1、第二部分 矿山安全技术,第四章 矿山地质安全 第五章 矿山爆破安全 第六章 露天矿山开采安全技术 第七章 地下矿山开采安全技术,第四章 矿山地质安全,课程内容：4.1 矿岩基本性质与开采安全系4.2 地质构造与开采安全4.3 矿床水文地质4.4 矿山地质环境与地质灾害,（1）地质条件关系到开采技术条件矿山采掘生产工程的布置和施工，都需要以正确的地质资料作为依据。矿山地质条件的变化直接影响到矿山开采技术条件（工程、水文、环境三方面）。 （2）采矿对地质环境的破坏地质灾害：泥石流、滑坡、崩塌、地表塌陷、地裂缝、地面沉降。含水层破坏：结构、地下水位、污染、地表水漏失地形地貌破坏：改变地形地貌破坏耕地
2、；地表塌陷、地裂缝等。,4.1矿岩基本性质与开采安全,a、极薄矿体 0.8米b、薄矿体 0.8-5米c、中厚矿体 5-15米d、厚矿体 15-40米e、 极厚矿体 40米矿体厚度与矿床开拓方式、采矿方法的选择关系密切，进而影响开采安全。举例说明。,4.1.1矿床特征及赋存条件与开采安全 一、矿体厚度与开采安全,水平、微倾斜矿体 5缓倾斜矿体 5-30倾斜矿体 30-55急倾斜矿体 55与矿床的开拓，采矿方法的选择关系密切，进而影响开采安全。 举例说明。,二、矿体倾角与开采安全,盲矿体：隐伏矿体(未曾出露到地表)和埋藏矿体(曾出露到地表，后被掩埋)。,矿床埋藏条件 l-矿体，h -埋藏深度， H
3、 -延伸深度（垂直高度）,三、矿体埋藏条件,指出露地表矿体或隐伏地下的盲矿体，以及矿体的埋藏深度等内容。,对开采安全的影响：影响开采方式的选择；影响地压大小：地表水体及建构筑物对采矿的影响（地下开采的采矿方法、露采采坑）；,4.1.2 矿岩性质与矿山安全的关系,（一）矿岩的弹性、塑性、脆性弹性：弹性大，凿岩爆破时不易破碎，炸药单耗增加。塑性：指矿岩解除外力后发生变形而不被破碎的性质。爆破时易使炮眼扩大，爆破效果差。脆性：指岩石受力后变形很小就发生碎裂的性质。脆性愈大，愈容易被爆破。爆破伤害。,一、矿岩物理力学性质与开采安全的关系,(二)矿岩的硬度和韧性硬度：指岩石抵抗外物侵入的能力。硬度大则脆
4、性脆，易于爆破。韧性：指岩石抵抗外力保持整体状态的属性。韧性大，凿岩爆破比较困难。（一）、（二）主要体现在对凿岩爆破工作的影响,(三)矿岩的强度矿岩强度：指完整的矿岩被破坏时的极限应力值。抗拉强度、抗剪强度小于抗压强度：,岩体处于拉伸或剪切状态,冒顶片帮,岩体坍塌、滑坡,巷道或采场,露天边坡过陡或形成伞岩,(四)矿岩比重和容重比重：指单位体积的致密岩石(除去孔隙)的重量。容重：单位体积原岩(包括孔隙)的质量。岩石的容重对爆破（特别是抛掷爆破）的影响比较大，容重越大，所需炸药越多。 (五)矿岩孔隙度孔隙度：岩体中孔隙的体积与岩石体积之比。孔隙度大 含水较多 影响防排水,（六）岩石的碎胀性碎胀性：
5、指岩石破碎后，体积比原岩体积增大的性质。碎胀性的表示：碎胀系数(松散系数)K=V2/V1,在采掘作业中，要充分考虑矿岩碎胀性： 为容纳破碎后体积增大的岩石，需留出足够的空间； 为提高爆破效果，可适当减小爆破空间，形成挤压爆破。,表 岩石的碎胀系数,（七）坚固性岩石坚固性：岩石抵抗各种物理力学能力的综合表现（冲击、机械破碎、爆破等） 。常采用普氏分级法表示岩石的坚固性。 坚固性系数f可表示为：R-矿岩的极限抗压强度 MPa 常见的岩石坚固性系数介于0.320之间，共分为十级。,表 普氏岩石坚固性系数分级表,f系数越大，强度也较大，凿岩速度慢，炸药消耗大。,（八）矿岩的稳固性1、稳固性：矿岩允许暴
6、露面积的大小和暴露时间长短的性能。2、稳固性分级：极不稳固：不允许有暴露面积，掘进时应超前支护。不稳固：不支护的暴露空间800 m2 4.1.3矿岩的物理化学性质与矿山安全生产的关系(1)放射性。含量少，分布广；铀、镭、钒等。,（2）氧化性和自燃性氧化性：硫化矿石在水和空气的作用下发生的氧化还原反应，变为氧化矿石的性质。自燃性：高硫矿石（含硫率1820）具有自燃性，在地面或地下贮存时间过长就会被氧化自燃。危害：硫化矿石在空气中氧化放出热量，如果散热不良，矿石温度将升高，发生自燃，引起内因火灾。 （3）有害物质粉尘危害； 砷、汞等金属中毒；有毒有害的气体； （4）结块性：含有粘土，重新结块，凝固
7、。 （5）含水性：岩石裂隙吸收和保持水分的性能。,4.2地质构造对矿山安全的影响,一、地质构造地质构造：地质体(岩层、岩体或矿体等)存在的空间形式、状态及相互关系，是地质作用所造成的岩石(或矿石)变形、变位等现象；地质构造类型：褶皱(背斜、向斜)、断裂(断层、节理裂隙)等。,（一）褶皱定义：呈水平或近水平状态的岩层，在受到水平力挤压后产生柔性弯曲但未失去连续性，形成的地层形态。,褶邹 背斜：两翼岩层向下弯曲的褶曲（两翼岩层倾向相背）； 向斜：两翼岩层向上弯曲的褶曲（两翼岩层倾向相向）。,褶皱（背斜）要素示意图 水平面； 轴面； OC轴线；脊线a中的AB及b中的AC 核部或轴部：褶曲的中心部分；
8、 轴面：大体把褶曲平分的理想面； 轴线：轴面与水平面的交线； 脊：从褶曲的横断面上看，岩层面上弯曲最大的一点； 褶曲的脊线：同一岩层面上所有弯曲最大的点的连线。,（二）褶皱对矿山工程的影响： 顺层滑坡：褶皱发育，岩层破碎强烈，顺向坡岩体极易沿层面或节理面产生滑动，造成边坡失稳。 脊部风化作用强烈：在背斜、向斜的脊部，张性节理发育，造成岩体强度的降低，并最终发育成背斜谷、向斜谷或背斜、向斜式冲沟，对矿山公路、铁路建设造成很大困难。,对巷道及地下硐室的影响,褶皱构造对地下洞室稳定性的影响,向斜的核部：不适宜布置巷道及硐室。两帮岩石顺层下滑，造成顶部岩石冒落事故，硐室顶部很难维护。,背斜的核部：适宜
9、布置采矿巷道及硐室。利用顶板岩体的自然成拱作用，增加硐室的稳定性。,（二）断裂构造岩层受构造应力作用发生断裂，使原有的连续、完整性遭受破坏而形成的地层形态。按断裂面两侧岩层的位移，可分为节理和断层。 1、构造裂隙或构造节理（1）定义：沿断裂面两侧的岩层未发生移动或仅发生了微小的错动的断裂构造。（2）节理裂隙的对采矿工程的影响：,边坡的坍塌 地下硐室围岩的冒落,破坏岩体的完整性，降低岩体的稳定性；降低岩石的承载能力；,大气降水进入岩体内部提供了通途,矿床充水途径之一,2、断层（1）定义： 有明显相对位移的断裂构造。,断层线：断层面与地面的交线。,断层示意图AA-总断距(真断距)；l-断距；h-垂
10、直断距(落差)；d-水平断距(错距),（2）主要类型： 正断层：上盘相对下降，下盘上升；逆断层：上盘相对上升，下盘下降；平推断层：断层面两侧的岩体明显发生了错位，但几乎没有落差。,断层示意图,（3）断层的采矿工程的影响1）影响采矿场地的稳定：断层面两侧的岩石破碎，影响场地的稳定性；2）断层透水：断层与地下水常紧密相连，给采矿工程造成事故隐患；3）断层面是软弱结构面；4）引起不均匀沉降：断层上、下盘岩石的性质一般不同，跨越其间的建筑物因不均匀沉降而产生破坏；,二、地质构造对矿山开采的影响,（一）围岩性质对矿山安全的影响（冒顶、片帮和塌方） 1、对巷道掘进的影响：巷道掘进时，遇到岩石松软、节理裂隙
11、发育、断层破碎的时候，如不及时加以支护，易引起冒顶、片帮事故。 2、对采场稳固程度的影响：采场稳固程度主要取决于岩性和矿山压力两个基本地质因素。当顶板的岩性较松软，矿山压力较大时，就容易发生冒落事故。因此，在矿山井巷或工作面采掘前，查清围岩的稳固程度和矿山地压的大小，是开采安全可靠性的保障。,（二）地质构造对矿山采掘工作的影响1、褶皱构造对采掘工作的影响,（1）影响开拓系统、采矿方法的选择：,成矿前形成的褶皱,矿床的形成、矿体分布、 空间形态、产状等,开拓系统、采矿方法等选择,成矿后形成的褶曲,对采掘工作产生不利影响,控制作用,直接影响,（2） 背斜的影响：有利：背斜核部顶压较小，对采掘工程有
12、利；不利：背斜核部的顶部岩层中，张裂隙较发育，对采掘工程又是不利因素（张裂隙发育导致矿山涌水量增加）。 （3）向斜的影响：向斜核部，顶压较大，对采掘工程程不利。 （4）褶曲对矿层产状的影响使矿体产状发生变化，若矿层的倾角变化适当时，可采用重力搬运，对井下运输有利。,2节理(裂隙)对矿山采掘工作的影响 (1)凿岩爆破：卡钻；裂隙漏气，影响爆破效果； (2)露天边坡：节理发育，易于发生滑坡、塌方等事故。 (3)围岩稳固性：节理密度大且节理面是多方向的地段，岩石切割强烈，比较破碎，容易冒落。 (4)防排水：节理是地下水的良好通道，节理若与采矿巷道贯通，有发生突水事故的危险。 (5) 采矿方法选择：在
13、节理特别发育的地段，某些采矿法选择要慎重，如空场法。,3、断层对矿山采掘工作的影响 (1)成矿后的断层对探矿影响（切割矿体）：使矿体的分布、形状和产状复杂化，增加探矿工作量。 (2)断层影响矿床开拓系统的布置大断层使开拓系统复杂化，造成施工困难。措施：在开拓设计中，应弄清较大断层的情况，并使开拓巷道的位置尽量避开断层破碎带。 (3)断层影响采场回采工作（影响采场稳定性）。措施：采场设计中如遇见断距较大的断层应尽可能作为划分采场的边界，以减少其影响；,(4)断层影响井巷掘进稍大断层，巷道拐弯：增加掘进长度，运输不便。无法避开时，必须加强支护。 (5)断层影响矿坑涌水断层破碎带多数是地下水的良好通
14、道，在大断层附近矿坑水的涌水量增大、甚至造成突水事故。 (6)断层对采掘工作的有利因素 有些逆断层可使矿体局部变厚或造成矿层局部重复。 易于发生矿石自燃的矿床，断层把矿体分割成许多断块时，能实行分区开采，利于及时封闭，以防止矿石内燃或火区蔓延。,4.3矿床水文地质,水的赋存形式：大气水、地表水、地下水（岩土空隙中）地下水存在的环境：岩土中的空隙是地下水存在的环境，岩石空隙的大小、多少、联通程度和分布状况等决定地下水的存在和运动规律。 岩土空隙的分类：根据岩土空隙的成因和结构的不同，岩土的空隙可分为三种类型孔隙、裂隙和岩溶（溶洞）。,一、地下水的分类及地下水的特征,1、按埋藏条件分类（1）包气带
15、水：在接近地表的上层岩土中，空隙未被水充满，含有相当数量的空气，该岩土层叫包气带。包含毛细水和上层滞水。毛细水：依赖地下水作水源。 毛细水对地基产生毛细水压力，引起基础下沉等，影响地表工程。上层滞水：埋藏在包气带中，局部隔水层之上。上层滞水的特点：分布不广。季节性存在，雨季出现，干旱季节即消失。对采矿来说几乎没有影响。,（2）潜水定义：埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上具有自由水面的水。分布：分布极广，埋藏在孔隙、坚硬基岩的裂隙及可溶性岩的岩溶内；特点：通过包气带与地表相连通。由于潜水具有自由水面，不承受静水压力，为无压水，只能在重力作用下，由潜水位较高处向潜水位较低处流动。 对于采矿来说，潜
16、水是矿坑充水的重要水源之一。,（3）承压水承压水：充满于两个稳定隔水层间的重力水。由于岩层大多数为倾斜状态，承压水因具有高差而形成静水压力，可以沿岩石孔隙、钻孔等涌出地面，所以又称作自流水。承压水的形成主要决定于地质构造条件。最适宜形成承压水的构造条件有向斜(或盆地)构造和单斜构造。由于承压水含水层与地表之间有不透水层相隔，因此承压水受地面气候影响较小，动态变化比较稳定。,2按含水层空隙性质分类的各类地下水特征 （1）孔隙水：存在于松散岩层的孔隙中。含水层孔隙大：透水性好，水量大，运动快；含水层孔隙小：透水性差，地下水运动慢，水量也小。 （2）裂隙水：埋藏在基岩裂隙中的地下水。裂隙的性质和发育
17、程度决定了裂隙水的存在和富水性。裂隙分为：风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙裂隙水分为：风化裂隙水、成岩裂隙水和构造型隙水。,风化裂隙水：赋存在风化裂隙中，风化裂隙是由于岩石的风化作用形成的，其特点是广泛地分布于出露基岩的表面，延伸短，发育密集而均匀，构成彼此连通的裂隙体系。补给来源：大气降水，补给量的大小受气候及地形因素的影响。 成岩裂隙水：成岩裂隙为岩石在形成过程中所产生。成岩裂隙中的地下水水量有时可以很大，无论在疏干和利用上，皆不可忽视，特别是在开采金属矿床时，更应予以重视。,构造裂隙水：构造裂隙是由于岩石受构造运动应力作用所形成的，赋存其中的地下水称为构造裂隙水。在断层破碎带规模大，张开性好
18、，亦有经常性补给水源时，就可能成为涌水量大且稳定的富水带，对矿床开采造成威胁。如断层连通性不好，又无经常性补给水源时，其水量往往不大，即使在采矿时遇到这类断层，开始时涌水可能较大，但不久就会逐日减少以至于枯竭。,（3）岩溶水岩溶发育于可溶性岩石地区（喀斯特）。埋藏于溶洞中的重力水称为岩溶水或称喀斯特水。主要特点：岩溶水水量大、运动快。岩溶水的动态变化显著：岩溶溶洞较其他岩石中的孔隙、裂隙要大，降水易于渗入（在岩溶强烈发育的地区，即使是暴雨也很难形成地表径流，降水几乎全部渗入地下）。对采矿来说有着严重的威胁。,二、影响矿床含水量的因素 、自然因素 (1)大气降水。降水渗透是造成矿床含水量增大的主
19、要原因之一。雨季矿井涌水量会增大20-40，有的甚至大2-3倍。(2)地形。矿床含水量与地形有着密切关系，沼泽和低洼地区的矿床，一般含水量较多。(3)地表水和地下水的分布地表水体、地下水对矿床的含水量有较大的影响；,(4)地质构造隔水层：矿床含水量较小；导水断层、破碎带：矿床含水量加大，增加矿井涌水量。 (5)岩层的透水性岩层的透水性随深度而变化（深部岩石的裂隙会逐渐减少，从而岩层的透水性也将减弱）。 2人为因素 采空区及废弃巷道井下涌水的贮存空间，沟通会造成大量地下水涌入。,(2)地质勘探钻孔会成为地面水和地下水涌入矿井的通道。(3)采矿方法的影响矿层埋藏较浅而采用导致地表陷落的方法采矿时，
20、容易引起地表塌陷，在地表出现裂隙或漏斗，造成地表水大量涌入矿井巷道。 三、地质水文对矿山开采的影响地下水、地表水和大气降水通过岩石的空隙，以滴水、淋水、涌水等方式流入坑口和巷道，统称矿坑水。危害表现为：,(1)影响矿山建设：建井时期，涌水量过大，否则增加投资，影响建井速度、质量。(2)具有侵蚀性的矿坑水：腐蚀露天矿坑和井巷中的各种金属设备支架和各种采掘机械等。(3)降低坑道的顶板、底板岩体的稳固性，增加支护和维护困难。(4)对露天矿山的影响：边坡失稳、采坑积水。(5)大量涌水：当地质情况不清，突然遇到大量涌水时，会造成井筒、巷道和采场淹没，人员伤亡，设备毁坏的水害事故。,矿 山 开 采 对 地
21、 质 环 境 的 影 响,一、矿山地质环境,4.4 矿山地质环境和地质灾害,二、露天采矿对地质环境的影响 1、矿山地质灾害 露天矿边坡失稳破坏 2、地下水影响 3、土地资源破坏露天采矿破坏土地；废石堆、尾矿堆放占用土地； 4、地形地貌,露天矿边坡破坏模式图 a平面滑动、b楔形体滑动、c曲面滑动、d倾倒破坏,三、地下采矿对地质环境的影响,（一）采空区地面塌陷与地裂缝矿区地面变形：采空区上覆岩土体冒落而在地表发生大面积变形破坏的现象和过程。地面塌陷：地面变形为面状分布；地裂缝：线状分布。后果：地表建构筑物破坏，地表河流、水体等漏失。 （二）破坏水文地质环境 1、矿井突水采矿工程通过河流、水库下部或
22、附近，并有地表水和地下水连通通道时，突水事故。 2、区域地下水位下降,（三）矿区山体开裂破坏高陡临空地形地貌部位，由于山崖或山脚的采矿活动，造成上覆山体开裂变形，发生崩塌灾害。 （四）采矿诱发地震与岩爆岩爆（冲击地压），是指承受强大地压的脆性煤、矿体或岩体，在其极限平衡状态受到破坏时向自由空间突然释放能量的动力现象，是一种采矿活动诱发的地震。在煤矿、金属矿和各种人工隧道中均有发生。,四、矿山地质灾害,地质灾害：由于地质作用（自然、人为或综合）使地质环境产生突发或累进破坏，造成生命财产损失的现象。 1、崩塌 （1）定义：斜坡岩体中被破裂面分割的块体突然脱离母体并以垂直运动为主，翻滚跳跃而下的现象
23、和过程。 （2）特点下落速度快、发生突然；崩塌体脱离母岩运动；下落过程中崩塌体自身的整体性遭到破坏；崩塌物的垂直位移大于水平位移。 （3）形成条件地形地貌：多发生在高陡斜坡处，有临空面。,地层岩性、岩体结构、地质构造： 脆性岩石常形成较陡峻的边坡，若构造节理发育且存在凌空面，则极易形成崩塌。 若软岩在下、硬岩在上，下部软岩风化剥蚀后，上部坚硬岩体常发生倾倒式崩塌； 若软弱结构面的倾向与坡向相同，则极易发生大规模的崩塌。 地下水 爆破振动,崩塌（岸崩）示意图根据岩土体成分，可划分为岩崩和土崩两大类。崩塌的运动速度极快，常造成严重的人员伤亡。,2、滑坡,（1）定义：在自然地质作用和人类活动等影响下
24、，斜坡上的岩土体在重力作用下沿软弱面“整体”或“局部” 滑动的过程和现象及其形成的地貌形态。 （2）滑坡的特征：以水平位移为主；滑坡面始终沿着一个或者几个软弱面（带）滑动。滑坡滑动过程可瞬间完成，也可持续几年或更长时间。 （3）滑坡的形成条件 地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件和人为活动等。,滑坡示意图 滑坡是指山坡岩体或土体顺斜坡向下滑坡的现象。 一般由降雨、河流冲刷、地震、融雪等自然因素引起。,岩质滑坡示意图,土质滑坡示意图,（滑坡体沿岩层面滑动）,顺层滑坡示意图,3、泥石流,定义：山区沟谷由暴雨、融雪或库塘溃坝等水源激发，形成的一种挟带大量泥砂等固体物质的特殊洪流。矿山泥石流分类
25、：按流域的沟谷地貌形态：沟谷型泥石流和坡面型泥石流 。按成因分类：水动力成因泥石流和重力成因泥石流。水动力成因泥石流：大量松散的固体物料堆积在汇水面积大的山谷地带，在动水冲刷作用下沿陡坡地形急速流动。重力成因泥石流：吸水岩土遇水软化，当含水量到一定程度，便转化为黏稠状流体。形成的基本条件：丰富的松散岩土；山坡地形陡峻、有较大纵坡；有较大的汇水面积和充足的水源。,坡面型泥石流示意图,沟谷型泥石流示意图,沟谷型泥石流,4、地表塌陷,矿山采空区地面塌陷示意图,4.5 矿山开采安全对矿山地质的要求,地质资料是矿山设计、建设和生产的依据，其完备程度和可靠性与矿山企业的建设和生产有直接关系，并直接影响矿山
26、开采安全。根据技术经济和安全生产的需要，矿山地质资料应包括以下内容：(1)矿区环境；(2)区域地质方面；(3)矿区地质构造及矿床特征方面：矿区地层和岩石组成，褶曲和断裂构造的性质、分布及其对矿体产状的影响。大断层、破碎带、滑坡、泥石流的性质和规模；,矿体产状、规模及其埋藏条件，矿体厚度及其沿走向、倾向的变化情况，矿体倾角及其变化情况，矿体出露情况及其埋藏深度。上下盘围岩性质，地表松散沉积物厚度及其覆盖情况。矿体内部构造、废石夹层的存在情况。 (4)矿石质量特征方面。包括：矿石的主要矿物成分；矿石组织结构；矿石的工业品位及其空间的分布规律。矿物中有益或有害成分的评价和叙述；矿石工业开采的经济价值
27、。,(5)矿石和围岩的物理力学性质及开采技术条件方面。 (6)矿床水文地质条件方面。含水层和隔水层的岩性、层厚、产状；各含水层之间，地表水利地下水之间的水力联系；矿区内的小矿井、老井、老采空、现有生产矿井中的积水层、含水层、岩溶带等。 (7)矿石储量计算资料方面。储量计算方法的选择及其依据，储量计算中各种参数的确定及其数值，各级储量的空间分布，储量计算结果。,图1 固体矿产资源/储量分类框架图,建立三维坐标系,E轴为经济轴，F轴为可行性轴，G轴为地质轴。 这样的分类突出了可行性评价及其经济意义，适应市场经济的需要，克服了原分类只重视地质勘探程度的倾向。,说明：表中所编码（111334） 第l位数表示经济意义：1=经济的，2M=边际经济的，2S=次边际经济的，3=蕴经济的，?=经济意义未定的； 第2位数表示可行性评价阶段：l=可行性研究，2=预可行性研究，3=概略研究； 第3位数表示地质可靠程度：l=探明的，2=控制的，3=推断的，4=预测的，b=未扣除设计、采矿损失的基础储量。,
