第一章 绪论
1.1 选题的依据及意义
地裂缝(ground fissure)是指在内、外动力地质作用或人类活动作用下，由构造蠕滑、地震、地面塌陷或斜坡失稳等原因造成的地表岩土层破裂的地质灾害现象。地裂缝的超强活动将导致建筑物开裂、倾斜，严重的甚至造成垮塌，对人民的生命安全构成严重威胁；地表裂缝经过公路时造成路面变形、开裂，阻断交通，甚至造成人员伤亡；地裂缝破坏地下管线工程，影响居民的正常用水用电，制约着人民的生产、生活[1]。地裂缝已成为一种被人们重视的，广泛发育的地质灾害类型，在世界各国均有不同程度的发生，仅中国近 20 年来的地裂灾害经济损失就高达 91.25 亿元[2]，且其发生频率和灾害程度逐年加剧，对城市规划、建设影响巨大。 抚顺市，总面积 11271km2，人口 225.5 万，位于辽宁省东部，距沈阳市 45 公里，是沈阳经济区副中心城市，其中抚顺市区面积为 713.6km2，占抚顺市总面积的 6.33%，市区人口141.5 万，占抚顺市总人口的 62.75%。在市区范围内有大中型企业 58 户，小型企业 1352 户，其中大部分企业都是依托抚顺市区的矿产资源运营的。2015 年，抚顺市生产总值为 1236 亿元，抚顺市区矿产资源的开发和利用，作为抚顺市经济发展的支柱，为市民提供了大量的就业机会，也为抚顺市的社会稳定做出了巨大贡献。 抚顺市，目前已发现矿产 52 种，矿产资源丰富，是中国著名的矿业城市，尤其煤炭产量巨大，被称为中国的“煤都”。而抚顺市区主要形成了以煤炭开采与油页岩开采为主的矿业格局，其中煤炭资源探明储量 14.15 亿吨，油页岩探明储量 43.94 亿吨，属大型矿床，主要分布在东露天矿和西露天矿，同时还有部分煤矿位于胜利矿、老虎台矿、泰和矿和龙凤矿。据史料记载，1901 年，抚顺市便开始了煤炭的开采。新中国成立以来，抚顺市为国家提供了 10 亿吨的煤炭，为国家的建设和发展做出了巨大贡献。
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1.2 国内外研究现状
20 世纪 70 年代中后期，受新构造活动的影响，陕、晋、冀、鲁、豫、皖、苏七省相继发生了较大规模的地裂缝灾害，约占全国地裂缝总数的 90%以上，汾渭盆地、华北平原和苏锡常地区是集中发育区，达 1000 余条，造成数百亿的经济损失[37]。如图 1.2.1 所示，华北和华东地区地裂缝“遍地开花”。19 世纪以来，国内外学者从许多方面对地裂缝进行了较为深入的研究，这些研究主要集中在地裂缝展布、影响因素、成因模式及机理、监测、预测、防治，信息系统建立等方面。美国于 20 世纪最早开展了地裂缝相关研究，直至 20 世纪 50 年代对地裂缝的研究才较为全面、深入、系统。目前，在地裂缝成因机制方面，专家学者获得了统一认识，主要体现为以下三种观点：一种是构造成因观点，这一观点最早由美国学者 Leonard[4]提出，之后有许多学者也对其进行了研究论证，如 Savage[5]、Kontogianni[6]、Williams[7]，他们认为断裂构造活动是导致地裂缝形成的主要因素，特别是来自中国、美国、希腊等地区由地震诱发的地裂缝地质灾害被广泛报导（Geng[8]，Northridge[9]，Lekkas[10]，Dou[11]）；第二种是地下水开采成因观点，对于这一观点，Carruth[12]、Bawden[13]、Holtzer[14]、Robert[15]、Khalid[16]、Rojas[17]、Wang[18]等展开了相关研究，他们大多数认为地下水的过度抽取是引发地裂缝的主导因素，并进行了由地下水开采作为诱发因素下，地裂缝的力学模式与成因机制的详细分析；第三种是构造与地下水综合成因观点，如 Ayalew[19]、Jesús[20]、Lippincott[21]、Rafael[22]等对地裂缝进行长期研究后认为，地下水超采及构造活动是地裂缝形成的主要原因，且地裂缝的形成还受地震、暴雨等其它因素的影响，认为地裂缝的成因具有多样性、复杂性的特点。
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第二章 抚顺市区地裂缝的地质环境背景及分布特征
抚顺市素有“煤都”之称，煤炭开采距今已有百余年历史，其中大规模的露天开采和地下开采极大地破坏了矿区的地质环境，诱发各种地质灾害。其中由人类采矿活动诱发的地裂缝是伴随着露天采坑斜坡体滑移或地下开采沉陷过程形成的，在地表表现为线状开裂，也有可能附加由现代地质构造活动引起的沿破裂面的蠕滑错动，是地质营力和人类工程活动共同作用形成的地质灾害现象[149]。 地裂缝的形成必须具备三个相互关联的背景与条件：一是构造背景，即地裂缝发生所需能量的大尺度动力学背景，如周围块体的作用力、应变的传递、不同活动块体之间的相互作用等；二是孕裂环境，即地裂缝发生的局部地质条件，它主要取决于地裂缝发生地段隐伏构造、地貌条件、断层和节理构造活动性、岩土介质特征等；三是启裂条件，即应力活动、应变积累程度、地下矿产的开采或过度抽取地下水等[159]。 孕裂环境是地裂缝形成和发展的基础，是研究地裂缝成因机制的关键，而抚顺市区地裂缝作为一种基岩地裂缝、矿山城市地裂缝，其地质环境背景具有独特性。首先，抚顺市区坐落在浑河断裂带上，浑河断裂为抚顺-敦化-密山断裂带的西南端，属于郯庐断裂的北延部分，其地质构造极为复杂，并且浑河断裂是一条长期持续活动，至今仍在继续活动的活动断裂，更加大了此区域地质构造的活跃性和不定性；其次，巨大的露天开采场以及广泛分布的地下采矿区，极大地增加了抚顺市地质背景的复杂性；然后，抚顺市区基岩埋藏浅，地裂缝直接沿基岩发育到地表，对地面建（构）筑物、道路及地下管道的破坏也最直接；最后，受人类采矿活动的影响，更加大了地裂缝成因机制的复杂性，同时也导致抚顺市区地裂缝的超常活动。 因此本章将从地形地貌、地层岩性组合、区域地质构造背景、地质构造特征、矿区井田分布及采煤概况 5 个方面研究抚顺市区地裂缝形成的地质环境背景，并查明抚顺市区地裂缝的分布特征，以便从本质上揭示抚顺市区地裂缝的成因机理。
2.1 抚顺市区地裂缝形成的地质环境背景
抚顺矿区主要地层由老至新为：太古宇鞍山群(Ar3Dgnc)，中生界侏罗系小东沟组(J3x)；晚侏罗-早白垩统小岭组(J3K1x)、白垩系梨树沟组(K1l)、大峪组(K2d)；新生界古近系（老第三系）抚顺群老虎台组(E1l)、栗子沟组(E1lz)、古城子组(E2g)、计军屯组(E2j)、西露天组(E2x)、耿家街组(E3g)；第四系(Q)。其中以古近系较发育，是矿区的含煤岩系。矿区地层柱状图如图 2.1.1 所示。 鞍山群(Ar3Dgnc)：为花岗片麻杂岩，多呈灰白、浅红色，花岗变晶结构，片麻状构造，岩体中多残存大小不等、形态各异的包体，其中的包体以斜长角闪岩为主，见图 2.1.2，有
蚀变特征。钻孔揭露断层带花岗片麻岩多呈碎裂结构，岩石绿泥石化特征明显，岩体强度明显变差。该类岩体矿区分布范围广泛，形成抚顺盆地的刚性基底，分布在 F1A 断层以北。
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2.2 抚顺市区地裂缝分布特征
根据现场调查，结合前人调查成果，目前抚顺市共发育有 12 条地裂缝，发育程度不一。抚顺市区地裂缝平面分布特征如图 2.2.1 所示。该裂缝西起页岩炼油厂东南围墙，沿千台山宾馆南侧公路向东延伸，至胜利矿瓦斯机房北侧的山坳处，总体走向约北东 70°～90°，地裂缝弧形展布，凹向北，阶梯陡坎状断陷发育，延伸约 3130m，如图 2.2.2 所示。 本次勘察采用地面调查与钻探的方式，自西向东确定了 I-A、I-B、I-C、I-D、I-E、I-F，共 6 个地裂缝调查点，地裂缝地面调查点的位置见图 2.2.2。 调查点 I-A：为地裂缝西边界出露点，位于页岩炼油厂东南侧柏油路上，地裂缝在该点处表现为地面开裂，裂缝倾向 NE75°，宽约 10cm，地裂缝地表变形显现张性特征，裂面陡直。 调查点 I-B：位于千台山宾馆南侧路上，地裂缝呈现落差式陡坎，呈南高北低状。裂缝宽约 4m，陡坎高差达 6m，裂缝倾向 NE30°，地裂缝地表变形呈现倾滑张裂，裂面粗糙。 调查点 I-C：位于千台山宾馆西南方，处在 I 号和 II 号地裂缝西侧交汇处，可见高落差陡坎，呈南高北低状，陡坎高差达 17m，且陡坎下部分布近水平的羽状拉张裂缝，裂缝宽约 1.5m，可见深度 1m 左右。裂缝走向近东西，地裂缝地表变形呈现张性特征，裂面粗糙、陡直。
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第三章 抚顺市区地裂缝地面沉降变形特征研究 ........... 51
3.1 概述 ........ 51
3.2 矿区概况及监测数据 .... 53
3.3 地面开采沉陷变形预测预报模型 ........ 60
3.4 模型验证 ........ 71
3.5 地表开采沉陷变形预测预报模型开发 ........ 73
3.6 抚顺市区地面沉降变形特征及发展趋势研究 .... 78
3.7 抚顺市区地裂缝分布与地面沉降变形特征 ........ 86
3.8 小结 ........ 87
第四章 抚顺市区地裂缝形成机制分析及构造活动 ..... 89
4.1 地裂缝影响因素分析 .... 89
