力，从而抵消一部分重力，在这种情况下，构造应力会减小采动影响下覆岩的下沉幅度和速度。•当矿区处于挤压构造应力状态时，相当于覆岩受到高围压作用，在这种情况下，岩体的力学强度会显著增强。•挤压构造应力导致的高围压环境还可以使岩体中的构造结构面闭合，出现所谓应变硬化效应，提高岩体的抗剪强度。拉张构造应力•抵消因重力作用在岩体中产生的侧向挤压应力，相当于减小了夹持力，因而将显著降低导致岩体失稳的临界重力，在采动影响下很容易发生地表弯曲下沉或不连续塌陷。•以拉张变形为特色的伸展构造区，岩体中张性破裂构造，如张节理、正断层等往往比较发育，因而岩体比较破碎，在采动影响下比较容易产生对地表地质环境的损害。•水文地质条件–地下水对岩体有着连结作用、润滑作用和水楔作用，当其在岩体空隙中来不及排出时，可对岩体产生很高的孔隙压力，从而降低岩石的抗剪强度，甚至使岩石的微裂隙端部处于受拉状态。–岩石中渗透水在其流动过程中发生溶蚀作用和潜蚀作用，可使岩石强度大为降低，变形加大。–孔隙、微裂隙中的水在冻融时的胀缩作用对岩石力学强度破坏很大。•开发强度–在一定的地质条件下，采矿沉陷的致灾程度与地下开采强度呈正相关。这种扰动强度的大小主要取决于以下采矿因素：深厚比、采空区尺寸和开采速度等。–一般而言，开采深度（即覆岩厚度）越大，地表沉陷越平缓，煤层开采厚度愈大，地表的沉陷越剧烈，一般将开采厚度与开采深度一起考虑，深厚比越小，地表沉陷越剧烈，变形值越大。–采空区尺寸越大，地表沉陷越剧烈，变形值越大。–开采速度对最大下沉值影响不大，但随着开采速度的加快，使得地表倾斜、曲率等变形参数减小，超前影响角增大，地表变形以弯曲下沉为主。