劉星，祁術(shù)洪

淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試

劉星1，祁術(shù)洪2

（1.閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城鄉(xiāng)建筑學(xué)院，福建 龍巖 364021；2.鄭州升達經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院，鄭州 451191）

[1]：淺層采空區(qū)的穩(wěn)定性受塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力的直接影響。采用當(dāng)前方法測試采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力的危險性時，測量的結(jié)果相比實際的結(jié)果準確率較低，得到的危險性結(jié)果不符合實際結(jié)果。提出淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試方法。在采礦因素、地質(zhì)因素、環(huán)境因素和水文因素中選取淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性評估指標，采用層次分析方法對采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力的危險性評估指標的權(quán)重進行分析計算，得到變權(quán)改進后的評估指標的權(quán)重，在模糊識別理論的基礎(chǔ)上計算評估指標的隸屬度，根據(jù)隸屬度構(gòu)建危險性評估模型，通過危險評估模型得到塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險級別特征值，依據(jù)危險級別特征值確定采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力的危險級別，實現(xiàn)淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力的危險性測試。實驗結(jié)果表明，該方法的測試結(jié)果準確率較高。

淺層采空區(qū)；塌陷；結(jié)構(gòu)面；危險性測試

受不同條件和因素的影響，淺層采空區(qū)發(fā)生塌陷的狀況都不相同[1]。目前國內(nèi)對淺層采空區(qū)塌陷規(guī)律的研究尚淺，主要都是研究造成深層煤礦塌陷的原因和影響?，F(xiàn)有的一些地下的采礦活動，容易導(dǎo)致淺層采空區(qū)的塌陷，而造成采空區(qū)塌陷的其他動因，則是其他的自然動力與無規(guī)則的外界觸發(fā)因素[2]。淺層采空區(qū)的塌陷對地質(zhì)有著很大的影響，因其經(jīng)常發(fā)生在煤礦地區(qū)，一旦發(fā)生塌陷問題，人們需要承受的損失往往都是巨大的，因此人們對于淺層采空區(qū)的塌陷的問題尤為重視。

對淺層采空區(qū)進行合理的開發(fā)和建設(shè)，是減災(zāi)防災(zāi)的基礎(chǔ)。因采空區(qū)地質(zhì)的不同以及控災(zāi)和成災(zāi)條件不同，淺層采空區(qū)塌陷的危險性、影響程度和塌陷范圍都有所不同[3]。根據(jù)我國2021年12月1日實施的《地質(zhì)災(zāi)害危險性評估規(guī)范》，針對淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力的危險性測試，國內(nèi)通常根據(jù)影響采空區(qū)塌陷的因素來對結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力的危險性進行測試[4]。當(dāng)前塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試方法存在測試結(jié)果準確率低的問題，需要研究塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試方法。

吳麗清等[5]將地面塌陷、地層巖性、溶洞發(fā)育、地下水開采、距河流距離、斷裂帶分布、工程活動、覆蓋層結(jié)構(gòu)和覆蓋層厚度作為影響因素，計算影響因素的權(quán)重，通過信息法對信息量進行計算，疊加計算得到的信息量和權(quán)重對塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力的危險性進行測試。李建朋等[6]首先對造成采空區(qū)塌陷的因素進行分析，結(jié)合典型實例，通過權(quán)重分析法計算影響因素對應(yīng)的權(quán)重，利用計算得到的權(quán)重構(gòu)建塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性評估的評估表，完成采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性的測試。文暢平等[7]將覆蓋層厚度降低水位埋深、抗剪強度參數(shù)黏聚力、覆蓋面厚度增高水位深埋、覆蓋層厚度和抗剪強度摩擦角塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試的評價因子，選用典型的案例當(dāng)做測試過程中的訓(xùn)練樣本，構(gòu)建塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性評價模型，完成塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性的測試。但在實驗測試中上述方法的測試結(jié)果與實際得到的結(jié)果之間存在較大誤差，測試的結(jié)果不夠精準，準確率較低。

為了提高測試采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性的準確率，提出淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試方法。

1 指標框架分析模型

存在多種地質(zhì)影響因素會對淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力效應(yīng)直剪力造成影響，決定淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性程度的因素，會隨著社會經(jīng)濟條件、作業(yè)條件和地域類型的不同而發(fā)生變化。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采礦因素和地質(zhì)因素決定了淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面的強度特征、空間特征、時間特征以及塌陷結(jié)構(gòu)面的發(fā)展和形成[8]。為了有效地對淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力的危險性進行測試，在測試范圍內(nèi)，分析影響淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力的主要因素。在考慮了淺層采空區(qū)的地質(zhì)、水文與環(huán)境的因素后，結(jié)合采礦因素，篩選相關(guān)因子。將煤柱布置及尺寸、覆巖結(jié)構(gòu)、淺層采空區(qū)的區(qū)域面積、地質(zhì)條件、區(qū)域降雨量、巖石構(gòu)造、頂板評價指標、采厚比、松散層分布及厚度、地形地貌和地下水走位作為危險性評估因子。建立模糊數(shù)學(xué)模型分析指標框架，如圖1所示。

圖1 指標框架分析模型

2 危險性測試方法

2.1 指標量化處理

塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性評估指標通常存在模糊性，不能準確地進行量化，為了解決上述問題，淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試方法通過模糊集值統(tǒng)計方法對選取的指標做量化處理。通過詢問有關(guān)人員、查閱文獻、測試獲取定量指標對應(yīng)的特征值。

2.2 確定變權(quán)

淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試方法通過層次分析法對指標的常權(quán)進行計算，通過淺層采空區(qū)層次結(jié)構(gòu)的建立，使用對比方法計算矩陣對淺層采空區(qū)層次影響因素的重要性。對判斷結(jié)果做一致性檢驗，得到各元素對應(yīng)的權(quán)重[9-10]。

通過變權(quán)公式彌補并改進采用層次分析法獲得的指標權(quán)重：

2.3 結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試

2.3.1 構(gòu)建特征值矩陣

2.3.2 測試結(jié)果

表1 結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性等級

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試方法的整體有效性，需要對淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試方法進行實驗。某市存在一地區(qū)，該地區(qū)內(nèi)存在大量的采空區(qū)，發(fā)生多次較大的地壓活動和冒落活動。

表2 3種不同方法的測試結(jié)果

分別采用淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試方法、文獻[5]提出的基于AHP-信息量法和文獻[6]提出的基于權(quán)重反分析法對該地區(qū)內(nèi)的采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力的危險性進行測試，測試結(jié)果如表2所示。

危險級別特征值為常數(shù)，為了更直觀的對比淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試方法、基于AHP-信息量法和基于權(quán)重反分析法的測試結(jié)果，用柱形圖對表1中的數(shù)據(jù)進行表示，對比3種不同方法得到的危險級別特征值與實際特征值之間的誤差，對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 3種不同方法的對比結(jié)果

分析圖2可知，采用淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試方法得到的危險級別特征值大多數(shù)與實際特征值相符，存在個別特征值與實際特征值之間存在誤差，但誤差均為0.1，根據(jù)危險特征值劃分的危險等級與實際危險等級相同。采用基于AHP-信息量法和基于權(quán)重反分析法得到的危險級別特征值均與實際特征值之間存在誤差，且個別采空區(qū)根據(jù)危險特征值劃分的危險等級與實際危險等級不符。對比3種不同方法的測試結(jié)果可知，淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試方法的測試結(jié)果準確率較高。

4 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力會導(dǎo)致淺層采空區(qū)下巖體的變形和強度出現(xiàn)差異，當(dāng)前結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試方法存在測試結(jié)果準確率低的問題，因此提出淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力危險性測試方法，通過與現(xiàn)有方法進行對比實驗，能夠證明提出方法的準確率高于現(xiàn)有方法，得到的危險特征值劃分的危險等級與實際危險等級相符，說明該方法具有較好的實用性，能夠有效實現(xiàn)對淺層采空區(qū)塌陷結(jié)構(gòu)面應(yīng)力效應(yīng)直剪力的危險性測試。

[1] 王恒恒，張發(fā)旺，郭純青，等. 基于層次分析法的城市巖溶塌陷危險性評價——以武漢市南部為例[J]. 中國巖溶，2016, 35(6): 667-673.

[2] 趙凱，曾亞武，曾超. 基于顆粒流法含軟弱結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2018, 18(1): 97-102.

[3] 陳凡，曹安業(yè)，竇林名，等. 基于區(qū)域劃分與主控因素辨識的沖擊危險性評價方法[J]. 煤炭學(xué)報，2018, 43(3): 607-615.

[4] 段先前，褚學(xué)偉，李博. 基于集對分析的巖溶塌陷危險性預(yù)測評價[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報，2016, 16(4): 72-76.

[5] 吳麗清，廖婧，王威，等. 基于AHP-信息量法的武漢地區(qū)巖溶地面塌陷危險性評價[J]. 長江科學(xué)院院報，2017, 34(4): 43-47.

[6] 李建朋，聶慶科，劉泉聲，等. 基于權(quán)重反分析的巖溶地面塌陷危險性評價方法研究[J]. 巖土力學(xué)，2018, 39(4): 1395-1400.

[7] 文暢平，陳毅，肖宏彬，等. 基于突變級數(shù)法的巖溶塌陷危險性評價[J]. 中國科技論文，2016, 11(13): 1539-1543.

[8] 舒暢，姚安林，徐濤龍，等. 基于突變理論的采空塌陷區(qū)輸氣管道危險性評價研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2017, 13(1): 97-102.

[9] 胡高建，楊天鴻，胡忠強，等. 基于Mathews穩(wěn)定圖等方法的多角度采空區(qū)群穩(wěn)定性分析評價[J]. 采礦與安全工程學(xué)報，2017, 34(2): 348-354.

[10] 馬克，唐春安，梁正召，等. 基于微震監(jiān)測的地下水封石油洞庫施工期圍巖穩(wěn)定性分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2016, 35(7): 1353-1365.

Straight shear force risk test for surface stress effect of collapsed structure in shallow goaf LIU Xing1，QI Shu-hong2

(1.Urban and Rural Architectural School, MinXi Vocational & Technical College, Fujian Longyan 364021, China;2.Zhengzhou Shengda University, Zhengzhou 451191, China)

The stability of shallow goaf will be directly affected by the stress effect of collapse structural plane and direct shear force. When the existing methods are used to test the risk of stress effect direct shear force of goaf collapse structural plane, the accuracy of the measured results is lower than the actual results, and the risk results do not accord with the actual results. Therefore, a test method of stress effect and direct shear risk of collapse structural plane in shallow goaf is proposed. Combined with mining factors, geological factors, environmental factors and hydrological factors, the risk evaluation index of stress effect direct shear of collapse structural plane in shallow goaf is selected. The weight of the risk evaluation index of stress effect direct shear of collapse structural plane in goaf is calculated by analytic hierarchy process, and the weight of the improved evaluation index is obtained. On the basis of fuzzy identification theory, calculate the membership degree of the evaluation index, complete the construction of the risk evaluation model according to the membership degree, obtain the risk level characteristic value of the stress effect direct shear of the collapsed structural plane through the risk evaluation model, and determine the risk level of the stress effect direct shear of the collapsed structural plane in the goaf according to the risk level characteristic value. Realize the risk test of stress effect and direct shear force of collapse structural plane in shallow goaf. The experimental results show that the accuracy of the test results of the proposed method is high.

shallow goaf；collapse；structural surface；risk test

2021-08-31

福建省教育廳中青年教師教育科研項目——應(yīng)力吸收層對半剛性基層路面裂縫防治效果研究（JAT191532）

劉星（1985-），女，河南許昌人，講師，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究，xinglll198@163.com。

P642.21;TU45

A

1007-984X(2022)02-0056-06