韓科明

(1.天地科技股份有限公司,北京市朝陽區(qū),100013; 2.煤炭科學研究總院開采設計分院,北京市朝陽區(qū),100013)

★煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

模糊綜合評判法在采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性評價中的應用?

韓科明1,2

(1.天地科技股份有限公司,北京市朝陽區(qū),100013; 2.煤炭科學研究總院開采設計分院,北京市朝陽區(qū),100013)

針對采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性評價中影響因子多、影響程度難量化的問題,以焦作某工業(yè)廠區(qū)為例探討了地基穩(wěn)定性模糊綜合評判模型的建立和應用,構建了評價指標、分級標準和隸屬函數(shù)。論述并驗證了兩級模糊綜合評判法應用于地基穩(wěn)定性評價的合理性,為量化評價采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性和土地使用決策提供借鑒。

采煤沉陷區(qū) 地基穩(wěn)定性 評價指標 模糊綜合評判

目前用于采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性的評價方法較多,主要有:殘余變形量法、建筑物荷載影響深度法、深厚比法、數(shù)值模擬法以及這幾種方法的綜合運用,這些方法往往采用一個或兩個指標進行評價,然后結合具體條件定性說明,對于采煤沉陷區(qū)土地使用決策來說不甚明確,因此需要一種系統(tǒng)的具有一定可操作性的量化評價方法。

采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性的影響因素眾多,影響程度不同且不易定量描述,各影響因素對應穩(wěn)定級別的界限也相當模糊,很難用經(jīng)典數(shù)學模型或力學模型加以統(tǒng)一度量。模糊綜合評判方法把大量地質(zhì)、采礦信息轉(zhuǎn)化為定量的模糊語言,對其進行綜合識別和評價,使評價結果更趨于科學合理。本文以焦作某工業(yè)廠區(qū)地基穩(wěn)定性評價為例,探討采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性模糊綜合評判模型的建立和應用。

1 評價區(qū)采礦地質(zhì)概況

評價區(qū)為焦作煤田采煤沉陷區(qū)內(nèi)的某工業(yè)廠區(qū)(G區(qū)),其下方主采煤層二1煤平均傾角14°,平均厚度5.36 m,開采深度50～200 m,開采時間最晚到1996年;次采煤層一5煤上距二1煤42～60 m,平均傾角14°,平均厚度1.3 m,開采深度100～260 m,開采時間為1973年至1996年。

根據(jù)原礦井資料和鉆探情況,本區(qū)主要地層由老至新有:奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(以灰?guī)r為主,層厚6.99 m)、石炭系中統(tǒng)本溪組(以鐵礦層、鋁土泥巖層、砂質(zhì)泥巖層為主,層厚10.81 m)、石炭系上統(tǒng)太原組(巖性以砂巖、粉砂巖、石灰?guī)r、燧石灰?guī)r以及煤互層,層厚41.82 m)、二疊系下統(tǒng)山西組(上部頁巖夾砂質(zhì)泥巖,層厚5.60 m;中部中粒砂巖夾頁巖,層厚26.70 m;下部煤層和灰色泥巖,層厚11.80 m)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(以砂巖和泥巖互層構成,層厚6.10～242.06 m)、第三系(以粘土為主,厚度變化較大由數(shù)米到數(shù)十米不等)、第四系(以黃土砂層和礫石及紅色粘土為主,層厚26.02 m)。

斷層為該區(qū)的主要構造,以高角度的走向正斷層為主,傾角約65°～70°,由一組一級或一組多級的斷層將井田分割為各個不同水平的自然采區(qū)。大斷層伴生有與其夾角呈銳角的支斷層,伸展于本區(qū)內(nèi),規(guī)模較小,呈尖滅狀。小斷層分布及特征如下:在大斷層上盤小斷層分布密度大,面積廣,下盤小斷層少而稀疏;在相對的條件下,地塹區(qū)小斷層多,地壘區(qū)小斷層少;在大斷層交匯地區(qū)小斷層發(fā)育;在大斷層尖滅方向,小斷層發(fā)育。探測區(qū)內(nèi)斷層皆被沖積層覆蓋。

2 評價指標的分析與確定

采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性評價的首要問題就是確定合理的評價指標,這也是模糊綜合評判的基礎?？紤]到指標本身的可行性、代表性和獨立性,結合評價區(qū)的地質(zhì)采礦特點(采深小、采厚大、含水巖組多),構建了包含3個一級指標和5個二級指標的評價指標體系,如圖1所示。

圖1 采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性評價指標

2.1 空間可靠性指標

采空區(qū)覆巖破壞高度和建筑物荷載影響深度之間的空間位置關系是評價建筑地基穩(wěn)定性的重要指標,在此稱為空間可靠性指標。

一般地,采空區(qū)覆巖破壞高度與建筑物載荷影響深度間存在以下3種情況:其一,兩者間有一定安全距離,附加載荷不會影響采空區(qū)破損覆巖的穩(wěn)定性;其二,載荷影響深度接觸到破損巖體頂部,此時屬于臨界狀態(tài);其三,兩者有交叉,附加載荷會影響采空區(qū)破損覆巖的穩(wěn)定性。由此,空間可靠性指標用下式量化表達:

式中:U1——空間可靠性指標,m;

H埋——采空區(qū)埋深,m;

H影——荷載影響深度,m;

H裂——裂縫帶高度,m。

2.2 深厚比

其計算表達式為:

式中:H0——平均采深,m;

m——采厚,m。

2.3 活化因素指標

地表移動穩(wěn)定后,老采空區(qū)破損覆巖達到暫時平衡,當有外力擾動(如新建建筑物、鄰近開采、地下水變化等)時會引起老采空區(qū)破損覆巖活化,在地表產(chǎn)生新的移動變形。

本文構建了活化因素指標,包括斷層密度V31、斷層強度指數(shù)V32、上覆巖層的水理性質(zhì)V33、預計浸水時間系數(shù)V34和采礦擾動、礦震或其它震動V355個二級指標。

(1)斷層密度。其計算表達式為:

式中:V31——斷層密度,條/m2;

n——斷層條數(shù),條;

S——統(tǒng)計面積,m2。

(2)斷層強度指數(shù)。其計算表達式為:

式中:V32——斷層強度指數(shù);

Hi——斷層落差,m;

Li——斷層延伸長度,m;

S——統(tǒng)計面積,m2。

Simulink是可以用于連續(xù)、離散以及混合的線性、非線性控制系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包，并為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口，很適合于控制系統(tǒng)的仿真。

(3)上覆巖層的水理性質(zhì)。用上覆巖層中可溶性巖層和遇水易軟化巖層所占比例來描述因上覆巖層的水理性質(zhì)引起的活化對采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性的影響。其計算表達式為:

式中:V33——上覆崦層水理性質(zhì);易軟化巖層的總厚度,m;

H0——平均采深,m。

(4)預計浸水時間系數(shù)。其計算表達式為:

式中:V34——預計浸水時間系數(shù);

T——評價時間與終采時間的差值,d;

T0——采空區(qū)達到基本穩(wěn)定所需要的時間,d。

(5)采礦擾動、礦震或其它震動。采礦擾動、礦震或其它震動對地基穩(wěn)定性的影響分為三個等級:無、輕微、嚴重。根據(jù)采煤沉陷理論,受采動影響,采空區(qū)上覆巖層經(jīng)過垮落、斷裂、彎曲變形,自采空區(qū)向上至地表一般要形成“三帶”,即垮落帶、裂縫帶和彎曲帶。當采礦擾動、礦震或其它震動的影響區(qū)域與“三帶”沒有重合時,視采礦擾動、礦震或其它震動對地基穩(wěn)定沒有影響;當采礦擾動、礦震或其它震動的影響區(qū)域與彎曲帶有重疊,但沒有影響到垮落帶和裂縫帶時,視采礦擾動、礦震或其它震動對地基穩(wěn)定有輕微影響;當采礦擾動、礦震或其它震動的影響區(qū)域與垮落帶或裂縫帶有重疊時,視采礦擾動、礦震或其它震動對地基有嚴重影響。

3 模糊綜合評價

3.1 隸屬度的計算

3.1.1 分級標準及評價單元劃分

根據(jù)本區(qū)的采礦地質(zhì)條件并參考相關文獻,對應3個等級給出了各指標的分級標準見表1。

表1 評價指標對應各等級的分級標準

結合采煤沉陷區(qū)土地利用現(xiàn)狀、國家相關規(guī)程條款及選取的評價指標,對應穩(wěn)定區(qū)、較穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū),有以下3個等級的區(qū)域:

(1)推薦作為建設場地的區(qū)域。殘余變形均在Ⅰ級內(nèi)、空間穩(wěn)定性符合要求、不具備采空區(qū)活化條件的區(qū)域。這些地段優(yōu)先推薦作為建設場地。

(2)建(構)筑物抗采動影響設計或采空區(qū)注漿治理后方可建設的區(qū)域。地表殘余變形為Ⅱ～Ⅲ級、滿足空間穩(wěn)定性要求、采空區(qū)不具有活化條件的區(qū)域,需要對建(構)筑物采用抗采動影響設計后方可建設;不滿足空間穩(wěn)定性的區(qū)域、采空區(qū)具有活化條件的區(qū)域,需要對采空區(qū)進行適當?shù)淖{治理并根據(jù)治理情況對建(構)筑物采用必要的抗采動影響設計。

(3)暫不宜建設的區(qū)域。地表殘余變形為Ⅳ級、不滿足空間穩(wěn)定性、采空區(qū)具有活化條件、治理難度大成本高的區(qū)域,這些區(qū)域在目前經(jīng)濟技術條件下不宜作為建設場地。

在采煤沉陷研究中,將連續(xù)6個月地表下沉值不超過30 mm時作為地表移動期的結束,即地表移動基本穩(wěn)定。但事實上,在地表移動期結束后,由于多種原因(如采動破損覆巖蠕變、結構再失穩(wěn)、外力影響等)地表還會出現(xiàn)殘余移動與變形,對地面建(構)筑物形成不同程度的影響。采用概率積分法計算評價區(qū)域的地表殘余移動變形,并繪制等值線圖。

理論計算裂縫帶發(fā)育高度位于二1煤層之上59～84 m,結合采空區(qū)鉆探結果,選取二1煤采空區(qū)垮落斷裂帶的發(fā)育高度為100 m;按均布矩形荷載計算地基附加應力,影響深度最大的建筑物的計算結果見表2。由此確定煤層開采后采空區(qū)裂縫帶不再因新加建筑荷載擾動而重新移動的臨界開采深度為162 m。

表2 建(構)筑物荷載影響深度計算表

依據(jù)地表殘余移動變形和臨界開采深度,參照評價指標對應各等級的分級標準,把G區(qū)劃分為12個評價單元。

3.1.2 各指標隸屬度的計算

根據(jù)統(tǒng)計資料結合隸屬函數(shù)構建的原則,采用梯形分布構建空間穩(wěn)定性指標U1、深厚比U2和上覆巖層水理性質(zhì)V33的隸屬函數(shù)Y。當指標取值越大,穩(wěn)定性越差時,Y1、Y2、Y3為對應穩(wěn)定區(qū)Ⅰ、較穩(wěn)定區(qū)Ⅱ、不穩(wěn)定區(qū)Ⅲ的隸屬函數(shù);當指標取值越大,穩(wěn)定性越好時,Y1、Y2、Y3對應不穩(wěn)定區(qū)Ⅲ、較穩(wěn)定區(qū)Ⅱ、穩(wěn)定區(qū)Ⅰ的隸屬函數(shù)。3個等級的梯形分布基本表達式如下:

式中:s1、s2、s3——采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性等級劃分的分界值,s1＜s2＜s3,見表1;

x——指標實測值。

據(jù)此,可以得到U1、U2和V33對于3個等級的隸屬函數(shù),函數(shù)的具體形式在此不再一一列出。

斷層密度V31、斷層強度指數(shù)V32和預計浸水時間系數(shù)V34的隸屬函數(shù)采用正態(tài)分布函數(shù)作為基礎來構造。表達式為:

偏小型:

現(xiàn)在以預計浸水時間系數(shù)V34相對于第Ⅰ等級(穩(wěn)定)為例,說明隸屬函數(shù)的建立過程。

假定V34屬于第Ⅰ等級(穩(wěn)定)的單元共n個,則隸屬函數(shù)為:

式中:xi——預計V34在第i個單元的觀測值;

σ——xi的標準差。

據(jù)此,可計算出n個單元中任一單元V34相對于第Ⅰ等級的隸屬度。類似的可以計算V31、V32的隸屬度,采用中間型正態(tài)分布函數(shù)。

采礦擾動、礦震或其它震動只能定性描述很難量化,采用面積元法來確定其隸屬度。以V35相對于第Ⅰ等級(穩(wěn)定)為例,說明隸屬函數(shù)的建立過程。

根據(jù)地質(zhì)采礦條件把評價區(qū)分為n個單元,Sn表示第n個單元的面積,則在第一單元V35指標的隸屬度表達式為:

計算各個評價單元的指標值,分別代入對應等級的隸屬函數(shù)中,得到12個評價單元的指標對應等級的隸屬度,如表3所示,本文僅列出4個評價單元的隸屬度。

表3 G1～G4評價單元的指標對應等級的隸屬度

3.2 評價指標權重

為盡量反映實際情況,基于專家評議的層次分析法確定了各指標的權重,如表4所示,表中各項指標權重都是經(jīng)過多次調(diào)整并通過一致性檢驗。

表4 各評價指標權重

3.3 地基穩(wěn)定性評價

采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性是各影響因素共同作用的結果,為避免信息丟失和計算的精確性,采用普通加乘算法的加權平均型算法,根據(jù)最大隸屬度原則,確定評價單元所屬的等級,計算結果如表5及圖2所示。

表5 各評價單元地基穩(wěn)定性模糊綜合評價結果

圖2 各評價單元地基穩(wěn)定性模糊綜合評價結果

4 結語

結合實例探討了采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性評價的模糊綜合評價方法,建立了地基穩(wěn)定性模糊綜合評價模型,給出了指標分級標準和隸屬函數(shù),利用專家經(jīng)驗采用層次分析法定權。論文論述并驗證了兩級模糊綜合評判法應用于沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性評價的可行性和合理性,為采煤沉陷區(qū)建設用地的利用提供了一種量化評價方法。

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(責任編輯 郭東芝)

一季度煤炭開采與洗選業(yè)固定資產(chǎn)投資同比下降21.2%

國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示,一季度,全國采礦業(yè)固定資產(chǎn)投資1438億元,同比下降4.1%。其中,煤炭開采與洗選業(yè)固定資產(chǎn)投資400億元,同比下降21.2%。

民間固定資產(chǎn)投資數(shù)據(jù)顯示,一季度,民間對于煤炭的投資熱情繼續(xù)下降,煤炭開采與洗選業(yè)民間固定資產(chǎn)投資237億元,同比下降23%。

在此之前,煤炭固定資產(chǎn)投資已經(jīng)連續(xù)2年下降,2013年同比下降2%,2014年同比下降9.5%。2015年1～2月份,全國煤炭開采和洗選業(yè)固定資產(chǎn)投資為147億元,同比下降16.3%,其中煤炭開采和洗選業(yè)民間固定資產(chǎn)投資為85億元,同比下降22.9%。

Application of fuzzy comprehensive evaluation in foundation stability evaluation of coal mining subsidence area

Han Keming1,2
(1.Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Coal Mining and Design Branch of China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

In order to solve the problems of multi-factor and difficult quantification of effect degree in foundation stability evaluation of coal mining subsidence area,the author took an industrial factory district in Jiaozuo as example to discuss the modeling of fuzzy comprehensive evaluation in foundation stability and its application,structured the evaluation index,grading standard and membership function,expounded and verified reasonability of the application of two-stage fuzzy comprehensive evaluation in foundation stability evaluation,which provided a reference to quantitatively evaluate the foundation stability and land utilization decision in coal mining subsidence area.

coal mining subsidence area,foundation stability,evaluation index,fuzzy comprehensive evaluation

TD997.1

A

韓科明(1981－),男,漢族,山東安丘人,助理研究員,碩士,主要從事采煤沉陷區(qū)治理和“三下”采煤方面的研究工作。

國家科技重大專項大型油氣田開發(fā)項目(2011ZX05064),中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金(2014QN005)