煤礦采空塌陷特征與危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究以北京西山地區(qū)為例

張長(zhǎng)敏

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

煤礦采空塌陷特征與危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究以北京西山地區(qū)為例

張長(zhǎng)敏

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

本文主要利用可拓理論及層次分析法進(jìn)行了西山地區(qū)采空塌陷危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究,并在典型地段利用概率積分法、數(shù)值模擬方法進(jìn)行了采空塌陷預(yù)測(cè)。主要思路是探討解決采空塌陷危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、區(qū)劃中人為干擾的問(wèn)題,為開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)工作提供基礎(chǔ)資料。

北京西山地區(qū)煤炭開(kāi)采歷史悠久,長(zhǎng)期的煤炭開(kāi)采在地下形成了大面積的采空區(qū),時(shí)刻威脅當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全,這些問(wèn)題已成為研究區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的制約因素。進(jìn)行采空塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)可有效預(yù)防采空塌陷災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)的危害,保持經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此,開(kāi)展西山地區(qū)采空塌陷危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究工作對(duì)于北京市地質(zhì)災(zāi)害防治、防災(zāi)減災(zāi)工作方面具有重要的指導(dǎo)作用,對(duì)于保護(hù)國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全,實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

前人對(duì)于采空塌陷的研究著重分析巖石力學(xué)因素,對(duì)于地質(zhì)因素和附加荷載因素的考慮比較少。目前國(guó)內(nèi)外在采空塌陷研究中尚存在一些問(wèn)題,主要包括:對(duì)采礦因素考慮較為周全,對(duì)地層結(jié)構(gòu)和地質(zhì)背景等方面因素考慮較少;評(píng)價(jià)方法有多種,但進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)人為主觀因素占比重較大,比較客觀的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)方法還需要進(jìn)一步探索;采空塌陷危險(xiǎn)性區(qū)劃方法的研究深度不夠,不同的評(píng)價(jià)方法直接影響到區(qū)劃結(jié)果的準(zhǔn)確性,如何探索新理論、新方法進(jìn)行采空塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)仍需要進(jìn)一步深入研究;對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)、評(píng)價(jià)模型及其基于GIS實(shí)現(xiàn)方法的研究還很薄弱。

從目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀入手,結(jié)合西山地區(qū)實(shí)際情況,本文重點(diǎn)進(jìn)行了西山地區(qū)采空塌陷的特征分析及危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究工作。在詳細(xì)野外調(diào)查、資料分析基礎(chǔ)上對(duì)西山地區(qū)采空塌陷現(xiàn)狀、煤炭開(kāi)采歷史與采空塌陷形成的規(guī)律、影響采空塌陷的空間分布的各種因素進(jìn)行了全面系統(tǒng)的總結(jié)與論述。同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)外采空塌陷危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上,基于G IS系統(tǒng)、可拓理論及層次分析法提出了采空塌陷危險(xiǎn)性區(qū)劃模型,進(jìn)行了采空塌陷危險(xiǎn)性評(píng)判,取得了以下研究成果:

(1)系統(tǒng)總結(jié)了西山地區(qū)采空塌陷的發(fā)育特征、地面塌陷類(lèi)型、空間及時(shí)間分布等,分析了西山地區(qū)采空塌陷分布與覆巖時(shí)代、巖體結(jié)構(gòu)、采空區(qū)尺寸、煤層傾角、煤層厚度及開(kāi)采深度、重復(fù)采動(dòng)、水文條件、地形地勢(shì)、松散蓋層、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、不連續(xù)面性狀等方面的關(guān)系。

(2)基于可拓理論及層次分析法進(jìn)行了西山地區(qū)采空塌陷危險(xiǎn)性區(qū)劃研究。煤礦開(kāi)采后引發(fā)地面塌陷的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)估是煤礦地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估的核心內(nèi)容。由于采空塌陷的影響因素非常復(fù)雜,對(duì)其研究的文獻(xiàn)也比較少,本文在G IS的支持下,結(jié)合層次分析法及可拓模型,以IDL為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,進(jìn)行了采空塌陷危險(xiǎn)性區(qū)劃研究。

根據(jù)研究結(jié)果,西山地區(qū)采空塌陷危險(xiǎn)性共分為5級(jí):四級(jí)危險(xiǎn)度分區(qū)主要分布于門(mén)頭溝門(mén)城鎮(zhèn)、王平地區(qū),面積為9.81 km2;三級(jí)危險(xiǎn)度分區(qū)主要分布于門(mén)頭溝門(mén)城鎮(zhèn)、軍莊、潭柘寺、王平、安家灘、大臺(tái)、千軍臺(tái)、齋堂黃嶺西、馬欄及洪水峪、房山北窖、上英水、中英水、三合村、他窖、史家營(yíng)、寶水等地區(qū),面積為20.19 km2;二級(jí)危險(xiǎn)度分區(qū)主要分布于門(mén)頭溝門(mén)城鎮(zhèn)、軍莊、潭柘寺、王平、安家灘、大臺(tái)、千軍臺(tái)、齋堂黃嶺西、馬欄及洪水峪、房山北窖、上英水、中英水、三合村、他窖、史家營(yíng)、寶水等地區(qū),面積為42.18 km2;一級(jí)危險(xiǎn)度分區(qū)主要分布于門(mén)頭溝門(mén)城鎮(zhèn)、軍莊、潭柘寺、王平、安家灘、大臺(tái)、千軍臺(tái)、齋堂黃嶺西、馬欄及洪水峪、房山北窖、上英水、中英水、三合村、他窖、史家營(yíng)、寶水等地區(qū),面積為27.28 km2;其他地區(qū)為零級(jí)危險(xiǎn)度分區(qū),面積為1907.65 km2。

(3)進(jìn)行了典型地段采空塌陷的數(shù)值模擬研究。收集了大量西山地區(qū)采空塌陷的資料,并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。利用物探和鉆探方法對(duì)典型地區(qū)的采空分布情況進(jìn)行了勘查。通過(guò)資料分析及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘查工作成果,對(duì)采空塌陷的發(fā)生、演化規(guī)律及其控制、影響因素取得初步認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上利用概率積分法和FLAC程序進(jìn)行了典型地段的采空塌陷危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究,對(duì)108國(guó)道K125+400-K125+800路段和門(mén)頭溝南港地區(qū)采空塌陷引發(fā)的地表移動(dòng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果,108國(guó)道K125+400-K125+800路段在車(chē)輛動(dòng)荷載、降雨條件及地震荷載作用下,區(qū)內(nèi)地表移動(dòng)加劇,地表沉陷可達(dá)到4.5m左右,水平移動(dòng)可達(dá)到1.5m左右。地表移動(dòng)將直接造成108國(guó)道路基、路坡開(kāi)裂,甚至導(dǎo)致道路失穩(wěn)破壞。門(mén)頭溝南港地區(qū)內(nèi)馬各莊煤礦采區(qū)Ⅰ和Ⅱ地段地面變形較大,預(yù)計(jì)沉降量為1.7～2.3 m;曲率為0.3×10-3～0.7×10-3/m,水平變形為10.0～23.0mm/m,傾斜為10～24mm/m。南港村東南側(cè)地段預(yù)計(jì)地面沉降量為0.6～1.4m,曲率為0.15×10-3～0.3×10-3/m,水平變形為1.0～6.0mm/m,傾斜為4～10mm/m。

本研究在研究深度、精度及區(qū)劃理論、區(qū)劃方法方面都進(jìn)行了探索,在一定程度上豐富了采空塌陷災(zāi)害理論、方法,提高了地質(zhì)災(zāi)害研究水平,可為其他地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃研究工作提供參考。

西山;采空塌陷;GIS;可拓理論;層次分析法

P694;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.03.013

(作者電子信箱,張長(zhǎng)敏:dyszcm@yahoo.com.cn)