煤礦采空塌陷特征與危險性預測研究以北京西山地區為例

張長敏

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

煤礦采空塌陷特征與危險性預測研究以北京西山地區為例

張長敏

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

本文主要利用可拓理論及層次分析法進行了西山地區采空塌陷危險性預測研究,并在典型地段利用概率積分法、數值模擬方法進行了采空塌陷預測。主要思路是探討解決采空塌陷危險性預測、區劃中人為干擾的問題,為開展地質災害預警預報工作提供基礎資料。

北京西山地區煤炭開采歷史悠久,長期的煤炭開采在地下形成了大面積的采空區,時刻威脅當地生態環境和人民生命財產的安全,這些問題已成為研究區內經濟建設發展的制約因素。進行采空塌陷危險性評價可有效預防采空塌陷災害對人民生命財產的危害,保持經濟和環境的可持續發展。因此,開展西山地區采空塌陷危險性預測研究工作對于北京市地質災害防治、防災減災工作方面具有重要的指導作用,對于保護國家和人民的生命財產安全,實現人與環境的協調發展具有重要的現實意義。

前人對于采空塌陷的研究著重分析巖石力學因素,對于地質因素和附加荷載因素的考慮比較少。目前國內外在采空塌陷研究中尚存在一些問題,主要包括:對采礦因素考慮較為周全,對地層結構和地質背景等方面因素考慮較少;評價方法有多種,但進行評價時人為主觀因素占比重較大,比較客觀的評價和預測方法還需要進一步探索;采空塌陷危險性區劃方法的研究深度不夠,不同的評價方法直接影響到區劃結果的準確性,如何探索新理論、新方法進行采空塌陷危險性評價仍需要進一步深入研究;對于地質災害預測、預報、評價模型及其基于GIS實現方法的研究還很薄弱。

從目前國內外研究現狀入手,結合西山地區實際情況,本文重點進行了西山地區采空塌陷的特征分析及危險性預測研究工作。在詳細野外調查、資料分析基礎上對西山地區采空塌陷現狀、煤炭開采歷史與采空塌陷形成的規律、影響采空塌陷的空間分布的各種因素進行了全面系統的總結與論述。同時對國內外采空塌陷危險性預測研究現狀進行了分析,在此基礎上,基于G IS系統、可拓理論及層次分析法提出了采空塌陷危險性區劃模型,進行了采空塌陷危險性評判,取得了以下研究成果:

(1)系統總結了西山地區采空塌陷的發育特征、地面塌陷類型、空間及時間分布等,分析了西山地區采空塌陷分布與覆巖時代、巖體結構、采空區尺寸、煤層傾角、煤層厚度及開采深度、重復采動、水文條件、地形地勢、松散蓋層、構造應力場、不連續面性狀等方面的關系。

(2)基于可拓理論及層次分析法進行了西山地區采空塌陷危險性區劃研究。煤礦開采后引發地面塌陷的危險性預測評估是煤礦地質災害危險性評估的核心內容。由于采空塌陷的影響因素非常復雜,對其研究的文獻也比較少,本文在G IS的支持下,結合層次分析法及可拓模型,以IDL為程序設計語言,進行了采空塌陷危險性區劃研究。

根據研究結果,西山地區采空塌陷危險性共分為5級:四級危險度分區主要分布于門頭溝門城鎮、王平地區,面積為9.81 km2;三級危險度分區主要分布于門頭溝門城鎮、軍莊、潭柘寺、王平、安家灘、大臺、千軍臺、齋堂黃嶺西、馬欄及洪水峪、房山北窖、上英水、中英水、三合村、他窖、史家營、寶水等地區,面積為20.19 km2;二級危險度分區主要分布于門頭溝門城鎮、軍莊、潭柘寺、王平、安家灘、大臺、千軍臺、齋堂黃嶺西、馬欄及洪水峪、房山北窖、上英水、中英水、三合村、他窖、史家營、寶水等地區,面積為42.18 km2;一級危險度分區主要分布于門頭溝門城鎮、軍莊、潭柘寺、王平、安家灘、大臺、千軍臺、齋堂黃嶺西、馬欄及洪水峪、房山北窖、上英水、中英水、三合村、他窖、史家營、寶水等地區,面積為27.28 km2;其他地區為零級危險度分區,面積為1907.65 km2。

(3)進行了典型地段采空塌陷的數值模擬研究。收集了大量西山地區采空塌陷的資料,并進行了現場調查。利用物探和鉆探方法對典型地區的采空分布情況進行了勘查。通過資料分析及現場調查、勘查工作成果,對采空塌陷的發生、演化規律及其控制、影響因素取得初步認識。在此基礎上利用概率積分法和FLAC程序進行了典型地段的采空塌陷危險性預測研究,對108國道K125+400-K125+800路段和門頭溝南港地區采空塌陷引發的地表移動進行了預測評價。

根據模擬計算結果,108國道K125+400-K125+800路段在車輛動荷載、降雨條件及地震荷載作用下,區內地表移動加劇,地表沉陷可達到4.5m左右,水平移動可達到1.5m左右。地表移動將直接造成108國道路基、路坡開裂,甚至導致道路失穩破壞。門頭溝南港地區內馬各莊煤礦采區Ⅰ和Ⅱ地段地面變形較大,預計沉降量為1.7～2.3 m;曲率為0.3×10-3～0.7×10-3/m,水平變形為10.0～23.0mm/m,傾斜為10～24mm/m。南港村東南側地段預計地面沉降量為0.6～1.4m,曲率為0.15×10-3～0.3×10-3/m,水平變形為1.0～6.0mm/m,傾斜為4～10mm/m。

本研究在研究深度、精度及區劃理論、區劃方法方面都進行了探索,在一定程度上豐富了采空塌陷災害理論、方法,提高了地質災害研究水平,可為其他地區地質災害危險性區劃研究工作提供參考。

西山;采空塌陷;GIS;可拓理論;層次分析法

P694;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.03.013

(作者電子信箱,張長敏:dyszcm@yahoo.com.cn)