东胜矿区哈拉沟井田地质灾害危险性评估.pdf

哈拉沟井田位于神府煤田东胜矿区中部， 地处 陕西省神木县北部、 陕蒙两省交界处的乌兰木伦河 东侧，南距矿区中心区大柳塔镇5km。 近年来，随着 煤矿生产能力及开采范围的不断扩大， 原有井田内 的2-2煤层资源已开采殆尽，神华集团神东煤炭分公 司拟将哈拉沟煤矿改扩建升级为1 000万t/a的特 大型矿井。已有研究表明，哈拉沟煤矿改扩建所在区 域为地质灾害高易发区，为了矿山建设的安全运营， 有必要进行建设工程地质灾害危险性评估工作。 本文在分析研究区地质灾害现状及开采地质灾 害预测基础上，采用模糊综合评判法，对哈拉沟井田 地质灾害的危险性进行综合评估， 并提出相应的治 理措施，为未来煤矿安全生产提供基础依据。 1矿区地质环境条件 1.1地质条件 哈拉沟井田位于陕北黄土高原北部与毛乌素沙 漠东南缘的接壤地带，地形起伏较大，东高西低，相 对高差265.5m。 以风沙地貌为主，地形地貌较为简 单。 该区地表主要为风积沙，出露的地层有延安组、 直罗组、三趾马红土、萨拉乌苏组和离石组。 地层沿 河谷分布冲积层，总体呈向西倾斜的单斜构造，倾角 一般小于1，无大型断层，构造属简单类型。 1.2气象、水文条件 哈拉沟井田多年平均降雨量为436.6mm， 井田 中东部的红土出露区是地表水分水岭， 两侧分属于 乌兰木伦河与勃牛川水系。 井田周围有常年性河流 乌兰木伦河、哈拉沟、七概沟、沙沟等，其中乌兰木伦 河是井田西部最大的河流。 1.3采矿条件 根据工作面顶板冒落的难易程度，将顶板分为5 类易冒落的松软顶板、中等冒落性的顶板、难冒落 的坚硬顶板、极难冒落的坚硬顶板、可塑性弯曲的顶 板。 研究区可采煤层累计总厚度为3.0717.5m，各煤 层以中等难冒落顶板为主， 局部为中等易冒落 东胜矿区哈拉沟井田地质灾害危险性评估 秦国建 （煤炭科学研究总院西安研究院，陕西 西安710054） 摘 要在详细调查研究区内地质灾害现状的情况下，对采煤引起的覆岩破坏、地表变形等进行了预测，并采用模糊 综合评判二次评价模型对地质灾害危险性进行了综合预测。 结果表明，研究区地质灾害现状不发育，但井下采矿工 程对地面建筑物的危险性大，易引发崩塌、地裂缝、地面塌陷等灾害；预测地质灾害危险大区分布于井田北部、东部 和南部，危险性中等区则位于井田中部。 预测结果对于矿井的安全生产具有一定的指导意义。 关键词地表变形；覆岩移动；模糊综合评判；危险性预测 中图分类号X141文献标识码A 作者简介秦国建（1975），男，贵州翁安人，工程师，主要从事地质 灾害评估及煤矿环境影响评价工作。 收稿日期2010-01-25 责任编辑樊小舟 Geological Hazard Risk uation in Halagou Minefield, Dongsheng Mining Area Qin Guojian Xian Institute, China Coal Research Institute, Xian, Shaanxi 710054 Abstract Based on detailed investigation of geological hazard status in the study area, predicted overburden destruction and surface deation caused by coal mining. Through the use of fuzzy synthetic discrimination quadratic uation model, comprehensively predicted geological hazard risks. The result shows geological hazard status quo in the study area is not serious, but risk of underground mining engineering to surface structures is serious, easy to initiate hazards of landslide, ground fissure, surface subsidence etc. Predicted high risk areas are mainly distributed in the northern, eastern and southern part of the minefield, while the medium risk areas in the middle part of the minefield. The predicted result has certain guiding significance to mine production safety. Keywords surface deation; overburden movement; fuzzy synthetic discrimination; risk prediction 中 国 煤 炭 地 质 COAL GEOLOGY OF CHINA Vol．22 No．4 Apr．2010 第 22 卷 4 期 2010 年 4 月 文章编号1674－1803（2010）04－0054－05 doi10.3969/j.issn.1674-1803.2010.04.13 4期 顶板。2-2煤层以上部分地段顶板由风化岩组构成，形 成易冒落顶板。 底板多为隔水的粉砂岩、泥岩，多属 半坚硬岩类，岩体工程地质条件良好，底板稳定。 区内人类工程活动因地而异， 在乌兰木伦河一 带人类工程活动强烈，其它地区较强烈。总体上人类 工程活动较强烈。 2地质灾害现状分析 研究区主要地质灾害类型为地面塌陷。 由于井 田地表大部分为固定半固定风沙堆积区， 存在风 蚀沙埋灾害。 地质灾害具有以下特点 ①大部分煤矿区地面塌陷特征不明显。 采空区 地面塌陷分布在沙峁乡哈拉沟煤矿内， 而地面塌陷 隐患则分布在原哈拉沟煤矿及井田周边小煤矿内。 ②地面塌陷隐患区多为危害程度小的煤矿，由 原哈拉沟煤矿、瓷窑湾煤矿已停产、前石畔煤矿 （已停产）、 瓦罗乡刘石畔煤矿、 丁家渠村炭窑渠煤 矿、昌盛煤矿、郝家壕村办煤矿开采形成（图1）。 仅 原瓷窑湾煤矿、 瓦罗乡刘石畔煤矿采空区地面塌陷 隐患危害程度大，危险性大。 ③风蚀沙埋灾害的危害程度小，危险性小,主要 分布在井田南部哈拉沟两岸及东部沏概沟岸地区。 3矿区开采地质灾害预测分析 3.1采矿工程引发或加剧地面变形的预测 根据大柳塔矿采空区地面塌陷监测的经验，采 用概率积分法进行地表变形量预测。 模式如下 最大下沉值WcmMqcosα，mm； 最大倾斜值icmWcm/r，mm/m； 最大曲率值Kcm1.52Wcm/r2，10-3/m； 最大水平移动值UcmbWcm，mm； 最大水平变形值εcm1.52bicm，mm/m。 式中M煤层开采厚度，m，（取值见表1）； H煤层埋藏深度，m，（取值见表1）； α煤层倾角，取值1； q下沉系数，初次采动的取值0.62，重复采 动的取值0.65； b水平移动系数，取值0.31； r开采影响半径，m；其中rH/tgβ（根据矿区 采空区塌陷检测的经验值， 初次采动影响角正切 tgβ2.0；重复采动影响角正切tgβ2.4），通过计算，r 为7095m。 通过上述一系列计算， 得出哈拉沟井田首采区 煤层开采后地面预测结果（表2）。 3.2覆岩移动变形及引发地质灾害危险性预测 覆岩移动变形对含水层影响主要受冒落带、导 水裂隙带高度控制，采用建筑物、水体、铁路及主要 井巷煤柱留设与压煤开采规程 中的公式计算两带 高度。 冒落带高度的预测 煤层埋深M/m煤厚H/m 1-2 上14.4791.00 44.46 0.803.12 1.33 1-2 27.14117.58 62.37 0.802.79 1.54 2-2 27.93139.92 88.44 0.806.45 5.30 3-1 37.54186.37 134.02 0.803.50 2.60 4-2 79.58224.30 176.63 0.802.34 1.80 4-3 98.20244.17 183.52 0.801.66 1.39 4-4 112.38257.15 206.76 0.801.35 1.16 表1首采区煤层埋深及煤层厚度 Table 1 Coal seam depth and thickness in first mining district 图1研究区采空区分布示意图 Figure 1 A schematic diagram of gob area distribution 秦国建东胜矿区哈拉沟井田地质灾害危险性评估 55 第22卷中 国 煤 炭 地 质 煤层冒落带/m裂隙带/m 1-2 上5.719.96 7.11 27.8940.46 32.02 1-2 5.799.70 7.58 28.1139.66 33.40 2-2 5.7915.43 13.97 28.1161.58 55.17 3-1 6.3912.07 10.33 29.9047.42 41.71 4-2 6.1110.00 8.47 29.0840.59 36.02 4-3 6.048.39 7.41 28.8735.77 32.89 4-4 5.717.53 6.83 27.8933.24 31.20 5-2 6.0011.50 7.97 28.7645.44 34.62 表3可采煤层冒落带、导水裂隙带发育高度计算结果 Table 3 Calculated results of caving zone, water conducted zone heights above mineable coal seams Hm 100∑M 4.7∑M19 2.2， 导水裂隙带高度预测 HLi 100∑M 1.6∑M3.6 5.6或HLi20∑M姨10， 式中M煤层的开采厚度，m，（取值见表1）。 计算结果见表3。 4地质灾害危险性综合评估 影响矿山地质环境危险性的因素很多， 各因素 存在不确定性，目前多采用可拓学原理[1]、模糊综合 评判[2]、GIS技术[3]和层次分析[4]等方法研究。 鉴于影 响因素具有模糊性， 模糊综合评判则可将模糊指标 转化为定量分析。 本文拟采用模糊综合评判二次评 价模型进行研究。 应用模糊综合评判时， 关键是隶属函数和权重 的确定。 隶属函数多采用线性函数[5]和二值模型[6]等 方法确定，而权重则通过灰色关联分析[7]和专家打 分法[2]等方法确定。 4.1地质灾害危险性评语集及因素集 根据本区地质灾害的现状及预测分析， 将地质 灾害危险性等级划分为三级， 即构成评语集V{危 险性大，危险性中等，危险性小}。 针对矿区地质条件及已有成果， 将影响因素分 为地质条件、 采矿条件和诱发条件三类， 即因素集 U{地质因素，采矿因素，诱发因素}。其中，地质因素 包括地形地貌、地形相对高差、第四系覆盖厚度、岩 土体类型、地质灾害易发性和构造发育程度；采矿因 素包括煤层顶板稳定性、底板稳定性、深厚比；诱发 因素包括水文条件和人类工程活动（表4）。 4.2隶属函数 各参评因子对地质灾害危险性等级的隶属程度 用隶属度表征，隶属度用隶属函数表示。本文中的隶 属函数，可采用以下统一的形式 u1（x） 1，x≤a1 （a1a2）-2x a2-a1 ，a1x a1a2 2 0，x≥ a1a2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ， u2（x） 2x-2a1 a2-a1 ，a1x a1a2 2 1，x a1a2 2 2a2-2x a2-a1 ， a1a2 2 xa2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ， u3（x） 0，x≤ a1a2 2 2x-（a1a2） a2-a1 ， a1a2 2 xa2 1，x≥a2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ， 煤层沉降值/Wcm倾斜值/icm曲率/Kcm水平移动/Ucm水平变形/εcm 1-2 上 502.201 438.11 823.82 15.82108.06 45.13 0.7321.86 5.03 155.65445.81 255.38 7.4550.92 21.26 1-2 533.091 429.71 975.01 13.81101.14 39.63 0.3613.61 2.92 165.20443.21 302.25 6.5147.66 18.67 2-2 427.714 321.64 3 342.83 30.32257.01 90.98 0.8727.97 4.41 157.571 299.42 1036.28 14.29121.10 42.87 3-1 643.372 274.55 1 687.60 11.50117.99 33.43 0.3111.47 1.16 199.45705.11 523.16 5.4255.60 15.75 4-2 591.381 520.70 1 168.08 10.1729.40 16.57 0.181.35 0.37 183.33471.42 362.10 4.7913.85 7.81 4-3 701.861 078.78 901.37 8.3020.01 12.26 0.130.56 0.26 217.58334.42 279.42 3.919.43 5.78 4-4 519.90877.32 756.56 5.8118.04 9.11 0.090.59 0.17 161.17271.97 234.53 2.748.50 4.29 表2首采区地面沉降、倾斜、移动和变形预测值 Table 2 Predicted data of first mining area surface subsidence, tilting, moving and deing 56 4期 式中uix各评价因子的隶属函数； x评价因子的实际值； a1、a2评价因子对评价级别的基准界限值。 对于分类指标越大越好的定量指标， 采用升半 梯形分布隶属函数曲线确定其隶属度； 对于分类指 标越小越好的定量指标， 采用降半梯形分布隶属函 数曲线确定其隶属度；对于定性指标，按其隶属关系 直接赋值1或0。 4.3权重的确定 模糊矩阵R只表达了各因子对应评价等级的 隶属程度， 并不能直观地反映不同因子对各级指标 因素的权重。 为了客观地反映因子对因素作用的大 小以及因素对整体环境作用的大小， 可采用灰色关 联方法计算结合专家打分法确定其权重（表5）。 经过对二层评判后， 按最大隶属度原则确定该 区域的地质灾害危险性等级。 4.4地质灾害危险性分区 4.4.1计算过程简述 以哈拉沟一盘区为例， 简要说明计算过程。 首 先，将盘区网格化，针对其中一个网格，确定各影响 因的素隶属度U110，0，1；U120，0，1；U130,1,0； U141,0,0；U150,0,1；U160.34，0.66，0；U21 0，1，0；U220，0，1；U231，0，0；U310，1，0；U32 0，0.91，0.09。 其次，对一级指标进行模糊综合评判，求得各指 标对地质灾害危险性影响的分级模糊向量Bl、B2、 B3，即 B1（0.1，0.3，0.2，0.25，0.05，0.1）* 001 001 010 100 001 0.340.66 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 0 （0.284，0.266，0.45） B2（0.2，0.15，0.65）* 0 1 0 0 0 1 1 0 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 0 （0.65，0.2，0.15） B3（0.5，0.5）* 010 00.91 0.0 66 9 （0，0.955，0.045） 最后，由Bl、B2、B3组成新的判别矩阵R，再与 二级指标权重集运算， 求得该区地质灾害危险性分 级的模糊向量B，即 B（04,0.3,0.3）* 0.284 0.266 0.45 0.650.20.15 00.955 0.04 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 5 （0.3086,0.4529,0.2385） 按最大隶属度原则，两级模糊综合评判计算结果 判定本网格为地质灾害危险性中等区。 依据此方法 表5各因素两级权重分配 Table 5 Two-stage weight assignment of each factor 二级指标一级指标二级指标一级指标 地质因素， 0.4 地形地貌，0.1 开采条件， 0.3 顶板稳定性，0.2 第四系覆盖厚度/m，0.3底板稳定性，0.15 岩土体类型，0.2深厚比，0.65 地质灾害易发程度，0.25 诱发因素， 0.3 人类工程活动，0.5 构造复杂程度，0.05 地形相对高差/m，0.1年降雨量/mm，0.5 表4地质灾害危险性评价指标及分级 Table 4 Geological hazard risk assessment indices and grading 评价指标及权重地质灾害危险性等级 二级指标一级指标危险性大危险性中危险性小 地质因素U1 地形地貌，U11中、高山地，黄土残塬、黄土梁峁低山、丘陵平原、黄土塬、台地、风积地貌 第四系覆盖厚度/m，U12＜1530～1530～50 岩土体类型，U13不坚硬，不完整较坚硬，较完整坚硬，完整 地质灾害易发程度，U14高易发中等易发低易发 构造复杂程度，U15复杂一般简单 地形相对高差/m，U16≥500350左右≤150 采矿因素U2 顶板稳定性，U21不稳定较稳定稳定 底板稳定性，U22不稳定较稳定稳定 深厚比，U23＜3030～60＞60 诱发因素U3 人类工程活动，U31强烈较强烈微弱 年降雨量/mm，U32≥550300～550＜300 秦国建东胜矿区哈拉沟井田地质灾害危险性评估 57 第22卷中 国 煤 炭 地 质 的计算过程， 可以将一盘区所有网格进行灾害危险 性评判。 4.4.2地质灾害危险性分区 按上述方法， 将评判的各网格的地质灾害危险 性等级相同的区域归并，并结合实际情况，得到哈拉 沟地质灾害危险性分区预测图（图2）。 由图可见，研 究区被划分为3个危险性大区，1个危险性中等区， 6个危险性小区，危险性大区分布于井田北部、东部 和南部，危险性中等区则位于井田中部，危险性小区 主要分布在井田西部和东部。 5防治措施 ①对于危险性大、 中等区等范围内可能发生地 面塌陷或地裂缝的地区，应结合防砂、防水煤岩柱范 围留设保护煤柱，确保地面建筑物的稳定性。 ②在预测冒裂带发育至地表的地区， 应结合保 水采煤技术，确保矿井安全，避免地表水和地下水受 到破坏。 6结论 ①研究区地质灾害现状不发育， 主要有地面塌 陷、风蚀沙埋等类型的地质灾害。 ②井下采矿工程引发的地表变形对地面建筑物 的危险性大；在黄土梁峁、沟谷区主要引发崩塌、滑 坡、地裂缝和地面塌陷，在风沙地貌区引发地面塌陷 和地裂缝。 ③运用模糊综合评判方法， 研究区被划分为3 个危险性大区，1个危险性中等区，6个危险性小区， 危险性大区分布于井田北部、东部和南部，危险性中 等区则位于井田中部， 危险性小区主要分布在井田 西部和东部。 参考文献 [1]尚敏,陈剑平,王征亮,等.向家河大桥库岸地质灾害危险性分区的 可拓学评价[J].岩土力学,2007,28112445-2450. 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