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某矿区岩溶发育特征与地下水位变化对岩溶塌陷的影响

某矿区岩溶发育特征与地下水位变化对岩溶塌陷的影响

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作者：魏志诚成都理工大学

学位级别：硕士

大规模的采矿活动,一方面促进了经济发展,另一方面也引起了矿山地质环境问题,使得矿区及其附近的塌陷问题日趋严重。例如,冷水江矿区的岩溶塌陷,随着矿区的开采建设,岩溶塌陷时有发生,并且呈现出逐年递增的趋势。对矿区调查分析发现:随... 详细信息

大规模的采矿活动,一方面促进了经济发展,另一方面也引起了矿山地质环境问题,使得矿区及其附近的塌陷问题日趋严重。例如,冷水江矿区的岩溶塌陷,随着矿区的开采建设,岩溶塌陷时有发生,并且呈现出逐年递增的趋势。对矿区调查分析发现:随着矿区地下水的不断排出,存在地下水波动尤为剧烈的现象。那么,剧烈波动的水位动态对该矿区塌陷的形成有何影响?这是值得研究的关键问题。研究此问题,对于矿区塌陷的防治、生态环境的保护、矿区村民的生命财产安全保护等方面,都具有重要意义。因此,该文以湘中新化冷水江矿区岩溶塌陷区为研究区,采用现场调查、实验研究、数值模拟等多种手段,调查研究矿区自然地理条件、地质条件、水文地质条件等,调查矿区岩溶发育特征,分析矿区岩溶塌陷分布规律及成因,研究地下水位变化及其对矿区岩溶塌陷的影响,并提出岩溶塌陷预警流程。该文获得的主要成果如下:1、调查研究获得了可溶岩分布与发育特征:研究区可溶岩分布几乎遍布全区,钻孔遇洞率达40%,洞高0.5～1.3m,除溶洞外,蜂窝状溶孔溶隙也极为发育;岩溶裂隙发育深度从零点几米至几十米不等。2、考虑到岩溶发育的基本条件,着重分析了岩溶发育过程中可溶岩成分、地质构造、水动力条件以及地形地貌等因素的影响,结果表明:(1)基岩成分中Ca O含量影响岩溶发育,Ca O/Mg O的值越高,越易发育岩溶空腔;(2)地下水和地表水循环更替受地形地貌控制,间接制约岩溶发育程度、规模及时空分布,研究区属于溶丘洼地地貌,有利于地下岩溶发育;(3)同一岩性组合地层在不同构造部位岩溶发育程度存在差异,研究区位于寒婆坳向斜,一条大断裂贯穿向斜东翼,并伴生几条小断裂,存在宽度较大的张裂隙的区域易于降雨入渗形成强径流带,而其余区域强径流带则不易形成;(4)地下水运动是影响岩溶发育的主要因素,水动力分带一定程度决定岩溶分布,越靠近地表,流速就越快,越有利于可溶岩的溶蚀。3、调查分析获得了研究区塌陷的时间与空间分布规律:溶丘洼地中的岩溶塌陷数量和密度最大,并且主要沿地下水径流、排泄活动频繁的交替区分布;塌陷分布在0～20m土层中,其中0.0～10.0m厚土层内发育的塌陷占总数60.72%;塌陷主要分布在每年4～8月雨季时节,该时间段共发生岩溶塌陷46处,占总数82.14%;岩溶塌陷发育存在集中爆发期,具有阶段性,如2006年发育11处岩溶塌陷,2016年则是10处。4、分析了岩溶塌陷的诱发因素和成因机制,结果表明:(1)降雨入渗使土体饱和、降低土体强度、负载增加,引起地下水位波动,造成地下岩溶空腔正压力或负压力作用,导致岩溶塌陷的发生;(2)极端干旱天气导致地下水位下降,增加地下水垂向渗透力和集中渗透点作用;(3)地貌类型影响地下水补给、径流和排泄,间接诱发塌陷;(4)地下岩溶空腔一方面能提供空间塌陷,另一方面又能储集塌陷物质;(5)土层越薄,越易于受地下水潜蚀而诱发塌陷;(6)随着矿山建设及开采活动的开展,抽排矿坑水,地下水位大幅下降,水力坡度增大,易产生渗压效应,潜蚀、吸蚀土层;(7)渗压效应诱发塌陷,即地表水体渗入土层补给地下水时所产生的各种效应诱发塌陷;(8)负压吸蚀诱发塌陷,即在密闭较完好岩溶空腔中,因地下水位减退形成负压,产生负压扩容、真空吸蚀等作用,诱发塌陷;(9)失托增荷诱发塌陷,水位原先位于阻水盖层中对其起支撑的作用,当水位回落,盖层土体自重增加、地表水体附加应力,又失去地下水的支撑,从而导致塌陷的产生。5、概化了研究区水文地质条件,建立水文地质概念模型,对地下水位变化进行了计算分析与预测,结果表明:地下水位频繁波动的时间与岩溶塌陷主要发生时间一致,是每年4～8月份。结合地下水位监测数据,分析了地下水位波动对岩溶塌陷的影响,结果表明:岩溶塌陷的主要诱发因素是大气降雨和矿山抽排水。6、提出了基于地下水水位监测与分析结果来实现岩溶塌陷预警的预警流程,为岩溶塌陷的防治提供依据,保护人民生命财产安全。基本思想是:水位保持在阻水盖层中,即最高水位;或水位在岩土接触界面以下某一位置,即最低水位;若水位保持一直高于最高水位、一直低于最低水位,则有可能避免诱发塌陷,否则可能诱发岩溶塌陷。

关键词：岩溶发育特征岩溶塌陷塌陷时空间分布规律地下水水位变化岩溶塌陷预警流程

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