廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險評價

1、廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險評價我國是一個多煤少油的國家, 其中煤炭是重要的能源礦產(chǎn) , 煤炭資源開發(fā)過程普遍存在對地質(zhì)環(huán)境的破壞, 表現(xiàn)為采空塌陷、地裂縫、土地植被資源破壞、水資源浪費(fèi)與破壞、水土環(huán)境污染, 具體以采空塌陷造成的影響最為突出。合山市富有豐富的煤炭資源, 百年采煤形成的采空區(qū)占市轄區(qū)面積達(dá)32.9%,地面塌陷隨處可見。由于地面沉降造成合山市境內(nèi)下沉的公路、鐵路總長度達(dá)30 多公里 , 農(nóng)田傾斜開裂達(dá)4 萬多畝 , 水利干渠遭到破壞20 多公里。合山市作為資源枯竭城市 , 在轉(zhuǎn)型過程中需要重新規(guī)劃以及大量的基礎(chǔ)建設(shè), 避不可免地要在采空區(qū)上方新建建筑物與土地利用 , 如何評價建設(shè)風(fēng)險

2、與安全程度是建設(shè)過程中首先面臨的問題。因此廣泛分布的采空區(qū)嚴(yán)重制約了城市建設(shè)與發(fā)展, 探索煤礦采空塌陷風(fēng)險系統(tǒng)的評價理論與體系將是城市轉(zhuǎn)型與建設(shè)重要的理論依據(jù)。 廣西合山市煤礦開采形成的采空區(qū)在形成時間、 地層結(jié)構(gòu)、 開采方式、 塌陷特征以及危害對象具有典型資源枯竭城市采空塌陷的一般特點(diǎn) , 具有代表性。論文依托于國家礦山地質(zhì)環(huán)境治理專項(xiàng)項(xiàng)目合山市煤炭礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程，以合山東礦JK07采空區(qū)為例 , 開展煤炭采空塌陷風(fēng)險評價的研究工作, 主要四大內(nèi)容： 危險性評價、 易損性評價、風(fēng)險容許標(biāo)準(zhǔn)的確定以及最后的風(fēng)險評價。對于采空塌陷危險性評價,基于關(guān)鍵層理論建立了采空塌陷關(guān)鍵層初次破斷和周期

3、破斷的極限平衡模型, 進(jìn)而采用蒙特卡羅法編寫對應(yīng)程序進(jìn)行可靠度與失效概率求解, 最后得出了老采空區(qū)采空塌陷危險性值。對于采空塌陷易損性評價, 提出了適用于煤礦采空塌陷的建筑物易損性評價模型和人員易損性評價模型。對于風(fēng)險容許標(biāo)準(zhǔn)的確定, 論文集合了大量的地質(zhì)災(zāi)害與采空塌陷發(fā)生次數(shù)、造成人員傷亡、財產(chǎn)損失的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 并對數(shù)據(jù)加以篩選分析以凝練出符合廣西合山煤礦的采空塌陷風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)值。 最后結(jié)合典型資源枯竭城市的合山市自身特點(diǎn) , 收集城市相關(guān)的災(zāi)害分級資料、 經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等, 對老采空區(qū)的風(fēng)險進(jìn)行了多角度的綜合評價。通過以上分析與研究, 得出了以下成果：(1) 廣西合山煤礦采空塌陷特征研究對合山市煤礦

4、開采背景資料收集以及采空塌陷情況調(diào)查現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果顯示合山市共有兩套煤層：急傾斜煤層和緩傾斜煤層。急傾斜煤層形成了大量漏斗狀塌陷坑, 極具破壞性：緩傾斜煤層形成了移動盆地和小規(guī)模的塌陷坑, 移動盆地造成房屋拉裂并形成地裂縫?；谫Y源枯竭城市生命周期理論, 提出了合山市煤礦采空塌陷有別于一般塌陷災(zāi)害的特性, 并據(jù)此整理合山市采空塌陷特征。 合山煤礦老采空區(qū)采空塌陷特征表現(xiàn)為不可逆的破壞性、長期的“穩(wěn)定性”和外力的“活化”性。具體表現(xiàn)為大量的連續(xù)性塌陷和少量的不連續(xù)塌陷。論文以連續(xù)性塌陷作為研究重點(diǎn)。 (2) 廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險評價體系研究針對國際上普遍接受的災(zāi)害風(fēng)險管理流程和廣西合山煤礦采空

5、塌陷災(zāi)害實(shí)際特點(diǎn) , 提出了廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險評價的基本體系。采空塌陷風(fēng)險評價的流程是以危險性分析、易損性分析、風(fēng)險計(jì)算與風(fēng)險評價而進(jìn)行。 (3) 采空塌陷危險性評價1) 巖土層參數(shù)分布模型研究基于隨機(jī)變量的分布模型研究, 對采空區(qū)JK07上覆巖土層進(jìn)行了大量的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對各 力學(xué)參數(shù)的分布模型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究。結(jié)果表明 , 各巖石參數(shù)抗拉強(qiáng)度、 彈性模量、 密度和結(jié)構(gòu)面參數(shù)傾角、 傾向、半跡長、間距均擬合于正態(tài)分布, 結(jié)構(gòu)面隙寬擬合于負(fù)指數(shù)分布。最后采用 KS檢驗(yàn)法進(jìn)行分布模型進(jìn)行檢驗(yàn), 各巖石參數(shù)符合原假設(shè), 可以接受。 2) 極限平衡方程建立在獲取巖石物理力學(xué)

6、參數(shù)的基礎(chǔ)上, 結(jié)合采空區(qū)上覆巖層的分布情況和煤層開采條件,采用FLAC3D寸采空區(qū)變形進(jìn)行模擬研究。結(jié)果表明采空區(qū)下沉量最 大值為203mm沿傾向地表水平位移最大值為100mm沿走向地表水平位移最大值 為 80mm。為探求采空塌陷的極限平衡方程, 引入了礦山巖石力學(xué)中的關(guān)鍵層理論對采空區(qū)JK07上覆巖層進(jìn)行受力分析，并推導(dǎo)出了采空區(qū)JK07頂板初次破斷的極限平衡方程和周期破斷的極限平衡方程。 3) 危險性評價可靠度計(jì)算常用方法有解析法和模擬法, 針對解析法人工計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn) , 論文以模擬法中的蒙特卡羅法進(jìn)行可靠度的計(jì)算。在Matlab 軟件中分別編制對應(yīng)于初次破斷和周期破斷的極限平衡方程的

7、程序 , 同時輸入不同量級的隨機(jī)巖層力學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明初次破斷可靠度為 1.938, 破壞概率為 0.0262 ；周期破斷可靠度為 1.936, 破壞概率為 0.0263 。因上覆巖層會在不同時間點(diǎn)發(fā)生初次的破斷和周期性的破斷, 故東礦 JK07采空塌陷危險性為 0.0525 。 (4) 采空塌陷易損性評價1)建筑物易損性模型建筑物L(fēng)ogistic 易損性模型與災(zāi)害強(qiáng)度和建筑物脆弱性兩個參數(shù)有關(guān), 災(zāi)害強(qiáng)度一定時,脆弱值越低Logistic 易損性曲線顯示結(jié)果越小 , 與實(shí)際相符。 2)災(zāi)害強(qiáng)度模型通過定義地表位移指標(biāo)和變形速度指標(biāo)建立災(zāi)害強(qiáng)度模型。采用 Midas/Gen結(jié)構(gòu)有限元軟件分別建

8、立采空區(qū) JK07 內(nèi)框架結(jié)構(gòu)和磚砌結(jié)構(gòu)建筑物的有限元模型 , 通過施加地表水平位移荷載進(jìn)行內(nèi)力分析并計(jì)算地表位移指標(biāo)。模擬結(jié)果為東礦礦業(yè)遺跡采空區(qū)JK07內(nèi)框架建筑物機(jī)修廠9棟、10棟、12棟, 磚砌建筑物民房13棟地表位移指標(biāo)分別為 0.27,0.27,0.144,0.56。 3)建筑物脆弱性基于建筑物脆弱性分析, 定義建筑物的結(jié)構(gòu)類型、破壞程度、使用年限作為脆弱性評價指標(biāo)并建立其脆弱性評價模型。 結(jié)合現(xiàn)場建筑物調(diào)查數(shù)據(jù)和相關(guān)建筑行業(yè)規(guī)范, 計(jì)算出老采空區(qū)內(nèi)機(jī)修廠9 棟、 10 棟、 12 棟、民房 13 棟的脆弱性分別為 1,0.866,0.798,0.904 。 4) 人員易損性評價對

9、于連續(xù)性的采空塌陷作用可采用基于建筑物易損性的間接方式評價人員易損性。綜合各承災(zāi)體易損性評價模型，計(jì)算結(jié)果為采空區(qū)JK07內(nèi)機(jī)修廠9棟、10棟、 12 棟、民房 13 棟的易損性分別為 0.388 、 0.354、 0.100 、 0.949 ；處于其中的人員易損性分別為 0.010 、 0.008 、 0.002 、 0.297 。 (5) 廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險等級與容許標(biāo)準(zhǔn)研究論文綜合大量學(xué)者的風(fēng)險表達(dá)成果, 從風(fēng)險表達(dá)的主觀性和客觀性兩個角度, 采用風(fēng)險度和風(fēng)險期望兩種方式進(jìn)行廣西合山煤礦的采空塌陷風(fēng)險評價。1) 采空塌陷風(fēng)險等級風(fēng)險等級對應(yīng)于風(fēng)險的主觀性, 風(fēng)險定量化結(jié)果以風(fēng)險度表

10、示, 風(fēng)險等級作為風(fēng)險量值大小的判據(jù)。論文以國際上常采用風(fēng)險矩陣法為基礎(chǔ), 并結(jié)合目前在危險性和易損性分級中常采用的處理數(shù)值分級的方法 ( 布拉德福定律中的區(qū)域分析方法), 將風(fēng)險等級劃分為為 (0.00-0.04,(0.04-0.16,(0.16-0.36,(0.36-0.64,(0.64-1.00 五個值域 , 分別代表極低風(fēng)險區(qū)、低風(fēng)險區(qū)、中等風(fēng)險區(qū)、高風(fēng)險區(qū)和極高風(fēng)險區(qū)。2) 采空塌陷風(fēng)險容許標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險容許標(biāo)準(zhǔn)分為兩方面內(nèi)容： 生命風(fēng)險容許標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險容許標(biāo)準(zhǔn)。通過收集20042014年間全國地質(zhì)災(zāi)害造成的人員傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失的數(shù)據(jù), 同時分析采空塌陷對于地質(zhì)災(zāi)害所占比重, 確定我國

11、地質(zhì)災(zāi)害可接受生命風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)值為1 x 10-,可容忍生命風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)值為1X10-6：采 空塌陷生命風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)值為2.3 X 10-9,采空塌陷生命風(fēng)險可容忍標(biāo)準(zhǔn)值為2.3 X 10-0我國地質(zhì)災(zāi)害可接受經(jīng)濟(jì)風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)值為1 X 10 一，地質(zhì)災(zāi)害可容忍經(jīng)濟(jì)風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)值為1X10-3:采空塌陷經(jīng)濟(jì)風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)值為2.3 x 10-6,采空經(jīng)濟(jì)生命風(fēng)險可容忍標(biāo)準(zhǔn)值為2.3 X10-O進(jìn)而結(jié)合當(dāng)?shù)匾?guī)范,設(shè)置風(fēng)險后果限制線繪制了生命和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險F-N 曲線。(6) 廣西合山煤礦采空塌陷風(fēng)險評價1) 采空塌陷風(fēng)險度評價采用風(fēng)險度的表達(dá)式對老采空區(qū)范圍內(nèi)建筑物進(jìn)行計(jì)算, 機(jī)修廠 9 棟、 10 棟、 12 棟、民房 13棟的建筑物風(fēng)險分別為 0.020543、 0.018757、 0.005311 、 0.050292 ；處于其中的人員風(fēng)險分別為 0.000541 、 0.000445、 0.000095、 0.015736。根據(jù)風(fēng)險等級劃分 , 機(jī)修廠 9 棟、 10 棟、 12棟風(fēng)險均小于0.04, 為極低風(fēng)險等級, 民房 13棟風(fēng)險為 0.05, 風(fēng)險等級為低風(fēng)險等級。 2)采空塌陷風(fēng)險期望評價通過對承災(zāi)體的調(diào)查 , 以及對承災(zāi)體計(jì)價價格方式與現(xiàn)有單價的收集, 計(jì)算各承災(zāi)體自身的經(jīng)濟(jì)價值。最后綜合