模糊综合评判法在采煤沉陷区地基稳定性评价中的应用∗

韩科明

(1.天地科技股份有限公司,北京市朝阳区,100013; 2.煤炭科学研究总院开采设计分院,北京市朝阳区,100013)

★煤炭科技·地质与勘探★

模糊综合评判法在采煤沉陷区地基稳定性评价中的应用∗

韩科明1,2

(1.天地科技股份有限公司,北京市朝阳区,100013; 2.煤炭科学研究总院开采设计分院,北京市朝阳区,100013)

针对采煤沉陷区地基稳定性评价中影响因子多、影响程度难量化的问题,以焦作某工业厂区为例探讨了地基稳定性模糊综合评判模型的建立和应用,构建了评价指标、分级标准和隶属函数。论述并验证了两级模糊综合评判法应用于地基稳定性评价的合理性,为量化评价采煤沉陷区地基稳定性和土地使用决策提供借鉴。

采煤沉陷区 地基稳定性 评价指标 模糊综合评判

目前用于采煤沉陷区地基稳定性的评价方法较多,主要有:残余变形量法、建筑物荷载影响深度法、深厚比法、数值模拟法以及这几种方法的综合运用,这些方法往往采用一个或两个指标进行评价,然后结合具体条件定性说明,对于采煤沉陷区土地使用决策来说不甚明确,因此需要一种系统的具有一定可操作性的量化评价方法。

采煤沉陷区地基稳定性的影响因素众多,影响程度不同且不易定量描述,各影响因素对应稳定级别的界限也相当模糊,很难用经典数学模型或力学模型加以统一度量。模糊综合评判方法把大量地质、采矿信息转化为定量的模糊语言,对其进行综合识别和评价,使评价结果更趋于科学合理。本文以焦作某工业厂区地基稳定性评价为例,探讨采煤沉陷区地基稳定性模糊综合评判模型的建立和应用。

1 评价区采矿地质概况

评价区为焦作煤田采煤沉陷区内的某工业厂区(G区),其下方主采煤层二1煤平均倾角14°,平均厚度5.36 m,开采深度50～200 m,开采时间最晚到1996年;次采煤层一5煤上距二1煤42～60 m,平均倾角14°,平均厚度1.3 m,开采深度100～260 m,开采时间为1973年至1996年。

根据原矿井资料和钻探情况,本区主要地层由老至新有:奥陶系中统马家沟组(以灰岩为主,层厚6.99 m)、石炭系中统本溪组(以铁矿层、铝土泥岩层、砂质泥岩层为主,层厚10.81 m)、石炭系上统太原组(岩性以砂岩、粉砂岩、石灰岩、燧石灰岩以及煤互层,层厚41.82 m)、二叠系下统山西组(上部页岩夹砂质泥岩,层厚5.60 m;中部中粒砂岩夹页岩,层厚26.70 m;下部煤层和灰色泥岩,层厚11.80 m)、二叠系下统下石盒子组(以砂岩和泥岩互层构成,层厚6.10～242.06 m)、第三系(以粘土为主,厚度变化较大由数米到数十米不等)、第四系(以黄土砂层和砾石及红色粘土为主,层厚26.02 m)。

断层为该区的主要构造,以高角度的走向正断层为主,倾角约65°～70°,由一组一级或一组多级的断层将井田分割为各个不同水平的自然采区。大断层伴生有与其夹角呈锐角的支断层,伸展于本区内,规模较小,呈尖灭状。小断层分布及特征如下:在大断层上盘小断层分布密度大,面积广,下盘小断层少而稀疏;在相对的条件下,地堑区小断层多,地垒区小断层少;在大断层交汇地区小断层发育;在大断层尖灭方向,小断层发育。探测区内断层皆被冲积层覆盖。

2 评价指标的分析与确定

采煤沉陷区地基稳定性评价的首要问题就是确定合理的评价指标,这也是模糊综合评判的基础。考虑到指标本身的可行性、代表性和独立性,结合评价区的地质采矿特点(采深小、采厚大、含水岩组多),构建了包含3个一级指标和5个二级指标的评价指标体系,如图1所示。

图1 采煤沉陷区地基稳定性评价指标

2.1 空间可靠性指标

采空区覆岩破坏高度和建筑物荷载影响深度之间的空间位置关系是评价建筑地基稳定性的重要指标,在此称为空间可靠性指标。

一般地,采空区覆岩破坏高度与建筑物载荷影响深度间存在以下3种情况:其一,两者间有一定安全距离,附加载荷不会影响采空区破损覆岩的稳定性;其二,载荷影响深度接触到破损岩体顶部,此时属于临界状态;其三,两者有交叉,附加载荷会影响采空区破损覆岩的稳定性。由此,空间可靠性指标用下式量化表达:

式中:U1——空间可靠性指标,m;

H埋——采空区埋深,m;

H影——荷载影响深度,m;

H裂——裂缝带高度,m。

2.2 深厚比

其计算表达式为:

式中:H0——平均采深,m;

m——采厚,m。

2.3 活化因素指标

地表移动稳定后,老采空区破损覆岩达到暂时平衡,当有外力扰动(如新建建筑物、邻近开采、地下水变化等)时会引起老采空区破损覆岩活化,在地表产生新的移动变形。

本文构建了活化因素指标,包括断层密度V31、断层强度指数V32、上覆岩层的水理性质V33、预计浸水时间系数V34和采矿扰动、矿震或其它震动V355个二级指标。

(1)断层密度。其计算表达式为:

式中:V31——断层密度,条/m2;

n——断层条数,条;

S——统计面积,m2。

(2)断层强度指数。其计算表达式为:

式中:V32——断层强度指数;

Hi——断层落差,m;

Li——断层延伸长度,m;

S——统计面积,m2。

Simulink是可以用于连续、离散以及混合的线性、非线性控制系统建模、仿真和分析的软件包，并为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，很适合于控制系统的仿真。

(3)上覆岩层的水理性质。用上覆岩层中可溶性岩层和遇水易软化岩层所占比例来描述因上覆岩层的水理性质引起的活化对采煤沉陷区地基稳定性的影响。其计算表达式为:

式中:V33——上覆崦层水理性质;易软化岩层的总厚度,m;

H0——平均采深,m。

(4)预计浸水时间系数。其计算表达式为:

式中:V34——预计浸水时间系数;

T——评价时间与终采时间的差值,d;

T0——采空区达到基本稳定所需要的时间,d。

(5)采矿扰动、矿震或其它震动。采矿扰动、矿震或其它震动对地基稳定性的影响分为三个等级:无、轻微、严重。根据采煤沉陷理论,受采动影响,采空区上覆岩层经过垮落、断裂、弯曲变形,自采空区向上至地表一般要形成“三带”,即垮落带、裂缝带和弯曲带。当采矿扰动、矿震或其它震动的影响区域与“三带”没有重合时,视采矿扰动、矿震或其它震动对地基稳定没有影响;当采矿扰动、矿震或其它震动的影响区域与弯曲带有重叠,但没有影响到垮落带和裂缝带时,视采矿扰动、矿震或其它震动对地基稳定有轻微影响;当采矿扰动、矿震或其它震动的影响区域与垮落带或裂缝带有重叠时,视采矿扰动、矿震或其它震动对地基有严重影响。

3 模糊综合评价

3.1 隶属度的计算

3.1.1 分级标准及评价单元划分

根据本区的采矿地质条件并参考相关文献,对应3个等级给出了各指标的分级标准见表1。

表1 评价指标对应各等级的分级标准

结合采煤沉陷区土地利用现状、国家相关规程条款及选取的评价指标,对应稳定区、较稳定区和不稳定区,有以下3个等级的区域:

(1)推荐作为建设场地的区域。残余变形均在Ⅰ级内、空间稳定性符合要求、不具备采空区活化条件的区域。这些地段优先推荐作为建设场地。

(2)建(构)筑物抗采动影响设计或采空区注浆治理后方可建设的区域。地表残余变形为Ⅱ～Ⅲ级、满足空间稳定性要求、采空区不具有活化条件的区域,需要对建(构)筑物采用抗采动影响设计后方可建设;不满足空间稳定性的区域、采空区具有活化条件的区域,需要对采空区进行适当的注浆治理并根据治理情况对建(构)筑物采用必要的抗采动影响设计。

(3)暂不宜建设的区域。地表残余变形为Ⅳ级、不满足空间稳定性、采空区具有活化条件、治理难度大成本高的区域,这些区域在目前经济技术条件下不宜作为建设场地。

在采煤沉陷研究中,将连续6个月地表下沉值不超过30 mm时作为地表移动期的结束,即地表移动基本稳定。但事实上,在地表移动期结束后,由于多种原因(如采动破损覆岩蠕变、结构再失稳、外力影响等)地表还会出现残余移动与变形,对地面建(构)筑物形成不同程度的影响。采用概率积分法计算评价区域的地表残余移动变形,并绘制等值线图。

理论计算裂缝带发育高度位于二1煤层之上59～84 m,结合采空区钻探结果,选取二1煤采空区垮落断裂带的发育高度为100 m;按均布矩形荷载计算地基附加应力,影响深度最大的建筑物的计算结果见表2。由此确定煤层开采后采空区裂缝带不再因新加建筑荷载扰动而重新移动的临界开采深度为162 m。

表2 建(构)筑物荷载影响深度计算表

依据地表残余移动变形和临界开采深度,参照评价指标对应各等级的分级标准,把G区划分为12个评价单元。

3.1.2 各指标隶属度的计算

根据统计资料结合隶属函数构建的原则,采用梯形分布构建空间稳定性指标U1、深厚比U2和上覆岩层水理性质V33的隶属函数Y。当指标取值越大,稳定性越差时,Y1、Y2、Y3为对应稳定区Ⅰ、较稳定区Ⅱ、不稳定区Ⅲ的隶属函数;当指标取值越大,稳定性越好时,Y1、Y2、Y3对应不稳定区Ⅲ、较稳定区Ⅱ、稳定区Ⅰ的隶属函数。3个等级的梯形分布基本表达式如下:

式中:s1、s2、s3——采煤沉陷区地基稳定性等级划分的分界值,s1＜s2＜s3,见表1;

x——指标实测值。

据此,可以得到U1、U2和V33对于3个等级的隶属函数,函数的具体形式在此不再一一列出。

断层密度V31、断层强度指数V32和预计浸水时间系数V34的隶属函数采用正态分布函数作为基础来构造。表达式为:

偏小型:

现在以预计浸水时间系数V34相对于第Ⅰ等级(稳定)为例,说明隶属函数的建立过程。

假定V34属于第Ⅰ等级(稳定)的单元共n个,则隶属函数为:

式中:xi——预计V34在第i个单元的观测值;

σ——xi的标准差。

据此,可计算出n个单元中任一单元V34相对于第Ⅰ等级的隶属度。类似的可以计算V31、V32的隶属度,采用中间型正态分布函数。

采矿扰动、矿震或其它震动只能定性描述很难量化,采用面积元法来确定其隶属度。以V35相对于第Ⅰ等级(稳定)为例,说明隶属函数的建立过程。

根据地质采矿条件把评价区分为n个单元,Sn表示第n个单元的面积,则在第一单元V35指标的隶属度表达式为:

计算各个评价单元的指标值,分别代入对应等级的隶属函数中,得到12个评价单元的指标对应等级的隶属度,如表3所示,本文仅列出4个评价单元的隶属度。

表3 G1～G4评价单元的指标对应等级的隶属度

3.2 评价指标权重

为尽量反映实际情况,基于专家评议的层次分析法确定了各指标的权重,如表4所示,表中各项指标权重都是经过多次调整并通过一致性检验。

表4 各评价指标权重

3.3 地基稳定性评价

采煤沉陷区地基稳定性是各影响因素共同作用的结果,为避免信息丢失和计算的精确性,采用普通加乘算法的加权平均型算法,根据最大隶属度原则,确定评价单元所属的等级,计算结果如表5及图2所示。

表5 各评价单元地基稳定性模糊综合评价结果

图2 各评价单元地基稳定性模糊综合评价结果

4 结语

结合实例探讨了采煤沉陷区地基稳定性评价的模糊综合评价方法,建立了地基稳定性模糊综合评价模型,给出了指标分级标准和隶属函数,利用专家经验采用层次分析法定权。论文论述并验证了两级模糊综合评判法应用于沉陷区地基稳定性评价的可行性和合理性,为采煤沉陷区建设用地的利用提供了一种量化评价方法。

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(责任编辑 郭东芝)

一季度煤炭开采与洗选业固定资产投资同比下降21.2%

国家统计局数据显示,一季度,全国采矿业固定资产投资1438亿元,同比下降4.1%。其中,煤炭开采与洗选业固定资产投资400亿元,同比下降21.2%。

民间固定资产投资数据显示,一季度,民间对于煤炭的投资热情继续下降,煤炭开采与洗选业民间固定资产投资237亿元,同比下降23%。

在此之前,煤炭固定资产投资已经连续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,全国煤炭开采和洗选业固定资产投资为147亿元,同比下降16.3%,其中煤炭开采和洗选业民间固定资产投资为85亿元,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

韩科明(1981－),男,汉族,山东安丘人,助理研究员,硕士,主要从事采煤沉陷区治理和“三下”采煤方面的研究工作。

国家科技重大专项大型油气田开发项目(2011ZX05064),中国煤炭科工集团科技创新基金(2014QN005)