矿山采空区地面塌陷危险性预测.pdf

第 3期 2 0 1 0年 3月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i ne Au t o ma t i o n No ． 3 Ma r ． 2 01 0 ’ ．。 经验交流 l f◆n◆ ◆ ◆H’ 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 0 0 3 --0 0 7 8 --0 4 矿山采空区地面塌陷危险性预测 于大鹏 ， 覃秋雅 ， 马秉智 ， 毛伟。 1 ． 中国地质大学 武汉 研究生院， 湖北 武汉4 3 0 0 7 4 ； 2 ． 贵州省地矿局 1 0 3地质队，贵州 铜仁5 5 4 3 0 0 ； 3 ． 中国地质大学工程学院 武汉 ， 湖北 武汉4 3 0 0 7 4 摘要 根 据收 集的矿 山数 据 资料 ， 运 用三 角函数 分析 法确 定 了采 空 区地 面塌 陷的影 响 范 围； 选取 顶板 岩 性、 松散层厚度、 开采深度、 地形坡度 、 水文地质条件 、 采动程度 6个因素作为地面塌陷危险性预测的参评子 因素 ， 建 立 了地 面塌 陷危 险性 评判模 型及 评 判指 标 ； 运 用层 次 分析 法 量化 各评 判 指 标得 到 综合 分析 评 判 指 数 ， 将矿 区地 面塌 陷划分 为危 险 区、 较 危 险区和稳 定 区三级 。 关键词 矿 山；采 空 区； 地 面塌 陷 ； 危 险性预 测 ； 层 次分析 法 中图分 类号 T D 9 9 3 文献标 识码 B Ri s k Pr e d i c t i o n o f Gr o u n d Su b s i d e n c e i n Mi n e d o u t Ar e a YU Da p e n g 一， QI N Qi u y a 一， M A B i n g z h i ， MAO W e i 。 1． Gr a d ua t e Sc ho ol o f Ch i na Un i ve r s i t y o f Ge o s c i e nc e s ，W u ha n 43 0 0 7 4，Ch i na ．2． 1 0 3 Pa r t y of Bur e a u o f Ge o l o gy a nd M i n e r a l Re s ou r c e s De v e l o pme n t of Gui z h ou Pr o v i nc e ，Ton gr e n 5 5 43 0 0，Chi n a 3． Eng i n e e r i ng Sc h o ol o f Chi na Uni ve r s i t y o f Ge o s c i e n c e s，W u ha n 4 3 0 0 7 4，Ch i na Ab s t r a c t Ac c or d i n g t o c ol l e c t e d d a t a i n f o r ma t i on o f mi ne ， t he p a p e r us e d t r i g o no me t r i c f un c t i o n a na l y s i s me t ho d t o d e t e r mi ne i nf l u e n c e r a ng e o f gr o un d s ub s i d e nc e i n mi n e ou t a r e a．I t s e l e c t e d s i x f a c t o r s t h a t i s r o o f l i t h ol o g i c c ha r a c t e r ， t h i c kne s s of l o s s e s b e d， mi n i n g de p t h， t e r r a i n s l op e， hy d r o g e o l o g y c o nd i t i on a nd mi n i n g de gr e e a s e v a l u a t i o n s u b f a c t or s o f r i s k p r e d i c t i o n o f g r o un d s ub s i de nc e a nd bu i l t a j u d g i n g mo d e l a n d j u d g i n g i n d e x e s o f r i s k o f g r o u n d s u b s i d e n c e ．I t u s e d AHP me t h o d t o q u a n t i f y e a c h j u d g i n g i n d e x a n d g e t c o mp r e h e n s i v e a n a l y s i s j u d g i n g i n d e x wh i c h c o u l d b e d i v i d e d i n t o t h r e e l e v e l s o f d a n ge r a r e a，mor e d a n ge r ou s a r e a a nd s t a bl e a r e a． Ke y wo r d s m i n e ，mi ne d o ut a r e a，gr o un d s ub s i d e nc e，r i s k p r e d i c t i o n，A HP me t h o d 0 引言 近年来， 我国矿业得到了迅速发展， 但是 ， 矿产 资源 的开发利用 ， 也 产 生 了较严 重 的生态 破 坏 和环 境污染等矿山环境地质问题。由采矿引起的采空区 地 面塌 陷是矿 山最 主要 的环境 地 质 问题 ， 据 不完 全 统计， 2 0 0 1 年度全国因采矿引起的塌陷有 1 8 0处， 收稿 日期 2 0 0 9 1 1 1 2 作者简 介 于大 鹏 1 9 8 2 一 ， 男 ， 山东威 海人 ， 中 国地质 大 学 武汉 研究生院地质工程专业在读硕 士研究生 ， 主要从事地 质灾害 勘察 、 设计及风险预测研究工作 。E ma il y u d a p e n g 2 4 q q ． c o rn 塌陷坑有 1 6 0 0个， 塌陷面积有 1 1 5 0平方公里。全 国发生采矿塌陷灾害的城市有 3 0个 ， 造成严重破坏 的有 2 5个 ， 仅采矿塌陷造成的经济损失达 4 亿元以 上 ， 采 矿业破 坏土地 面积达 4 0 0万公 顷 。 矿山环境保护与综合治理方案编制规范 要求 对评估精度在二级 以上的矿山采空区进行定量分 析， 为矿山地质环境保护及采空区的防治工作提供 科学依据。本文通过调查 、 收集以往地下开采是否 引发地面塌陷的地质灾 害危险性评估 的矿山资料， 采用经验公式进行推导 ， 确定地面塌陷的影响评估 范 围 ， 在 该 评 估 影 响 范 围 内 采 用 层 次 分 析 法 进 行 多因素的采空区地面塌陷的危险性预测。 2 0 1 0年第 3期 于大鹏等 矿 山采空区地面塌陷危险性预测 7 9 1 采 空区地面 塌陷破 坏 的表 现形式 地 面塌陷是 指地表 岩石或 土层 由于地下 矿物质 被采空或溶洞的继续发展或环境条件的改变而引起 地表的下陷或塌落。地面变形是地面塌陷的主要破 坏形式， 主要影响地表变形的因素有以下几个 1 矿层 因素 矿层埋深越大 ， 变形发展到地表所需的时间越 长 ， 地表变形值越小， 变形 比较平缓均匀 ， 但是地表 影 响范 围增 大 。 2 岩性因素 上覆岩层强度高、 分层厚度大时， 产生地表变形 所需采 空面积 大 ， 破坏 时 间长 ， 甚 至长期 不产生地 表 变形 ； 强度低、 分层薄的岩层 ， 常产生较大的地表变 形 ， 且速 度快 ， 但变形均 匀 ， 地表 一般 不 出现 裂缝 ； 脆 性岩层地 表易 产生 裂缝 。厚度 大 、 塑 性 大 的软 弱 岩 层作为上覆层时， 地表变形不明显； 层薄的软岩层作 为上覆层时， 地表变形会很快并 出现裂缝 ， 地表变形 强 烈 。 3 松散 堆积物 地表第 四系的堆积物越厚 ， 则地表变形值增大 ， 但是应力释放空间较大 ， 变形平缓均匀。 4 构造因素 岩层节理裂隙发育会促进变形加快 ， 增大变形 范围， 扩大地表裂缝区。断层发育地 区会破坏地表 移动的正常规律， 改变地表变形带 的位置和大小且 加剧地 表变形 。 5 地 下水 因素 地下水活动 特别是抗水性弱 的软弱岩层或节 理裂隙发育的强透水岩层 会加快变形速度 ， 扩大地 表变形范围， 加剧地表变形 。 6 开采条件 因素 矿层的开采和顶板的处置方法以及采空区的大 小、 形状、 工作面推进速度等 ， 均影响地表变形值 、 变 形速度 和变形 的形式 。 2采空区地 面塌 陷影响范 围的确定 在采空区地面影响的 2 M 范围内 M 为采矿巷 道的长度 ， 地表移动最活跃 ， 大部分塌陷裂缝在这 里产生。当矿层埋深不变的情况下， 开采宽度越大 ， 地表变形 的范 围越大。本文采用经验公式进行推 导 ， 通过计算来确定 比较合理的评估影响范围。 2 ． 1 缓倾 斜矿层 0 ～5 4 。 地 面塌 陷的预测 首先 ， 利用三角关 系算出缓倾斜矿层 的塌陷影 响宽度 D 计算示意图如图 1 、 图 2 所示 。 一 南 L KC O S a 2 M 1 M一 H -- h t a n t a n y S DL 式中 D为塌陷影 响宽度 ； H 为开采 中段顶板 距地表的距离 ； h为松散 层厚 度； K 为矿体 长度 ； a 、 、 y为图 1和图 2中所示的各角度。 若地面产生塌陷， 塌陷面积和采空面积均可视 为长方形， 初步可简化为塌陷影 响宽度 D 与长度 L 之积 。地面塌陷的宽度和长度可用三角关系算 出 ， ， 一般取 4 5 。 ， 由此可计算出地面塌陷的面积 S 和位置 。 地面标 开采 中 顶板标 开采下 } 散 移动角 ／ ／ r l 上山移动 ∥ 卒 松 散 层 厚 后 ／ ／_ 矿 层 倾 角 图 1 缓倾斜 塌陷影响范 围计算示意图 倾向 公 散移动角 l l 端部移 松散层厚废 I 图 2 缓倾斜塌陷影响范围计算不意图 走 向 2 ． 2 急倾斜 矿层 5 5 ～8 5 。 地 面塌 陷的预 测 同样 ， 利用三角关系算 出急倾斜矿层 的塌陷影 响宽度 D 计算示意图如图 3所示 』 。 一 l s DL 式 中 n为矿 体 的平 均 厚 度 ； a 、 、 ， 、 为 图 3中 所示 的各角 度 。 对于急倾斜矿层 ， 地面塌陷影响长度 L 的计 算方法与缓倾斜地面塌陷影响长度 的计算相 同， 同 样塌陷面积 S 和采空面积均可视为长方形， 可简 化为塌陷影响宽度 D 与长度 L 之积 。 地面标高 开采中段 顶板标高 开采下限 图 3 急倾斜矿层塌陷影响范围计算示意 图 倾 向 8 0 工矿 自动 化 2 0 1 0年 3月 3采空 区地 面塌 陷的危 险性量化 3 ． 1 地 面塌 陷影 响 因素 的选取 采空区地面塌陷是诸多因素综合作用 的结果 ， 通过对评估影响范围地面塌陷的详细调查和对地面 塌陷的破坏表现形式的研究并结合实际生产的工作 经验 ， 选取 6 个 因素作为地面塌陷危险性预测的参 评子因素 ， 即顶板岩性 、 松散层厚度、 开采深度 、 地形 坡度 、 水文地质条件 、 采动程度。 3 ． 2地 面塌陷危 险性指数 的确定 采空 区塌 陷 的危 险性指数 由式 3 确定 n Z一 Qy 。 3 式 中 Z为采空 区地 面塌 陷 的危 险 性指数 ； Q为 某类影响因素的权重 见表 1 ； Y 。 为某类影响因素 的按量化等级所取的分值。 表 1 各影响因素权重分配及量化取值 式 3 中影响因素的权重与影响因素的量化分 值是通 过 当地 专家 打分 所 得 ， 可 以根 据 2个 影 响 因 素相对重要度大小构造判断矩 阵并进行一致性检 验。本文对专家的评价指标构建判断矩阵并进行计 算 ， 随机一致性 比率 C R 小于 0 ． 1 计算过程 占用 篇幅较大， 略 ， 表明参评指标判断矩阵具有较高的 一 致性 ， 影响因素权重值分配合理 ， 可以使用 。 3 ． 3地 面塌 陷危 险性的 划分 将要进行危险性预测的范围进行网格剖分并将 网格单元 编号， 在每个 网格单元 运用层次 分析法 层次分析法简称为 AHP法， 是一种定性与定量相 结合的多 目标决策分析方法， 适用于 目标结构复杂 且缺乏必要数据时使用 量化各评判指标得到综合 分析评估指数 ， 综合所有单元的综合分析评判指数 建立评估区间， 一般按照规范要求将地 面塌陷的危 险性分为三级， 即 工级为危险性大区 A区 、 Ⅱ级为 中等危险性大区 B区 、 I n 级为稳定区 c区 ， 危险 性区域预测的划分要遵循“ 区内相似， 区际相异” 的 原则并要符合评估 区域的实 际情况 ， 通过现场实际 表现特征来检验分区， 各级分区主要特征如下 1 I 级危险区指地面塌陷评估影响范围内的 坑 、 裂缝多 ， 地表变形强烈。危害性严重 ， 评估 区内 产生明显的地表变形， 受胁人员多， 建筑物严重倾斜 或 损毁 ， 地 表水 系缺失 ， 植 被毁坏 严重 。 2 11 级危险区指地面塌陷评估影响范围内偶 见塌陷坑 、 裂缝较多， 地表变形不明显。危害性较严 重 ， 评估区内受胁人员较多， 建筑物局部开裂或植被 毁 坏 。 3 Ⅲ级稳定区指地面基本无塌陷坑、 地裂缝 ， 地表形态变化较小或无变化。基本无受胁人员， 建 筑物完整未破坏 ， 地表植被基本无毁坏。 4 结论 1 运用公式推导计算得到确定的采空区地面 塌陷评估影响范围， 为危险性分区提供依据， 在该区 域要 加强地 表变形 监 测工 作 ， 地 表变 形 较 强烈 时要 拉铁 丝 网进 行保 护并 树立 警 示标 志 ， 禁 止 闲杂 人 员 进入 。 2 采空区地面塌陷是诸多因素综合作用的结 果 ， 利用层次分析法结合专家打分赋予 因素权值进 行多因素分析预测 ， 可以比单靠顶板安全厚 高 度 来进行危险性分区预测更加细化 、 准确、 科学。 3 采空区地面塌陷评估影响范围的确定及危 险性 预测 的指标量 化采用 的系数 大多 以地 区经验 为 主， 符合地方实际情况， 易于在生产中推广应用。 4 采空区地面塌陷危险性预测评估具有局限 性 ， 即使在采矿活动中不会引起地面塌陷， 但随着时 间和条件 的改变 ， 也 可能对 建设工 程造成 破坏 。 参考文献 [ 1 ] 中华 人 民共 和 国 国土 资 源部． D Z ／ T 2 2 3 --2 0 0 7矿 山 环境保护 与综 合治 理 方案 编 制规 范 [ S ] ． 北 京 标 准 出版 社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 华 ， 孙英 波 ， 王学森 ． 山东省巨野煤 田采 空区塌陷 预测与治理规划[ J ] ． 中国地质灾害与防治学报， 2 0 0 8 ， 1 9 4 3 7 - 4 1 ． [ 3 ] 全桂光． 矿山采空区地表塌 陷范 围预测探讨 [ J ] ． 有 色 矿冶 ， 2 0 0 8 ， 2 4 5 1 1 - 1 2 ． [ 4 ] 戚冉， 黄建华 ， 郭春颖． 矿 山地 面塌陷预测方法研究 [ J ] ． 中国矿业 ， 2 0 0 8 ， 1 7 6 3 9 4 2 ． [ 5 ] 王军 ， 梁亚林 ． 矿 山岩 移和 塌陷 的 预防 与控 制 [ J - I ． 矿业快报 ， 2 0 0 8 ， 4 6 9 5 5 6 5 8 ． [ 6 ] 李宗发 ． 关于传 脉 大 巷顶 板 安 全厚 度 的 计算 方 法 的 探讨[ J ] ． 贵州地质 ， 2 0 0 8 ， 9 5 2 1 4 6 1 4 8 ． 第 3期 2 0 1 0年 3 月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i ne Aut o ma t i on NO ． 3 M a r ．2 O 1 0 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 0 0 3 0 0 8 1 0 4 矿用气体传感器检定装置的研制 宋柏 ， 刘 志军 西安 科技 大学 电气与控 制工程 学 院 ， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘 要 介绍 了一种 矿 用 气体传 感 器检 定 装 置 的设 计 ， 分 别从 核 心 处理 电路 、 信 号检 测 电路 和 电源 电路 3个方面阐述 了装置的硬件组成 ， 并给 出了装置的软件程序流程 图。现场试运行结果表 明， 该装置可方便快 捷 地 完成 矿用 气体传 感器 的周期性检 测 工作 。 关键 词 矿 用 气体 传感 器 ； 检 定装 置 ；周期性检 测 ；L P C 2 1 3 1 中图分类号 T D 7 1 2 ． 5 5 文 献标识 码 B De v e l o p me n t o f Ca l i b r a t i o n De v i c e o f M i n e u s e d Ga s Se ns o r S ONG Ba i ， LI U Z h i - j u n S c h o o l o f El e c t r i c a l a n d Co n t r o l E n g i n e e r i n g o f Xi a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， Xi a n 7 1 0 0 5 4 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e p a pe r i nt r o d uc e d de s i gn of a c a l i br a t i o n d e v i c e o f mi n e u s e d ga s s e ns o r ． I t e x po un d e d h a r d wa r e c o m p o s i t i o n o f c or e pr o c e s s i n g c i r c u i t ，s i gn a l de t e c t i on c i r c ui t a n d p owe r c i r c ui t o f t he de v i c e， a nd g a v e f l o w c h a r t o f s o f t wa r e pr o g r a m o f t he de v i c e ．Th e r e s ul t o f f i e l d t r i a l r u nn i n g s ho we d t ha t t he d e vi c e c a n f i ni s h p e r i o di c de t e c t i o n f o r mi n e u s e d g a s s e ns o r c o nv e n i e nt l y a nd q u i c k l y． Ke y wo r d s mi ne u s e d g a s s e ns o r ，c a l i br a t i o n de v i c e ，p e r i o d i c d e t e c t i o n，LPC21 31 0 引言 矿用气体传感器是指在煤矿开采过程中需要安 装在采矿区、 主巷道或通 风巷道中的 甲烷、 一氧化 碳、 氧气等气体传感器 。诸多气体传感器 中以甲烷 传感器的作用最重要 、 用量最多。本文 中所提到的 矿用气体传感器主要是指甲烷传感器。 矿用气体传感器的工作状态直接关系到煤矿安 全 监控 系统 的可 靠性 和灵 敏度 ， 对 监 测监控 起 着决 收稿 日期 2 0 0 9 1 1 2 O 作者简介 宋柏 1 9 5 0 一 ， 男 ， 陕西西 安人 ， 高级工程 师， 研 究 方向为煤矿安全生产及其 自动化。E ma i l l z j 0 2 0 8 s o h u ． c o m 定作用。为保证矿用气体传感器测量的准确性 ， 国 家安全生产监督管理总局规定 “ 安全监控设备必须 定期进行调试 、 校正， 每月至少 1次。甲烷传感器 、 便携式甲烷检测报警仪等采用载体催化元件的甲烷 检测设备 ， 每 7天必须使用校准气样和空气气样调 校 1次。每 7天 必须 对 甲烷 超 限断 电功能 进行 测试 ” [ 。 国产甲烷传感器几乎全部采用载体催化元件制 作， 按照其输 出信 号的不 同， 甲烷传感器分为以下 几种 1 电流型 即输 出 1 ～5 mA 或 4 ～ 2 O mA的 直流电流； 2 频率型 即输 出 5 ～1 5 Hz或 2 0 0 ～ 1 0 0 0 Hz 、 脉 冲 宽 度 大 于 0 ．3 ms的频 率 信 号； 3 数字信号型 即输出电平值不小于 3 V的数字 E 7 ] [ 8] [ 9] [- 1 0 ] 王晖 ， 杨为 民， 王兵 ， 等． 基 于 G I S技术 的煤矿 采 空区的地表塌陷危险性评判 [ J ] ． 煤 炭工程 ， 2 0 0 8 9 11 9 12 3 ． 刘峰 ， 郭跃 丽． 采 空 区塌 陷引 发 的环 境 问题 I- J ] ． 矿业安全与保护 ， 2 0 0 3 ， 3 0 2 2 9 3 0 ． 杨卫中 ， 陈海 洋． 基 于 G I S的评 价 因 子 权 重分 配法 口] ． 地理空 间信息 ， 2 0 0 6 ， 4 6 3 9 4 1 ． 白云飞， 邓 建 ， 董 陇军 ， 等． 费歇判别 分析方 法在采 空区塌陷预测 中的应 用[ J ] ． 矿业 研究 与 开发 ， 2 0 0 8 5 ． [ 1 1 ] 来平 义． 对 煤 矿 采 空 区塌 陷进 行 的分 析 [ J ] ． 山 西 建筑 ， 2 0 0 9 1 5 ． [ 1 2 ] 荆洪英 ， 张利 ， 闻邦椿 ． 基于层次分 析法 的产 品设计 质量权重分配 [ J ] ． 东北 大学学 报 自然科 学版 ， 2 0 0 9 5 ．