浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试

刘星，祁术洪

浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试

刘星1，祁术洪2

（1.闽西职业技术学院 城乡建筑学院，福建 龙岩 364021；2.郑州升达经贸管理学院，郑州 451191）

[1]：浅层采空区的稳定性受塌陷结构面应力效应直剪力的直接影响。采用当前方法测试采空区塌陷结构面应力效应直剪力的危险性时，测量的结果相比实际的结果准确率较低，得到的危险性结果不符合实际结果。提出浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试方法。在采矿因素、地质因素、环境因素和水文因素中选取浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性评估指标，采用层次分析方法对采空区塌陷结构面应力效应直剪力的危险性评估指标的权重进行分析计算，得到变权改进后的评估指标的权重，在模糊识别理论的基础上计算评估指标的隶属度，根据隶属度构建危险性评估模型，通过危险评估模型得到塌陷结构面应力效应直剪力危险级别特征值，依据危险级别特征值确定采空区塌陷结构面应力效应直剪力的危险级别，实现浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力的危险性测试。实验结果表明，该方法的测试结果准确率较高。

浅层采空区；塌陷；结构面；危险性测试

受不同条件和因素的影响，浅层采空区发生塌陷的状况都不相同[1]。目前国内对浅层采空区塌陷规律的研究尚浅，主要都是研究造成深层煤矿塌陷的原因和影响。现有的一些地下的采矿活动，容易导致浅层采空区的塌陷，而造成采空区塌陷的其他动因，则是其他的自然动力与无规则的外界触发因素[2]。浅层采空区的塌陷对地质有着很大的影响，因其经常发生在煤矿地区，一旦发生塌陷问题，人们需要承受的损失往往都是巨大的，因此人们对于浅层采空区的塌陷的问题尤为重视。

对浅层采空区进行合理的开发和建设，是减灾防灾的基础。因采空区地质的不同以及控灾和成灾条件不同，浅层采空区塌陷的危险性、影响程度和塌陷范围都有所不同[3]。根据我国2021年12月1日实施的《地质灾害危险性评估规范》，针对浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力的危险性测试，国内通常根据影响采空区塌陷的因素来对结构面应力效应直剪力的危险性进行测试[4]。当前塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试方法存在测试结果准确率低的问题，需要研究塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试方法。

吴丽清等[5]将地面塌陷、地层岩性、溶洞发育、地下水开采、距河流距离、断裂带分布、工程活动、覆盖层结构和覆盖层厚度作为影响因素，计算影响因素的权重，通过信息法对信息量进行计算，叠加计算得到的信息量和权重对塌陷结构面应力效应直剪力的危险性进行测试。李建朋等[6]首先对造成采空区塌陷的因素进行分析，结合典型实例，通过权重分析法计算影响因素对应的权重，利用计算得到的权重构建塌陷结构面应力效应直剪力危险性评估的评估表，完成采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性的测试。文畅平等[7]将覆盖层厚度降低水位埋深、抗剪强度参数黏聚力、覆盖面厚度增高水位深埋、覆盖层厚度和抗剪强度摩擦角塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试的评价因子，选用典型的案例当做测试过程中的训练样本，构建塌陷结构面应力效应直剪力危险性评价模型，完成塌陷结构面应力效应直剪力危险性的测试。但在实验测试中上述方法的测试结果与实际得到的结果之间存在较大误差，测试的结果不够精准，准确率较低。

为了提高测试采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性的准确率，提出浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试方法。

1 指标框架分析模型

存在多种地质影响因素会对浅层采空区塌陷结构面的应力效应直剪力造成影响，决定浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性程度的因素，会随着社会经济条件、作业条件和地域类型的不同而发生变化。

经调查发现，采矿因素和地质因素决定了浅层采空区塌陷结构面的强度特征、空间特征、时间特征以及塌陷结构面的发展和形成[8]。为了有效地对浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力的危险性进行测试，在测试范围内，分析影响浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力的主要因素。在考虑了浅层采空区的地质、水文与环境的因素后，结合采矿因素，筛选相关因子。将煤柱布置及尺寸、覆岩结构、浅层采空区的区域面积、地质条件、区域降雨量、岩石构造、顶板评价指标、采厚比、松散层分布及厚度、地形地貌和地下水走位作为危险性评估因子。建立模糊数学模型分析指标框架，如图1所示。

图1 指标框架分析模型

2 危险性测试方法

2.1 指标量化处理

塌陷结构面应力效应直剪力危险性评估指标通常存在模糊性，不能准确地进行量化，为了解决上述问题，浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试方法通过模糊集值统计方法对选取的指标做量化处理。通过询问有关人员、查阅文献、测试获取定量指标对应的特征值。

2.2 确定变权

浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试方法通过层次分析法对指标的常权进行计算，通过浅层采空区层次结构的建立，使用对比方法计算矩阵对浅层采空区层次影响因素的重要性。对判断结果做一致性检验，得到各元素对应的权重[9-10]。

通过变权公式弥补并改进采用层次分析法获得的指标权重：

2.3 结构面应力效应直剪力危险性测试

2.3.1 构建特征值矩阵

2.3.2 测试结果

表1 结构面应力效应直剪力危险性等级

3 实验结果与分析

为了验证浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试方法的整体有效性，需要对浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试方法进行实验。某市存在一地区，该地区内存在大量的采空区，发生多次较大的地压活动和冒落活动。

表2 3种不同方法的测试结果

分别采用浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试方法、文献[5]提出的基于AHP-信息量法和文献[6]提出的基于权重反分析法对该地区内的采空区塌陷结构面应力效应直剪力的危险性进行测试，测试结果如表2所示。

危险级别特征值为常数，为了更直观的对比浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试方法、基于AHP-信息量法和基于权重反分析法的测试结果，用柱形图对表1中的数据进行表示，对比3种不同方法得到的危险级别特征值与实际特征值之间的误差，对比结果如图2所示。

图2 3种不同方法的对比结果

分析图2可知，采用浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试方法得到的危险级别特征值大多数与实际特征值相符，存在个别特征值与实际特征值之间存在误差，但误差均为0.1，根据危险特征值划分的危险等级与实际危险等级相同。采用基于AHP-信息量法和基于权重反分析法得到的危险级别特征值均与实际特征值之间存在误差，且个别采空区根据危险特征值划分的危险等级与实际危险等级不符。对比3种不同方法的测试结果可知，浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试方法的测试结果准确率较高。

4 结束语

结构面应力效应直剪力会导致浅层采空区下岩体的变形和强度出现差异，当前结构面应力效应直剪力危险性测试方法存在测试结果准确率低的问题，因此提出浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力危险性测试方法，通过与现有方法进行对比实验，能够证明提出方法的准确率高于现有方法，得到的危险特征值划分的危险等级与实际危险等级相符，说明该方法具有较好的实用性，能够有效实现对浅层采空区塌陷结构面应力效应直剪力的危险性测试。

[1] 王恒恒，张发旺，郭纯青，等. 基于层次分析法的城市岩溶塌陷危险性评价——以武汉市南部为例[J]. 中国岩溶，2016, 35(6): 667-673.

[2] 赵凯，曾亚武，曾超. 基于颗粒流法含软弱结构面岩质边坡稳定性分析[J]. 科学技术与工程，2018, 18(1): 97-102.

[3] 陈凡，曹安业，窦林名，等. 基于区域划分与主控因素辨识的冲击危险性评价方法[J]. 煤炭学报，2018, 43(3): 607-615.

[4] 段先前，褚学伟，李博. 基于集对分析的岩溶塌陷危险性预测评价[J]. 安全与环境学报，2016, 16(4): 72-76.

[5] 吴丽清，廖婧，王威，等. 基于AHP-信息量法的武汉地区岩溶地面塌陷危险性评价[J]. 长江科学院院报，2017, 34(4): 43-47.

[6] 李建朋，聂庆科，刘泉声，等. 基于权重反分析的岩溶地面塌陷危险性评价方法研究[J]. 岩土力学，2018, 39(4): 1395-1400.

[7] 文畅平，陈毅，肖宏彬，等. 基于突变级数法的岩溶塌陷危险性评价[J]. 中国科技论文，2016, 11(13): 1539-1543.

[8] 舒畅，姚安林，徐涛龙，等. 基于突变理论的采空塌陷区输气管道危险性评价研究[J]. 中国安全生产科学技术，2017, 13(1): 97-102.

[9] 胡高建，杨天鸿，胡忠强，等. 基于Mathews稳定图等方法的多角度采空区群稳定性分析评价[J]. 采矿与安全工程学报，2017, 34(2): 348-354.

[10] 马克，唐春安，梁正召，等. 基于微震监测的地下水封石油洞库施工期围岩稳定性分析[J]. 岩石力学与工程学报，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

福建省教育厅中青年教师教育科研项目——应力吸收层对半刚性基层路面裂缝防治效果研究（JAT191532）

刘星（1985-），女，河南许昌人，讲师，硕士，主要从事结构工程研究，xinglll198@163.com。

P642.21;TU45

A

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