煤矿采空区失稳灾害链式响应特征研究.pdf

⑧ 姆避蓠穗蒜孥 H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g 题目 提交论文日期2 Q 1 2 年卫月 寸八 L M 一 ／ 黟厂l 工 作学企工所 万方数据 分类号盟 U D C 工程硕士学位论文 煤矿采空区失稳灾害链式响应特征研究 作者姓名豆晓汪 指导教师魏小文 企业导师李文 申请学位级别工程硕士 工程领域建筑与土木工程 所在单位土木工程学院 授予学位单位河北工程大学 呲0 一 ．一 ㈣1 一 一堑 眦4 一 一∞一 ㈣6 一 一』㈣箜j ㈣3 一 一乳一㈣3一艮睡㈣羔级| l } 一} 1 L 单 密 万方数据 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g F o rt h eD e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n g S t u d yo nc h a i nr e s p o n s ec h a r a c t e r i s ti c so f c o a lm i n eg o a f si n s t a b i l i t yd i s a s t e r C a n d i d a t e S u p e r v i s o r P l u r a l i s t i cS u p e r v i s o r A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r S p e c i a l t y C o l l e g e ／D e p a r t m e n t D O UX i a o w a n g W ，e iX i a o w e n L i W r e n M a s t e ro f E n g i n e e r i n g A r c h i t e c t u r a la n dC i v i l g n g m e e r m g C o l l e g eo f C i v i lE n g i n e e r i n g H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g D e c e m b e r ，2 01 7 万方数据 独创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工猩大堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名 荔魄j 砂 签字日期剜矿年／月； 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑互垦王猩太堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑童垦王猩太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签 导师签名 ∥／7 日 名易船劫 客远。久 签字日期矽／扩年／月；日 签字日期刀谚年t 月多日 万方数据 摘要 摘要 针对煤矿采空区失稳带来的灾害，一直难以有效控制这一关键科学问题，引 入灾变链式理论，研究了煤矿采空区失稳灾害的链式效应，分析了其链式响应特 征，对于研究煤矿采空区失稳灾害具有重要的理论和实践价值。 本文采用现场调研、资料收集分析、理论分析、数值模拟等手段，运用采矿 学、灾害学、开采动力学、岩石力学、突变理论、耦合理论等方法，在灾害链定 义、分类、链式效应理论模型及链式发展阶段研究的基础上，研究了煤矿采空区 失稳灾害的影响因素，获得了多因素耦合作用下的煤矿采空区失稳链式响应特征。 主要结论为 1 煤矿采空区失稳灾害链式载体的表征形式为物质、能量、信息，其性态 演化规律主要表现为潜存性、阶段性、间歇性、周期性、延续性。煤矿采空区会 经历一个“失稳一稳定一再失稳一再稳定“”周期性和阶段性的典型链式过程。 2 煤矿采空区失稳主要影响因素包括区域地质及构造分布、采空区／煤柱 尺寸与形态、采空区覆岩及围岩岩性、地表水系分布、采空区上下及周围煤层开 采情况、采空区类型及遗留时间、采空区地表建筑物及植被分布等7 种，最典型 的影响因素为采空区积水、煤柱和构造。 3 基于尖点突变理论对煤柱稳定性进行了计算，当煤柱的弹性核区的面积 A 1 ．0 8 9 w 2 时，煤柱发生突变失稳。煤柱的稳定性计算都是以煤柱荷载和煤柱强 度为基础的，煤柱的时问效应对煤柱的稳定性也有很明显的作用，通过数值模拟 进行了煤柱应力场和蠕变特征的演化，煤柱的弹性核区不断缩小，导致最后失稳。 4 将采空区灾害耦合系统分为孕灾环境、致灾因素、承灾体，并且对各个 子系统进行了进行了因素归类划分，共分为三级指标。分析了失稳灾害的耦合类 型，子系统内部因素的耦合以及子系统之问的耦合，列出了耦合关系图。分析了 多因素的耦合效应，包括正正耦合和正负耦合。分析了采空区在链式发展阶段的 耦合过程。构建了采空区稳定性灾害的耦合度模型，对失稳灾害进行定性定量分 析，将耦合理论和层次分析法相结合，对指标进行定量描述，确定权重。最后最 系统的列出了耦合度计算公式，对各因素及子系统之间进行耦合度进行计算，得 出耦合的的状态，确定了危险程度。最后分析了多因素耦合作用下采空区失稳机 理。 关键词采空区失稳；链式效应；影响因素；耦合作用；响应特征 万方数据 A b s t r a c t A b s t r ac t I nv i e wo ft h ec o a lm i n eg o a fi n s t a b i l i t yd i s a s t e r ，h a sb e e nd i f f i c u l tt oe f f e c t i v e l y c o n t r o lt h ek e ys c i e n t i f i cp r o b l e m s ，i n t r o d u c i n gt h et h e o r yo fc a t a s t r o p h ec h a i n ，c h a i n e f f e c ti nc o a lm i n eg o a fi n s t a b i l i t yd i s a s t e r ，a n a l y z e st h ec h a i nr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s f o rt h e s t u d yo fc o a lm i n eg o a fh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u eo f i n s t a b i l i t yd i s a s t e r ． T h i sp a p e ru s e st h ef i e l di n v e s t i g a t i o na n dd a t ac o l l e c t i o na n da n a l y s i s ，t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h eu s eo fm i n i n g ，m i n i n gd i s a s t e r s ，d y n a m i c s ，r o c k m e c h a n i c s ，c a t a s t r o p h et h e o r y , c o u p l i n gt h e o r ya n do t h e rm e t h o d s ，b a s e do nt h e d e f i n i t i o n ，c l a s s i f i c a t i o n ，d i s a s t e rc h a i nc h a i nc h a i ne f f e c tt h e o r ym o d e la n ds t a g eo f d e v e l o p m e n to nt h er e s e a r c ho ft h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fc o a lm i n et h eg o a fi n s t a b i l i t y d i s a s t e r , o b t a i n e du n d e rt h em u l t if a c t o rc o u p l i n gm i n eg o a fi n s t a b i l i t yc h a i nr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s ．T h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 T h ef o r mo ft h ec h a i nc o n v e y o ri st h em a t e r i a l ．e n e r g ya n di n f o r m a t i o n ． T h ee v o l u t i o nr u l eo fi t sp e r f o r m a n c ei sm a i n l yl a t e n t ，s t a g e ，i n t e r m i t t e n c e ，p e r i o d i c i t y a n dc o n t i n u i t y ．T h ec o a lm i n e g o a fw i l le x p e r i e n c e a t y p i c a lc h a i np r o c e s so f ”i n s t a b i l i t y s t a b i l i t y r e - i n s t a b i l i t y s t a b i l i t y ～”p e r i o d i ca n dp h a s e d ． 2 T h ec o a lm i n eg o a fi n s t a b i l i t yo ft h em a i nf a c t o r s i n c l u d i n gr e g i o n a l g e o l o g ya n dt e c t o n i cd i s t r i b u t i o n ，g o b ／s i z ea n dm o r p h o l o g y ，t h ec o a lp i l l a rg o b o v e r b u r d e na n dr o c kl i t h o l o g y , s u r f a c ew a t e rd i s t r i b u t i o n ，g o a fa n ds u r r o u n d i n gc o a l m i n i n g ，m i n i n gg o a fa n dt h er e m a i n i n gt i m e ，t h et y p eo fg o a fs u r f a c ed i s t r i b u t i o nt h e b u i l d i n g sa n dv e g e t a t i o na n do t h e r7k i n d so ff a c t o r s ，t h em o s tt y p i c a lg o a fw a t e r , c o a l p i l l a ra n dc o n s t r u c t i o n ． 3 T h es t a b i l i t yo ft h ec o a lp i l l a ri sc a l c u l a t e db a s e do nt h ec u s p c a t a s t r o p h e t h e o r y ．W h e nt h ea r e ao ft h ee l a s t i cc o r ea r e ao ft h ep i l l a rA ”w ， f t’ ／ 1 ”” ⋯。 J 『I， ， ⋯⋯ 。。I o。。 ／ 。。 f i 一【∑删捍w 。 ⋯ k 嬲种R i ⋯ ＼ ／＼， ““” 采空区的积水长期存在对采空区有较大威胁，包括产生溃水，淹井，还有对 煤柱和围岩的水蚀。 4 ．2 ．3 采空区积水诱发采空区失稳灾害的链式阶段划分 采空区积水诱发采空区失稳具有链式灾害的演化特点。根据灾害链式划分阶 段，可划分为孕育阶段、潜存阶段和破坏阶段。 1 灾害孕育阶段。导水通道并没有形成，此时的破坏力不足，时间上来 说一般需要较长时间，受到隔水层厚度和积水量的影响。水源压力、水量越大就 会越危险。灾害孕育的时间一般比较长，一旦破坏则进入下一阶段。 2 灾害潜存阶段。导水裂隙带局部联通，矿井涌水量相对较大，形成潜 在的破坏力，时间短暂，此阶段以防御为主，需“实时监测，先探后采”的原则 开采，同时做好应急措施。 3 灾害诱发阶段。此时的导水通道已经完全形成，涌水量巨大，灾害完成 时间较短，破坏程度大。还会引发一些次生灾害，比如地下水枯竭，地表沉降， 地面干旱等。这些灾害不断的耦合形成复杂的灾害链系统，此阶段主要是灾后重 建和生态恢复。 万方数据 河北工程大学硕士论文 4 ．2 ．4 采空区积水诱发采空区失稳灾害的链灾效应 地表水的渗漏或者直接灌入矿井内会造成淹井，灾害的形成是以应力变化为 基础，多种现象相互促进相互制约的一个过程，灾害的演变包括岩层的应力变化 一山体裂缝一岩层变形破坏的过程。岩体变形破坏阶段所发生的灾害主要包括为 崩塌、垮塌和地面塌陷。崩塌体的体积较大，堆积在坡脚沟道内，堵塞河流地表 水不易排走，易沿裂缝和基岩裂缝向下渗，发生地表水淹井灾害。坍塌坑也是地 表水形成淹井的重要因素，它为地表水提供了汇集的场所，增加了地表水渗透的 几率。老空区积水虽然一般水量补给少，但是范围广，采掘工作经常与其接触， 容易发生透水事故，透水时经常伴有有毒气体，可使人窒息中毒。老空区积水有 腐蚀作用，可对设备，水管水泵等腐蚀破坏，造成严重后果，近些年煤矿在开采 的过程中老空区透水事故时有发生，两个或多个小窑相互贯通，对开采造成不可 估量的灾害。 采空区积水灾害链的同样也是以物质能量信息为载体，造成的灾害瞬间发生。 煤矿在进行开采的时候由于人为因素和带压开采的原因造成导水裂隙带的破坏， 形成通道的局部联通，并没有发生灾害，一旦爆发造成不可估量的灾害。从而形 成最主要的灾害链“含水层一导水裂隙带贯通一矿井突水一淹井”，次生灾害链 为“地下水位下降一区域干旱”、“地面沉降一沉降漏斗一地面塌陷”。目前煤 矿对采空区积水灾害的应对措施为进行疏排，使其不影响下一步的开采，也使灾 害链进行入低谷期采空区积水的疏排有的排到地面，有的排到老空区，则带来 了安全隐患，向上排造成了地下水位下降、地面干旱、甚至塌陷，向下排到老空 区，可能联通其他的采空区的水源形成新的突水水源，为后续的开采增加了隐患， 也可以和其他的致灾因素相互耦合形成链式灾害的路径。从而会有“采空区积水 一污染地表”、“加地下水位下降一区域干旱”、“加剧地面沉降一沉降漏斗一 地面塌陷”等派生灾害链，采空区积水诱发采空区失稳灾害链示意图见图4 4 ，灾 害之间可以互相耦合，从而加剧灾害的破坏力度，带来的灾害无法衡量，采空区 积水的灾害形成的过程特别复杂，具有灾害的共性特点，需要采取合理有效的措 施来应对采空区积水灾害。 刊地下水位下降卜_ 阿丽h ；厩甄] _一阿卧 7 I l专 诱发采空区失稳 I 导水裂隙带破坏尸 一慕空殴水卜 网 图4 - 4 采空区积水诱发采空区失稳灾害的链式效应结构 F i g ．4 5S k e t c hm a po f m i n ef l o o dc h a i n 万方数据 第4 章采空区灾害链链式机理分析 4 ．3 采空区煤柱的影响 房柱式开采后，采空区在一定的时间内保持稳定状态，但是由于受到上部顶 板长期的荷载作用，最终达到屈服强度失稳破坏。对于煤柱的以往研究，煤柱和 顶板常常作为一个整体的系统来分析，这表明煤柱的稳定性还与顶板的力学特性 有关【4 1 ] 另外煤柱在时间的作用下会产生蠕变，慢慢的弱化煤柱支撑的能力，如果 其中一个煤柱失稳，则荷载会转移到其他的相邻的煤柱上，使得其他的煤柱荷载 过大，从而引起大面积采空区顶板的垮落灾害。 4 ．3 ．1 煤柱的破坏形式 通过大量的工程实践表明，煤柱的破坏形式主要有[ 4 2 1 ； 1 沿断层、节理裂隙等结构面滑动破坏 当煤柱中有断层的时候，断层使煤柱失去了侧向约束，在荷载的作用下由于 断层的原因使煤柱在断层面滑动。 2 压张破裂 煤层开采后，煤柱不受侧压，在上部荷载的作用下，煤柱产生较大的横向拉 应力，导致煤柱发生变形破坏，煤柱沿节理裂隙拉裂。 3 拉剪破坏 是一种常见的破坏形式，当煤柱与项底板存在软夹层时候，荷载作用下产生 剪应力，使煤柱拉剪破坏。 4 岩爆 煤柱处在高应力区，当煤柱不能承受高应力情况下，释放应力，造成煤柱岩 爆。 5 压剪破坏 煤柱在开采后不受侧向压力，在顶板和覆岩的作用下，煤柱产生了剪应力， 随着剪应力的增大，煤柱的弹性核区逐渐减小，最终失稳破坏。 4 ．3 ．2 煤柱失稳的影响因素 大量的工程实践表明，煤柱的失稳与诸多因素有关，比较常见的有煤柱高宽 比、开采深度、煤层倾角。同时煤柱的强度会随着时问的改变而降低，流变效应 也是煤柱的稳定性重要的影n 向因素。 1 煤柱的宽高比。 2 煤柱承受顶板及上覆岩体荷载大小。 万方数据 河北工程大学硕士论文 3 煤柱强度抗压强度、抗拉强度、抗剪强度。 4 采场结构尺寸。 5 时间效应。 6 采空区漏风造成遗留煤柱及煤房浮煤自然发火。 4 ．3 ．3 煤柱失稳机理研究 4 ．3 ．3 ．1 煤柱稳定性计算 1 煤柱稳定性计算 工程研究中一般简化得煤柱力学模型为煤柱承受的平均荷载，从安全角度考 虑，取煤柱最危险的状态考虑，即覆岩的荷载全部作用与煤柱上【4 3 ] ，如图4 - 6 所示。 图4 - 6 煤柱承受荷载示意图 F i g ．4 - 7S k e t c hm a po f c o a lp i l l a rl o a d 以均布载荷形式作用在煤柱上的平均应力为 盯， r B ／ I p r n w 口 2 ／w 2 f 4 ．2 、 式中w ，口分别为煤柱的宽度和矿房的宽度，m ；盯。为煤柱应力，M p a ；y 为 覆岩体积力，2 5 K N ／m 3 ；H 为开采深度，m ；P 口2 2 a w ／ a w 2 2 基于尖点突变理论[ 4 4 - 4 5 】煤柱失稳机理分析 采空区开采后，荷载集中在煤柱上，煤柱有塑性区和弹性区组成。弹性核心 区的面积为A ，如图4 ．8 所示。 万方数据 第4 章墨窒匡壅宣堡堡塾垫望坌堑 图4 - 7 煤柱弹性核区和塑性区不惹图 F i g4 - 7S k e t c hm a po fe l a s t i cc o r er e g i o na n dp l a s t i cz o n eo f c o a lp i l l a r 由式 1 可知，煤柱所承受的支撑力为 p矽w岛24-3 根据以往知识可知，煤柱的应力盯和s 及损伤变量D 三者之间的关系、 d E s 1 一D 4 - 4 式中D 1 一e 刮n ，s 。为常数，E 为弹性模量。 在煤柱屈服带内，对于煤柱高度h ，上式可表示为载荷 P 。 与变形 “ 之 间的关系 胪剧≯；鲁 w 2 一矿。 式中U o 为峰值荷载下的变形值 煤柱的弹性核区的面积为A ，对应的载荷为 p 。E 列竽』4 图中所示的力学模型系统总势能为 V ％ 圪一％ 4 _ 5 圪寺扩三一爿 等J 圪寺舻等彳 ％ 跏 d w 2 对V 求一阶倒数，并令其值为0 ，可求得平衡曲面方程M 为 矿’c w 2 一∞等e 一毒 2 一言] 鲁彳一日似口 w ，2 。 4 - 6 上式即力学模型平衡条件。建立尖点突变模型，将平衡曲面矿” o ，求得解为 ““， 3 一万 甜。在进行泰勒展开，取三次项简化 引入无量纲量x 为状态变量，P ，g 为控制变量 一 一 乒 卜 小 屯 堕 坐 筇一 I | 一一向．矿一．■ 等v 鬲 型等 挪显一 卅盟差 2 ，厂一 ∥监向 日 卫一 卜一 ～ 型 万方数据 河北工程大学硕士论文 z 5 “ 一Z ／1 4 8 p 生翌兰 k 二 篁二蜓二型到 4 - 9 9 2 鬻【 s 一√习A E u o 2 2 √i - 3 w 2 - A E u o e 4 9 - 3 爿嗨y 口 W 2 ] 4 ．。。 由式 4 7 ～ 4 1 0 得出以x 为状态变量，以P ，g 为控制变量的尖点突变 模型的方程标准形式为 x 3 皿 g 4 ．1 1 由式 4 ．1 1 得奇点值方程为 3 x 2 p O 4 1 2 将上边 4 ．1 1 和 4 ．1 2 两式联立消去X ，分叉集方程为 4 p 3 2 7 q 2 0 4 ．1 3 考虑t 9 ／／0 2 k 3 一面 掣l W “一A I C ⋯2 3 石 可令{ ，2 函。 3 H 西 l 疗2 i 一 【 w ‘一A P “n 2 C 七 则i g 字订㈣2 尼， 将式中P ，g 代入△ 4 p 3 2 7 q2 0 化简得 △4 一6 2 压 尼 3 孕 压一3 2 一6 2 压 2 k 2 0 4 ．1 4 系统发生突变的必要条件为△ 0 ，通过求解可知，爿 0 4 ．1 5 系统不会发生滑动，断层对采空区不会造成影响。 当∥。N T 0 时，系统处于稳定和不稳定临界状态，只要T 有微小增加或者 N 有微小减小，岩体将运动；因此岩体就会由静摩擦变为动摩擦，动摩擦阻力小 于静摩擦阻力，设动摩擦系数为∥。，这时产生的初始动力为∥。Ⅳ一∥。Ⅳ，断层释放 应变能，岩块在断层处加速运动，将对采空区产生影响，甚至造成其失稳。 4 ．4 ．2 褶曲 从图4 ．2 4 可以看出应力集中处，在煤层转折处，应力集中自然能量也在此聚 万方数据 河北工程大学硕士论文 集，位于此处的采空区容易失稳。 簸大成力区 图4 ．2 4 褶曲构造高应力图 F i g ．4 - 2 4f o l d e ds t r u c t u r e 4 ．5 多因素耦合作用下的煤矿采空区失稳链式响应特征 采空区稳定性是一个复杂的灾害过程，单因素情况下很难导致灾害的发生， 往往是多种因素相互耦合作用的结果【4 9 _ 5 0 ] 。 4 ．5 ．1 多因素耦合作用的定义 在灾害学领域，基于耦合理论与系统理论，可以对包括孕灾环境、致灾因子 以及承灾体在内的灾害系统进行耦合分析，从而获得灾害系统中各子系统之间以 及子系统内部各因素间的相互作用和影响的关系和程度。 采空区失稳灾害是一个复杂系统，系统表现出复杂性和多样性，而且这种耦 合作用的产生，不单单是各个因素简单的累加，需要从非线性关系来考虑采空区 失稳灾害的耦合关系。 设孕灾环境的耦合函数为， e ，口。为耦合判断常数，取值为0 或1 ，当因素间 存在耦合时候取值为1 ，反之取值为0 。耦合因子的数量不同，则因子的数量为 2 z 人的脆弱性 承灾体的脆 弱性 环境承灾靛 财产损失 社会的脆弱性．旷交通中断 羚 ＼建筑的损失 一／f 弋＼ 大气脆弱性 植被破坏率 土壤污染度 图4 - 2 8 承灾体因素耦合关系 F i g ．4 - 2 8C o u p l h a gf a c t o r so fd i s a s t e rb e a r i n gb o d y 承灾体的承灾能力取决于环境的承灾能力、社会的脆弱性、人的脆弱性之间 的相互作用。通过大量的资料的分析，采空区去失稳灾害直接导致人员死亡，建 筑物破坏，生态环境破坏，财产损失。从上图可以看出，承灾体的脆弱性形成路 径包括人的脆弱性一社会的脆弱性一环境的承灾能力一承灾体的脆弱性。采空 区一旦失稳带来的灾害会严重影响到生态环境，自然也会影响到社会经济的发展， 人类正在的生活发展。 4 ．5 ．3 ．2 子系统之间的耦合 采空区失稳灾害是孕灾环境稳定性、致灾因素风险性和承灾体的脆弱性共同 作用的结果，三个子系统耦合是对整个灾害过程系统的描述，它们之间的关系以 及灾害的发生过程如图4 ．2 9 。 万方数据 第4 章采空区灾害链链式机理分析 ， 隧域媲矮溉鞫造努鑫 l _ { 一_蒸采奎鹾艘挫段寸趱搿懑陡j灞潮链f 蠛露托．窭窝l 琶，危避，彰{ 索蛰，l ⅪV 暨一 、Y f 叫 蕊密搿嚣麟} ％霹琏力譬磐鼗释淑 闺■ 采￡掰流．瓣荇蒋i 搭蛔 ■ ，蒜麟簿囊泼，嚣近鬻鉴 瑟￡剖“蘩≥l W 徽u 鬻象区粪麝款遗留时阍 沙f 糊拣密。 一 f 嚣蕊煳、s 麓 } 辅祷 lf孺撼随‘ 采空鼷毯袭建撬韵聂撬被务∥ 叫 籀￡媾戴黪，勰瓣。棹戢霉l ≥一⋯ 一④◇④ 图4 2 9 多系统因素耦合关系 F i g ．4 2 9M u l t is y s t e mc o u p l i n gr e l a t i o n 孕灾环境．致灾因素，承灾体三者结合形成了灾害系统，三者相互作用形成了严 重的灾害，还会产生次生灾害，环环相扣。从上图分析可以看出，经过复杂的耦 合过程，造成的灾害发生，使我们必须防范而且提前提出解决措施。灾害耦合的 路径众多，单因素多因素耦合的路径不同产生的灾害的也不同。 孕灾环境是灾害发生的基础，致灾环境的活跃性有助于促成灾害的形成，其 中自然环境要有适宜灾害发生的条件，社会环境的活跃性在于人类活动和改造， 交通运输等，在孕育的条件下造成采空区失稳灾害的致灾因素。致灾因素是导致 灾害的直接因素，致灾因素的风险性和社会的脆弱性及环境的承灾能力相关，后 两者越脆弱风险出邀大，也就是灾害越严重。在采空区失稳灾害方面，致灾因素 会造成顶板垮塌，煤柱剥蚀，地表塌陷，区域干旱等灾害。承灾体是致灾因素能 量的主要接收者，承灾体在采空区失稳灾害表现为生态环境破坏、人员设备损坏 等，承受的伤害越大，说明系统越脆弱，灾害越严重。 4 ．5 ．4 采空区失稳多因素耦合效应 因为耦合效应的存在导致采空区失稳的复杂性和多样性，灾害的子系统出现 不同的耦合，可以是灾害的程度增强，甚至到最大灾害。每个因素对灾害的作用 万方数据 河北工程大学硕士论文 不同，我们以能量来体现对灾害贡献的大小，能量用正负来表示，也可以叠加， 我们在本文对正耦合做主要介绍。 灾害系统的正耦合有两种形式的存在，第一种就是正正耦合，就是在灾害系 统中两个因子都表现为正的能量并且相互叠加，对灾害都有促进作用，如图4 ．3 0 所示。另外一个是正负耦合，两种能量相反，相互叠加后显示的为正能量但是被 削弱，这种耦合的表现为延续灾害的情况，如图4 ．3 0 所示。采空区失稳灾害的对 外的表现往往是灾害的叠加，所以在此只对促进灾害的发生的正耦合做介绍。 鹚螽效庶， 阴予a 1 正正耦合 灾害弱衽 聪子b 2 正负耦合 图4 ．3 0 灾害因子耦合效应 F i g ．4 3 0C o u p l i n ge f f e c to fd i s a s t e rf a c t o r s 4 ．5 ．6 采空区失稳多因素耦合过程 前面我们对耦合的相关理论进行了分析，知道了关于灾害的因素耦合的作用 和路径以及灾害耦合的类型和效用，我们主要分析了关于能够促进灾害发生的正 耦合，因为采空区失稳灾害因素往往耦合促进灾害的发生，关于链式灾害的过程 我们在发展阶段分析了潜存阶段、孕育阶段和诱发阶段，同样耦合过程也是这样 的发展阶段。 孕育阶段主要为孕灾环境形成以及环境内部因素的耦合，并且在各个子系统 内各个因素耦合形成发展的趋势，如雨水通过导水通道渗透到地下采空区，增加 采空区的积水量，造成采空区积水影响进而诱发采空区失稳灾害。两者的因子相 互作用再反作用给各自子系统。 潜存阶段则是主要发生在致灾因素的耦合，大大增加了灾害的危险性和不确 万方数据 第4 章采空区灾害链链式机理分析 定性，例如围岩的强度长期受到荷载的作用，如果再加上水的作用，则围岩的破 坏更快。煤柱的稳定性也在在随着时间发生着改变，弹性核区在逐渐的减小，采 空区的形态也在发生着改变，种种因素的耦合和应力的不断集中，采空区的失稳 危险性也大大增加，达到灾害的发生的条件。随着围岩体强度与所受应力大小二 者之间关系的不断调整与变化，采空区稳定性也将随之改变，呈现出“稳定一失稳 一稳定一失稳～⋯⋯”的周期性变化过程。 诱发阶段主要是对承灾体造成的严重破坏，煤柱失稳顶板垮塌，进而地面塌 陷、矿震和生态环境的破坏，此时正是各个子系统耦合的最终结果，孕灾环境达 到了最佳条件，致灾环境具有高危险| 生和承灾体脆弱性。 4 ．5 ．7 采空区失稳多因素耦合度模型 构建耦合度量模型的理论模型，进行定性定量分析，分析各个因素或者系统 之间耦合度，并且确定采空区失稳各因素的权重，反应耦合作用的规律，同时也 得到了灾害的发生可能性大小及危害的程度。对系统划分层次指标，运用层次分 析法，对系统进行层次指标划分，最后利用耦合度函数计算耦合度。 I 指标体系构建原则 在构建采空区失稳灾害耦合度体系必须建立在一定的原则基础上，从而体现 出严谨性，系统性，适用性。但同时要考虑偶然因素的发生，对系统进行一个全 面的掌握，充分的进行分析研究。 2 指标体系构建方法 构建指标体系的众多，根据灾害的实际情况选择合适的方法，本文在收集资 料的基础上针对采空区的特点，选用了理论模型分析，对灾害的指标进行统计分 析，构建相对全面的指标。 3 构建指标体系的层次模型 将采空区失稳灾害耦合系统划分为三个层次的指标，最高层次为一级指标， 即为孕灾环境、致灾因素，承灾体。二级指标为一级指标内所对应因素，例如 孕灾环境中的社会环境和自然环境。三级指标为最底层指标，为二级指标所对应 的各个因素，例如自然环境下的气象、图层和地形地貌。评价指标选取的原则是 以尽量少的指标，反映最主要和最全面的信息． 4 确定三级耦合度指标的权重 指标权重的是指标体系的重点，有很多方法去确定权重，本文选用的是层次 分析法[ 3 7 枷] ，属于主观判断的赋值，客观法无法进行赋值获取权重，因此选取层 次分析法来进行分析。 万方数据 河北工程大学硕士论文 5 构造判断矩阵 建立了层次构造模型后，经各因素指标之间逐对地两两比较判断，根据表4 ．7 所示的九级标度将这种判断结果定量化，从而形成比较判断矩阵A ，按定义有 肚霞 x 1 。l X 。。I X 1卫1 X、X。 X mX m X 1 X n 表4 - 7 比较标准意义 T a b l e4 - 7C o m p a r a t i v es t a n d a r dm e a n i n g 4 ．2 2 注标准值2 ，4 ，6 和8 分别表示标准值1 和3 ，3 和5 ，5 和7 ，7 和9 之间的值；若％ 置／X J ， 则1 ／彬， x ，／X ， 6 计算判断矩阵的特征向量和特征值 对于得到的正定互反矩阵D ，其最大特征根丑。。存在且唯一，矽可由正分量组 成，除相差1 个常数倍数外，∥是唯一的。由于判断矩阵是凭专家知识及经验建 立的，难免存在误差，故需进行一致性检验。本文采用方根法进行计算，具体步 骤如下 ①计算判断矩阵每一行元素的乘积M ， M ， 丌日口，i 1 ∥2 - 玎 4 2 3 ②计算M ，的“ 的次方根形， W ，2 √M ， 4 2 4 ③对向量形 矽。，形z ⋯W 。 归一化到权重向量 ∥ 暇，％，％r 眵 谚／∑瓦 4 2 5 J L ④计算判断矩阵的最大值 3 8 万方数据 第4 章采空区灾害链链式机理分析 k 喜等，㈦z ⑤判断矩阵一致性偏离指标，c L 兰坐坚二 。 ”一1 ⑥判断矩阵的偏离一致性比率R 。 式中，对于1 9 阶判断矩阵，，。的值列于表4 8 中。 表4 - 8 平均随机一致性指标取值 T a b l e4 - 8A v e r a g er a n d o mc o n s i s t e n c yi n d e x 4 - 2 6 4 ．2 7 r 4 2 8 判断矩阵阶数 1 234 5 678 9 当R ， 0 ．1 时，认为判断矩阵具有满意一致性，否则需调整判断矩阵，直至 满意一致性检验为止。 7 构造功效函数 假设变量珥 户1 ，2 ，⋯，功是灾害系统的序参量，而％为第z 个序参量的第，个指 标，其值为彬， z ，， 1 , 2 ，⋯，咒 。口，一口岛分别表示系统稳定时第i 个序参量的第_ ，个指 标的上下限值，那么对于采空区稳定性灾害系统，系统的耦合度指标功效函数则 为“f ， 彬J 一声J ，／口1 7 一卢，7 式中，“”表示指标对系统的功效，即为指标对灾害系统的贡献，“，，∈【0 ，1 ] ，甜。 的值越小一致性越差，灾害系统各指标未达到满意度，随着值增大，指标越接近 目标的满意度。 8 构建耦合度函数 根据物理学领域知识，构建耦合度计算模型 任意两个系统耦合度公式 C 口 p ，U ，／ u 。 U s u ， 【，， E 4 - 2 9 式中C ，，表示第i 个系统和第，个系统的耦合度 多个系统的耦合度公式 万方数据 河北工程大学硕士论文 C 4 3 0 式中，C 表示整个系统的耦合度。 系统间的耦合度取值范围C ∈[ 0 ，1 。根据系统的耦合度，可以获得系统所处耦 合状态，灾害耦合状态见下表4 - 9 。 表4 - 9 灾害系统耦合状态表 T a b l e4 - 9C o u p l e ds t a t et a b l eo fd i s a s t e rs y s t e m 耦合度取值系统状态 C 0 O C 0 - 3 0 - 3 C O