（地质工程专业论文）澄合矿区采空区地面塌陷危险性评价.pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 澄合矿区采空区地面塌陷危险性评价 地质工程 程霞( 签名)往限茁自j 杨梅忠( 签名) 摘要 程霞 澄合矿区煤炭资源的大量开采，形成大面积采空区，导致大面积地面塌陷、地面沉 降、地裂缝以及由此导致的滑坡、崩塌、地表植被破坏等多种形式的灾害，造成重大人 员伤亡和设备事故，已成为矿山主要灾害，引起了政府、企业的高度重视。 本文针对澄合矿区地下开采过程中形成的大量采空区危险性进行了系统、深入研 究。通过对采空区上覆岩层破坏机理及破坏类型的研究，根据现场技术部门提供的资料 以及采空区大量现场调查，分析澄合矿区采煤塌陷的基本规律和特殊性，从地质、水文、 环境以及采矿四个主要影响因素，分析得出影响采空区塌陷危险性的主要因子，运用模 糊综合评价理论，建立了采空区塌陷危险性多因子评价模型。提出了采空区危险性指标， 采用层次分析法确定评价指标因素的权重，并用四值逻辑分区法确定隶属函数和评分标 准。从而实现了澄合矿区采空区塌陷危险性的定量分析，将统计得出的2 7 个采空区划 分为危险性极高、危险性较高、危险性一般、危险性较低四个等级，并提出相应的防治 对策。 关键词：采空区；地面塌陷；危险性；模糊综合评价；层次分析 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h es t u d yo nr i s ka s s e s s m e n to fg o a fg r o u n dc o l l a p s e d i s a s t e ri nc h e n g h em i n i n ga r e a s p e c i a l t y ：g e o l o g ye n g i n e e r i n g n a m e ：c h e n gx i a i n s t r u c t o r ：y a n gm e i z h o n g a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u a l a r g en u m b e ro fm i n i n ge x p l o i t a t i o no fc o a lr e s o u r c e si nc h e n g h em i n i n ga r e af o r m s al a r g ea r e ao fg o a f t h eg o a u fc a u s el a r g e s c a l eg r o u n dc o l l a p s e ，g r o u n ds u b s i d e n c e ，g r o u n d f i s s u r e s ，a sw e l la si n d u c e dd i s a s t e rs u c ha sl a n d s l i d e ，c o l l a p s e ，s u r f a c ev e g e t a t i o nd e m o l i s h e t c a b o v ea l lh a v eb e e nt h em a j o rd i s a s t e ri nu n d e r g r o u n dm i n e ，w h i c hh a v er e s u l t e di n m o m e n t o u sp e r s o n n e lc a s u a l t ya n de q u i p m e n ta c c i d e n ta n da r o u s e d g o v e r n m e n ta n d e n t e r p r i s e si n t e n s er e c o g n i t i o n t h i sa r t i c l ed i das y s t e m a t i ci n d e p t hr e s e a r c ha b o u tt h er i s ko fc h e n g h em i n i n ga r e a s g o a l b yt h es t u d yo ft h ef o v e d y i n gs t r a t a b r e a k a g em e c h a n i s ma n dt y p e ，a c c o r d i n gt ot h e i n f o r m a t i o nw h i c hp r o v i d eb yt h et e c h n o l o g yd e p a r t m e n t s ，t h ea r t i c l ea n a l y s e sc h e n g h e m i n i n ga r e a sb a s i cl a wa n ds p e c i f i c i t yw h i c hc a u s e db ym i n i n gs u b s i d e n c e m a i nf a c t o r so f g o a fg r o u n dc o l l a p s er i s kw e r eo b t a i n e db ya n a l y z i n gf o u ra f f e c t i n gm a t t e r sc o n t a i n i n g g e o l o g y , h y d r o l o g y , e n v i r o u m e n ta n dm i n i n g w i t ht h e s ef a c t o r st h ea r t i c l ew h i c hu s e s c o m p r e h e n s i v ef u z z ye v a l u a t i o nt h e o r yh a se s t a b l i s h e dt h er i s ko fc o l l a p s eo fg o a fo f m u l t i f a c t o re v a l u a t i o nm o d e l w ep r o p o s e dh a z a r d d e g r e ei n d e x ，a d o p t e d t h e a n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s st o a s c e r t a i nt h ew e i g h to fa s s e s s i n gi n d e xf a c t o r , a n df o u r - v a l u e dl o g i c z o n i n gm e t h o dt oa s c e r t a i ns u b o r d i n a t i o nf u n c t i o na n dg r a d es t a n d a r d t h e r e b yq u a n t i t a t i v e a n a l y s i so fu n d e r g r o u n dg o a ld i s a s t e rh a z a r dd e g r e ei nc h e n g - h em i n i n ga r e aw a s r e a l i z e d ，t h e n2 7s t a t i s t i c a lg o a fw e r ec o m p a r t m e n t a l i z e dt ob ee x t r e m e l yh i g hd e g r e e ，h i g h h a z a r dd e g r e e ，c o m m o nh a z a r dd e g r e ea n dl o wh a z a r dd e g r e e ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o l m e a s u r e sw e r ep r o p o s e d k e y w o r d s - g o a fg r o u n dc o l l a p s er i s k f u z z ys y n t h e s i z ea s s e s s m e n t a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：柱1 葭 日期：砷牟只分目 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：程霞 指导教师签名： 扔物店 叼年，月g 日 i 绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 1 绪论 随着国民经济的飞速发展以及人类生产生活的需要，大量地下自然资源被开采出 来。矿产资源的开采在支持国家经济建设、改善人民物质生活并提供足够资源的同时， 其工程活动也引发了一系列的矿区地质灾害和地质环境问题。我国矿山开采过程中引发 的地质灾害十分严重，并且种类繁多，常见的有采空区塌陷、崩塌、滑坡、泥石流、水 土流失等。其中由采矿引发的地面塌陷影响范围大，对土地破坏严重。 目前，据不完全统计，在全国2 0 个省、区内，共发生大规模采空区灾害1 8 0 处以 上，累计塌陷面积超过7 0 x 1 0 4 h a ，造成的损失已经超过5 0 0 亿元。而在矿山城市，采空 区灾害尤为严重【l j 。由山西省社科院研究员李连济主持完成的报告表明：山西是采空区 灾害最严重的地区。全省共1 5 x 1 0 4 k m 2 的土地，采空区达2 x l o a k m 2 ，相当于总面积的七 分之一。而其中6 0 0 k m 2 的地域遭受了采空塌陷灾害。近1 0 年来，山西省采空塌陷灾害 造成5 0 0 多人伤亡，经济损失达2 6 亿多元。大面积的采空塌陷灾害造成了巨大的经济 损失【2 】。 澄合矿区位于陕西省渭北煤田中部，各煤矿分布于合阳、澄城范围内。矿区的煤炭 开采已有六百余年的历史，早在元末明初就已有小窑开采。5 撑煤为该矿区主采煤层。地 方小煤矿在矿区分布广、数量多，对地质环境的破坏及影响极大。自澄合矿务局成立以 来，矿务局所属4 个矿井的采空区面积己达2 2 6 8k m 2 ，累计采出原煤4 3 0 9 0 2 万吨，为 西部地区工业生产和人民生活做出了应有的贡献。但另一方面，在巨厚湿陷性黄土覆盖 层的特殊条件下，地下煤炭资源的大量开采，导致大面积的地表沉陷、开裂，地面建( 构) 筑物的损坏极为严重，特别是城乡民宅、机关学校、商店、工况厂房及地下水资源的破 坏，给矿区人民的生活和各类生产活动带来极大的困难，严重威胁人民群众的生命财产 安全，严重影响本地区的工农关系和社会稳定，严重影响矿区的安全生产和经济可持续 发展。 1 1 2 研究意义 近年来，随着采煤业的发展，采空塌陷灾害日益严重，灾害损失呈不断增长趋势， 严重制约了当地的经济发展。因此，研究澄合矿区地表沉陷基本规律和特殊性，分析采 矿地面塌陷的主要影响因素，选用有效的数学方法，一改传统的定性化分析，对澄合矿 西安科技大学硕士学位论文 区采空塌陷危险性进行定量化分析研究，并结合澄合矿区采空区实情，提出有针对性地 防治对策，不仅具有理论研究意义，而且具有实用价值。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 地质灾害危险 生评价研究进展 1 2 1 1 国外研究现状及发展趋势 1 9 6 0 年以前，地质灾害工作主要局限于灾害产生机理、分布规律及趋势预测研究， 重点调查分析灾害的形成条件与活动过程。有关的灾害评价多处于宏观定性分析为主的 阶段，使得灾害学家所提供的灾害信息通常以规划工作者不易理解的形式出现，而地质 灾害信息评价所达到的水平的高低，同样也难以得到检验。这种状况既阻碍了评价成果 的应用，又妨害了地质灾害评价理论和方法的发展。1 9 7 0 年以后，随着地质灾害造成损 失的急剧增加，促使人类把减灾工作提高到前所未有的程度，地质灾害研究开始突破传 统的研究模式，在继续深入研究灾害机理的同时，开始尝试进行地质灾害定量化评价工 作。19 7 1 年h e w i t t 和b u r t o n 提出了“一地多灾”( a 1 1 h a z a r d s a t a - p l a c e ) 的研究计划。 这一技术路线要求对这一地区的破坏性事件的所有类型( s p e c t r u mo ft y p e so fd a m a g i n g e v e n t s ) 统计聚积特征，以及对相互关系进行描述，包括有九个灾种，每个灾种的特征 项有强度( m a g n i t u d e ) 、轮回周期( r e t u r np e r i o d ) 和过去的损失记录( p a s td a m a g er e c o r d ) ， 但这一设想由于种种原因未能付诸实施而未能最终做出各种的综合危险图。瑞士在1 9 7 9 年颁布了联邦政府土地管理法，法律第2 2 条规定：“各州需要调查并确定处于自然动力 严重威胁的土地范围”，各州以联邦政府法律为依据制定了相应的州政府法律；如沃州 制定的土地管理法律第8 9 条规定：“受自然灾害，如雪崩、滑坡、崩塌、洪水威胁的土 地，在未得到专家评估，充分论证或危险性排除之前，禁止在灾害危险区进行任何建筑 活动”。2 0 世纪8 0 年代初，r a d b r u c h - h a l l 研绘了l ：7 5 0 万全美大陆环境地质评价图系。 选择了滑坡、岩溶、火山灾害、地震概率、滞水区、陡倾斜坡和膨胀土等地质问题作为 评价指标，运用数字化仪并转化为栅格形式，通过图形叠加生成环境地质质量评价图。 为了推进广泛的国际间协调与合作，联合国在1 9 8 7 年通过决议，确定在2 0 世纪最 后十年开展“国际减轻自然灾害十年”活动。1 9 9 1 年，联合国国际减灾十年( i d n d r ) 科技委员会提出了国际减轻自然灾害十年的灾害预防、减少、减轻和环境保护纲要方 案与目标( p i 迮e m p t ) 。在规划的三项任务中的第一项就是进行灾害评估，提出：“各 个国家对自然灾害进行评估，即评价危险性和脆弱性。”主要包括：总体上哪些自然 灾害具有危害性；对每一种灾害威胁的地理分布和发生间隔及影响程度进行评价； 估计评价最重要的人口和资源集中点的易灾性。把自然灾害评估纳入实现减灾目标的重 要措施。国际减灾活动得到许多国家的积极响应，使灾害研究空前发展。具体表现在： 2 l 绪论 研究机构和人员不断壮大，灾害学术刊物不断增加，专业会议频繁召开，灾害研究领域 迅速扩大，人类对灾害的认识不断丰富和深化f 3 】。 近年来，地质灾害危险性评价得到了蓬勃发展。r e g u p t a 和b c j o s h i ( 1 9 9 0 ) 4 1 用 g i s 方法对喜马拉雅山麓的r a m g a n g ac a t c h m e n t 地区的滑坡进行了分析，使用了空间分 析和面积量算功能完成了滑坡灾害危险性分区，并通过使用多源数据分析了滑坡发生的 相关因素。m a r i om e j i a - n a v a r r o & e l l e ne w o h l ( 1 9 9 4 ) 在分析c o l o m b i a 的m e d e l l i n 地区滑坡、泥石流等斜坡不稳定性引起的区域地质灾害敏感性和土地及生命易损性的基 础上，利用g i s 技术将二者合成产生了风险评价分区图【引。r a n b a l a g a n 和b h a w a n is i n g h ( 1 9 9 6 ) 6 1 在r a n b a l a g a n ( 1 9 9 2 ) 前期关于山区滑坡灾害评估和区划制图研究的基础上， 提出了风险评价制图的新方法，建立了风险评价矩阵( r a m ) 。p j f i n l a y 和r o b i nf e l l ( 1 9 9 7 ) 【7 j 从滑坡风险辨识和可接受滑坡风险水平出发，对澳洲和香港的滑坡灾害风险 进行了研究，其成果包括滑坡灾害的调查、土地开发原则、滑坡灾害的分类、滑坡灾害 造成的生命财产损失可接受概率等。1 9 9 8 年c r o s s 采用滑坡敏感性指数l s ( 1 a n d s l i d e s u s c e p t i b i l i t yi n d e x ) 为定量化指标进行滑坡灾害危险性区划，并在英国d e r b y s h i r e 地区 进行了实践l 引。p j f i n l a y ，g r m o s t y n 和r f e l l ( 1 9 9 9 ) s l 用统计学原理，对香港1 9 8 4 - - 1 9 9 3 年的3 0 0 0 多个滑坡灾害记录数据库进行了统计分析研究，建立了基于滑坡灾害几 何条件的预测滑坡灾害水平运动距离的多元回归模型。f a u s t og u z z e t t i ( 2 0 0 0 ) 9 1 建立了 意大利1 2 7 9 - 1 9 9 9 年滑坡灾害导致生命死亡的数据库，对致命滑坡的发生频率及其致命 率的评估进行了系统的研究。p i y o o s hr a u t e l a l 和r a m e s hc h a n d r al a k h e r a ( 2 0 0 0 ) b o 】利 用g i s 和遥感技术对印度的g i r l 和t o n sr i v e r s ( 在h i m a c h a lh i m a l a v a ) 流域的滑坡灾 害进行了风险评价研究。g c o h l m a c h e r 和j c d a v i s 】利用g i s 结合多元逻辑回归模型 预测了美国堪萨斯州东北部的滑坡灾害。j o h n s o n 等于2 0 0 0 年在澳大利亚一项为城市发 展规划服务的崩塌、滑坡、泥石流灾害预测中，把地质灾害危险性、易损性和风险评价 作为一体，以g i s 软件为技术平台，分别采用平面和三维评价系统，对c a i r n s 地区进行 了崩滑流地质灾害的危险性分析和风险区划研究。p a l e o t t i ( 2 0 0 0 ) 采用g i s 技术对意 大利北部阿尔卑斯山前缘p i e d m o n t 地区的滑坡、洪水、雪崩、山谷口堆积等灾害的危 险性及总的风险进行了区划性制图研究【1 2 】。s l e e 和k m i n l l 3 1 以g i s 为工具，使用逻辑 回归方法分析了韩国y o n g i n 地区的滑坡敏感性。f c d a i 和d e l e e 1 4 】贝j 利用g i s 和逻 辑回归模型分析了香港大屿山地区的区域斜坡稳定性。 1 2 1 2 国内研究现状及发展趋势 2 0 世纪8 0 年代以前，我国地质灾害研究主要局限于对灾害分布规律、形成机理、 趋势预测等方面的分析。8 0 年代以后，地质灾害研究开始突破传统的研究模式，研究水 平不断提高，研究内容日益丰富，灾害风险评价开始起步。经过2 0 多年的发展，在理 论和实践方面都取得了较丰富成果，但还未形成系统完善的理论与方法体系，也没有统 3 西安科技大学硕士学位论文 一的评价标准，国内在这一领域的研究还较薄弱。各专业灾害评估仍处于日益深入的探 讨和总结过程中，主要表现在： ( 1 ) 地质灾害危险性评估内容研列b “州 地质灾害危险性评价和风险评估的研究尚处于探讨阶段，成果主要集中在山区滑坡 危险性分析和风险评估等方面，如：刘希林对四川省泥石流进行了风险评价；史培军提 出区域灾害系统论的观点，认为灾情( 灾害损失) 是由孕灾环境、致灾因子、承灾体之 间相互作用形成的，其轻重取决于孕灾环境的稳定性、致灾因子的风险性及承灾体的脆 弱性三个因素共同决定的；罗元华等认为地质灾害风险评价系统由地质灾害危险性评 价、易损性评价、破坏损失评价和防治工程效益评价构成，并认为危险性评价和易损性 评价是灾害风险性评价的基础，破坏损失评价是灾害风险评价的核心，防治工程效益评 价是灾害风险评价的应用；张梁等认为地质灾害风险评价是对某种不确定性进行定量评 估与制图，一般包括风险的危险性评价、受险对象的易损性评价和可能灾情( 期望损失) 评价三个部分；向喜琼等将风险评价和风险管理的一般步骤分为五步：风险鉴别、风险 量化与度量、风险评价、风险接受和风险管理。 ( 2 ) 地质灾害危险性评估方法( 模型) 研究 2 0 - 2 7 】 随着危险性评价研究的进展，研究方法也不断发展，除了灾害动力学分析外，开始 融入多种数理分析和社会经济评价方法，极值分析、概率分析、相关分析、趋势分析、 聚类分析、系统分析、层次分析、模糊分析、神经网络分析、信息分析和g i s 技术分析 等，使地质灾害危险性评价不断向定量化发展。如：蒋维等提出了灾害概率风险的概念； 黄崇福引入了灾害可能性风险的概念；张梁等根据环境经济学理论，初步论证了地质灾 害的属性特征和风险评价的经济分析方法；张业成等以灾害度为指标，评价了中国地质 灾害危险分布特征，对云南省东川市泥石流灾害进行了风险分析；罗元华、柳源、金晓 梅、樊运晓等对地质灾害属性特征、风险构成、易损性及其在灾害风险评价中的地位进 行了研究；殷坤龙、晏同珍等对滑坡灾害危险性和斜坡不稳定性的空间预测与区划进行 了系统研究，先后提出了定量评价的信息分析模型、多因素回归分析模型、判别分析模 型等，并对秦巴山区和三峡库区滑坡灾害进行了危险性分析与区划；范文等通过建立多 级指标体系，应用主成分分析法对某高速公路沿线地质灾害危险性进行分段综合评价， 较好地进行了地质灾害分区；阮沈勇等将信息量模型与g i s 系统结合，实现对地质灾害 数据的分层管理，开发地质灾害危险性区划模块，进行地质灾害危险性区划。李保生、 杨建军、闫满存等利用在选定地质灾害危险性评价指标体系后，充分考虑地质灾害危险 性评价因素不确定性的需求，应用模糊数学方法对其进行建模评价。 ( 3 ) 地质灾害危险性评估发展趋势 当前，地质灾害危险性评估研究方兴未艾，今后发展将更加迅速，其研究内容将更 加广泛，理论方法更加丰富、先进。其基本趋势是向着评价定量化，综合化、管理空间 4 1 绪论 化的方向发展。主要表现为：研究内容上，除对灾害危险性分析定量化外，对承灾体 易损性的分析也不断加强：单纯的风险评价理论研究发展为风险评价与减灾管理相结 合、风险评价与防治相结合；研究对象上：从历史与现状分析趋向预测与研究相结合； 从个体分析趋向个体与区域研究相结合；研究方法和手段上：从定性分析趋向定量化 评价；3 s 技术的发展将逐步取代传统的调查统计与手工制图，并向网络技术化发展。 总之，在当前的地质灾害领域，学科之间的渗透和交融，已经摆脱了过去定性评价、 静态分析、单一问题的讨论局面，进入了定量化、动态化、综合性的评价阶段。 1 2 2 地下采空区国内外研究现状 地下空区分为两大类，一类是由于自然原因如地质构造等形成的，如溶洞：另一类 是由于人类活动如矿产资源的采掘、隧道开挖等在地表以下留下的各种形态、规模和不 同分布的空洞。在这两类空区中，第二类空区比第一类空区对工程、环境等的影响更大， 而地下采空区是第二类地下空区的典型代表，按矿产被开采的时间，可分为老采区、现 采区和未来采区。矿体被采出后，自顶板岩层向上形成三带即垮落带、裂隙带和弯曲带， 地表沉陷产生连续或非连续变形，由此带来一系列环境岩土工程问题，如地表积水、道 路裂缝、房屋倒塌、耕地减少、农田减产、边坡失稳等，给矿区工程建设留下很大隐患。 1 2 2 1 地下采空区的稳定性研究 关于采空区问题的研究，国内外主要是集中在煤炭、冶金、军事和交通等部门进行， 如波兰、前苏联、英国和中国等主要产煤国家从2 0 世纪5 0 年代开始就对三下采煤技术 进行了详细研究，同时对采空区地表构筑物保护和防治技术也进行了大量的试验研究， 积累了宝贵的经验。近二十年来随着科学技术的进步，研究手段和方法也在相应发展， 主要包括数值模拟法、物理模拟法、稳定性分级( 类) 定性评价法、应用赤平投影和块 体理论进行块体稳定性计算和分析方法以及各种现场监测法等。近几年来，人工智能( 专 家系统、神经网络) 方法、灰色理论，非线性科学和不确定性( 模糊性、随机性) 研究 方法的兴起，为地下采空区岩体稳定性计算和分析提供了有力的工具。而对于不稳定的 地下采空区，在大部分的工程中一般是采用对地下采空区进行充填、注浆处理或者直接 采用爆破法崩落矿柱和顶板以充填采空区。 1 2 2 2 地下采空区对上覆地表、路基、建构筑物的影响研究 不管地下采空区本身稳定与否，它对其上覆的岩土层、地表、路基、建构筑物等都 会产生一定的变形甚至破坏，这方面国内外都有很多文献和报道，主要介绍和讨论了地 下采空区地表沉陷问题、地基处理和建筑物保护问题。矿山开采沉陷的预计理论及方法 较多，主要有：一是基于实测资料的经验公式法，在我国广为使用的有负指数函数法、 典型曲线法等；二是在波兰推广使用的b u d r y k k n o t h e 理论法；三是在我国广泛使用的 概率积分法，以波兰学者李特威尼申( j l i t w i n i s z y n ) 提出的随机介质理论为基础，后 5 西安科技大学硕士学位论文 得到刘宝深、廖国华等的发展和推广。 近年来随着我国经济的发展，涉及地下采空区的工程在增多，而科学技术的进步使 得研究方法也在不断更新，灰色预测方法及稳健统计方法，采空区矢量法，模糊数学方 法等得到广泛应用。如吴兆营采用先进a n s y s 的大型有限元计算程序，计算了某采空 区对地表稳定性的影响，为拟建结构提供必要的地表变形参数，而且认识了采空区地表 变形机理1 2 8 】；徐水太通过岩体力学性质测试和采空区有限元数值计算分析，研究了岩土 层性质、地下水作用、采空区稳定性对矿区周围地表移动和民房开裂的影响【2 9 j ；范之望 用边界元法模拟岩层与地表移动，建立采场模型，分析采场模型的合理性和可行性【3 0 】； 戴兰芳采用f u z z y 数学中的f u z z y 测度理论，建立了采空区地表移动变形预测分析的 f u z z y 测度理论模型，并对在采空区建设大型建筑物或构筑物的可行性及其基础稳定性 进行分析评价【3 u ；滕永海系统地研究了老采空区上方地基稳定性的评价方法1 3 列；徐永明 分别对大型和小型采空区对铁路路基的稳定性影响进行了分析【3 3 】；而国内外近二十年研 究地下空区包括溶洞对公路的影响方兴未艾，二十世纪年代开始，英国、波兰、德国等 国的一些学者相继研究了采空区等地下空洞对公路的危害性问题，如c j e p j o n c e ， m c w a n g 等；周伟义等应用半定量的方法、二级模糊综合评判及非线性有限元方法研 究了潭邵高速公路岩溶及采空区路基稳定性问题，主要探讨了岩溶及采空区岩层顶板安 全厚度的确定问题【3 4 1 ；李满囤研究了小煤窑采空区空洞顶板稳定性及临界深度问题，并 将其应用到太古二级公路采空区治理中f 3 5 】：余学义对采动区地表剩余变形的预计方法进 行了研究，并应用到太旧、晋焦高速采空区影响预计分析评价中【3 6 j ；章立元建立高速公 路下伏多层采空区三维立体工程地质模型，系统地研究了高速公路与下伏采空区相互作 用机理，并应用岩体结构控制论、扩张理论、流体力学、流变学和渗流力学理论等建立 采空区注浆理论模型，并推导了各种模型下扩散半径等注浆参数的理论计算公式【3 7 】。 1 3 研究内容和研究思路 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 研究采空区上覆岩层破坏机理及破坏类型。 ( 2 ) 分析澄合矿区采煤塌陷的基本规律和特殊性，找出影响采矿地面塌陷的主要 因素，分析其对采空区塌陷危险性的影响程度及其关系。 ( 3 ) 分析采空区地面塌陷灾害的危险性因子、构建危险性评价指标体系与数学模 型，运用模糊综合评判法对澄合矿区采空区塌陷危险性进行评价和等级划分。 ( 4 ) 对澄合矿区地面塌陷灾害提出防治对策。 1 3 2 研究思路及技术路线 6 1 绪论 通过查阅有关文献、年鉴、图片和网络，收集相关的自然背景资料、社会经济资料 和采空区现状资料，研究采空区围岩破坏机理及破坏类型，分析澄合矿区采煤塌陷的基 本规律和特殊性，分析影响采矿地面塌陷的主要因素，筛选采空区地面塌陷危险性因子， 构建危险性评价指标体系与数学模型，运用模糊综合评判法对澄合矿区采空区地面塌陷 危险性进行评价和等级划分，并对其进行结果的分析，提出相应的防治对策。 研究技术路线见图1 1 。 图1 1 技术路线框图 7 西安科技大学硕士学位论文 2 研究区概况 2 1 地理位置 澄合矿务局筹建于1 9 7 0 年2 月，成立于1 9 7 4 年，因矿区跨澄城、合阳两县而得名。 澄合矿区位于渭北石炭二叠系煤田的东偏北部。其地理坐标为东经1 0 9 0 4 0 ， 1 l 0 0 2 0 7 ， 北纬3 5 0 0 8 - - 3 5 0 3 0 。矿区西自洛河，与蒲白矿务局为邻；东部濒临黄河，东北部同韩城 矿区相毗：北部以黄龙山南麓为深部边界；南部以澄合两县的三眼桥、尧头镇、阳庄、 管家河、西坡村、贺家庄一线煤层露头风化带为自然边界。东西长6 7 k m ，南北宽3 0 k m ， 面积约为1 7 1 8 k m 2 。 矿区交通较为方便。铁路有西( 安) 侯( 马) 线，由合阳站进入澄合东部矿区；西 ( 安) 延( 安) 线沿洛河而上，经过矿区西部边界。矿区铁路专用线有两条：西区煤专 线连接西部各矿，在蒲城境内的坡底车站与西延线接轨；东区王村矿煤专线至合阳站同 西侯线接轨。矿区有多条公路相通，形成公路网。( 北) 京昆( 明) 公路( 1 0 8 国道) 贯 穿矿区东部，西( 安) 韩( 城) 战备公路与1 0 8 国道交汇于王村矿附近，渭南至黄龙公 路纵贯矿区西部。澄城县至相邻各县、各乡镇均有公路相通，矿务局所属矿、厂等单位 均有矿区公路相连，见图2 1 。 2 2 地形地貌 澄城、合阳两县位于陕西渭南地区东北部，在全国地形单元中，位于黄土高原的东 南部，在陕西三大地形单元中，属于关中平原与陕北黄土高原的过渡地带。黄龙山横亘 于北部边界，黄河由北向南流经矿区东部边界，洛河由北向南流经矿区西部边缘，形成 澄合矿区东西部自然边界。地势北高南低，海拔标高最高+ 1 2 8 5 m ，黄河漫滩最低标高 + 3 5 0 m 。地表冲沟密布，河谷发育有八大沟系( 河流) ，分别注入洛河或黄河。澄合矿 区地貌有低中山、山前洪积扇、黄土塬、河谷、河滩地五大类型，以黄土台塬为主体， 黄土覆盖层较厚。黄土层常年受山洪与河流冲刷，形成塬、梁、峁、河谷相间的地貌。 由于沟谷延伸使塬不断遭到侵蚀，沟坡侵蚀模数为5 0 0 8 0 0 t k m 2 a ，塬面侵蚀模数 2 0 0 t k r n z - a 。塬区支毛沟逐年切深扩张，使沟头不断向塬区伸张，致使土地支离破碎， 在塬的边缘形成树枝状的复杂地貌。 2 2 1 黄土台塬 ( 1 ) 三级台塬 三级台塬由更新统黄土状土及下更新统冲积物组成，海拔+ 8 0 0 9 0 0 m ，坡度l o 6 0 。 8 谷底基岩裸露，切深4 0 - - 1 0 0 余米。由丁沟壑密度大，塬面坡耕地多，水土流失严重， 土壤侵蚀模数8 0 0 - 1 0 0 0 t k m 2 a 。 l 阀i | _ _ _ j _ 王 8 i t 7 一、一、no3 日 j 返， ? 一一。 娶瀚 麓攀 ， ，一，、二一一 。j 图2 1 澄台矿区变通位置图 ( 2 ) 二级台塬 塬面发育成一些垄岗和洼地，多与基底起伏相吻合。台塬地而海拔+ 6 0 8 0 0 m ，坡 度为l q 。，沟谷切深8 0 1 5 0 m 。上部为更新统黄土状土下伏中生界或古生界地层， 河谷地带基岩出露。区内土质疏松，坡陡沟深，沟床下切多至基岩，塬沟高差5 0 2 0 0 m 土壤侵蚀模数2 0 0 8 0 0 恤2 a ，为中度水土流失区。 ( 3 ) 一级台塬 海拔+ 4 5 0 “o o m ，地势较平坦。局部略呈2 。 5 。波状起伏河谷切深1 4 0 - - - 1 6 0 m 。上 部为更新统黄土状土，下伏冲积层。为中度水土流失区a 9 西安科技大学硕士学位论文 一i 一i 一 i 一 2 2 2 河谷 黄河发育有l “级阶地及漫滩。洛河发育有1 3 级阶地，纵向不连接，横向两岸不 对称。矿区内河谷支沟发育，较大者有孔走河、长宁河、县西河、大浴河等，均由东北 向西南汇人洛河：金水沟、徐水河则由西北向东南汇人黄河。河床大多切入基岩，沟底 较宽，有跌水，沟坡较缓，谷地曲折。有冲、洪积物组成的l 3 级阶地，相对高差分别 为5 8 m 、2 0 - - - 4 0 m 、6 0 7 0 m ，阶面宽窄不等，由数米至数百米。二、三级阶地一般较宽， 沟底常有地下水补给的常流水。在河谷两侧还分布着不少干支毛沟、冲沟，呈东北或西 北向树枝状排列，切深数十米至百余米。 2 3 气象水文 2 3 1 气象 澄合矿区属大陆性季风气候。其特点是：四季分明，春季温暖干燥，气温回升快而 不稳定，时有春寒，降水量少；夏季炎热多雷阵雨、暴雨和阵发性大风，间有伏旱；秋 季凉爽湿润，气温下降快，多阴雨，1 0 月以后，降水量速减，天气晴好；冬季寒冷干燥， 气温低，雨雪稀少，土壤冻结，最大冻土深度0 5 2 m 。年均降水量为3 8 8 9 8 1 4 9 m m ， 年均蒸发量为1 9 2 9 7r n n l 。 澄合矿区年平均气温为1 2 2 ，最热为7 月，月平均温度为2 5 4 1 2 ；最冷为1 月， 平均温度为2 3 0 c ：年温差2 7 7 。年均最高气温为1 8 1 ，年极端最高温度为4 0 3 c ( 1 9 6 6 年6 月2 1 日) 。年均最低温度7 3 。c ，极端最低温度一1 9 9 c ( 1 9 7 5 年1 2 月位日) 。 2 ，3 2 地表水 ( 1 ) 黄河 流经矿区坊镇普查区东部。河床比降5 。常年流量8 0 0 - 2 5 0 0 m 3 s 。每年两汛，3 月桃汛流凌，8 、9 月洪讯涨水。洪汛期，洪水量多超出常流量的一倍以上。 ( 2 ) 徐水河 发源于黄龙县粱山东谷的石窑子，自西北流向东南，流经矿区东部，汇入黄河，全 长3 6 k m ，沟谷切深8 0 1 6 0 m 之间。常年流量0 3 5 r n 3 s ，枯水期流量0 2 m 3 s 。比降 1 9 6 旷1 2 1 ，年总流量3 8 0 0 万m 3 。 ( 3 ) 金水沟 发源于黄龙县梁山北麓的侯家沟，流经矿区的山阳、王村、合阳一矿、合阳二矿、 安阳并田，至大荔县华原乡金水村以东流入黄河。常年流量o 1 5 m 3 s ，沟谷切深4 0 - 1 6 0 m 。 ( 4 ) 大峪河 1 0 2 研究区概况 发源于黄龙山佛爷岭，为澄城、合阳两县的界河，自北而南流经矿区，经山阳井田、 王村井田、于蒲城县永丰镇注入洛河。常年流量o 3m 3 s 枯水期流量o 2 m 3 s ，沟谷切 深在8 0 1 6 0 m 之间，在大峪村一带河底最低高程+ 5 5 8 m 。 ( 5 ) 洛河 古称沮水，发源于定边县的洞口峪。年平均流量2 4 6 4 m 3 s 。在矿区流域内河床一般 平均宽度为5 0 m 左右。水深1 2 m ，平均比降1 4 5 o ，属常流河。 ( 6 ) 县西河 流经澄城县城西部，发源于赵庄乡崖畔寨的东西两沟中，由北而南流经矿区，经董 家河井田、权家河井田后，折向西南流入洛河。年平均流量0 6 1 m 3 s ，平均比降1 1 9 4 ， 属常流河。 ( 7 ) 长宁河 流经矿区西北部，发源于黄龙山，由东北向西南流经矿区流汇入洛河，年平均流量 0 2 4m 3 s ，平均比降1 4 2 1 o ，属常流河。 ( 8 ) 孔走河 流经矿区西北角。年平均流量o 0 9 m 3 s ，平均比降2 2 0 8 9 ，属常流河。 2 4 地层岩性 根据矿区内各沟系露头及中深部众多钻孔揭露，区内地层由老到新有：奥陶系、石 炭系、二叠系、三叠系、第三系及第四系。矿区煤层分别赋存于石炭系太原组及二叠系 山西组地层中。见图2 2 矿区地质综合柱状图。 2 4 1 下古生界奥陶系 零星出露于洛河、县西河、大峪河金水沟等河谷地带。矿区仅有中、下统沉积，与 下伏上寒武统为整合接触。 ( 1 ) 下奥陶统 自下而上划分为冶里、亮甲山、下马家沟、上马家沟四组。前两组总厚度大于1 3 0 m ， 以深灰色结晶白云岩、角砾状泥灰岩、泥灰质白云岩为主，含燧石结核。下马家沟组分 为一段、二段。一段厚度为1 5 m ，由灰绿色白云质泥灰岩夹石膏薄层组成；二段厚度大 于3 0 m ，由厚层状灰、褐灰色白云岩夹肉红色、绿灰色泥岩组成。上马家沟也分成一段、 二段。一段厚度约6 7 m ，以灰、浅灰白云岩，灰色、肉红色泥岩互层组成；二段厚度1 1 1 m ， 中灰、深灰色隐晶及细晶白云岩，灰质白云岩，灰质白云岩夹褐红铁质条带泥岩、泥灰 岩组成。 ( 2 ) 中奥陶统峰峰组 西安科技大学硕士学位论文 地层单位符 厚 界系 统组( 段)号 度 柱状岩性特征 ( m ) 第四蕞 q 醚雹蜘 第四蕞由浅黄色古粉砂的黄土韭粘土及砂砾石层女巨戚 新生界0 - 2 5 4 上第兰蕞 r l第三系由鲜红色含粉砂粘土巫砂及砾石屡钷戚 中 =出 2 一： ：2 一 统 纸坊组t l l 5 0 0 以厚j 譬巨| | 摹屡灰蝈k 冀甥咆细粒，中位砂糟为主 生 叠 下和尚i 电钼t ：b 8 0 - 9 0 以紫红色粉砂糟为主必蠢爱石膏 再 糸 坑 帮寮沟铂 t t l 1 9 0厚羼、巨雎层砖缸色中，鲫旺砂岩为主，夹冈生砾嚣 一 石 - o ，3 - 9 l 肇虹色粉砂省为主，爽髯屡石膏。下部为缘灰色浇文考 上 千 段 8 0 ， ft j 上 峰 一 1 6 1 - 2 1 6 灰绿色中，捆拙移岩夹暗絮色灰绿色耪砂糟 = 姐段 b “1 2 0 0 抗 古 上罩i 盒 2 i o 3 2 0以肇缸色扮砂糟为主底部为厚屡中，租粒砂崧 叠 子组 p l 生 下 下石盒 1 1 - s 9 以探灰色扮砂者为主下部为捷灰色中，鲴粒砂糟 采子组 如t 3 5 统 2 2 - 6 2 ：一蕊：； 食煤地屡，由粉砂置h 移曩昆岩煤层及中组粒移麓 最成 再山西组 p l 3 7 ! _ _ 石 上 2 2 - 8 3 主要含煤地层，由石荚移岩，石灰糟，嫌及锯质泥岩姐戚 炭 统 太原组c i t 4 0 暴 出 ，幢盛 c l - 0 - 3 。5 一一二， 统 1 叫t 臣 零曩沉积。由黑色浇麓 韬魔泥崔组成 带帑焉i h i i 叫i 灰色白云者，自云厦灰岩，蛔矗质为患下部再。豹斑一梅遗 h| i t 0 2 1 2 0 一2 0 0 i 出 段 1il - - - , i i h i l 深灰色石麓髫宪云麓状白云质藏糟 i l 臭 组 统 一 o 1 1 0灰色自爱自看质灰麓h 糟马泥者互屡 uh 段 ii 下 上 一 j ii i _ o i 碡 1 1 1 hi i1 1i i 灰耀灰色隐矗及细自云肇 灰质自云糟夹祷红饮质瓣带泥 ，? 斑 骂段 h i l 晕h 娓灰者 l i“ h “ 古 素 i ii i 沟 。一 i ii i目 自云者与泥岩互屡魔部央簟状白云糟簟粒隽铰舞，髑厦下o l 霹 ， 组 段 i i 一旷n _ l 泵 一hi i目 生 下 - o i - ； 3 0 h i i 文。薯灰色白云岩，夹灰，内缸色院糟马 段l fl |u 坑 采 沟 界 组 o i ；i ， 灰绿色自若贾泥糟央石膏蓐曩 亮甲山 o l l - j l f | 一i 广 l ll ii l 1 3 0 i l 结晶白云岩角砾状泥灰崧及中厚屡状馥质自爱射台麓石锗棱 冶基 o ：r 【i 毫 风山 弓， l i l li 武 关山 电， 1 1 0 中零罄状白云搿具小竹竹状构造爰似豹皮状构遗 hhhi i 系 l ih u 图2 2 矿区地质综合梓状图 2 研究区概况 自下而上分为一段、二段。一段由白云岩、灰质白云岩与泥岩组成，呈不等厚的互 层状结构。厚度约1 1 0 m 。二段主要由白云岩、白云质灰岩夹灰岩组成，中厚层状，裂 隙发育，部分充填方解石脉，下部具“豹斑”构造。该段地层富水性强，为矿区煤系地层 的直接基底。厚度1 2 0 2 0 0 m 。 2 4 2 上古生界石炭系 ( 1 ) 中石炭统本溪组 矿区仅有洛河剖面划分及研究了该组地层，推断其它地区有零星分布。其岩性为湖 相沉积的黑色泥岩及灰色铝质泥岩。厚度0 3 5 m ，与下伏中奥陶统峰峰组二段呈假整 合或角度不整合接触。 ( 2 ) 上石炭统太原组 为一套海陆交互相含煤沉积，是