地表塌陷分析

地表塌陷分析（精选五篇）

地表塌陷分析 篇1

1 工程概况

现以某城市的地铁隧道为研究对象。该隧道位于城市的中心商业区, 隧道上方的交通量较大, 建筑物之间距离较近。该区域的管线排布十分复杂。隧道采用的是双线单洞重叠的形式, 高度为14 m, 断面的宽度为6.9 m。在隧道的预支护中, 使用小导管注浆, 初期是用网喷混凝土与格栅钢架锚杆联合支护, 并在特殊地段采用了注浆与旋喷的方式加固。在二次衬砌中, 施工人员运用模筑混凝土支护, 在台阶之间设置了临时横撑, 并喷涂了混凝土, 挖出4 个台阶。要有效控制台阶的长度, 就要掌握一定的规律。

隧道主要通过粉质填土层、中风化层等, 拱部1.5 m以上为砂层。隧道内部的围岩上软下硬, 其中的软弱围岩透水性较强。地下水位埋深为1.2~3 m, 隧道施工前期开挖量低于20 m, 目前已经出现了2 次地表塌陷事故。

在隧道的洞口段, 砂层部分侵入隧道拱顶。对此, 施工人员应采取地表旋喷的方式进行处理, 从而对地层进行止水与加固。在加固之后, 要挖掘隧道台阶, 使用小导管灌注, 并结合实际情况进行超前注浆。在开挖过程中, 施工掌子面比较稳定, 很少出现底层变形现象, 只有拱部出现少量的渗水。如果开挖机挖掘到一定程度, 就会使掌子面出现涌砂和涌泥现象, 进而导致地层出现变形, 地表塌陷。

2 地表塌陷原因分析

在隧道开挖过程中, 施工人员要明确这种复杂的过程, 分析可能出现变化的因素。根据相关理论, 在地层开挖之后, 如果没有支护, 则隧道围岩的稳定性会遭到破坏;如果隧道上覆盖的底层足够厚, 则土体的破坏程度会降低;如果隧道的力学条件发生巨大变化, 则会破坏隧道的结构, 引发塌陷。

在隧道工程的计算中, 隧道的压力会随着施工的推进而产生一系列变化, 并经过“形成→破坏→形成”的循环, 增加跨度和高度。当隧道施工的压力达到最大值时, 如果继续开挖, 就会使土体遭到破坏, 并由动水压力冲至地表, 从而引起塌陷。

影响地表塌陷的因素有多种, 例如施工条件和地层条件。针对施工条件, 主要是因为地质超前预报信息不准确, 或没有预报, 所以施工人员无法采取有效的预防措施。在施工中, 如果深孔注浆加固的范围较小, 或是浆液扩散后无法止水, 就不能起到加固的作用。在地层条件的分析中, 浅埋暗挖隧道施工的上部是素填土, 下部是淤泥质粉土, 具有分布广泛、工程性质差的特点。在这种情况下, 洞身长期处于基岩中, 局部洞顶存在砂层, 很容易出现移动。在水流或排水的作用下, 容易导致地层变形。

3 地表塌陷的控制措施

对于浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷, 施工人员要采取有效的控制措施, 结合施工技术手段和容易出现塌陷问题的地方, 从细节入手, 具体措施如下。

3.1 科学截排工程地表水

在浅埋暗挖施工中, 工程所处地势较低, 尤其是地表等区域, 属于集水地。在这种情况下, 如果围岩出现破损, 地表水的渗透就会加剧, 并进入工程地表的缝隙中。如果施工人员能够合理引导这些地表水, 利用排水坡和沟渠将其排出, 就能防止地表水对隧道施工和隧道围岩的稳定性造成影响。

3.2 超前支护与设置格栅钢架支撑

在隧道施工中, 浅埋暗挖主要采用的是双层超前小导管, 施工人员要将水泥浆液注入到导管中, 然后在高压力泥浆的作用下, 使土体受损的部分相互融合、渗透, 最后形成浆脉网络。浆脉网络凝固后, 可有效约束土体, 使其周围的结构更加稳定, 强度更大。在格栅钢架支撑结构的设置中, 工作人员要采用核心土进行掏槽挖掘。在整个施工中, 主要选用的是超前支护结构, 施工人员要应用小型挖掘机挖掘台阶轮廓线, 预留核心土进行掏槽开挖施工。在挖掘台阶时, 需要严格控制台阶的高度, 并人工修正存在问题的部分。工程结束后, 应及时封闭喷砼, 并将喷砼的厚度控制在设计标准内。在掏槽开挖后, 要架设格栅钢架, 然后确定格栅间距, 控制角钢与槽钢的连接, 使其形成一个较好的整体。最后焊接格栅与小导管的尾部, 增加格栅钢架的稳定性, 并在拱脚处设置喷砼和锚杆, 增加整体的稳定性和可靠性。

3.3 下台阶开挖施工

施工人员将下台阶开挖到一定程度后, 就要选取合理的开挖方法, 先拉中槽, 然后从两侧的跳槽挖掘。施工人员要在中槽的挖掘中留置平台, 以防出现掉拱的情况, 并做好初期支护工作。网喷时, 要进行格栅钢架的支护, 设置梅花形的锚杆。

在隧道施工中, 部分路段会穿越民房地段, 所以在地表完善中, 要通过水泥、水玻璃液和注浆的方式固定施工地点周围的松散围岩。这样能够降低地表出现沉陷的概率, 提高隧道的稳定性, 降低隧道施工对地表房屋的影响。在注浆的过程中, 施工人员可以选取垂直注浆的方法, 在特定位置放置注浆管, 然后围岩注浆。如果在垂直方向出现了障碍物, 那么应通过钻斜注浆孔和注浆管来施工。

3.4 仰拱、衬砌施工和测量监控

为了保证隧道施工的稳定性和支护结构的合理性, 施工人员要采取仰拱和衬砌混凝土的施工方法。在整个过程中, 要注意灌注的量以及灌注施工后仰拱和开挖面的范围, 并使用栈桥运输, 减少对地面的影响。在衬砌施工中, 要根据其与开挖面的距离尽早闭合衬砌, 使衬砌呈环状闭合, 较好地分散整体力度, 保证结构的稳定性。

在测量监控中, 施工人员要随时注意地表环境, 通过收集地层地质信息和分析围岩状况来了解施工情况。施工质量和支护结构变化等都能通过测量监控得以了解, 施工人员要随时掌握这些动态数据, 从而合理调节施工工艺, 优化支护结构, 保证施工质量和施工安全。

4 结束语

在浅埋暗挖隧道施工中, 施工人员应采取地表旋喷的方式对地层进行止水和加固, 并在整个施工中及时解决存在的问题, 保证施工质量。本文主要分析了浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷问题及其控制措施, 希望能为相关工程的施工提供一定的借鉴。

参考文献

[1]赵富家.浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制[J].山西交通科技, 2014 (06) :55-56.

[2]曾英军.浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析与控制[J].科技创新导报, 2015 (05) :72.

[3]张兴.浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制研究[J].门窗, 2013 (05) :366.

开滦煤矿地表塌陷治理途径研究 篇2

关键词：开滦煤矿；地表塌陷；治理途径

中图分类号：X752 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）20-0100-02

开滦煤矿位于河北省唐山市，属于地面塌陷灾害严重地区的典型代表。其中的钱家营矿业公司位于丰南区钱家营镇，详细的地理方位为：117°28′E，39°N，井田处在开平煤田向斜东南端的西南侧。该煤井浅的部位煤层展现出露头线，深的部位到各个煤层下方1200米底板等高线，该井田平均走向长度为16.9千米，倾斜宽大概在4.7～8.8千米范围内，可开采面积达到88.3平方千米。

这一煤井区域北倚燕山，南部濒临渤海，平原地形明显，属于浩瀚宽阔的冲击平原。地势起伏小，自东北向西南逐渐下降。整个地形标高在+24.6～17米范围内，地表坡度大概在千分之一。从最初20世纪70年代投产建设，其年产量达到400万t。随着各项现代化生产技术的投入使用，其年量已经达到550万t/a，截至2009年，根据矿业权威部门的调查显示：其生产能力已经上升至600万t/a。

这一井田煤系地层为石灰系上统与二叠系下统，煤系地层总体厚度大概为500米，其中煤层大概在19.79米，煤的含量为3.96%，该处煤的种类主要为肥煤，有大概30%的焦煤。所开采的煤矿可以用作发电或者取暖，其中的焦煤能够用来炼制钢铁。

1 煤矿地表塌陷所造成的破坏分析

1.1 土地资源的损毁影响粮食生产

出现塌方的地方，由于形成地势相对较低的坑洼地，就会造成水体淤积，淹没农田，使很多原本丰收的农用耕地绝收，坍塌的外围地区由于地势高低起伏，会对浇灌带来更多非常不利的影响，导致粮食大规模减产，根据调查结果显示，自煤矿开采的几十年来，由于塌陷所造成的绝产农田已经达到3万多亩，由此所产生的经济损失是不可低估的。

1.2 对地面建筑物的破坏

建筑物的牢固与否很大程度取决于地基的稳定性与牢固度，一旦地面出现塌陷就会严重影响到建筑物的安全，进而影响到人类生产、生活甚至是生命的安全。涉及到塌陷区居民的搬迁与安置问题，造成大量的人力、物力、财力的投入。同时，给人们生产生活带来诸多不便。

1.3 导致其他环境问题与社会问题

矿区地表塌陷还会引发多重环境问题与社会矛盾，例如：地貌质量受影响，水污染、生物生态系统甚至都会被损害等等。虽然农民获得了一些赔偿和补助，暂时得到了安抚，可是从长远来看却面临着就业问题，生存面临着威胁，由此会引发一些深刻的社会矛盾，而且在搬迁过程中又涉及到多方利益问题，甚至会对新建地区带来不良影响。

在河流与交通设施经过的塌陷区会造成河堤下沉，交通设施出现问题，例如：铁路路基的沉降与轨道偏离及交通设施破坏，带来的水灾以及事故灾害形成隐患。在水体管道与输气或排污管道出现的塌陷会造成管道破裂，影响人们正常日常生活及生命安全。

很多的塌陷地区都已经形成了积水沟渠，一些沟渠洼地成为了工业或生活排污地，造成原本健康的生态系统受到严重污染的威胁。

2 地表塌陷治理途径研究

煤矿地表塌陷属于非常常见的现象，世界各国已经认识到这一问题的严重性，开始着手探究解决这一问题的方法。例如：捷克自20世纪50年代便着手矿区塌陷治理，通过还田、还林，在塌陷区修建湖泊、建鱼塘、修建森林公园等。通过这种方式提高了矿区环境质量，也同时带动了矿区多种经济的繁荣发展，具有良好的经济效益与社会

效益。

开滦煤矿区属于地表塌陷较为严重的地区之一，需要一个较长的治理周期，因此要做好治理的分期规划工作。优先着手塌陷最严重的地区，科学实验性针对塌陷地区进行综合治理，在严重地区的治理完成后再逐步深入开展其他塌陷地区的治理工作。

2.1 主要的治理方法体现为：“移山填海”，全面开发

循环利用开采煤矿后所留下的煤泥以及煤石以及附近的工业废渣材料等来对附近的塌陷区进行填补、充实，使一些塌陷坑地重新成为农田耕地以及通过人工造林的方式还林复地。

2.1.1 煤矸石填充塌陷区造地。煤矸石堆积占用空间，其释放有害气体与粉尘严重污染环境，将其用作塌陷区填充料再进行压实处理，可成为良好的建筑用地，这样达到了消除污染、扩展增加土地的效果，解决了土地短缺的问题，使煤矸石变废为宝，带来了一定的环境效应。

2.1.2 粉煤灰填充塌陷区造林。在洗煤厂等地区也容易出现塌陷区，可以在这些地区用粉煤灰来填充，在通过覆土的方式创造经济林。这样就有效克服了粉煤灰占用空间、污染空气的困难，同时所建造的经济林可以作为一个有机的生态系统，发挥良好的生态效应。

2.2 塌陷区复垦与水区治理措施

要根据所在矿区的社会环境条件以及经济状况以及塌陷区的塌陷状况来分析具体的治理措施。

2.2.1 对于深浅并存分布的复杂塌陷区，可以实行间作复垦方法，发展一些副业，例如：养殖业、种植业等；塌陷较深地区开发成为鱼塘，鱼塘上养鸭，岸堤种植瓜菜，土坡地方种植果树等等。这样就形成了一个良性循环的生态系统，达到水陆并用的效果，也为农民带来了可观的经济收益。

2.2.2 对于规模较大的塌陷积水区，例如：千万平方米的塌陷水域则可以充分利用其优势，开发水上乐园、森林公园以及游泳馆与赛车场等多项娱乐场地。这样一方面有效改善了矿区的自然生态环境与社会环境，为当地市民提供了便利。另一方面也带动了矿区经济的发展与繁荣，整体来看具有良好的环境和社会效益。

经过一个阶段的整治，预期目标已经完成，创造开发了新水面12936亩，新建公园2000多亩，还田还林面积达到2000多亩，随之消化煤灰、废物工业料达到几千万t，这些废物成为塌陷填料，不仅稳固了地基，也控制了由于不合理地方所占用的空间，改善了环境质量，节约了土地，从而缓解了社会矛盾，产生了一定的经济效益、环境效益与社会效益。

3 结语

矿区地表塌陷原本是困扰人们的一大难题，但是如果采取科学的整治方法，改善矿区环境条件，变废为宝，积极利用塌陷区的地理特征进行科学开发与维护定会受到良好的效果，会为当地人们的生活带来舒适的环境，达到经济效益与生态效益的集中统一。

参考文献

[1] 舒俭民，王永骥，刘晓泰.矿山废弃地的生态恢复

[J].中国人口·资源与环境，2010， 8（3）：72-75.

[2] 白中科，赵景逵，朱荫湄.试论矿区生态重建[J].自然资源学报，2012，14（1）：35.

[3] 孙绍先，李树志.我国煤矿土地复垦与塌陷区综合治理的技术途径[J].中国土地科学，2009.

[4] 中华人民共和国国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京：煤炭工业出版社，2010.

地表塌陷分析 篇3

在市场经济不断发展过程中, 煤矿行业作为我国重要能源之一, 也得到了长足性发展.而在经济不断发展中, 城市化建设范围越来越大, 导致土地资源紧迫, 为使其得到有效利用, 我国筹建在矿藏采空区内建设各种建筑物。而这些地区由于煤矿开采, 导致内部岩体被活化, 稳定应力平衡性较弱, 其周围岩体出现移动、变形情况;也导致其岩体上层地表发生同样变化;这种变化使地面建筑物受到影响, 久而久之使建筑物损坏, 威胁人们生命安全。有关研究提出;通过对建筑物重量的影响深度和煤矿采空区中冒落带具体发育高度研究分析, 来决定采空区总体稳定性及建筑物安全性。如果想在煤矿开采塌陷区地表上建设物体, 必须坚持科学的方法工艺, 加强结构的设计, 同时, 加强建筑物对开采塌陷区地表移动的抵抗能力。

1 煤矿开采塌陷区内部岩体的破坏

在进行采矿工作时, 不仅会地其内部的岩体造成破坏, 还会造成外部的地表发生变形。因地面岩体的移动引起地表的移动, 从而导致了地面的塌陷。在实际的工程中, 由于工程进度的不断深入, 使被地面覆盖的岩体遭到不断的破坏;首先是岩体的顶部漏露出, 使其在地心引力和地面负荷重力的双重作用下, 与地面层分离现象, 导致其横面出现弯曲现象。对于地面覆盖岩体的总体破坏断裂趋势为自下而上。

在岩层的开采过程中, 首先会在其上覆岩层出现弯曲带, 冒落带, 及裂隙带;对于这三个岩层地质带, 从理论上来说;裂隙带和冒落带的破坏比较严重, 离层和裂隙程度较深, 对煤矿开采过程中的拉, 压, 及剪的抵抗力度没有原始岩体强度强。若将地表建筑物的重量附加于其上, 会导致沉降、塌陷现象发生。相比之下, 弯曲带的整体岩层保护较好, 受力架构性完整, 将其作为基础的持力层是很好的选择。对于煤矿采空区域的整体结构是层状的岩体结构, 其主要特点为;在弹塑性地基上用煤柱支撑, 且上部完整性较好。在此之中如果煤柱和煤层结构的设计上出现不和谐现象, 就会导致岩体失稳, 覆岩遭到破坏, 从而引起地表塌陷。所以, 加强煤柱和煤层的研究设计, 对其稳定性进行有效的估算, 可相应的防止地面塌陷情况出现。

2 煤矿开采塌陷区地表移动变形原因

2.1 煤矿开采塌陷区的下沉变形

开采塌陷区地表塌陷形式又主要分为坑和盆两种。其下沉的过程有三个阶段:第一个阶段就是开始阶段, 此阶段为下沉的起步阶段, 速度较慢;第二个阶段为活跃阶段, 此阶段为下沉的成熟阶段, 速度较快;第三个阶段为衰退阶段, 此阶段为地面的沉降已经进入后期, 基本的下沉运动都已消失, 地层内部和外部的结构也都已趋于稳定。这三个阶段中的下沉都不没有教好的稳定性, 变化因素较多。对其下沉的速度是不断增加的, 到达顶峰后, 在逐渐的减小直到消失。在采矿工作的不断开展中, 促使覆岩出现了垮落带, 导水断裂带, 及下沉带。对于覆岩中的采空冒落带, 其在受到覆岩自身重量因素的影响下会变得愈加稳固。但是这种稳定性是需要时间的。而对于采空冒落带而言;其能够导致地表出现残余的变形现象。针对沉降区域内部的残余变形情况主要分为两种;第一是在沉降地表的开采中, 其地表移动到衰退期之后的总体变形情况。第二是地基土受到影响后的自身变形情况。

2.2 水文地质构造的影响

对采矿区域内的水文地质情况, 对其地表的沉降影响仅次于覆岩的移动作用。当采矿地域中的地下水位下降, 会导致地表下沉值和面积不断增加。从矿区水文地质的参数变化和广阔的矿区水文特点角度来讲;地下水位的调整可能会包含溶水岩层, 对其释水量不能准确的预计。在煤层开采过程中, 容易出行离层现象, 在采矿移动的断层中, 导致地表出现与地下水走向相同的台阶, 有些还会导致拉伸变形问题, 出现槽型的沟壑。煤矿开采工作完成后, 由于地下水及回采等因素的影响, 引起内部的岩体断层发生活化, 影响采煤稳定区的地表移动。

3 煤矿开采塌陷区地表及建筑物的变形防治措施

3.1 加强建 (构) 筑物的基础和上部结构的抗变形

一方面, 地基变形是造成建筑物裂缝损坏、倾斜和事故的重要原因, 由于增加了上部荷载, 地基承载力和可能产生的沉降变形值是关键问题。地基变形特征有沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜。要改良软弱地基土的工程特性, 一般的常用处理方法较多, 大体可分三类: (1) 采用挖除软弱地基, 如置换法。 (2) 人工增大土的密度如强夯法、碾压、振动法等。 (3) 减少孔隙水压力加速固结如排水法、挤密法等。另一方面, 采用合适的结构形式。当上部结构和基础的整体刚度及强度不能适应地基变形时, 上部结构就遭致裂损。在其他条件相同的情况下, 上部结构连同基础的整体刚度愈大, 建筑物的差异沉降就愈小, 但在上部结构和基础中产生的附加弯矩就愈大, 所以当上部结构柔性大时, 基础不宜有相当大的刚度。水池、油罐常采用柔性底板, 目的就是使之能适应大量的不均匀沉降。选择结构形式时, 对于由地基变形引起的结构物的整体或局部稳定问题必须引起重视。

3.2 场区内的建构筑物按规范中建筑的抗震不利地段设计

首先, 考虑结构体系对于地震作用力的抵制效果, 并且还要重视对不同的结构体系所采取的抗震措施, 不同体系对经济和安全带来的影响。要结合工程的实际情况, 做好整个结构体系的优化工作。其次, 保留一定的余度, 以此来保证某部分结构在遭到破坏之后, 其余的架构可以对作用力进行均衡, 这样就可以保证部分构件的破坏不会影响到整体的抗震性能。最后, 需要把震害的传递路径清晰的标注于结构图当中, 以此来保证他们在设计的过程中能够全面的顾及抗震设计的要求, 使各个部件都能保证应力传递过程的连续性。

3.3 对场地内的建筑物自建设施工开始至运营期间, 应按规范规定进行变形监测

煤矿场地内的建筑物自施工及使用过程中, 应做好相应的变形监测工作。而变形监测中最为常用的就是GPS和全站仪, 作为最为先进的测量设备, 具有设站灵活、速度快及精度高的特点, 并可提供三维位置信息, 可满足建筑物对形变监测的要求。同时还应按照相关规范来进行变形监测, 并根据文件中的规范来操作。

3.4 治理煤矿塌陷

运用土地复垦技术和建筑物抗采动变形技术, 对开采沉陷破坏的土地进行整治和利用。主要方法有煤矸石粉煤灰充填法、取土复垦、剥离复垦、综合利用塌陷地、生态养殖型治理塌陷地等。对于煤矿开采塌陷区地表与建筑物的变形最为主要的是防治煤矿开采的塌陷, 而对于地面塌陷的治理方法因塌陷区所处地区的地势地貌、水文气象、塌陷对土地的破坏程度不同其复垦治理方法有所不同。对于山地和丘陵地带, 只要将局部的塌陷漏斗或塌陷坑、裂缝进行充填并加以平整, 即可恢复原来的地形地貌。对于平原地区, 若潜水位较低, 地区降雨较少, 塌陷区不会常年积水, 复垦时只需回填和铺垫表土, 即可进行种植或作它用。若潜水位较高, 或降雨较多, 塌陷区会常年积水, 复垦时需排除积水, 或整治水面及周围环境, 用于养殖及游览。塌陷治理不仅要寻求最佳的投资收益比, 还要达到治理后矿区生态系统的整体性和协调性。因此, 应根据经济合理的原则和自然条件以及土地破坏状态, 合理规划, 将塌陷治理纳入企业生产建设规划, 因地制宜, 综合治理。

4 结束语

煤矿开采塌陷区的内在或外在变化, 对其上的建筑物影响是多方面的。由于煤矿的开采, 导致建筑物地下的岩体中的覆岩层遭到破坏, 导致其地表容易发生沉降变形移动。对此问题我们进行了具体的分析, 研究加强建筑物的设计方案, 使其建筑物、建筑物基础、及地基三者相互配合, 达到协调统一的目的, 以此来加强建筑物的整体应力作用, 从而提升建筑物的整体方采动能力。加强建筑物的整体稳定性, 降低其受力变形发生毁坏。

参考文献

[1]孙建.倾斜煤层底板破坏特征及突水机理研究[D].北京:中国矿业大学 (北京) , 2011, 15-20.

地表塌陷分析 篇4

本文以安徽五沟煤矿充填开采工作面地表塌陷区为例, 应用模糊数学与综合评价相结合的方法, 建立煤矿充填开采塌陷区地表环境损害综合评价指标体系, 评价该区域煤矿充填开采塌陷区地表环境损害状况, 为该区环境治理和土地的合理规划提供现实依据。

1 评价模型

1.1 评价指标体系

煤矿开采塌陷区主要环境损害表现在建筑设施和地表水系的破坏、塌陷区地表积水、坡耕地水土流失和土壤肥力质量的变化等。基于此, 建立煤炭开采地表环境损害评价指标体系, 该体系分为3层 (图1) , 第1层是地表环境损害评价综合指标;第2层包括3个独立部分, 第1部分表示建筑物与设施的损坏状况, 第2部分表示土壤养分的环境条件, 第3部分表示水土流失现状;第3层为各单项指标。也就是说, 由建筑物破坏程度、道路与水系破坏程度、塌陷面积、塌陷坡地坡度5项指标构成建筑物与设施损坏状况, 由土壤p H值、有机质、铵态氮、有效磷、速效钾、生物量6项指标构成土壤养分的环境条件, 由表土黏粒、水分含量、表土厚度这3项指标构成水土流失情况的评价指标。由上述14项指标组成煤矿开采塌陷区地表环境损害多层次综合评价体系。

根据建立的煤矿开采塌陷区地表环境损害评价指标体系, 对现场采集的数据建立数据库, 对建筑物与设施进行环境损坏评价时, 参照相关地表环境损坏标准进行定量化赋值;对土壤养分与水土流失情况进行环境损害评价时, 应用模糊数学[2]和综合评价[7,8,9,10,11]相结合的方法评价煤炭开采地表环境损害情况;根据不同指标的特点, 建立各指标的隶属度函数;查阅文献资料, 结合研究数据, 确定各指标隶属度函数临界值[12]。在此基础上, 计算各指标的隶属度值。再次, 利用相关系数法与专家打分相结合的方法来确定评价指标的权重;专家打分时, 分别请15~20位国内外从事煤炭开采与环境保护研究的专家, 依据自己经验给各因子权重赋值, 并取其中值。最后, 将煤炭开采地表环境损害综合评价指标体系的第3层次指标进行加法合成, 获得第2层次指标值;第2层次相互独立的3个指标采用乘法合成, 求得煤炭开采地表环境损害综合评价指标值。

1.2 评价指标量化

地表环境损害评价主要依据项目组调查研究和采集样品进行分析的数据对各指标因子进行赋值。在一定范围内, 煤矿开采塌陷区建筑物破坏程度、道路与水系破坏程度、塌陷面积、塌陷坡地坡度、有机质、铵态氮、有效磷、速效钾、表土厚度、生物量等指标的增长与煤矿开采塌陷区地表环境呈正相关, 而低于或超过这个范围, 其变化对地表损坏程度影响比较小, 所以损坏效应曲线一般呈S形[13]。因此, 首先需要确定各指标要素地表损坏程度的适宜范围, 即2个临界值 (x1、x2) , 并将曲线函数转化为相应的折线函数进行计算。结合前人研究结果以及实际情况, 拟定曲线中临界值 (表1) 。

2个临界值之间的数值按一定斜率的线性函数处理, 2个临界值之外的数值取一常数值。并建立隶属度函数, 如式 (1) :

土壤含水量、黏粒含量和p H值对作物生长的影响作用呈抛物线形, 存在最优区间。而煤矿开采对上述因子的损害表现在地表土壤环境变化上同样存在一个适宜范围, 在此范围之外, 损害程度越大, 对煤矿开采塌陷区地表环境越不利。首先需要确定上述指标对煤矿开采塌陷区地表损坏程度最适宜区间, 并赋予最大指数值, 对该区间以外的数值按比例递减, 再将曲线转化为折线, 将转折点作为拟定临界值 (表2) 。

建立相应的隶属度函数为:

根据S形和抛物线形隶属度函数可计算出煤矿开采塌陷区地表各指标的隶属度值, 隶属度值为0.1~1.0。最大值1.0表示该项指标在煤矿开采塌陷区地表损害最小;最小值0.1则表示该项指标在煤矿开采塌陷区地表损害最大。在计算时, 为避免零值过多影响计算结果, 故取最小值为0.1[14]。

1.3 权重确立

通过相关系数法, 可以得出各评价指标的相关系数, 再通过各评价指标的相关系数计算得出各评价指标相关系数平均值, 以各评价指标的相关系数平均值与各评价指标的相关系数平均值之和的比例作为各评价因子的权重。最后, 依据专家打分结果, 对煤矿开采塌陷区地表各指标的权重系数进行修正, 从而确定各评价因子的权重。

2 评价结果处理

根据模糊数学中的加乘法原则, 5项建筑物与设施指标之间采用加法合成, 求得建筑物与设施指标值BFI (Building and facility index) , 6项土壤养分指标之间也采用加法合成, 求得地表土壤养分环境的指标值SFI (Soil fertility index) , 3项水土流失指标加法合成同样可以获得地表水土流失环境的指标值SLI (Soil Loss index) 。然后在第2层相互独立的SFI和SLI之间采用乘法合成, 求得煤矿开采地表环境损害综合评价指标IFI (Integrated fertility index) [13]。计算公式为:

式中, ω (x) 、ω (y) 、ω (z) 分别为煤矿开采地表环境损害各指标的权重系数;f (x) 、f (y) 分别为养分指标和地表水土流失环境指标的隶属度值。

由此可以计算得到SFI、SLI和IFI。

3 应用实例

3.1 研究区概况

安徽省五沟煤矿中心距宿州市约35 km, 距离淮北市约50 km。研究区地处淮北平原中部, 地面标高基本在+27 m左右。矿区范围内人工沟渠很多, 矿井北部有浍河流过, 属淮河水系。研究区域内属季风暖湿带半湿润气候, 春秋温和, 雨量少。1980—1991年平均气温为14.1℃, 最高气温 (1988年7月8日) 达到40.3℃, 最低气温 (1988年12月16日) 达到-10.9℃。年平均降水量为834 mm, 雨量在7、8月最大, 全年蒸发量1 400 mm, 全年无霜期208~220 d, 冰冻期一般在12月上旬至次年2月中旬[15]。研究区域土壤主要为砂浆黑土, 是晚更新世 (Q3) 以来, 在古地理环境条件下, 发育在第四纪河湖相沉积物上的半水成土壤。

3.2 调查与实验结果

选择某充填开采工作面地表塌陷区域作为研究对象, 设定2个采样断面, 即自切眼点开始并沿工作面推进方向1个 (L) , 距切眼点内侧约100 m并横截工作面方向1个 (W) , 每个采样断面均自塌陷区中央至塌陷影响边界等距离布置4个采样点。采样时, 采集每个采样点表层0~20 cm处土壤 (耕作层) , 带回实验室分析土壤理化性质和养分等参数。地表环境损害评价依据的数据主要是项目组2013年7月15日调查研究和采样分析的数据, 各指标因子的赋值结果如下:

(1) 建筑物与设施。根据现场调查研究结果, 充填开采工作面地表塌陷影响区域内无重要建筑物, 仅有一村庄, 且损伤轻微;道路破坏程度轻微;由于地表无重要江河沟渠等水系存在, 破坏程度较弱。塌陷区无积水, 塌陷坡地坡度为3°。塌陷区域的范围较小, 目前的塌陷区域大约为采空区面积的4倍, 且整个充填开采工作面的采样断面具体赋值一致。

(2) 土壤养分与水分流失。土壤养分的各项指标与水土流失的各项指标均为实测数据 (表3) 。

3.3 主成分分析

根据煤矿开采地表采样数据计算得出煤矿开采地表土壤各指标隶属度 (表4) 。

通过求煤矿开采地表各评价指标之间的相关系数, 以各评价指标的相关系数平均值与各评价指标的相关系数平均值之和的比例, 结合专家打分, 求得各评价因子的权重 (表5) 。

3.4 综合评价结果分析

根据公式 (3) — (6) 求得煤矿开采地表土壤环境各评价指标值, 以及煤矿开采地表土壤环境综合评价指标 (图2) 。在充填开采塌陷区地表, 环境损害评价综合指数越高, 说明地表损害越明显。

由图2中充填开采地表环境损害综合评价指数数值可以看出, 塌陷地表环境损害评价指数均小于0.2, 地表环境损害程度“轻微”;同时, 塌陷地表各区域地表环境损害评价综合指标值相差较小, 但是塌陷地坡地上段要比下端环境损害大。

4 讨论与结论

4.1 建筑物与设施

(1) 地表塌陷范围小、深度浅, 塌陷区域的范围较小, 目前的塌陷区域大约为采空区面积的4倍, 塌陷坡地坡度为3, 破坏程度为Ⅰ级。

(2) 地表设施毁坏程度较低。充填开采工作面地表主要为农田, 无河流、湖泊等水系, 工作面附近村庄主要有王楼、庙前村, 连接村庄有1条水泥路。充填开采至今, 村庄未见明显沉陷迹象, 水泥路可见裂痕, 但不影响车辆和行人通行, 地表设施损害程度Ⅰ级。同时, 从农业景观和农作物生长角度来说, 除塌陷中央区域由于季节性积水的原因, 旱季农作物生长受到影响, 在其他受煤炭开采影响下沉的区域, 农作物生长基本不受影响。

4.2 土壤养分与水土流失

土壤养分中, 土壤铵态氮含量未来一年有小幅、缓慢下降, 有效磷和速效钾含量虽有波动, 但总体上基本保持在现有水平, 即流失的可能性很小, 这其中耕作因素起重要作用。但研究区土壤中有效磷和铵态氮的含量继续维持在一个比较低的水平, 作物栽培时, 应注意根据作物生长需求进行测土施肥。

地表塌陷分析 篇5

1 地质概况及电性特征分析

1.1 地质概况1地层

在钻探揭露深度范围内, 场区地层按成因自上而下可分为人工填土层 (Qml) 、冲积层 (Qal) 、残坡积层 (Qel+dl) 、基岩 (C) 。

2土溶洞形成机理

土洞是指埋藏于岩溶区可溶性岩层上复地层内的空洞。本区土洞形成与岩溶发育密切相关, 往往是岩面上先形成溶洞、溶隙, 上覆土层底面在地下水的潜蚀作用下, 不断崩落、镂空, 致使上覆土层出现空洞、软化、松散, 加之第四系潜水的淋溶作用, 带走了土体中的亲水矿物质, 留下了粗粒骨架, 从而形成土洞, 其顶板发育受岩性控制。

总之, 土洞是可溶性岩层与上覆土层间, 由地下水潜蚀形成岩溶后, 继续向上扩展, 上覆土层底面不断崩落产生的特殊地质现象。

1.2 电阻率法的电性特征分析

本区实测资料表明, 覆盖层一般饱和含水, 电阻率较低, 一般在60~200Ωm之间, 完整的微风化灰岩电阻率极高, 一般在500~700Ωm之间。

土洞的电阻率则视洞内有无充填物及充填物岩性而定, 现分述如下:

(1) 当土洞内充填物为下列几种情况之一时, 其电性则为高阻:

(1) 土洞为空洞, 无任何充填物。

(2) 胶结较好且较干燥的粘土或粉质粘土。

(3) 粉质粘土或粘土内混有适量的碎石、砾石、卵石。

(2) 当土洞内的充填物为如下情况之一时, 则其电性为低阻:

(1) 流塑状、可塑状或湿润的粘土或粉质粘土。

(2) 砾砂、粗砂或中细砂。

(3) 流塑状或可塑状的淤泥质土。

土洞电性如为低阻者, 其电阻率仅有几十个Ω·m, 当为高阻时, 其电阻率可高达数百Ω·m, 与围岩之间有较大的电性差异。

综上所述, 本区基本具备了采用高密度电阻率法探测不良地质体的地球物理前提。

2 广州白云机场机场土洞电性异常特征

2.1 封闭型异常

此类异常较为常见, 以T15剖面较为典型, 其上部为粉质粘土与砾砂及粗砂互层, 土地洞顶界面埋深20米, 洞内充填软塑-流塑状粘土夹砂土, 实测剖面围岩的视电阻率均大于200Ωm, 但在测线B=6060附近, 出现视电阻率小于200Ωm的相对低阻封闭圈, 其纵座标与已知的T15土洞埋深大致对应, 其下部等值线出现凹陷, 反映了此处灰岩面较低。

2.2 高阻张口型异常

此类剖面在场区分布较广, 以T17剖面较典型, 此洞覆盖层为粉质粘土与砾砂、粉砂互层, 土洞顶板埋深20米, 洞内充填物为软塑-流塑状粘土, 实测剖面中横座标B=6330、纵座标为16-25米左右等值线出现明显的唇形扭曲, 视电阻率约在220-240Ωm。低于两侧同一深度围岩的视电阻率, 其下部高阻等值线凹陷, 反映灰岩面高度低于两侧。

2.3 低阻张口型异常

此类异常实测视电阻率较低, 在场区部分地段较为集中, 以T3土洞为例, 该洞覆盖层为砂层与粉质粘土, 土洞顶板埋深18.5米, 洞内充填物为软塑-流塑状粉质粘土, 纵座标相当于土洞顶板埋深部位, 等值线出现明显的唇形张口, 下部反映灰岩面的等值线明显凹陷, 反映灰岩面较两侧低洼。

2.4 异常部位的等值线密度相对较小。

3 高密度电阻率法应用实例及效果

3.1 物探成果

现以经钻探验证的T17土洞物探成果的为例, 说明该方法的效果。在该部位共布置了四条电法剖面W1~W4, 限于篇幅, 仅介绍W1、W2两条剖面。实测ρs剖面土洞异常为相对低阻张口型, 反演地电影像剖面出现透镜状低阻体。土洞位于高阻基底灰岩界面的洼陷处的第四系冲积层中。依各剖面线电性异常圈定的范围南北向、东西向均约为25米, 确定其顶板埋深20m, 洞体高度10m, 面积约400m2。

3.2 钻探验证结果

经钻探在物探异常中心部位 (A4200, B6340) 布孔验证, 确认土洞的客观存在, 洞内充填有浅褐灰色的软~流塑的粘性土, 夹有微薄层砂土或松散砂土。在土洞处理过程中, 钻探以2m×2m孔距布孔34个, 以进一步控制土洞边界, 计算结果面积约360m2;厚度土洞洞高0.30~21.00m, 累计厚度106.60m, 平均高度3.14m;体积约为1130.40m3;其圈定的平面范围、钻探剖面资料与物探成果基本吻合。

结束语

在当前的煤矿区地表塌陷评估中通过对高密度电阻率法的应用, 使得当前煤矿地区地表塌陷评估水平得到了显著提升。通过本文对高密度电阻率法的深入分析以及对高密度电阻率法在现代煤矿区地表塌陷评估中的应用的详细阐述, 相信读者对高密度电阻率法在煤矿区地表塌陷评估中的应用也有了更深刻的认识。总而言之, 为了提高煤矿区地表塌陷评估的水平, 还必须要加大对高密度电阻率法的分析研究力度。

摘要：随着社会的发展, 在现代的煤矿区地表塌陷评估中各种先进的技术和理论层出不穷, 而随着这些层出不穷的技术以及理论在煤矿区地表塌陷评估中的应用, 使得煤矿区地表塌陷评估的水平得到了大幅度提升, 从而为我国煤矿事业的发展创造了有利条件。而在当前的煤矿区地表塌陷评估中高密度电阻率法是一种较为常见的方法, 随着高密度电阻率法在煤矿区地表塌陷评估中的应用, 使得当前煤矿区地表塌陷评估的水平得到了进一步提升。然而就当前高密度电阻率法在煤矿区地表塌陷评估中应用的实际情况而言, 其中还存在着一些较为严峻的问题。这些问题不仅影响到煤矿区地表塌陷评估的质量和效率, 同时还制约了社会经济的发展。本文通过对高密度电阻率法的深入分析, 然后对高密度电阻率法在现代煤矿区地表塌陷评估中的应用进行了详细阐述, 以供同行探讨。