徐州城市规划区煤矿采空区稳定性评价

张 丽，黄敬军，许书刚，贺怀振，闫士民

(1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏 南京 210018；2.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018；3.江苏省地质矿产局第五地质大队，江苏 徐州 221004)

徐州城市规划区煤矿采空区稳定性评价

张 丽1,2，黄敬军1,2，许书刚1,2，贺怀振1,2，闫士民3

(1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏 南京 210018；2.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018；3.江苏省地质矿产局第五地质大队，江苏 徐州 221004)

徐州城市规划区内由于大规模的煤炭开采，采空区分布面积较广，随着城市建设的发展，土地资源日益紧张，煤矿采空区土地成为煤矿区可持续发展的重要自然资源。开展采空区稳定性评价，是煤矿采空区土地利用的前提。本文针对徐州城市规划区内大面积的煤矿采空区，建立了采空区稳定性评价指标体系，采用敏感因子—一般因子评价模型对采空区稳定性进行综合评定，最终划分出不稳定区、基本稳定区和稳定区。

煤矿采空区；稳定性评价；徐州

徐州市作为江苏乃至华东地区最大煤炭能源基地，经过百余年的开采，地表已形成了规模巨大的地面塌陷区[1]。2011年，徐州市贾汪区被列入国家第三批资源枯竭城市名单，塌陷地的复垦和生态重建已提上日程。随着城市经济的不断发展，土地资源日益紧张，对采空区上方的土地利用已是不可避免，而准确客观地评价采空区稳定性则是开展采空区土地利用的基础。

目前，国内外对采空区问题的研究按照采空区上覆构筑物类型可以划分为三类、铁路下采空区问题，公路下采空区问题和建筑物下采空区问题。针对铁路与公路下采空区稳定性评价研究，主要是通过计算地基承载力、剩余变形量及残留空洞的稳定性、地表破坏范围来进行稳定性评价[2]。建筑物下采空区的研究主要集中在基于单幢建(构)筑物建设用地的采空区地基稳定性评价方面[3]。由此可见，目前采空区稳定性评价多是针对小范围内某个矿区开展，研究结果只能为某个具体工程建设的适宜性提供参考，而对整个城市的大规模采空区稳定性评价的研究较少。因此，本文在调查徐州城市规划区采空区分布特征的基础上，开展采空区稳定性评价，评价结果可为规划部门或建设部门进行土地规划或工程建设选址时提供参考依据。

1 徐州城市规划区煤矿采空区分布情况

徐州城市规划区内共有4个煤田：东部贾汪煤田、西部九里煤田(含马坡)、闸河煤田和北部利国煤田。矿区内地貌类型总体上以堆积平原为主，局部地区发育有低山丘陵，地形较平坦。区内含煤地层为二叠系中统下石盒子组、山西组与上石炭统太原组。

东部贾汪煤田开采历史悠久，开采的主体属性较多以及采煤方法多样，因此采空区条件较为复杂，采空区分布面广，埋藏深度差异大，开采煤层层数多。西部煤矿开采规范，采空区范围明晰、采空区埋藏深度相对较深，范围相对分散、开采时间相对东部贾汪煤田较晚，分布有较多的新采空区。利国煤田采空区面积较小，条件简单。

据统计，徐州城市规划区内煤矿采空区面积约140 km2。按照采空区埋藏深度划分为浅层采空区(埋深小于50 m)、中深层采空区(埋深介于50～200 m)和深层采空区(埋深大于200 m)。浅层采空区面积较少，约12 km2，主要分布在贾汪煤田的北部，主要是青山泉一号井和大李庄煤矿的局部范围，韩桥井田中部至两侧3煤露头区域，沿着煤层露头线呈狭条状分布(图1)。西部和北部矿区绝大部分为中深层和深层采空区，其中深层采空区面积约87 km2，中深层采空区面积约41 km2。

图1 徐州城市规划区采空区分布范围Fig.1 Distribution map of goaf area in Xuzhou urban planning area

2 采空区稳定性评价指标体系

2.1 评价指标选取

《煤矿采空区岩土工程勘察规范》中规定采空区场地稳定性评价，应根据采空区的类型考虑停采时间、地表移动变形特征、采空区充填密实状态及充水情况、采深、覆盖土层厚度等，采用定性与定量评价相结合的进行综合评价，是针对小范围的采空区场地稳定性的评价，而徐州城市规划区内采空区面积较大且特征复杂，因此本次采空区稳定性评价指标在参考规范的基础上，根据徐州采空区的实际类型特点，从时间因素、地质因素和采矿因素等几个方面选取重要因子建立煤矿采空区稳定性评价指标体系(图2)。

图2 采空区稳定性评价指标体系图Fig.2 Goaf stability evaluation index system

时间因素中考虑终采时间作为评价指标，终采时间是影响采空区稳定性的重要因素。采空区随着终采时间的延续而趋于稳定。

地质因素主要考虑煤层倾角、松散层厚度及断裂构造密度三个指标。煤层倾角大小对地表移动特征有明显的影响，随着煤层倾角加大，地表移动与变形变得复杂化，增加了地表移动的时间，增大了地表的不稳定性；松散层厚度较大时会使得地表残余沉降变形趋于平缓，对新建建筑有利，采空区稳定性较好；断层对采空区稳定性影响较为显著，断层切割破坏了煤层的连续性，使得采空区不规则，煤柱留设无规律，给采煤沉陷的稳定性带来负面影响[4]。

采矿因素考虑采深采厚比、采空区层数和开采方式等三个指标。深厚比指标综合反映了采厚和上覆岩土层厚度效应，比值越小,表明采煤对地表沉陷的影响越大。采空区层数越多，不同煤层采空区之间影响的可能性加大，对地表的影响程度将加大，采空区稳定性也越差。不同开采方式中，长壁垮落法地表沉陷最充分，采空区相对也是最稳定的；正规条带开采采空区稳定性次之；房柱式及小窑穿巷式、残柱式采空区稳定性最差。

2.2 评价指标量化分级

采空区稳定性评价指标中除开采方式为定性指标外，松散层厚度、煤层倾角、断裂构造密度、终采时间、采深采厚比及采空区层数均为定量指标，定量指标可根据基础统计数据查出或计算出指标值，定性指标则定性分析划分等级，对不同等级规定评分值。各项评价指标的判别标准见表1。

表1 徐州城市规划区采空区稳定性评价指标分级

地表总移动延续时间计算公式如下：

T=2.5H0，H0≤400m

式中：T——总移动延续时间/d；H0——平均开采深度/m。

3 评价方法

目前研究中关于采空区稳定性的评价方法，一般在钻探、物探的基础上，运用工程地质调查、有限元模拟、模糊数学[5～6]等方法，进行综合评价，也有采用极限平衡的方法计算稳定系数，运用概率积分法预计采空区地表位移等等，这些方法多是针对采空区地基稳定性或场地稳定性评价时适用，而对整个徐州城市规划区采空区稳定性评价时，由于涉及煤矿众多，而且资料的精细程度不一，因此选取科学的评价方法，使评价结果更具有实用性，能实际指导采空区的合理开发利用，是本次研究的重点。

采空区稳定性的影响因素多而复杂，影响程度不同，也不易定量描述。因此，宜采用定性与定量相结合的方法进行采空区稳定性评价，考虑各指标对采空区稳定性的影响重要程度不同，本次评价采用敏感因子—一般因子综合评价模型[7]。将采空区终采时间作为敏感因子，实行一票否决制，划分出不稳定区、基本稳定区和稳定区，针对基本稳定区和稳定区，再考虑其它影响因素，采用层次分析法确定指标权重，利用综合指数模型进行叠加分析，进一步划分出不稳定区、基本稳定区和稳定区，最终进行综合分区(图3)。

图3 采空区稳定性评价方法Fig.3 The method of Goaf stability evaluation

3.1 评价指标权重

将松散层厚度、断裂构造密度、煤层倾角、采深采厚比、开采方式、采空区层数作为一般因子，通过层次分析法确定指标权重[8～9]，具体步骤如下：

(1)构建判断矩阵。由专家组对各评价指标进行两两比较，得到判断矩阵C。

(2)计算重要性排序。求出判断矩阵C最大特征根所对应的特征向量。所求特征向量即为各评价因素重要性排序，即权重分配，此处采用方根法。

(3)检验。为检验所求权数(特征向量)合理性，需要对判断矩阵作一致性检验。检验公式为：

式中：CR——一致性指标；λmax——最大特征根；n——矩阵阶数；RI——平均随机一致性指标。

如果CR<0.10，则认为判断矩阵具有满意的一致性。经计算的参考权重见表2。

表2 一般因子评价指标权重

3.2 评价数学模型

采用综合指数数学模型对评价指标中的一般因子按照权重进行叠加，计算步骤如下：

(1) 为了便于各因子的比较，分别对评价指标进行赋值评分Pi，按照稳定性评价等级由高到低分别赋值为3，2，1。

(2) 计算综合评分PI，权值Wi的引入可以反映出不同影响因子对采空区稳定性的不同作用。

式中：PI——评价最终得分；

Wi——底层各指标权重；

Pi——底层各因子评分；

n——底层指标数。

(3)各单元的最终得分经过统计分析，平均分配各段分值，得出采空区稳定性性等级阈值(表3)。

表3 一般因子稳定性评价结果等级划分标准

3.3 采空区稳定性评价结果及分析

根据上述区划评价方法进行采空区稳定性评价，通过MapGIS软件绘制出徐州城市规划区采空区稳定性评价分区图(图4)。

图4 徐州城市规划区采空区稳定性评价分区图Fig.4 Map of Goaf stability evaluation result in Xuzhou

对评价结果进行统计分析，徐州城市规划区内煤矿采空区不稳定区面积为20.4 km2，占评价区总面积的28.1%。主要位于贾汪煤田北部及中部、九里山煤田西北及东南部。其中部分不稳定区为新开采形成的采空区，分布在西部矿区及东部矿区中部，终采时间小于0.8T。贾汪煤田的北部，采空区开采时间久远，但采空区深厚比小于30，采深小于50 m，采空区层数大于3层，松散层厚度小，沿矿区边缘分布有急倾斜采空区，地表变形较大，评价结果不稳定。对不稳定区调查时发现有新建建筑物开裂变形现象。

基本稳定区面积为39.3 km2，占总面积的14.6%，主要分布西部矿区终采时间介于0.8～1.2T之间的区域，以及东部矿区东北部，贾汪区政府以南的大面积区域，这类区域开采层数较多，开采方式解放前为房柱式开采，地表存在大量建筑调查未发现明显变形现象。南部大黄山煤矿一带采空区煤层倾角较大，采深在50～200 m之间，多为双层采空区，且断裂构造也较为复杂，判定为基本稳定区。除上述区域以外则为稳定区，面积80.3 km2，占评价区总面积的57.3%。

4 结论

(1)根据徐州城市规划区内采空区特点，从时间因素、地质因素和采矿因素三方面，选取了松散层厚度、煤层倾角、断裂构造密度、终采时间、采深采厚比、开采方式及采空区层数等构建了采空区稳定性评价指标体系，对不同性质评价指标的进行了量化分级。

(2)建立了敏感因子—一般因子综合评价模型，将采空区终采时间作为敏感因子，其它指标作为一般因子，采用层次分析-综合指数法进行综合评价，将定性分析与定量计算相结合，评价方法具有较强的实用性和可操作性，对未来采空区稳定性评价工作具有一定的指导意义。

(3)评价结果显示，徐州城市规划区内采空区稳定区面积80.3 km2，占评价区总面积的57.3%，基本稳定区面积为39.3 km2，占总面积的14.6%，不稳定区面积为20.4 km2，占评价区总面积的28.1%。评价结果与实际情况较为吻合，可为徐州城市规划区内采空区土地规划利用提供依据。

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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、江苏国土资源厅合作项目“徐州城市地质调查”

张丽(1986-)，女，工程师，主要从事城市地质环境评价研究。E-mail: cugzhangli@126.com

TU457

A

1000-3665(2017)02-0124-05