張 麗，黃敬軍，許書剛，賀懷振，閆士民

(1.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210018；2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；3.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 徐州 221004)

徐州城市規(guī)劃區(qū)煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

張 麗1,2，黃敬軍1,2，許書剛1,2，賀懷振1,2，閆士民3

(1.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210018；2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；3.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 徐州 221004)

徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)由于大規(guī)模的煤炭開采，采空區(qū)分布面積較廣，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，土地資源日益緊張，煤礦采空區(qū)土地成為煤礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要自然資源。開展采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，是煤礦采空區(qū)土地利用的前提。本文針對(duì)徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)大面積的煤礦采空區(qū)，建立了采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用敏感因子—一般因子評(píng)價(jià)模型對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)定，最終劃分出不穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。

煤礦采空區(qū)；穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；徐州

徐州市作為江蘇乃至華東地區(qū)最大煤炭能源基地，經(jīng)過百余年的開采，地表已形成了規(guī)模巨大的地面塌陷區(qū)[1]。2011年，徐州市賈汪區(qū)被列入國(guó)家第三批資源枯竭城市名單，塌陷地的復(fù)墾和生態(tài)重建已提上日程。隨著城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，土地資源日益緊張，對(duì)采空區(qū)上方的土地利用已是不可避免，而準(zhǔn)確客觀地評(píng)價(jià)采空區(qū)穩(wěn)定性則是開展采空區(qū)土地利用的基礎(chǔ)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)采空區(qū)問題的研究按照采空區(qū)上覆構(gòu)筑物類型可以劃分為三類、鐵路下采空區(qū)問題，公路下采空區(qū)問題和建筑物下采空區(qū)問題。針對(duì)鐵路與公路下采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究，主要是通過計(jì)算地基承載力、剩余變形量及殘留空洞的穩(wěn)定性、地表破壞范圍來進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[2]。建筑物下采空區(qū)的研究主要集中在基于單幢建(構(gòu))筑物建設(shè)用地的采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面[3]。由此可見，目前采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)多是針對(duì)小范圍內(nèi)某個(gè)礦區(qū)開展，研究結(jié)果只能為某個(gè)具體工程建設(shè)的適宜性提供參考，而對(duì)整個(gè)城市的大規(guī)模采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的研究較少。因此，本文在調(diào)查徐州城市規(guī)劃區(qū)采空區(qū)分布特征的基礎(chǔ)上，開展采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果可為規(guī)劃部門或建設(shè)部門進(jìn)行土地規(guī)劃或工程建設(shè)選址時(shí)提供參考依據(jù)。

1 徐州城市規(guī)劃區(qū)煤礦采空區(qū)分布情況

徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)共有4個(gè)煤田：東部賈汪煤田、西部九里煤田(含馬坡)、閘河煤田和北部利國(guó)煤田。礦區(qū)內(nèi)地貌類型總體上以堆積平原為主，局部地區(qū)發(fā)育有低山丘陵，地形較平坦。區(qū)內(nèi)含煤地層為二疊系中統(tǒng)下石盒子組、山西組與上石炭統(tǒng)太原組。

東部賈汪煤田開采歷史悠久，開采的主體屬性較多以及采煤方法多樣，因此采空區(qū)條件較為復(fù)雜，采空區(qū)分布面廣，埋藏深度差異大，開采煤層層數(shù)多。西部煤礦開采規(guī)范，采空區(qū)范圍明晰、采空區(qū)埋藏深度相對(duì)較深，范圍相對(duì)分散、開采時(shí)間相對(duì)東部賈汪煤田較晚，分布有較多的新采空區(qū)。利國(guó)煤田采空區(qū)面積較小，條件簡(jiǎn)單。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)煤礦采空區(qū)面積約140 km2。按照采空區(qū)埋藏深度劃分為淺層采空區(qū)(埋深小于50 m)、中深層采空區(qū)(埋深介于50～200 m)和深層采空區(qū)(埋深大于200 m)。淺層采空區(qū)面積較少，約12 km2，主要分布在賈汪煤田的北部，主要是青山泉一號(hào)井和大李莊煤礦的局部范圍，韓橋井田中部至兩側(cè)3煤露頭區(qū)域，沿著煤層露頭線呈狹條狀分布(圖1)。西部和北部礦區(qū)絕大部分為中深層和深層采空區(qū)，其中深層采空區(qū)面積約87 km2，中深層采空區(qū)面積約41 km2。

圖1 徐州城市規(guī)劃區(qū)采空區(qū)分布范圍Fig.1 Distribution map of goaf area in Xuzhou urban planning area

2 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》中規(guī)定采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，應(yīng)根據(jù)采空區(qū)的類型考慮停采時(shí)間、地表移動(dòng)變形特征、采空區(qū)充填密實(shí)狀態(tài)及充水情況、采深、覆蓋土層厚度等，采用定性與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，是針對(duì)小范圍的采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，而徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)采空區(qū)面積較大且特征復(fù)雜，因此本次采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)在參考規(guī)范的基礎(chǔ)上，根據(jù)徐州采空區(qū)的實(shí)際類型特點(diǎn)，從時(shí)間因素、地質(zhì)因素和采礦因素等幾個(gè)方面選取重要因子建立煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖2)。

圖2 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系圖Fig.2 Goaf stability evaluation index system

時(shí)間因素中考慮終采時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，終采時(shí)間是影響采空區(qū)穩(wěn)定性的重要因素。采空區(qū)隨著終采時(shí)間的延續(xù)而趨于穩(wěn)定。

地質(zhì)因素主要考慮煤層傾角、松散層厚度及斷裂構(gòu)造密度三個(gè)指標(biāo)。煤層傾角大小對(duì)地表移動(dòng)特征有明顯的影響，隨著煤層傾角加大，地表移動(dòng)與變形變得復(fù)雜化，增加了地表移動(dòng)的時(shí)間，增大了地表的不穩(wěn)定性；松散層厚度較大時(shí)會(huì)使得地表殘余沉降變形趨于平緩，對(duì)新建建筑有利，采空區(qū)穩(wěn)定性較好；斷層對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響較為顯著，斷層切割破壞了煤層的連續(xù)性，使得采空區(qū)不規(guī)則，煤柱留設(shè)無(wú)規(guī)律，給采煤沉陷的穩(wěn)定性帶來負(fù)面影響[4]。

采礦因素考慮采深采厚比、采空區(qū)層數(shù)和開采方式等三個(gè)指標(biāo)。深厚比指標(biāo)綜合反映了采厚和上覆巖土層厚度效應(yīng)，比值越小,表明采煤對(duì)地表沉陷的影響越大。采空區(qū)層數(shù)越多，不同煤層采空區(qū)之間影響的可能性加大，對(duì)地表的影響程度將加大，采空區(qū)穩(wěn)定性也越差。不同開采方式中，長(zhǎng)壁垮落法地表沉陷最充分，采空區(qū)相對(duì)也是最穩(wěn)定的；正規(guī)條帶開采采空區(qū)穩(wěn)定性次之；房柱式及小窯穿巷式、殘柱式采空區(qū)穩(wěn)定性最差。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化分級(jí)

采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)中除開采方式為定性指標(biāo)外，松散層厚度、煤層傾角、斷裂構(gòu)造密度、終采時(shí)間、采深采厚比及采空區(qū)層數(shù)均為定量指標(biāo)，定量指標(biāo)可根據(jù)基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)查出或計(jì)算出指標(biāo)值，定性指標(biāo)則定性分析劃分等級(jí)，對(duì)不同等級(jí)規(guī)定評(píng)分值。各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判別標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 徐州城市規(guī)劃區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

地表總移動(dòng)延續(xù)時(shí)間計(jì)算公式如下：

T=2.5H0，H0≤400m

式中：T——總移動(dòng)延續(xù)時(shí)間/d；H0——平均開采深度/m。

3 評(píng)價(jià)方法

目前研究中關(guān)于采空區(qū)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法，一般在鉆探、物探的基礎(chǔ)上，運(yùn)用工程地質(zhì)調(diào)查、有限元模擬、模糊數(shù)學(xué)[5～6]等方法，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，也有采用極限平衡的方法計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)，運(yùn)用概率積分法預(yù)計(jì)采空區(qū)地表位移等等，這些方法多是針對(duì)采空區(qū)地基穩(wěn)定性或場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)適用，而對(duì)整個(gè)徐州城市規(guī)劃區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，由于涉及煤礦眾多，而且資料的精細(xì)程度不一，因此選取科學(xué)的評(píng)價(jià)方法，使評(píng)價(jià)結(jié)果更具有實(shí)用性，能實(shí)際指導(dǎo)采空區(qū)的合理開發(fā)利用，是本次研究的重點(diǎn)。

采空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素多而復(fù)雜，影響程度不同，也不易定量描述。因此，宜采用定性與定量相結(jié)合的方法進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，考慮各指標(biāo)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響重要程度不同，本次評(píng)價(jià)采用敏感因子—一般因子綜合評(píng)價(jià)模型[7]。將采空區(qū)終采時(shí)間作為敏感因子，實(shí)行一票否決制，劃分出不穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，針對(duì)基本穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，再考慮其它影響因素，采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，利用綜合指數(shù)模型進(jìn)行疊加分析，進(jìn)一步劃分出不穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，最終進(jìn)行綜合分區(qū)(圖3)。

圖3 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法Fig.3 The method of Goaf stability evaluation

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

將松散層厚度、斷裂構(gòu)造密度、煤層傾角、采深采厚比、開采方式、采空區(qū)層數(shù)作為一般因子，通過層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重[8～9]，具體步驟如下：

(1)構(gòu)建判斷矩陣。由專家組對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，得到判斷矩陣C。

(2)計(jì)算重要性排序。求出判斷矩陣C最大特征根所對(duì)應(yīng)的特征向量。所求特征向量即為各評(píng)價(jià)因素重要性排序，即權(quán)重分配，此處采用方根法。

(3)檢驗(yàn)。為檢驗(yàn)所求權(quán)數(shù)(特征向量)合理性，需要對(duì)判斷矩陣作一致性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)公式為：

式中：CR——一致性指標(biāo)；λmax——最大特征根；n——矩陣階數(shù)；RI——平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

如果CR<0.10，則認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性。經(jīng)計(jì)算的參考權(quán)重見表2。

表2 一般因子評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

3.2 評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型

采用綜合指數(shù)數(shù)學(xué)模型對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的一般因子按照權(quán)重進(jìn)行疊加，計(jì)算步驟如下：

(1) 為了便于各因子的比較，分別對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦值評(píng)分Pi，按照穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等級(jí)由高到低分別賦值為3，2，1。

(2) 計(jì)算綜合評(píng)分PI，權(quán)值Wi的引入可以反映出不同影響因子對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的不同作用。

式中：PI——評(píng)價(jià)最終得分；

Wi——底層各指標(biāo)權(quán)重；

Pi——底層各因子評(píng)分；

n——底層指標(biāo)數(shù)。

(3)各單元的最終得分經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，平均分配各段分值，得出采空區(qū)穩(wěn)定性性等級(jí)閾值(表3)。

表3 一般因子穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.3 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

根據(jù)上述區(qū)劃評(píng)價(jià)方法進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，通過MapGIS軟件繪制出徐州城市規(guī)劃區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分區(qū)圖(圖4)。

圖4 徐州城市規(guī)劃區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分區(qū)圖Fig.4 Map of Goaf stability evaluation result in Xuzhou

對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)煤礦采空區(qū)不穩(wěn)定區(qū)面積為20.4 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)總面積的28.1%。主要位于賈汪煤田北部及中部、九里山煤田西北及東南部。其中部分不穩(wěn)定區(qū)為新開采形成的采空區(qū)，分布在西部礦區(qū)及東部礦區(qū)中部，終采時(shí)間小于0.8T。賈汪煤田的北部，采空區(qū)開采時(shí)間久遠(yuǎn)，但采空區(qū)深厚比小于30，采深小于50 m，采空區(qū)層數(shù)大于3層，松散層厚度小，沿礦區(qū)邊緣分布有急傾斜采空區(qū)，地表變形較大，評(píng)價(jià)結(jié)果不穩(wěn)定。對(duì)不穩(wěn)定區(qū)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)有新建建筑物開裂變形現(xiàn)象。

基本穩(wěn)定區(qū)面積為39.3 km2，占總面積的14.6%，主要分布西部礦區(qū)終采時(shí)間介于0.8～1.2T之間的區(qū)域，以及東部礦區(qū)東北部，賈汪區(qū)政府以南的大面積區(qū)域，這類區(qū)域開采層數(shù)較多，開采方式解放前為房柱式開采，地表存在大量建筑調(diào)查未發(fā)現(xiàn)明顯變形現(xiàn)象。南部大黃山煤礦一帶采空區(qū)煤層傾角較大，采深在50～200 m之間，多為雙層采空區(qū)，且斷裂構(gòu)造也較為復(fù)雜，判定為基本穩(wěn)定區(qū)。除上述區(qū)域以外則為穩(wěn)定區(qū)，面積80.3 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)總面積的57.3%。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)采空區(qū)特點(diǎn)，從時(shí)間因素、地質(zhì)因素和采礦因素三方面，選取了松散層厚度、煤層傾角、斷裂構(gòu)造密度、終采時(shí)間、采深采厚比、開采方式及采空區(qū)層數(shù)等構(gòu)建了采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)不同性質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的進(jìn)行了量化分級(jí)。

(2)建立了敏感因子—一般因子綜合評(píng)價(jià)模型，將采空區(qū)終采時(shí)間作為敏感因子，其它指標(biāo)作為一般因子，采用層次分析-綜合指數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，將定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合，評(píng)價(jià)方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性，對(duì)未來采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作具有一定的指導(dǎo)意義。

(3)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)采空區(qū)穩(wěn)定區(qū)面積80.3 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)總面積的57.3%，基本穩(wěn)定區(qū)面積為39.3 km2，占總面積的14.6%，不穩(wěn)定區(qū)面積為20.4 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)總面積的28.1%。評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合，可為徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)采空區(qū)土地規(guī)劃利用提供依據(jù)。

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Stability evaluation of goaf in Xuzhou urban planning area

ZHANG Li1,2, HUANG Jingjun1,2, XU Shugang1,2, HE Huaizhen1,2, YAN Shimin3

(1.KeyLaboratoryofEarthFissuresGeologicalDisasterofMLR,Nanjing,Jiangsu210018,China;2.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing,Jiangsu210018,China;3.TheFifthGeologicalBrigadeofJiangsuGeologyandMineralExplorationBureau,Xuzhou,Jiangsu221004,China)

Because of coal resources exploiting on a large scale, coal mining goaf is widely distributed in Xuzhou urban planning area. With the development of the urban construction, the land resources are increasingly lack. Coal mining goaf land is becoming the important natural resource for sustainable development of coal mining area. It is the prerequisite for the coal mining goaf land use to carry out the evaluation of stability. In this paper, the evaluation index system of goaf stability and the sensitive factor-general factor evaluation model is established according to the characteristics of large-scale coal mining goaf in Xuzhou urban planning area. Finally, the unstable region, the basic stable region and the stable region were identified. The result of coal mining goal land stability evaluation is scientific basis for coal mining goal land developing-utilization.

goaf; stability evaluation; Xuzhou

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.02.19

2016-10-08;

2017-01-16

徐州市人民政府、江蘇國(guó)土資源廳合作項(xiàng)目“徐州城市地質(zhì)調(diào)查”

張麗(1986-)，女，工程師，主要從事城市地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)研究。E-mail: cugzhangli@126.com

TU457

A

1000-3665(2017)02-0124-05