广西合山煤矿采空塌陷风险评价

发布时间：2017-07-06 12:15

  本文关键词：广西合山煤矿采空塌陷风险评价

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【摘要】：我国是一个多煤少油的国家,其中煤炭是重要的能源矿产,煤炭资源开发过程普遍存在对地质环境的破坏,表现为采空塌陷、地裂缝、土地植被资源破坏、水资源浪费与破坏、水土环境污染,具体以采空塌陷造成的影响最为突出。合山市富有丰富的煤炭资源,百年采煤形成的采空区占市辖区面积达32.9%,地面塌陷随处可见。由于地面沉降造成合山市境内下沉的公路、铁路总长度达30多公里,农田倾斜开裂达4万多亩,水利干渠遭到破坏20多公里。合山市作为资源枯竭城市,在转型过程中需要重新规划以及大量的基础建设,避不可免地要在采空区上方新建建筑物与土地利用,如何评价建设风险与安全程度是建设过程中首先面临的问题。因此广泛分布的采空区严重制约了城市建设与发展,探索煤矿采空塌陷风险系统的评价理论与体系将是城市转型与建设重要的理论依据。广西合山市煤矿开采形成的采空区在形成时间、地层结构、开采方式、塌陷特征以及危害对象具有典型资源枯竭城市采空塌陷的一般特点,具有代表性。论文依托于国家矿山地质环境治理专项项目合山市煤炭矿山地质环境治理工程,以合山东矿JK07采空区为例,开展煤炭采空塌陷风险评价的研究工作,主要四大内容：危险性评价、易损性评价、风险容许标准的确定以及最后的风险评价。对于采空塌陷危险性评价,基于关键层理论建立了采空塌陷关键层初次破断和周期破断的极限平衡模型,进而采用蒙特卡罗法编写对应程序进行可靠度与失效概率求解,最后得出了老采空区采空塌陷危险性值。对于采空塌陷易损性评价,提出了适用于煤矿采空塌陷的建筑物易损性评价模型和人员易损性评价模型。对于风险容许标准的确定,论文集合了大量的地质灾害与采空塌陷发生次数、造成人员伤亡、财产损失的统计数据,并对数据加以筛选分析以凝练出符合广西合山煤矿的采空塌陷风险标准值。最后结合典型资源枯竭城市的合山市自身特点,收集城市相关的灾害分级资料、经济数据等,对老采空区的风险进行了多角度的综合评价。通过以上分析与研究,得出了以下成果：(1)广西合山煤矿采空塌陷特征研究对合山市煤矿开采背景资料收集以及采空塌陷情况调查现场调查结果显示合山市共有两套煤层：急倾斜煤层和缓倾斜煤层。急倾斜煤层形成了大量漏斗状塌陷坑,极具破坏性：缓倾斜煤层形成了移动盆地和小规模的塌陷坑,移动盆地造成房屋拉裂并形成地裂缝。基于资源枯竭城市生命周期理论,提出了合山市煤矿采空塌陷有别于一般塌陷灾害的特性,并据此整理合山市采空塌陷特征。合山煤矿老采空区采空塌陷特征表现为不可逆的破坏性、长期的“稳定性”和外力的“活化”性。具体表现为大量的连续性塌陷和少量的不连续塌陷。论文以连续性塌陷作为研究重点。(2)广西合山煤矿采空塌陷风险评价体系研究针对国际上普遍接受的灾害风险管理流程和广西合山煤矿采空塌陷灾害实际特点,提出了广西合山煤矿采空塌陷风险评价的基本体系。采空塌陷风险评价的流程是以危险性分析、易损性分析、风险计算与风险评价而进行。(3)采空塌陷危险性评价1)岩土层参数分布模型研究基于随机变量的分布模型研究,对采空区JK07上覆岩土层进行了大量的物理力学性质试验,并在试验的基础上对各力学参数的分布模型进行了统计研究。结果表明,各岩石参数抗拉强度、弹性模量、密度和结构面参数倾角、倾向、半迹长、间距均拟合于正态分布,结构面隙宽拟合于负指数分布。最后采用KS检验法进行分布模型进行检验,各岩石参数符合原假设,可以接受。2)极限平衡方程建立在获取岩石物理力学参数的基础上,结合采空区上覆岩层的分布情况和煤层开采条件,采用FLAC3D对采空区变形进行模拟研究。结果表明采空区下沉量最大值为203mm,沿倾向地表水平位移最大值为100mm,沿走向地表水平位移最大值为80mm。为探求采空塌陷的极限平衡方程,引入了矿山岩石力学中的关键层理论对采空区JK07上覆岩层进行受力分析,并推导出了采空区JK07顶板初次破断的极限平衡方程和周期破断的极限平衡方程。3)危险性评价可靠度计算常用方法有解析法和模拟法,针对解析法人工计算复杂的缺点,论文以模拟法中的蒙特卡罗法进行可靠度的计算。在Matlab软件中分别编制对应于初次破断和周期破断的极限平衡方程的程序,同时输入不同量级的随机岩层力学参数。结果表明初次破断可靠度为1.938,破坏概率为0.0262；周期破断可靠度为1.936,破坏概率为0.0263。因上覆岩层会在不同时间点发生初次的破断和周期性的破断,故东矿JK07采空塌陷危险性为0.0525。(4)采空塌陷易损性评价1)建筑物易损性模型建筑物Logistic易损性模型与灾害强度和建筑物脆弱性两个参数有关,灾害强度一定时,脆弱值越低Logistic易损性曲线显示结果越小,与实际相符。2)灾害强度模型通过定义地表位移指标和变形速度指标建立灾害强度模型。采用Midas/Gen结构有限元软件分别建立采空区JK07内框架结构和砖砌结构建筑物的有限元模型,通过施加地表水平位移荷载进行内力分析并计算地表位移指标。模拟结果为东矿矿业遗迹采空区JK07内框架建筑物机修厂9栋、10栋、12栋,砖砌建筑物民房13栋地表位移指标分别为0.27,0.27,0.144,0.56。3)建筑物脆弱性基于建筑物脆弱性分析,定义建筑物的结构类型、破坏程度、使用年限作为脆弱性评价指标并建立其脆弱性评价模型。结合现场建筑物调查数据和相关建筑行业规范,计算出老采空区内机修厂9栋、10栋、12栋、民房13栋的脆弱性分别为1,0.866,0.798,0.904。4)人员易损性评价对于连续性的采空塌陷作用,可采用基于建筑物易损性的间接方式评价人员易损性。综合各承灾体易损性评价模型,计算结果为采空区JK07内机修厂9栋、10栋、12栋、民房13栋的易损性分别为0.388、0.354、0.100、0.949；处于其中的人员易损性分别为0.010、0.008、0.002、0.297。(5)广西合山煤矿采空塌陷风险等级与容许标准研究论文综合大量学者的风险表达成果,从风险表达的主观性和客观性两个角度,采用风险度和风险期望两种方式进行广西合山煤矿的采空塌陷风险评价。1)采空塌陷风险等级风险等级对应于风险的主观性,风险定量化结果以风险度表示,风险等级作为风险量值大小的判据。论文以国际上常采用风险矩阵法为基础,并结合目前在危险性和易损性分级中常采用的处理数值分级的方法(布拉德福定律中的区域分析方法),将风险等级划分为为(0.00-0.04], (0.04-0.16], (0.16-0.36],(0.36-0.64], (0.64-1.00]五个值域,分别代表极低风险区、低风险区、中等风险区、高风险区和极高风险区。2)采空塌陷风险容许标准风险容许标准分为两方面内容：生命风险容许标准和经济风险容许标准。通过收集2004～2014年间全国地质灾害造成的人员伤亡和直接经济损失的数据,同时分析采空塌陷对于地质灾害所占比重,确定我国地质灾害可接受生命风险标准值为1×10-,可容忍生命风险标准值为1×10-6：采空塌陷生命风险可接受标准值为2.3×10-9,采空塌陷生命风险可容忍标准值为2.3×10-。我国地质灾害可接受经济风险标准值为1×10一,地质灾害可容忍经济风险标准值为1×10-3：采空塌陷经济风险可接受标准值为2.3 x 10-6,采空经济生命风险可容忍标准值为2.3×10-。进而结合当地规范,设置风险后果限制线绘制了生命和经济风险F-N曲线。(6)广西合山煤矿采空塌陷风险评价1)采空塌陷风险度评价采用风险度的表达式对老采空区范围内建筑物进行计算,机修厂9栋、10栋、12栋、民房13栋的建筑物风险分别为0.020543、0.018757、0.005311、0.050292；处于其中的人员风险分别为0.000541、0.000445、0.000095、0.015736。根据风险等级划分,机修厂9栋、10栋、12栋风险均小于0.04,为极低风险等级,民房13栋风险为0.05,风险等级为低风险等级。2)采空塌陷风险期望评价通过对承灾体的调查,以及对承灾体计价价格方式与现有单价的收集,计算各承灾体自身的经济价值。最后综合各承灾体的风险度、合山市年生产总值,计算该采空塌陷造成的期望经济损失为7.42万元,经济损失比率为2.11x10-5。以确定的全国性采空塌陷经济风险容许标准划分,采空塌陷经济风险为可容忍风险。以全国性的采空塌陷经济风险值容许标准作为地方风险评价的判据稍显严格,可能在地质灾害频发经济水平较为落后的合山市,该风险期望更易被接受,处于可接受的风险水平。
【关键词】：采空塌陷 风险评价 危险性 易损性 风险容许标准
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD325.3
【目录】：

• 作者简介7-8
• 摘要8-11
• ABSTRACT11-19
• 第一章 绪论19-31
• §1.1 选题依据和背景19-20
• §1.2 国内外研究现状20-27
• 1.2.1 地质灾害风险研究概述20-22
• 1.2.2 采空塌陷研究现状22-24
• 1.2.3 资源枯竭城市转型与治理研究24-27
• §1.3 研究内容及技术路线27-31
• 1.3.1 研究目标27
• 1.3.2 研究内容27-28
• 1.3.3 技术路线28-30
• 1.3.4 创新点30-31
• 第二章 广西合山煤矿采空塌陷类型与特征31-52
• §2.1 矿区地质环境背景31-37
• 2.1.1 自然地理概况31-32
• 2.1.2 地形地貌32-33
• 2.1.3 地层岩性33-34
• 2.1.4 主要可采煤层岩性34-35
• 2.1.5 地质构造35-36
• 2.1.6 水文地质36-37
• §2.2 合山采空塌陷类型与特征分析37-52
• 2.2.1 合山采空塌陷分布37-45
• 2.2.2 采空塌陷形成规律45-48
• 2.2.3 合山煤矿采空塌陷特征48-52
• 第三章 广西合山煤矿采空塌陷风险评价体系52-56
• §3.1 风险评价的基本概念52-53
• §3.2 采空塌陷区风险评价内容53-55
• §3.3 广西合山煤矿采空塌陷风险评价基本体系55-56
• 第四章 广西合山煤矿采空塌陷危险性评价56-99
• §4.1 采空区岩土层力学参数试验56-62
• 4.1.1 表土层物理力学性质试验57
• 4.1.2 岩层力学参数试验57-62
• §4.2 采空塌陷模拟及变形研究62-76
• 4.2.1 东矿矿业遗迹采矿背景62-66
• 4.2.2 采空塌陷数值模拟66-76
• §4.3 采空区岩层力学参数分布模型研究76-85
• 4.3.1 岩石力学参数分布模型76-82
• 4.3.2 结构面分布模型82-85
• §4.4 基于关键层理论的极限平衡模型85-92
• 4.4.1 关键层基本概念85-86
• 4.4.2 关键层结构受力计算模型86-88
• 4.4.3 极限平衡模型建立88-92
• §4.5 基于可靠度的采空塌陷危险性评价92-99
• 4.5.1 采空塌陷可靠度分析92-95
• 4.5.2 采空塌陷危险性评价95-99
• 第五章 广西合山煤矿采空塌陷易损性评价99-139
• §5.1 广西合山煤矿采空塌陷易损性评价模型99-103
• 5.1.1 煤矿采空塌陷易损性评价内容99-101
• 5.1.2 基于Logistic函数的建筑物易损性评价模型101-103
• §5.2 采空塌陷灾害强度评价103-131
• 5.2.1 采空塌陷灾害强度评价模型103
• 5.2.2 采空塌陷对建筑物的影响特征分析103-109
• 5.2.3 基于建筑物有限元分析的地表位移指标109-127
• 5.2.4 基于时间序列模型的变形速度指标127-131
• §5.3 建筑物脆弱性评价131-134
• 5.3.1 建筑物脆弱性评价模型131-132
• 5.3.2 建筑物脆弱性评价指标132-134
• §5.4 建筑物易损性评价134-136
• 5.4.1 建筑物现状134-135
• 5.4.2 建筑物易损性评价135-136
• §5.5 人员易损性评价136-139
• 5.5.1 人员易损性评价方法分析136-137
• 5.5.2 基于建筑物易损性的人员易损性评价137-139
• 第六章 广西合山煤矿采空塌陷风险评价139-159
• §6.1 采空塌陷风险评价模型与方法139-142
• 6.1.1 风险评价模型139-140
• 6.1.2 风险评价方法140-142
• §6.2 风险等级划分142-144
• 6.2.1 风险分级的含义142-143
• 6.2.2 风险等级划分方法143-144
• §6.3 风险容许标准研究144-152
• 6.3.1 风险容许标准框架144-145
• 6.3.2 生命风险容许标准145-150
• 6.3.3 经济风险容许标准150-152
• §6.4 广西合山煤矿采空塌陷风险评价152-155
• 6.4.1 广西合山煤矿采空塌陷风险度评价152-154
• 6.4.2 广西合山煤矿采空塌陷风险期望评价154-155
• §6.5 广西合山煤矿采空塌陷风险管理155-159
• 6.5.1 采空塌陷风险管理框架155-156
• 6.5.2 采空塌陷风险控制措施156-159
• 第七章 结论及展望159-163
• §7.1 结论159-162
• §7.2 展望162-163
• 致谢163-165
• 参考文献165-173

【参考文献】

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