采空区地表建筑地基稳定性模糊综合评价方法

采空区地表建筑地基稳定性模糊综合评价方法

张俊英1,2)

1)北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083　2)煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京100013

摘　要　应用模糊数学理论提出了采空区地表建筑地基稳定性综合评价方法,分析了采空区地表新建建筑地基稳定性的诸多影响因素,确定了评价因子,给出了主要因素的隶属度确定方法,采用层次分析法构造了评价目标的判断矩阵,合理地分配了各因素的权重,建立了模糊综合评价模型,给出了综合评价指数与采空区地基稳定性级别的对应关系.应用三个实例对该方法进行了验证.

关键词　采空区;地基稳定性;模糊数学;综合评价分类号　TD 32511

Fuzzy comprehensive evaluation method of the foundation stability of ne w 2build 2ings above worked 2out areas

ZHA N G J un 2ying

1,2)

1)School of Civil and Environmental Engineering ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China 2)Mine Safety Technology Institute ,China Coal Research Institute ,Beijing 100013,China

ABSTRACT A fuzzy comprehensive evaluation method for evaluating the foundation stability of new buildings above work 2out areas was proposed on the basis of the theory of fuzzy mathematics.A lot of factors that influence foundation stability were analyzed ,and the evaluation elements were determined.A method for determining the subjection degree of primary factors was presented.The ana 2lytic hierarchy process was used to determine a judgment matrix ,which distributes weight coefficients for every factor rationally.Based on the proposed method ,a fuzzy comprehensive evaluation model was constructed ,and the corres ponding relation between the evaluation indexes and the level of foundation stability was obtained.The method was verified with three examples.KE Y WOR DS mined 2out area ;foundation stability ;fuzzy mathematics ;comprehensive evaluation

收稿日期:2008-12-06

基金项目:煤炭工业科学技术研究指导性计划项目(No.M TK J08-041)

作者简介:张俊英(1965—

),男,研究员,博士后,E 2mail :zhjy369@ 为了少占或不占耕地,许多矿区正在或准备在采空区地表新建建(构)筑物.由于采空区的特殊性,在采空区地表新建建筑,要结合具体情况,评价采空区地表今后的稳定性,并采取相应的处理技术措施,确保建筑物的安全.地基稳定性评价工作就是为了解决采空区地表建筑利用时地表新增荷载对采空区及覆岩的影响程度问题,分析采空区地表在新增荷载作用下是否会产生大的不均匀沉降,以此评价采空区地表建筑地基的稳定性.

煤层开采后,上覆岩层形成垮落带、裂缝带和弯曲带.一般来说,垮落带、裂缝带的岩体结构破裂严重、稳定性差,而弯曲带的岩体采动破裂程度较轻、

稳定性较好.当在已经塌陷的采空区地表新建建筑时,新增建筑荷载影响到地表以下一定深度,如果建筑荷载影响深度足以触及到开采所形成的垮落带、裂缝带时,就会破坏这两带业已形成的平衡状态而使覆岩重复移动,进而使地表重新产生较大沉降.采空区地表不再因新增建筑荷载扰动而重新产生较大沉降时的采空区临界深度应该大于垮落带、裂缝带高度与建筑荷载影响深度两者之和,当实际采深大于临界深度后,建筑荷载不会使采空区重新沉降,此时可认为采空区地表建筑地基处于稳定状态[1-3].

采空区地表建筑地基的稳定性是由多因素决定

第31卷第11期2009年11月北京科技大学学报

Journal of U niversity of Science and T echnology B eijing

V ol.31N o.11

N ov.2009

的.事实上,采空区稳定与不稳定之间难以划定明确的界限,从一方到另一方中间经历了一个从量变到质变的连续过渡过程,这种不确定性适合用模糊数学理论来解决[4].应用模糊数学发展起来的综合评判法被越来越多地应用到一些工程综合决策中.韩武波运用专家分析法和层次分析确定了黄土区大型露天矿排土场水土流失的评价因子,建立了排土场水土流失评价指标体系和评价模型,并据此对平朔安太堡露天矿南排土场不同复垦时期的水土流失危害进行了评价[5].赵奎应用模糊理论研究了岩金矿山采空区及残留矿柱回采稳定性[6].文献[7-10]对不同目标进行了综合评价.笔者在多年研究基础上,根据采空区地表新建建筑地基稳定性研究对象的诸多影响因素,确定其评价因子,分析各因子相互关系及对目标的影响程度从而确定其权重,建立稳定性模糊综合评价模型,结合工程实际情况进行综合评价.

1　稳定性主要影响因素

影响采空区稳定性的因素是十分复杂的,笔者根据采空区稳定性对象的特殊性,结合十余年采空区地基稳定性评价的实验研究成果,确定影响采空区地基稳定性的主要因素如下.

(1)地表拟建(建筑物)状况.拟在采空区地表建设大型工业建(构)筑物、还是普通民用建筑物,建筑物高度、层数、及占地范围,采用浅基础还是深基础,荷载大小情况等,这些拟建建筑物状况决定着对地下采空区的影响程度.

(2)开采方式.长壁垮落法全采是目前应用最普遍、覆岩破坏最严重、地表沉陷最充分的开采方式,这种采空区相对也是最稳定的;正规条带开采采空区稳定性次之;房柱式及小窑穿巷式、刀柱式采空区稳定性最差,这些采空区地表既使没有新增荷载,一般也是处在不稳定状态.

(3)开采深度与采厚(即深厚比H/m).一般来讲,深厚比小对地表建筑比较敏感,也即稳定性差;随着开采深度增大,地表残余沉降趋向均匀,地表新增荷载对采空区影响也趋小,稳定性增强;随着采厚的增加,采空区垮落裂缝带也随之增大,覆岩破坏程度加剧,地表荷载作用下稳定性也变差.

(4)开采结束时间.对于地表充分塌陷的采空区而言,开采结束时间越长地表残余沉降也越小;对于不能充分塌陷的采空区而言,如回采率较低、顶板坚硬时未能充分垮落的采空区,即使开采结束数十年后也难以判定采空区稳定.

(5)煤层倾角.随着倾角加大,地表移动与变形变得复杂化,移动盆地向下边界偏移;当倾角大于45°后,不出现充分采动的情况,因此倾角加大采空区稳定性越来越差.

(6)覆岩岩性.采空区上覆岩层的组成、结构及其物理力学性质对地表移动与变形影响较大;当覆岩岩性为坚硬、中硬和软弱时开采后地表下沉系数有明显的区别,坚硬时下沉系数小,软弱时下沉系数大;与之对应开采结束后的采空区地表残余沉降当覆岩坚硬时就大,覆岩软弱时就小,从而也决定着采空区稳定性的差与好.

(7)地质构造情况.当断层倾角大于20°,落差大于10m时,断层对岩层和地表移动有明显的影响,断层露头正上方地表会产生较大裂缝,出现台阶.断层等地质构造对采空区地表建筑的影响表现在两方面:其一在断层露头区域地表残余沉降中易产生台阶状裂缝,对新建建筑危害较大;其二断层等地质构造复杂区域,势必开采时要残留许多不规则煤柱,这些煤柱随着时间的推移会逐渐破坏,造成地表产生较大的不均匀沉降.因此,地质构造复杂区域的采空区稳定性就差.

(8)表土层厚度.表土层的物理力学性质远低于基岩层,表土层可以使基岩的不均匀移动与变形得到缓和.对于采空区地表,基岩上部如有较厚的表土层,便会使地表残余沉降变形趋于平缓,对新建建筑有利;相反,如基岩直接出露地表,地表残余沉降变形分布不均匀,对新建建筑危害也较大,表现为采空区稳定性就差些.

2　主要因素的隶属度确定

隶属度是刻画模糊性的指标,是表现主要因素对目标隶属关系不确定性大小的数量指标.由于采空区地表建筑地基稳定性是一个十分复杂的系统行为,另外地表拟建状况等因素为描述性的定性因素,因此采用模糊数学中隶属度的概念,将主要因素对稳定性影响程度进行定量化处理.该值可用(0,1)区间的数值来表示:当某一因素隶属度接近0,表示其对采空区地基稳定性的作用为最不利,即可能造成采空区地基处于不稳定状态;而当某一因素隶属度接近1,表示其对采空区地基稳定性的作用为没有影响.各因素的隶属度确定如下:

(1)地表拟建(建筑物)状况.采空区地表拟建大型工业建筑(最大荷载大于500kPa,或最大高度大于100m)时隶属度为0,中型工业建筑(最大荷载大于300kPa,或最大高度大于50m)时隶属度为

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第11期张俊英:采空区地表建筑地基稳定性模糊综合评价方法