高速公路穿越煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性風(fēng)險評價研究

丁瑞力　郭祺　白雪　孫志杰　張必昌

摘? 要：高速公路行車速度快，下伏煤礦采空區(qū)受地表形變、周圍巖土松動等影響較大，使煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性研究工作變得更加復(fù)雜。文章以山西省重點高速公路長晉高速下伏振義煤礦采空區(qū)為研究對象，篩選出振義煤礦采空區(qū)安全性的影響因子（包括采空區(qū)參數(shù)、地質(zhì)因子和其他因子），采用層次分析法建立模型，計算各因素權(quán)重和信息量，再采用層次分析-信息量分析法對權(quán)重賦值，得到振義煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性風(fēng)險評價分區(qū)圖，為高速公路安全保障和周圍的重大自然災(zāi)害防治規(guī)劃研究提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)險評價；層次分析法；信息量法；煤礦采空區(qū)

中圖分類號：TP39? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）13-0136-06

Research on Stability Risk Assessment of Expressway Crossing Coal Mine Goaf

DING Ruili1，2， GUO Qi1，2， BAI Xue1，2， SUN Zhijie3， ZHANG Bichang4

（1.Key Laboratory of Investigation， Monitoring and Protection of Natural Resources in Mining Cities， Ministry of Natural Resources， Coal Geological Geophysical Exploration Surveying & Mapping Institute of Shanxi Province， Jinzhong? 030600， China; 2.Key Laboratory of Resources， Environment and Disaster Monitoring of Shanxi Province， Jinzhong? 030600， China; 3.Shanxi Intelligent Transportation Research Institute Co.， Ltd.， Taiyuan? 030032， China; 4.Key Lab of Highway Construction & Maintenance Technology in Loess Region， Shanxi Transportation Technology Research & Development Co.， Ltd.， Taiyuan? 030032， China）

Abstract： The fast driving speed in highways makes the stability research of coal mine goafs more complex due to the significant impact of surface deformation and surrounding rock and soil loosening on the underlying coal mine goafs. This paper takes the goaf of Zhenyi Coal Mine under the key expressway Changjin Expressway in Shanxi Province as the research object， selects the factors that affect the safety of the goaf of Zhenyi Coal Mine （including goaf parameters， geological factors， and other factors）， establishes a model using Analytic Hierarchy Process， calculates the weights and information value of each factor， and then uses Analytic Hierarchy Process-Information Value Analysis to assign the weights， obtaining a zoning map for the stability risk assessment of Zhenyi Coal Mine goaf. This provides a theoretical basis for the study of highway safety assurance and major natural disaster prevention and control planning in the surrounding areas.

Keywords： risk assessment; Analytic Hierarchy Process; Information Value Method; coal mine goaf

0? 引? 言

近年來，隨著基礎(chǔ)建設(shè)迅速發(fā)展，很多地區(qū)在修建高速公路時必然要經(jīng)過煤礦采空區(qū)，煤礦采空區(qū)內(nèi)有大量的空隙、空泛和裂縫，由于某些因素的影響，會導(dǎo)致煤礦采空區(qū)的表面出現(xiàn)連續(xù)或非連續(xù)性的地面形變，從而影響到高速公路的正常運行[1]。煤礦采空區(qū)失穩(wěn)會造成地面塌陷、冒頂、片幫、突水、沖擊地壓等各種地質(zhì)災(zāi)害，對人們的生產(chǎn)、生活造成嚴(yán)重威脅[2-4]。因此，對煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行風(fēng)險評價研究具有重要意義，可為有效防控煤礦采空區(qū)風(fēng)險提供依據(jù)。

目前，專家學(xué)者對于采空區(qū)穩(wěn)定性風(fēng)險評價的研究較多。江慧敏[5]等人基于灰熵法和平和函數(shù)，關(guān)聯(lián)各類變量，計算各指標(biāo)權(quán)重，建立變權(quán)綜合灰靶模型，從而得到采空區(qū)風(fēng)險等級；陳嬌[2]基于層次分析法建立模型計算權(quán)重，對某鉛鋅礦采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析；李建東[6]等人選擇晉南煤礦采空區(qū)為研究區(qū)，應(yīng)用層次分析法對采空區(qū)進(jìn)行評價，針對性分析具體處置措施；張必昌[7]等人將主、客觀權(quán)重線性加權(quán)進(jìn)行組合，改進(jìn)層次分析法（Analytic Hierarchy Process， AHP）對山西某地區(qū)道路附近的采空區(qū)進(jìn)行風(fēng)險評價；唐碩[8]等人采用綜合集成賦權(quán)法確定評價指標(biāo)權(quán)重，對地下金屬礦山采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價；李山存[9]等人對采空區(qū)從危險性和易損性兩個角度出發(fā)，建立兩類評價標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)一套采空區(qū)風(fēng)險評價體系。

鑒于此，本文以長晉高速下伏振義煤礦采空區(qū)為評價對象，在考慮采空區(qū)參數(shù)和地質(zhì)因素基礎(chǔ)上，引入地表形變和現(xiàn)有的地質(zhì)災(zāi)害點因子，構(gòu)建層次分析法模型，運用層次分析-信息量法組合賦值，更全面、綜合、規(guī)范地對振義煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行風(fēng)險評價，為后期工程事故防治提供依據(jù)。

1? 研究區(qū)概況

山西省重點高速公路長晉高速下伏振義煤礦采空區(qū)（以下簡稱“振義煤礦采空區(qū)”）位于長治市上黨區(qū)，東經(jīng)113.02°，北緯35.95°，下伏于長晉高速，于2009年12月前停采，采空區(qū)面積達(dá)53 6276 m2，采煤厚度在4.1～6.1 m之間，平均采煤厚度5.5 m，底板標(biāo)高829～1100 m，頂板巖性為砂巖、泥巖，底板巖性以泥巖為主，開采方式為綜采放頂煤回采工藝，回采率76.8%。振義煤礦采空區(qū)及長晉高速位置示意圖如圖1所示。

2? 研究方法

2.1? 層次分析法

20世紀(jì)70年代，Saaty[10]提出了層次分析法（Analytic Hierarchy Process， AHP）。該方法可以將一個復(fù)雜的系統(tǒng)劃分成一個個有秩序、遞增的層次，以達(dá)到定性和定量的分析[11]。運用AHP方法進(jìn)行分析，可分為三個階段：層次結(jié)構(gòu)模型的建立、判斷矩陣的構(gòu)建、權(quán)重的計算以及一致性檢驗[12，13]。

2.1.1? 建立層次結(jié)構(gòu)模型

首先對影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因子進(jìn)行歸類，構(gòu)建一個由上到下依次為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層的指標(biāo)體系。

2.1.2? 構(gòu)造判斷矩陣

在所構(gòu)建的指標(biāo)體系模型中，將同一層級的各要素進(jìn)行成對的對比，用數(shù)字的大小來表達(dá)其相對重要性，并通過對各要素之間的關(guān)系進(jìn)行評判，從而構(gòu)造出比較判斷矩陣。本研究以九分定量分析為主，各項指標(biāo)均為1～9分。同一層次指標(biāo)間比較結(jié)果及說明如表1所示。

2.1.3? 計算權(quán)重及其一致性檢驗

在確定各個級別的判斷矩陣后，計算最大特征值和正交特征矢量，并根據(jù)該特征向量的大小，得出各個級別的因子與前一階因子的相對重要程度。特征向量在進(jìn)行歸一化分析時，就可得出各因子的權(quán)重。

在確定權(quán)重向量后，進(jìn)行一致性檢驗。本文選取一致性檢驗的指標(biāo)包括3個：最大特征根λmax、一致性指標(biāo)CI和檢驗系數(shù)CR。

其中RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，不同判斷矩陣結(jié)束對應(yīng)的RI的取值見表2。

本研究采用YAAHP軟件進(jìn)行影響因素權(quán)重計算。

2.2? 信息量法

信息量法是一種由信息論發(fā)展而來的評估方法[7]。在風(fēng)險評價中，信息量的意義是指某一因子對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，信息量值越大表示這種因素的存在使得采空區(qū)不穩(wěn)定性增加，從而確定了危險程度[14]。確定各個因素對采空區(qū)穩(wěn)定性形成提供的信息量算式如下：

式中：Ii （Xi，H）為Xi指標(biāo)對采空區(qū)穩(wěn)定性提供的信息量；Ni為Xi指標(biāo)范圍內(nèi)有不穩(wěn)定因素的單元數(shù)；N為采空區(qū)內(nèi)均勻采樣的單元數(shù)；Si為含有Xi指標(biāo)的單元數(shù)；S為總單元數(shù)。

2.3? 層次分析-信息量法組合賦值評價模型

利用層次分析法求出各評價因子權(quán)重，用信息量法求出評價因子各類別對采空區(qū)穩(wěn)定性風(fēng)險形成影響的信息量，利用式（3）計算各評價單元的總信息量值[14]：

式中，I總為總的信息量值；n為評價因子個數(shù)；Wi為評價因子的權(quán)重；Ii為信息量值。借助ArcGIS空間分析、柵格計算的功能，計算綜合信息量值圖，再利用自然差距法，進(jìn)行結(jié)果重分類，得到風(fēng)險評價分區(qū)圖。

3? 結(jié)果分析

3.1? 評價指標(biāo)體系建立

評價指標(biāo)的選取，是煤礦采空區(qū)風(fēng)險評價的關(guān)鍵問題之一，選取哪些指標(biāo)參與評價，將影響最終的評價結(jié)果。目前，評價指標(biāo)的選取大多數(shù)依靠對煤礦采空區(qū)的實地調(diào)查、成因分析、專家經(jīng)驗以及相關(guān)研究，選取與煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性相關(guān)性較高的因子，作為風(fēng)險評價的指標(biāo)。本文結(jié)合長晉高速公路下伏振義煤礦采空區(qū)的實地情況，選取距地災(zāi)點的距離、形變速率、采煤深度、采煤厚度、停采時間、煤層傾角、開采方式、坡度、坡向、距斷層的距離、頂板巖性作為評價指標(biāo)。圖2為振義煤礦采空區(qū)部分評價指標(biāo)示意圖。

3.2? 層次分析法模型構(gòu)建

采用目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層三層結(jié)構(gòu)建立煤礦采空區(qū)風(fēng)險評價性層次分析法模型。準(zhǔn)則層分為采空區(qū)參數(shù)、地質(zhì)因子和其他因子三類。距地災(zāi)點的距離、形變速率、采煤深度、采煤厚度、停采時間、煤層傾角、開采方式、坡度、坡向、距斷層的距離、頂板巖性為方案層因素。在YAAHP軟件中建立的完整評價體系如圖3所示。

按照比例標(biāo)度表的標(biāo)準(zhǔn)，采用專家打分的方法，建立易發(fā)性判斷矩陣。打分結(jié)果如表3至表6所示。其中，表3為影響因素判斷矩陣、權(quán)重結(jié)果及一致性檢驗；表4為采空區(qū)參數(shù)判斷矩陣、權(quán)重結(jié)果及一致性檢驗；表5為地質(zhì)因子判斷矩陣、權(quán)重結(jié)果及一致性檢驗；表6為其他因子判斷矩陣、權(quán)重結(jié)果及一致性檢驗。

根據(jù)專家打分表的結(jié)果，計算得到11個評價因子權(quán)重如表7所示，從高到低依次為開采方式（0.246 2）、頂板巖性（0.223 6）、煤層傾角（0.155 3）、采煤深度（0.113 2）、采煤厚度（0.064 7）、距地災(zāi)點的距離（0.061 7）、距斷層的距離（0.044 7）、停采時間（0.035 1）、形變速率（0.030 1）、坡度（0.015 5）、坡向（0.009 9）。

3.3? 各因子信息量

根據(jù)振義煤礦采空區(qū)開采信息量及表7、表8，利用ArcGIS軟件，分區(qū)計算各評價因子不同級別的信息量值（Ii），利用式（3）進(jìn)行信息量計算，評價因子不同級別賦值情況如表8所示，各因子信息量計算結(jié)果如圖4所示。

3.4? 風(fēng)險評價結(jié)果

利用ArcGIS柵格計算功能，根據(jù)式（4），制作振義煤礦采空區(qū)綜合信息量值圖，如圖5所示，計算得到綜合信息量值在1.366 2～2.582 1。從振義煤礦采空區(qū)風(fēng)險評價結(jié)果來看，研究區(qū)內(nèi)的高風(fēng)險區(qū)位于采空區(qū)南部及人類工程活動比較活躍的區(qū)域，尤其南部區(qū)域屋舍林立，人口密集，頻繁的人類活動可能也會引起采空區(qū)的不穩(wěn)定，高風(fēng)險區(qū)域面積約248 778 m2，占整個采空區(qū)面積的46.39%，該區(qū)域煤層傾角超過10°，分布于斷裂地質(zhì)構(gòu)造周邊地帶，對采空區(qū)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。受降雨、地形地貌、巖土體類型等自然因素，人類工程活動等人為因素的控制與影響；中風(fēng)險區(qū)主要分布在采空區(qū)中部和北部，此區(qū)域人類活動較少，居民區(qū)未成片出現(xiàn)，區(qū)域面積約223 305 m2，占整個采空區(qū)面積的41.64%；低風(fēng)險區(qū)集中于北部，地勢平坦，離居民區(qū)較遠(yuǎn)，周圍發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害相對較少，人類活動相對較少，區(qū)域面積約64 192 m2，占采空區(qū)面積的11.97%。長晉高速作為山西重要經(jīng)濟(jì)干線組成部分，穿越的采空區(qū)長度約1.3 km，大部分主要為高風(fēng)險區(qū)和中風(fēng)險區(qū)，表明高速公路長期快速運行可能會對煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性造成一定的影響，評價結(jié)果可為高速公路維護(hù)、防治煤礦采空區(qū)災(zāi)害發(fā)生提供依據(jù)。

4? 結(jié)? 論

本文綜合考慮采空區(qū)屬性、地質(zhì)環(huán)境等因素，選取了距地災(zāi)點的距離、形變速率、采煤深度、采煤厚度、停采時間、煤層傾角、開采方式、坡度、坡向、距斷層的距離、頂板巖性共11個綜合評價指標(biāo)，構(gòu)建層次分析法模型，得到因子對煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性的影響權(quán)重，實現(xiàn)煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性風(fēng)險評價的定性和定量研究。其中開采方式因素占比最大，為0.246 2，坡向權(quán)重占比最小，為0.009 9。采用信息量法計算各指標(biāo)的信息量值，最后結(jié)合層次分析-信息量法組合加權(quán)賦值得到綜合信息量值。振義煤礦采空區(qū)研究范圍內(nèi)，高風(fēng)險區(qū)占比46.39%，中風(fēng)險區(qū)占比41.64%，低風(fēng)險區(qū)占比11.97%。

本文基于層次分析法對煤礦采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評價，滿足評價設(shè)計的多指標(biāo)性、客觀性原則，方案合理可靠，適用于進(jìn)行煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性綜合評價。

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作者簡介：丁瑞力（1997—），女，漢族，山西聞喜人，助理工程師，碩士，主要研究方向：InSAR形變監(jiān)測。

收稿日期：2023-01-16