（安全技术及工程专业论文）金属矿山地下采空区危害辨识与风险评估研究.pdf

a b s t r a c t m i n e d - o u ta r e a sa l ec a u s e db yt h ee x p l o r a t i o no fu n d e r g r o u n dm i n e b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo fm i n i n gm e t h o da n dm a n a g e m e n t ，i t ss h a p e s a n ds t r u c t u r e sc o u l db eo fv a r i o u sk i n d s ，w h i c hc o u l dr e s u l ti nd i s a s t e r s s u c ha sr i bf a l l ，r o o ff a l l ，m i n ee a x t h q u a k e ，r o c kb u r s t , w a t e ri n r u s h ，g r o u n d c o l l a p s e ，g r o u n ds u b s i d ea n dc r a c k a tp r e s e n tt h em i n e d o u ta r e ah a s b e e no n eo fm a i nd i s a s t e rs o u r c e so fu n d e r g r o u n dm i n e b a s e do nt h e s t u d yo fd o c u m e n t sb o t ha th o m ea n da b r o a d ，t h es t u d yp r o g r e s s ，t h e a c h i e v e m e n t s ，e x i s t i n gp r o b l e m sa n dd e v e l o p m e n tw e r ea n a l y z e da n d s u m m a r i z e dd i r e c t i o n si nt h i sp a p e r , a n db a s e do ns y s t e me n g i n e e r i n g t h e o r y , r i s ka s s e s s m e n tt h e o r yr e l i a b i l i t yt h e o r y , a n dp r i n c i p l e so f e c o n o m i c s 。h a z a r di d e n t i f i c a t i o na n dr i s ka s s e s s m e n ti nm i n e d - o u ta r e a w e r es t u d i e d f i r s t l y , t h er e l e v a n tc o n c e p t so fr i s ka s s e s s m e n ti nm i n e d - o u ta r e a w e r ei d e n t i f l e da n dd e f i n e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec o m p o s i t i o no f r i s ka s s e s s m e n t f r a m e w o r km o d e lo fr i s ka s s e s s m e n ts y s t e mw a s c o n s t r u c t e d ，a n dm e a n w h i l e ，t h ep r o c e s so fh a z a r di d e n t i f i c a t i o na n dr i s k a s s e s s m e n tw e r em a d ec l e a r 。 s e c o n d l y , at h e o r e t i c a la n a l y s i so fm e c h a n i c a ls t a t ea n ds t a b i l i 够o f t h er o c ki nm i n e d - o u ta r e aw a sm a d e ，a n dw i t ht h eh e l po ff a u l tt r e e a n a l y s i s t h ea c c i d e n t - c a u s e dm e c h a n i s m o fr o o ff a l li nm i n e d - o u ta r e aw a s a n a l y z e d t h em a i nf a c t o r sr e l a t i n gt h es a f e t yo fm i n e d - o u ta r e aw e r e k n o w n , a n dt h eh a z a r d st y p e sa n di n f l u e n c i n gs c o p eo fm i n e d - o u ta r e a w e r es u m m e d u p t h i r d l y , b yt h es t u d ya n da n a l y s i so fh a z a r d ，v u l n e r a b i l i t ya n dd a m a g e i nm i n e d - o u ta r e a , a n db yt h ea d o p t i o no fe n e r g yc o n s e r v a t i o na n dt r a n s f e r t h e o r y ，t h ee n e r g yt r a n s f e ra c c i d e n t sc a u s em o d e lw a ge s t a b l i s h e d ，b y w h i c ht h eh a z a r do fm i n e d o u ta r e ac o u l db eq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d i n a d d i t i o n ，o nt h eb a s i so fh a z a r da n a l y s i s ，w em a d eav a l u ee v a l u a t i o na n d a s o c i a la n de c o n o m i c a lv u l n e r a b i l 时a n a l y s i sw i t h i ni t si n f l u e n c i n gs c o p e a n dt h ec a l c u l a t i o no fd a m a g el o s s e si nm i n e d o u ta r e a , s ov u l n e r a b i l i t y a n dd a m a g ew e r ew o r k e do u t a n db yd o i n gt h i s ，t h er i s ka s s e s s m e n t s y s t e mo fm i n e d - o u ta r e aw a ge s t a b l i s h e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gr i s k h c o n t r o lm e a s u r e sa r em a d et h r o u g hr i s kd e g r e eg o ti nr i s ka s s e s s m e n t o n t h em e n t i o n e da b o v e ，af a i r l yp e r f e c tt h e o r ya n dm e t h o d o l o g yo fh a z a r d i d e n t i f i c a t i o na n dr i s ka s s e s s m e n to fu n d e r g r o u n dm i n e d o u ta r e aw e r e f o r m e di nt h i sp a d e r w i 也t h et h e o r ya n dm e t h o d so fr i s i ca s s e s s m e n ta b o v e t h er i s k a s s e s s m e n to fm i n e d - o u ta r e an o 4 2o f r - p i to fc o p p e ro r en o 9 2w e r e i n c o i n c i d e n c ew i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n k e yw o r d s ：m i n e d - o u ta r e a ，h a z a r d , r i s k , h a z a r di d e n t i f i c a t i 0 1 。r i s k 嬲s e s s m e n t i i l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：旌蛙日期：4 年笪月上日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者躲出l 壹导师签名：渤期：坦年土月卫日 中南大学硕士论文 第章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 人口、资源、环境、减灾是人类面临的四大问题。中国是世界上灾害最严重 的国家之一。近十年来，每年平均灾害损失近1 6 0 0 亿元，相当于国民生产总值的 3 8 、国民收入的3 0 ，这一比例是发达国家的l o 倍，因此，迫切需要开展防灾 减灾方面的专门研究【l 4 l 。大规模的地下工程活动在不同程度上改变和重塑地质环 境，诱发诸如地表塌陷和矿震等灾害，工程活动和地质环境相互作用的诱发灾害 严重威胁国家的经济建设和可持续发展。 地下采空区灾害是由于地下开采打破了地下岩体的原有力学平衡，从而使得 围岩发生应力重新分布和应力集中，如果应力集中的程度超过了岩体的破坏极限 就会引起岩体发生位移、冒顶、片帮、岩爆等一系列破坏活动，如果岩体的这些 破坏活动对人类生命财产或生产活动造成了毁损，就形成了采空区危害。随着地 下资源开采的快速发展，形成的采空区导致的地质灾害也频频发生，它们有些造 成地下矿山的局部破坏，有些甚至可以造成整个地下矿山的完全破坏，从而给国 民经济和人民生命财产造成严重损失。 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，累计塌陷面积超越7 0 万公顷，造成的损失已经超过5 0 0 亿元。而在矿山 城市，采空区危害尤为重要【5 】。 在矿山灾害研究中，危害辨识和风险评估的研究，是近年来矿山灾害科学研究 十分关注的研究方向。在岩石力学研究取得巨大进步的今天，对于地下采空区灾 害力学机制的研究已取得了巨大的进展， 不多，国内在这一领域的研究尤其薄弱， 然而在采空区风险评估研究方面的报道 有的研究方面几乎还是空白。因此，通 过开展采空区危害辨识和风险评估方法研究，对采空区进行风险评估，从而对各 类采空区进行有效的风险管理和合理治理，以减少地下采空区造成的生命财产损 失和节约防灾减灾工程费用。这是一项极具理论价值和现实意义的重要研究课题。 地下采空区危害辨识和风险评估方面的研究是一项既涉及自然科学理论，又 涉及社会经济理论的全新的跨学科领域研究，目前，地下采空区危害辨识和风险 评估方面的研究还未全面开展，还有许多工作要做，本论文研究旨在现有的研究 成果基础上，探索地提出适合地下采空区灾害辨识及其风险评估理论方法。其研 究成果价值主要体现在以下几个方面：( 1 ) 为企业发展及中长远规划提供基础背景 中南大学硕士论文第一章绪论 资料。根据采空区风险评估分析结果，可划分受采空区威胁的高风险区、中风险 区以及低风险区，在项目规划、环境保护等方面，可充分考虑采空区的威胁程度。 ( 2 ) 为评价建设工程的适宜性以及地下工程布设提供依据。在采空区存在范围内， 采空区风险评估分析结果可为工程建设和方案优化提供经济效益分析依据。( 3 ) 为 受采空区威胁的区域制定应急措施以及为保障生命及财产安全提供工作基础。根 据采空区风险评估和灾害风险的认识，可指导制订受灾区的灾害防避、治理等措 施，建立科学有效的治理工程，从而最大限度减轻灾害，保证生命安全，减少经 济损失。( 4 ) 直接为科学而经济地组织实旌防灾减灾工程服务。采空区风险评估的 直接结果是预测不同条件下可能产生的灾害损失，根据评价结果，制定合理有效 的防灾减灾措施。( 5 ) 为灾害风险及发生次生灾害的可能性及损失提供参考依据。 通过风险评估，了解采空区的危险程度及破坏损失程度，同时为判断次生灾害的 可能性提供参考依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 危害辨识 现代科学技术和工业生产的迅速发展，为人类提供了更好的物质生活条件， 同时生产过程隐藏着很多潜在的危险。由于重大工业事故的不断发生，自2 0 世纪 7 0 年代以来，预防和控制重大工业事故已成为各国的社会、经济和技术发展的重 点研究对象之一，引起了国际社会的广泛重视，随之产生了“重大危害( m a j o r h a z a r d s ) ”“重大危害设施( h a j o rh a z a r df a c i l i t i e s ) ”等概念呻】。我国通常 将重大危害设旌称为重大危险源1 9 】。 英国是最早系统地研究重大危害控制技术的国家。1 9 7 4 年6 月弗利克斯巴勒 爆炸事故发生后，英国卫生与安全委员会设立了重大危险咨询委员会，简称a c 埘， 负责研究重大危害的辨识、评价技术和控制措施。随后，英国卫生与安全监察局 ( h s e ) 专门设立了重大危险管理处。a c 棚于1 9 7 6 年首次向英国卫生与安全监察局 提交了建议的重大危险源标准【1 2 1 4 1 。 由于a c m h 等机构在重大危险源辨识、评价方面极富成效的工作，促使欧共体 在1 9 8 2 年6 月颁布了工业活动中重大事故危险法令( e e cd i r e c t i v e8 2 5 0 1 ， 简称塞韦索法令) ，该法令列出了1 8 0 种物质及其临界量标准。如果工厂内某 一设施或相互关联的一群设施中聚集了超过临界量的上述物质，则将这一设施或 2 中南大学硕士论文 第一章结论 一群设施定义为一个重大危险源。为突出重点，塞韦索法令列出了表卜1 所 示的1 9 类重点控制的危害物质及其临界量清单。 表1 - 1 欧共体用于重大危险源辨识的重点控制危害物质 物质名称临界量物质名称临界量 一般性易燃物质： 易燃气体2 0 0 t 特殊易燃物质： 氢气5 0 t 特殊爆炸性物质： 硝铵2 5 0 0 t 梯恩梯 5 0 t 特殊毒性物质： 炳烯腈2 0 0 t 氯气 2 5 t 硫化氢 5 0 t 二硫化碳 2 0 0 t 氯化氢 2 5 0 t 极毒物质： 极易燃液体5 0 0 0 0 t 环氧乙烷5 0 t 硝化甘油l o t 氨气 二氧化硫 氰化物 氟化氢 三氧化硫 5 0 0 t 2 5 0 t 2 0 t 5 0 t 7 5 t ! 茎墨壑墼垫! q 墼 堂皇：! ! 丝 国际经济合作与发展组织在o e c dc o u n c i la c t ，( 8 8 ) 8 4 中也列出了表卜2 所 示的2 0 种重点控制的危害物质。 根据塞韦索法令提出的重大危险源辨识标准，1 9 9 4 年，英国已确定了1 6 5 0 个重大危险源，其中2 0 0 个为一级重大危险源；1 9 8 5 年德国确定了8 5 0 个重大危 险源，其中6 0 为化工设施，2 0 为炼油设施，1 5 为大型易燃气体、易燃液体贮存 设施，5 为其它设施。 1 9 9 2 年美国劳工部职业安全卫生管理局( 0 s 眦) 颁布了“高危险性化学物质生 产过程安全管理”标准，该标准提出了1 3 7 种易燃、易爆、强反应性及有毒化学 物质及其临界量，0 s i i 估计符合该标准规定的危险源超过1 0 万个，要求企业在 1 9 9 7 年5 月2 6 日前必须完成对上述规定的危险源的分析和评价工作。 此外，在国际劳工组织的支持下印度、印尼、泰国、马来西亚和巴斯坦等都 建立了国家重大危险源辨识标准。印度在建立了重大危险源控制国家标准的基础 上，已辨识出6 0 0 多个重大危险源，泰国已辨出6 0 多个重大危险源。1 9 9 3 年9 月澳大利亚国家职业安全卫生委员会颁布了重大危险源控制国家标准。澳大利亚 3 中南大学硕士论文 第一章绪论 各州将用该标准作为控制重大工业危险源的立法依据i l5 1 。该标准定义重大危险源 为制造、加工、贮存或处理超过临界量的特定物质的设备或设施。特定物质是指 被确认可能引发重大事故的物质。重大危险设备或设施包括危险物质制造厂，加 工厂，永久性或暂时性贮库，排列放置场，仓库，运输管路，码头等。此外，该 标准还规定了雇主、雇工及主管当局的责任。 表1 - 2o e c d 用于重大危险源辨识的重点控制危害物质 物质名称限量物质名称 限量 1 易燃、易爆或易氧化物质： 易燃气体( 包括液化气) 2 0 0 t极易燃液体5 0 0 0 0 t 环氧乙烷5 0 t氯酸钠 2 5 0 t 硝酸铵2 5 0 0 t 2 毒物： 氨气5 0 0 t氯气2 5 t 氰化物2 0 t氟化氢 5 0 t 甲基异氰酸盐 1 5 0 k g 二氧化硫 2 5 0 t 丙烯腈 2 0 0 t 光气? 5 0 k g 甲基溴化物 2 0 0四乙铅5 0 t 乙拌磷 1 0 0 l 【g 硝苯硫磷脂 l o o k g 墨垦銎 ! ! ! 墼堂丕堕1 2 啦 国际劳工组织认为，各国应根据具体的工业生产情况制定适合国情的重大危 险源辨识标准。标准的定义应能反映出当地急需解决的问题以及一个国家的工业 模式。可能需要一个特定的或是一般类别或是两者兼有的危险物质一览表，并列 出每个物质的限额或允许的数量，设施现场的有害物质超过这个数量，就可以定 为重大危害设施。任何标准一览表都必须是明确的和毫不含糊的，以便使雇主能 迅速地鉴别出他控制下的哪些设施是在这个标准定义的范围内。要把所有可能会 造成伤亡的工业过程都定为重大危险源是不现实的，因为由此得出的一览表会太 广泛，现有的资源无法满足要求。标准的定义需要根据经验和对有害物质了解的 不断加深进行修改。 我国对危险源辨识的研究始于2 0 世纪9 0 年代，1 9 9 6 年，钟茂华和陈宝智利 用人工神经网络理论，对重大危险源进行了分级研究，讨论了危险源分级网络系 统的结构，学习过程和分级方法，并在计算机上进行网络实现与模拟【1 6 1 。吴建军 利用层次分析法a h p ( a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ) ，通过建立危险源的a h p 模 4 中南大学硕士论文 第一章绪论 型，描述工业企业系统危险度的大小，对企业危险源的分级进行了有效的排序【l ” 白勤虎等针对我国工业企业重大危害频繁发生的现象。运用d e l p h i 方法对人一机一 环境系统中大量无法定量的危险源做出概率估算和危险度分级，为建立重大危险 源辨识的定量与定性分析相结合的专家系统做出了一些讨论i 瑚。 2 0 0 0 年9 月，我国颁布了重大危险源辨识国家标准( g b l 8 2 1 8 2 0 0 0 ) 1 1 9 l 。 本标准由国家经贸委安全生产局提出，起草单位为国家经贸委安全科学技术研究 中心和中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院。该标准规定了辨识重大 危险源的依据和方法，它适用于危险物质的生产、使用、贮存和经营等企业组织， 不适应于核设施和加工放射性物质的工厂，但这些设施和工厂中处理非放射性物 质的部门除外。 在安全科技水平先进的国家，可能由于矿山重大安全事故相对较少的原因， 其“重大危害设施( m a j o rh a z a r df a c i l i t i e s ) ”这一概念并未涉及到矿山。我 国是首个将“重大危险源”概念延伸到矿山的国家。 一直以来，对于“矿山危险源”没有形成统一、明确的定义。2 0 0 4 年，唐敏 康、朱易春等对金属矿山重大危险辨识与控制问题进行了讨论【2 0 】，提出依据重 大危险源辨识国家标准( g b l 8 2 1 8 2 0 0 0 ) 和金属矿山的自身特点，对冶金矿山 的重大危险源进行辨识：介绍了矿山重大危险源风险评估的原则、方法及评价报 告的编写要求。 ， “九五”期间，“矿山重大危险源辨识评价技术”被列为国家科技攻关专题 ( 编号为9 6 - 9 1 8 - 0 1 0 2 ) ，作为安全科技研究的主要方向之一。提出了矿山重大 危险源分类，研制了矿山重大危险性辨识标准，评价模型及其有关软件包，为矿 山安全管理和科学的指导检查工作提供了依据【2 “。 地下采空区危害主要体现在两个方面：一方面采空区项板大面积冒落，造成 地表沉陷和开裂，破坏地面环境和影响露天作业；另一方面在矿山开采过程中， 采空区围岩受爆破震动等影响导致岩体裂隙发育，甚至贯通地表或连通老窿积水， 发生突水事故，从而淹没坑道和工作面，造成损失。如2 0 0 1 年7 月广西南丹发生 的特大透水事故就是因为民窿留下大量的采空区积水，相互贯通而造成的。国内 外很多学者在采空区危害预测方面做出了卓有成效的贡献，主要包括对地下采空 区进行精确探测技术的研究，对采空区的治理提出了一些行之有效的方法，同时 还对采空区顶板的稳定性进行了一系列安全评判研究。 国内近年来在利用地球物理勘探技术查明地下采空区方面作了大量的工作， 5 中南大学硕士论文第一章绪论 发展了多种方法，如瞬态瑞利波法、地质雷达、弹性波c t 、超声成像测井等，有 些技术处于国际领先水平。随着我国物探技术测量精度和信息处理速度的提高， 工程物探越来越成为探明地下采空区的一项重要勘探手段。国外采空区探测技术 主要以物探为主，而国内目前探测采空区主要还是靠钻探。钻探技术一方面，因 勘探周期长、费用高，影响了对其使用的范围，另一方面，在探测民采矿这类位 置不清的采空区，有很大局限性。目前国内使用的物探手段，在探测精度、采空 区空间形态探测等方面还需进一步提高。 危害辨识方面存在的问题： 我国矿山重、特大事故十分严重，近年来，我国政府对矿山重、特大事故十 分重视，将矿山重大危险源辨识评价技术列为“九五”国家科技攻关专题， 不少专家学者对矿山重大危险源辨识与控制问题进行了研究，也取得了一系列成 果，然而，与我国矿山的安全生产形势相对照，已有的研究还是远远不够的，造 成这种情况的原因主要是：( 1 ) 对某些基本问题的认识尚未统一；( 2 ) 缺乏系统性 研究；( 3 ) 研究深度不够：( 4 ) 尚未对大面积采空区失稳这一典型的矿山重大危险 源展开深入的研究。 在采空区围岩失稳辨识方面，“九五”国家科技攻关专题( 矿山重大危险源 辨识评价技术) 虽然有所涉及，但只考虑了普通的顶板事故危险性辨识问题。矿 山顶板事故有大有小，通常采场冒顶，或巷道冒顶，一般不会造成重大事故，只 有大面积( 或大规模) 的冒顶才会造成重大事故。对于非煤矿山，大面积采空区 失稳是最大的危害，从问题的复杂性或难易程度而言，大面积采空区失稳的辨识 问题在所有矿山危害辨识中是较复杂的、难度较大的。在岩石力学领域，国内外 不少学者对大面积采空区失稳问题进行过研究 2 2 - 2 6 1 。 1 2 2 风险评估 对于灾害的研究历史久远，但风险评估作为灾害研究领域中- - i 边缘学科近 十几年来随着灾害损失的日益严重和相关学科理论与技术的迅速发展而兴起的， 所以尚未形成完整的理论方法。 二十世纪6 0 年代以前，自然灾害研究仅限于灾害机理及预测研究，重点研究 灾害形成条件和活动过程。7 0 年代以后，随着自然灾害破坏损失的急剧增加，促 使人类把减灾防灾工作提到前未所有的程度。一些发达国家首先拓宽了灾害研究 领域，在继续深入研究灾害机理的同时，开始进行风险评估工作。美国首先对加 6 中南大学硕士论文第一章绪论 利福亚州的地震、滑坡等1 0 种自然灾害进行了风险评估【2 刀，该工作于1 9 6 9 年由 土地保护部提出，由该部的矿山地质处执行。通过该研究，褥出1 9 7 0 2 0 0 0 年加 利福亚州1 0 种自然灾害可能造成的损失为5 5 0 亿美元，如果采取有效措施，生命 伤亡可减少9 0 ，经济损失可以明显减少。 联合国在1 9 8 7 年通过决议，确定二十世纪最后l o 年开展“国际减轻自然灾 害1 0 年”活动。1 9 9 1 年，联合国国际减灾l o 年( i d n d r ) 科技委员会提出“国际 减轻自然灾害l o 年的灾害预防、减少、减轻和环境保护纲要方案与目标” ( p r e e m p t ) 。该决议提出：各国家对自然灾害进行评估：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；把自然灾害评估纳入实现减灾目标之中。 国际减灾活动得到了许多国家的积极响应，从而使风险评估的研究得到了空前发 展。 南安普敦大学c b c h a p m a n 教授在 r i s ka n a l y s i sf o rl a r g ep r o j e c t s ： m o d e l sa n dc a s e s 一书中提出了“风险工程”概念【勰】，他认为，风险工程是对 各种风险分析技术的集成，以有效的风险管理为目标。该框架模型的构建祢补了 单一过程的风险分析的不足，大规模地应用风险分析领域的研究成果。 综合应急评审和响应技术( s y n e r g i s t i cc o n t i n g e n c ye v a l u a t i o na n d r e s p o n s e ) 是由c b c h a p m a n 等人提出的。通过活动、风险和响应图把活动、风 险和对策有效地联系起来，以达到控制风险，降低风险损失的最终目的鲫。 从二十世纪8 0 年代初开始，国外的一些学者开始了岩土工程的风险研究。在 w h i t m a n 【3 l 】的论文中介绍了岩土工程的诸多概念以及在岩土工程风险评估中的应 用。m o r g e n s t e r n 3 4 讨论了岩土工程风险的不确定性以及风险管理问题。l a c a s s e l 3 2 研究了可靠性及概率方法在岩土工程中的应用。v i c k 3 3 1 研究了岩土工程实践中存 在的风险问题。 我国比较系统深入的灾害风险评估是地震灾害。其代表性的工作成果首先是 由国家地震局完成的中国地震烈度区划图及使用规则。该图在对全国区域地震 危险性评价基础上，确定了不同场地条件下未来一定期限内可能遭遇超越概率为 1 0 的烈度值，即地震基本烈度。与此同时，国家地震局先后进行了中国地震灾 害损失预测研究p 捌、未来地震损失评估方法等研究【3 印。通过这些工作，建立了地 震灾害评价指标体系，基本完善了评价内容，初步形成了比较系统的灾害评价理 论和方法。 水利、农林、气象等部门的一些专家分别对一些区域性洪水灾害、森林灾害、 7 中南大学硕士论文 第一章绪论 台风灾害等进行了风险分析和灾情预测评估，编制了风险图，提出了灾情评估和 风险评估的方法和技术( 刘燕华，1 9 9 4 ) 【3 7 】。这些研究对指导行业减灾，提高灾 害风险管理水平发挥了一定作用。 二十世纪8 0 年代以前，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，基本依附于水文地质、工程地质及有关研究工作。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，开始向新的独立学科发展p 剐。 通过国内外的文献可看出，目前有关灾害风险研究的内容主要涉及到灾害发 生的概率评价、灾害风险易损性评价、特定场地的风险计算、确定灾害的可接受 风险水平、灾害损失估计以及灾害保险等。各领域的风险研究深浅不一，有的是 刚起步，而有的是还未开展相关工作。金属矿山地下采空区灾害是地下矿的主要 灾害之一，但在采空区灾害风险分析和风险评估这方面的研究不是很多，不同学 者对风险的认识角度也不一样，目前采空区风险评估的理论也还不完善，因此， 采空区危害辨识和风险评估将是今后发展的方向。 1 3 研究方法与研究内容 本论文在调查分析了大量关于采空区危害辨识和风险评估方面的资料的基础 上，以系统工程理论、可靠性理论、经济学原理、风险评估理论等为基础，对地 下采空区危害进行危害辨识并确定危害的程度；在采空区危害辨识的基础上，对 采空区灾害进行危险性和易损性进行分析，建立了采空区风险评估体系，应用建 立的风险评估体系对铜坑矿目前存在的采空区进行了风险评估，实现了采空区风 险评估及其治理决策的模拟化和定量化，主要研究内容有： ( 1 ) 将地下采空区危害辨识、风险评估和风险控制有机地结合起来建立采空 区风险评估体系，明确了采空区风险评估的概念和内涵，指明了采空区风险评估 的研究方法和理论体系； ( 2 ) 应用事故树分析方法对采空区进行了危害辨识，通过采空区围岩失稳机 理和顶板事故树分析，根据系统安全理论，总结出了采空区主要危害类型及影响 范围，并阐述了如何确定采空区危害程度； 。 ( 3 ) 采用能量转换事故致因模型，分析了采空区产生的各种危害机理； ( 4 ) 在风险分析和风险判断的基础上，进行了采空区风险评估的研究，并得 出了采空区灾害损失评估方法； 3 中南大学硕士论文第一章绪论 ( 5 ) 在危害辨识和风险评估的基础上，提出了采空区风险控制的具体措施： ( 6 ) 应用提出的风险评估方法对铜坑矿目前存在的采空区进行了风险评估。 9 中南大学硕士论文 第二章采空区风险评价体系研究 2 1 引言 第二章采空区风险评估体系研究 目前，对风险评估研究甚多，出版和发表了很多相关文献，形成了各种各样 的方法体系。由于地下采空区风险评估技术研究的时间较短以及人们对风险有关 概念理解各有偏颇，使得其中涉及的很多名词概念都没有统一，如风险分析、风 险评估和风险管理很多资料是把它们等同使用，另外，由于各种风险分析方法和 体系的形成，使得不同的风险评估体系在不同阶段的工作和任务有所重复和交叉。 这些一方面给人们对采空区风险评估的理解设置了障碍，另一方面也给研究工作 带来一定程度的困扰。因此，有必要明确采空区风险评估体系及各部分组成情况。 本章定义了采空区风险的相关概念，分析了采空区风险评估的组成，构造了 采空区风险评估体系框架模型。 2 2 基本概念 风险分析协会( s p a ，s o c i e t yf o rr i s ka n a l y s i s ) 成立之初，建立了一个 专门委员会给“风险”定名，历时四年，该委员会在其最终报告中承认：给“风 险”一个准确的定义很难，而且最好不要给其一个统一的定义，每个研究者都可 以给出自己的定义。只要能够自圆其说即可【3 n 。故笔者的首要任务就的建立起 一套在本论文内应用的基本概念和术语。 2 2 1 危害、危险及风险 危害是可能引起损害的一种条件或一种行为( 损失或损害的一种潜在性) 。 危险是指材料、物品、系统、工艺过程、设施和工厂等对人、财产或环境具 有产生伤害的潜能。 通常认为危害是在一定时间范围内的积累作用，危险强调突发性和瞬间作用。 有时对两者不加区分。统称危险。 风险总是和某些事故相联系的，指人们从事某项活动中，在一定时间内给人类 带来的危害【4 2 】。为理解风险的概念，应先分析事故形成过程。事故形成过程可用 图2 一l 表示。 睁叫 电 h a z a r da c c i d e n t st 腑 图2 - 1 事故形成机理 i o 中南大学硕士论文第二章采空区风险评价体系研究 危险的出现概率、事故的发生及其发生概率、导致何种损失及其概率都是不 确定的，这种事故发生过程中的不确定性，就称为广义上的风险，可写为式( 2 - 1 ) ： r = ，p ，上) ( 2 1 ) 式中：r 一风险； 喊险： p 危险发生的概率； l - 危险发生导致的损失。 在实际的风险分析工作中，人们主要关心事故所造成的损失，并把这种不确 定的损失的期望值叫做风险，这是狭义上的风险，可写为式( 2 - 2 ) ： r=e亿)(2-2) 式中：l _ 危险发生导致的损失。 由此可知危险和风险是不一样的，危险是风险存在的前提。危险转变为现实 概率的大小及损失严重程度的综合称为风险。危险是无法改变的，而风险却在很 大程度上可以随人们的意志而改变，即按照人们的意志可以改变事故发生的概率 和( 或) 一旦发生事故后，由于改进预防措施从而改变损失的程度。人们往往有一 个错误的概念，认为风险越小越好，其实减少风险是以资金的投入作为代价的。 2 2 2 危害辨识、风险评估、风险控制 危害辨识，是进行风险评估和风险控制的前提和基础，是认知危害的存在并 确定其特性的过程。危害的特性，是指危害的类别及其造成的事故类型。因此， 危害辨识有两个关键任务：辨识可能发生的事故后果，识别可能引发事故的危害 特征。 风险评估，通过风险分析，得出所有危险的风险估计，再根据相应的风险标 准，判断该风险是否可被接受，是否需要采取进一步的安全措施，这就是风险评 估。 风险控制，也称风险决策是指针对系统中需要解决的特定风险问题，根据风 险评估的原则和标准，运用现代科学技术知识和风险管理方面的理论与方法，提 出各种风险解决方案，经过分析论证与评价，从中选择最优( 满意) 方案并予以实 施的过程。其实这也就是我们通常所说的风险管理。 根据上面风险的定义，可导出风险评估体系的主要内容，所谓的风险评估体 系，就是在特定的系统中，进行危害辨识、风险评估和风险控制的全过程，如下 中南大学硕士论文第二章采空区风险评价体系研究 图2 - 2 所示： 2 2 3 风险分析与风险判断 图2 - 2 风险评估体系内容 风险分析，是风险评估的初步评价，是根据数据资料对风险影响因素和灾害 后果进行初步评估，并采用科学的方法分析事故发生概率和事故产生后果，为风 险判断做准备工作。 风险判断，是在风险分析的基础上，根据相应的风险标准，判断该评价单元 的风险是否可被接受，是否需要采取迸一步的安全措施。 2 3 采空区风险评估体系 2 3 1 风险评估体系模型 从上一节的概念定义中很容易看出危害辨识、风险分析、风险判断以及风险 决策之间的关系。风险评估体系的基本内容包括：危害辨识、风险分析、风险判 断、风险决策。根据系统分析和决策的关系，采空区风险评估体系的组成及关系 如 ：凰睃瞄j 图2 - 3 采空区风险评估体系模型 1 2 中南大学硕士论文第二章采空区风硷评价体系研究 在本研究中，把危害辨识作为采空区风险的辨识阶段，该段的主要目的是确 定调查分析对象、确定采空区危害类型、分析辨别危害特性。通过风险分析和风 险判断进行风险评估。风险分析是采空区风险的初步评价阶段，主要是确定灾害 发生概率、相对灾害后果和相对风险值，了解采空区整体风险状况。风险判断作 为一般评价阶段，在此阶段中需要根据采空区风险标准确定各采空区的风险等级， 确定灾害范围，参照风险可接受准则判断采空区风险的可接受性，确定需要进行 详细评价的采空区。风险控制是采空区风险的详细决策阶段，在此阶段中需要进 行详细风险分析的采空区风险损失进行定量化，给出风险降低方案，并选出最佳 方案。 2 3 2 风险评估流程 采空区风险评估体系流程如图2 - , t 所示。 由图可以看出，在整个风险评估体系过程中，通过对危害发生的概率和事故 后果量化，来实现风险的定量评价。 从采空区风险评估体系图和流程图还可以看出。采空区风险评估是一个复杂 的体系，其中涉及很多琐碎工作以及入为不确定因素，要进行完全的定量评价将 花费过多的人力、物力和财力。而且，绝对的定量风险评估不仅在采空区风险评 估领域无法实现，在别的领域亦是如此。 因此，通过对采空区风险评估的准确性，经济性及可操作性三者之间的认真 权衡后，本研究将定量风险评估和定性风险评估同时纳入了采空区风险评估模型， 如图2 3 和图2 4 所示，在进行初步评价时，除了部分风险因素的危害概率和灾害 范围进行定量分析外，其余的步骤都采用的是定性或半定量的评价。 从前面的分析可以看出，危害辨识和风险评估是整个风险评估体系的基础， 其辨识评估结果直接影响到采空区风险评估的准确性和决策的科学性。因此，要 详细阐述危害辨识和风险评估的基本原理，分析其组成及流程。 2 3 3 危害辨识模型 危害辨识是进行风险评估和风险控制的基础，采空区危害辨识过程包括对象 确定、调查收集资料、选择分析方法、识别危害类型、分析识别风险影响因素等， 如图2 - 5 所示。 ( 1 ) 确定对象 在进行风险辨识之前，首先应该明确要进行评估的采空区，然后根据收集的 资料和技术人员的分析，采用一定的方法对采空区进行危害辨识。 中南大学硕士论文 第二章采空区风险评价体系研究 【确定评估矿山j l 收集分析瓷辩j 【 采空区划分 l tt l 辨识采空区失稳后危害类型】i 识别事故危害特性 】 【 风险分析 】 t+i i 采空区危害因素分折1【采空区危险性jl 环境影响因素】 、 【明确危害原因，估计危害概率】【 量化危害造成的总体损失 】 i 嗣隆4 坼阶曙f 估计每一个危害引起的风险 j 相对风险值 + 灾害影响范围 【 相关法律法规 】l 社会风险，个体风险 】【采空区风险标准 ill ， 风险判断阶段 采空透风险等氅和风险可接受性】 风险决策 采空区风险等级捧序 f 对目标管理和危险采空区进行风险控制决簸分析l 。实施风险控制措施 图2 - 4 采空区风险评估体系流程图 1 4 中南大学硕士论文第二章采空区风险评价体系研究 ( 2 ) 识别采空区危害 本论文主要是研究采空区围岩失稳后产生的危害，采空区围岩失稳导致能量 转移和释放，所以主要从能量贮存和转移方面识别采空区围岩失稳后产生的危害。 ( 3 ) 明确导致采空区危害的因素 从大量采空区危害分析报告的统计结果可知，导致采空区危害的因素主要有 地质、水文、环境、采矿工艺和采空区的几何参数等因素。 2 3 4 风险评估模型 2 3 4 1 基本原理 ( 1 ) 确定危害因素诱发灾害的可能性 在引起采空区事故的各种危害因素中，地质、水文、环境、采空区的几何参 数等因素是在采空区开挖后就已经存在，所以要分析出这些因素引起事故的可能 性。 ( 2 ) 估计危害造成的后果 采空区危害所造成的损失一般可从人身安全、财产损失、环境影响和信誉损 失四个方面来考虑。其中财产损失在这四个之中是最容易估计；人身伤亡和环境 破坏两方面的损失计算与各国社会的价值观取向关系密切相关；信誉损失是最难 估计的损失，因为它涉及到众多的社会因素和政治因素。 人身伤亡损失包括救治伤员的开支、人生保险费和按国家有关工业事故致人 伤亡赔偿标准支付的伤残抚恤金等。财产损失包括损坏的建筑物、各种设施设备、 中断井下作业的损失，以及风险控制等费用。环境损失必须通过专家和业主对包 括社会、政治和经济等多方面因素进行综合分析才能评定。 ( 3 ) 确定风险可接受性 通过风险分析得出地下采空区风险区域和危害范围，根据采空区风险标准、 社会及个人风险标准，可判断采空区风险是否可接受。根据分析判断可确定出采 空区风险等级：极其危险，不能继续作业；高危险，要立即整改；显著危险，需 要整改；一般危险，需要注意；稍有危险，可以接受。 2 3 4 2 风险评估组成及流程 风险评估主要由风险分析和风险判断两部分组成。 风险分析也就是初步评价阶段，从评价经济性和可操作性出发，仅对部分风 险影响因素进行概率评估，大多数还是经由专家打分或经验判断来确定。在此阶 段，事故后果由危害影响系数来初步评价。 中南大学硕士论文 第二章采空区风险评价体系研究 风险判断，根据采空区风险标准，社会及个人风险标准，可判断采空区风险 是否可接受，根据分析判断可确定出采空区风险等级。 因此，本研究在进行风险评估时参考了其他评估法的一些做法，在此基础上 引入了新的元素，建立了采空区风险评估模型，如图2 6 所示。 图2 - 6 风险评估组成及流程图 该评估法第一步是找出发生事故的各种原因，并加以分类；第二步根据历史 的记录和现场调查依照制定的评分标准加以评分；第三步是把以上的评分得数相 加；第四步是根据采空区的危险性及影响范围大小综合评定危险指数；第五步是 把第三步所得指数加权综合计算，最后得出相对风险数。 2 4 本章小结 本章分析了采空区风险评估体系，得出了以下结论和成果： ( 1 ) 明确和定义了采空区风险评估的相关概念。 ( 2 ) 分析了采空区风险评估的组成，构筑了风险评估体系的框架模型。 ( 3 ) 分析了危害辨识和风险评估的组成和流程。 中南大学硕士论文第三章采空区危害辨识及其分析方法研究 3 1 引言 第三章采空区危害辨识及其分析方法研究 由于开采地下矿体，必然会形成一定空间形态的地下空区，扰乱了矿床周围 岩体中初始应力平衡，于是在采空区围岩岩体中形成二次应力场，随着矿山开采 活动的不断进行，应力场将多次重新分布，一旦超过采空区围岩应力集中区域岩 体的强度极限，岩体就会出现变形破坏。无论是何种破坏形式，可能产生连锁反 应并导致灾害甚至破坏生产系统，造成设备损