上海出入境检验检疫局-愚人节作文

第
31
卷第
11
期
2009
年
11
月
北京科技大学学报
JournalofUniversityofSciencea ndTechnologyBeijing
Vol.31No.11
Nov.2009
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
)< br>北京科技大学土木与环境工程学院
,
北京
100083
　
2< br>)
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　
TD325
1
1
Fuzzycomprehensiv eevaluationmethodofthefoundationstabilityofnew
2
build
2
ingsaboveworked
2
outarea s
ZHANGJun
2
ying
1
,
2
)
1
)
SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering ,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing10 0083,China
2
)
MineSafetyTechnologyInstit ute,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China
ABSTRACT
　
Afuzzycomprehensiveevaluation methodforevaluatingthefoundationstabilityofnewbuil dingsabovework
2
outareas
factorsthatinfl uencefoundationstabilitywereanalyzed,and

2< br>lytichierarchyprocesswasusedtodetermineajudgmen tmatrix,whichdistributesweightcoefficientsforevery factorrationally.
Basedontheproposedmethod,afuz zycomprehensiveevaluationmodelwasconstructed,andth ecorrespondingrelationbetweenthe
hodwasverified withthreeexamples.
KEYWORDS
　
mined
2< br>outarea;foundationstability;fuzzymathematics;co mprehensiveevaluation
　　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
收稿日期
:20 08-12-06
基金项目
:
煤炭工业科学技术研究指导性计划项目
(
08-041
)
)
,
男
,
研究员
,
博士 后
,E
2
mail:zhjy369@
作者简介
:
张俊英< br>(
1965
—

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
・
1369
・
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
.
(
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
,< br>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
:< br>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< br>;
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
.
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< br>,
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
Hm
)
.
一般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
,< br>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< br>.
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< br>)
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< br>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
,< br>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
.

< br>・
1370
・
北　京　科　技　大　学　学　报第
31
卷0
1
3
,
小型工业建筑与
6
～
10
层 民用建筑隶属度为
0
1
6
,
高度小于
5m
的建筑隶 属度可取
1
1
0
,
其他情
况可内插确定
.
(
2
)
开采方式
.
小窑采空区无明显塌陷的隶属
数字
,
因此具有相对意义
.
同时
,
由于它具有随机性
和模糊性 的双重特性
,
使其获取也相对困难
.
层次
分析法
(
AHP
)
是一种定性与定量相结合的决策分
析方法
,
是确定权重的有 效方法
.
它通过将模糊概
念清晰化
,
从而确定全部因素的重要次序< br>.
首先
,
把
m
个评价因素排成一个
m
×m
阶矩阵
,
通过对因素
的两两比较
,
根据各因素的重要 程度来确定矩阵中
因素的值
.
然后
,
计算所得到矩阵的最大特征根及
其对应的最大特征向量
.
最后进行一致性检验
,
如
果通过检 验
,
则认为所得到的最大特征向量即为权
重向量
.
3
11
　构造判断矩阵
以
A
表示目标
,U
i
(i
=1
,
2
,
…
,
8
)
分别 表示参
评的八个主要因素
.U
ij
表示
U
i
对U
j
相对重要性
数值
(
i
=1
,
2< br>,
…
,
8
;j
=1
,
2
,
…
,
8
)
,
取值依据见
表
1
.
表
1
　判断矩阵标度及其含义
Table1
　
Themeaningo ftheelementinestimatingmatrix
度为
0
,
已 部分发生过塌陷的隶属度为
0
1
2
;
条带采
空区为
0
1
4
;
残留较多煤柱、开采不充分
(
回采率小
于
70%
)
的长壁采空区为
0
1
6
;
回采率 达
70%
～
90%
的长壁采空区为
0
1
8
;
回采率超过
90%
,
且走
向、倾向开采均达充分的隶属度为
1
.
(
3
)
开采深度与采厚
,
即深厚比
Hm.
深厚比
小于
30
隶属度取
0
,
深厚比大于< br>130
取
1
,
其他情况
可内插取值
,
多煤层 应分别计算后以最不利情况
确定
.
(
4
)
开采结束时间.
刚回采结束隶属度取
0
1
2
,
每增加
5a< br>隶属度增加
0
1
1
,
30a
后均取
0
1
8
.
(
5
)
煤层倾角
.
倾角大于60
°隶属度取
0
,
倾角
为
0
°时取
1
,
其他内插取值
.
(
6
)
覆岩岩性
.< br>坚硬类型
(
单向抗压强度
40
～
80MPa
)
隶属度为
0
1
3
,
中硬类型
(
单向抗压强度为< br>20
～
40MPa
)
为
0
1
5
,< br>软弱类型
(
单向抗压强度为
10
～
20MPa
)为
0
1
7
,
极软弱类型
(
单向抗压强度小标度
1
3
5
7
9
2
,
4
,< br>6
,
8
　　　含义
U
i
和
U
j比较同等重要
U
i
比
U
j
略重要
U
i
比
U
j
较重要
U
i
比
U
j
非常重要
U
i
比
U
j
绝对重要
于
10M Pa
)
为
0
1
9
,
实际情况可据此酌情确定
.
(
7
)
地质构造情况
.
地质构造特别复杂隶属度
可取
0
,
特别简单即没有构造时可取
1
,
其他情况内插取值
.
(
8
)
表土层厚度
.
表土层为
0m
时隶属度为
0
,
表土层厚大于
50m
时为
1
,
其他情况内插取值
.
相邻判断的中值
表示因素
U
j
和
U
i
比较的判断
倒数
3
　评价因子权重确定< br>权重系数是评价目标中各个影响因素的重要程
度的定量描述
,
是表示各个因素重 要性的一个相对
　　通过对采空区地基稳定性评价因子分析
,
比较
任意两个因 素的重要性
,
采用
1
～
9
标度法使各因子
相对重要 性定量化
,
得出以下的判断矩阵
,
结果见
表
2
.< br>表
2
　采空区地基稳定性评价因素比较判断矩阵
Table2
　
Matrixforcomparingorjudgingtheevaluationfactorsof foundationstabilityofnewbuildingsabovework
2
outareas
　　因子
表土层厚度
开采结束时间
覆岩岩性
地质 构造情况
煤层倾角
地表拟建状况
开采方式
Hm
表土层厚度
1
2
2
3
3
7
5
9
开采结束时间
1

2
1
2
3
3
7
5
9
覆岩 岩性
1

2
1

2
1
3
3
5
3
7
地质构造情况
1

3
1

31

3
1
1
4
3
5
煤层倾角
1

3
1

3
1

3
1
1
4
3
5
地表拟建状况
1

7
1

7
1

5
1

4
1

4
1
1

3
5
开采方式
1

5
1

5
1

3
1

3
1

3
3< br>1
5
Hm
1

9
1

9
1
7
1

5
1

5
1

3< br>1

5
1

第
11
期张俊英
:< br>采空区地表建筑地基稳定性模糊综合评价方法
・
1371
・
3
1
2
　计算权重
根据判断矩阵
,
利用根值法进行计算
,可得最大
特征值
λ
max
=8
1
416
.按下式进行一致性检验
:
C
R
=
C
i
R
i
.
施
,
对于中等稳定
(
C
)
采空区地 表建筑必须按预测
的地表残余变形大小采取抗变形措施
,
对于不稳定
(
D
)
采空区地表建筑时必须先对采空区实施注浆加
固后才能建设
.
式中
,C
i
为判断矩阵的随机一致性指标
,C
i
=
(
λ
max
-
n
)

(
n
-1)
;
n
为评价因子个数
;R
i
为判断
矩阵的平 均随机一致性指标
(
表
3
)
.
表
3
　R
i
取值表
Table3
　
R
i
values
n
R
i
5
　应用实例
5
1
1
　平 顶山某住宅小区
[
2
]
该小区占地
16
1
4hm< br>2
,
划分为
10
个评价区域
.
小区下方
19 60
—
1980
年共开采了四个煤层
,
每层采
厚
1
1
5
～
2
1
0m
,
累计采厚
6< br>1
7m
,
煤层倾角
13
°
.
采用
走 向长壁全陷法开采
,
残留较多煤柱
,
回采率
70%
～
89%
.
覆岩为中硬
,
表土层厚
37
1
3m.
其中
1
区最
小采深为
114m
,
4
区最小采深为
77m
;
1
区拟建
6
层住宅楼
,4
区拟建
4
层住宅楼
.
根据以上条件确定
1
区 主要因素的隶属度分别
为
0
1
6
,
0
1
8
,
0
1
27
,
0
1
5
,
0
1
78
,
0
1
5
,
0
1
5
,
0
1
75
;
4
区主
要因素的隶属度 分别为
0
1
8
,
0
1
8
,
01
08
,
0
1
5
,
0
1
78
,
0
1
5
,
0
1
5
,
0
1
75
.
代入式
(
1
)
即可得
1
区、
4
区稳定性
综合评价指数分别为
0
1
50和
0
1
47
,
均属中等稳定
采空区
(
C
)
.
如果
1
区建设中型工业建筑和
4
区建
设
6
层住宅楼
,
则综合评价指数分别变为
0
1
4 3
和
0
1
43
,
就属于不稳定采空区
(
D
)
了
.
经计算
,
1
、
4
区的采空 区垮落裂缝带高度均为
52m
,
新建
4
、
6
层住宅 楼的荷载影响深度分别为
20m
、
26m
,
按文献
[
3
]
采空区临界深度地基稳定性
1
0
2
0
345 678910
0
1
580
1
901
1
121
1
241
1
321
1
411
1
451
1
49
　　一致性指标
:
C
i
=
8
1
416-8
=0
1
059
.
8-1
判断矩阵的随机一致性 比例
:
C
R
=
0
1
059
=0
1
042<0
1
1
.
1
1
41
故认为判断矩 阵具有令人满意的一致性
,
说明权数
分配合理
;
否则就需要调整判断 矩阵
,
直到满意
为止
.
最大特征值对应的特征向量即为各评价因子的
权重
,
权重模糊集表示为
A
=
{a
1
,a
2
,
…
,a
8
}
=
{
地表拟建状 况
,
开采方式
,
深厚比
Hm,
开采结束
时间
,
煤层倾角
,
覆岩岩性
,
地质构造情况
,
表土层 厚
度
}
=
{
0
1
232
,
01
135
,
0
1
390
,
0
1
030
,
0
1
073
,
0
1
041,
0
1
073
,
0
1
025
}.各因子权重之和等于
1
,
可
见深厚比是采空区地基稳定性的决定性因素< br>,
其次
是地表拟建状况
.
判别公式
,
可以得知
1
区建
6
层住宅楼和
4
区建
4
层住宅楼均处于稳 定状态
,
但
4
区建
6
层住宅楼就
处于不稳定状态< br>.
可见两种评价方法能取得一致的
结果
.
实际工程中
1
区建
6
层住宅楼
,
4
区建
4
层住
宅楼< br>,
从
1997
年至今地表没有出现较大的不均匀沉
降
,
住宅楼一直正常使用
.
5
1
2
　晋城某住宅区
该区占地< br>1
1
0hm
2
,
拟建
6
层住宅楼
,
其下为早
期小矿开采的采空区
,
采深
17
1
4～
33
1
5m
,
煤厚
3
1
9
～
6
1
8m
,
采厚
2
～
4m
,< br>倾角
7
°
,
回采率较低
,
覆岩
4
　 评价模型的建立
引入采空区地基稳定性综合评价指数
S.
综合
评价指数
S
为某一评价单元上的各种评价因素对
稳定性的影响总和
,
亦即
:
n
S
=
i=
1
∑
a
・
F
ii
(
1
)
式中
,a
i
、
F
i< br>分别为第
i
个
(
i
=1
,
2
,…
,
8
)
评价因子
的权重和隶属度
.
初步建立 了采空区地基稳定性级别与综合评价
指数的对应关系
,
当
S
分别为< br>>0
1
85
,
0
1
85
～
0
1
65
,
0
1
65
～
0
1
45
,
<0
1
45
时
,
相应的稳定性程度分别为
偏硬
,
表土层
12m
.
确定的主要因素的隶属度分别为
0
1
6
,
0
,
0
,
0
1
8
,
0
1
88
,
0
1
3
,
0
1
5
,
0
1
24
.
代入式
(< br>1
)
即可得稳定性
综合评价指数为
0
1
28
,
属不稳定采空区
(
D
)
,
假设在
该地表上建设高 度小于
5m
的建筑
,
综合评价指数
为
0
1
38
,
也属不稳定采空区
,
因此这类地表必须对
采空区实施注浆加固 后才能建设利用
.
实际工程中
先对地下采空区实施了水泥、粉煤灰注浆加固处理
,
6
层住宅楼还采用了抗变形结构
,
从
2000
年建成之
后
,
地表和住宅楼没有出现任何问题
.
极稳定
(
A
)
、稳定
(
B
)
、中等稳定
(
C
)
、不稳定
(
D
)
.
对
于极稳定
(
A
)
采空区地表建筑可以按正常设计
,
对
于稳定
(
B
)
采空区地表建筑需采取简易抗变形措

・
1372
・
北　京　科　技　大　学　学　报第
31
卷
5
1
3　徐州某工业开发区
(
滕永海
,
张俊英
.
老采空区地基 稳定性评价
.
煤炭学报
,
1997,22
(
5
)< br>:504
)
[3]
　
ZhangJY,chonevaluation techniqueforfoun
2
dationstabilityofnewly
2
builtsurfacebuildingsingobarea.
Mine
S urv
,2003
(
3
)
:28
该区域正下方于
1 970
—
1996
年采用长壁垮落
法开采了
2
煤和
7
煤
,
回采率
70%
,
两层煤间距
110m
,
2
煤采厚
1
1
8m
,
7
煤采厚
2
1
6m
,
最小采深
250m
,
煤层倾角平均< br>25
°
,
上覆岩层为中硬
,
地表冲
(
张俊英
,
王金庄
.
采空区地表新建建筑地基稳定性评价技术
积层厚
60m
以上
,
地质构造中等
.
确定的主要因素的隶属度分别为
0
1
3
,
0
1
8
,
1
,
0
1
3
,
0
1
58
,
0
15
,
0
1
5
,
1
.
稳定性综合评价指 数为
0
1
70
,
属稳定采空区
(
B
).
假如在该场地上建设大型
研究
.
矿山测量
,2003
(
3
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:28
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2
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(
杨纶标
,
高英仪
.
模糊数 学原理及应用
.
广州
:
华南理工大学
工业建筑
,
综 合评价指数变为
0
1
63
,
则属中等稳定
采空区
(
C
)
;
假如仅建设高度小于
5m
的小建筑
,
综
合评价指数变为
0
1
86
,
又属于极稳定采空区
(
A
)
了
.
评价认为该区域作为建设用地是可行的
,但应对不
同的建筑类型分别采取相适应的保护措施
;
2007
年
城市规划拟把该区域建成以湿地保护、生态养殖和
娱乐等为主的生态旅游公园
,
现公园 正在建设中
.
出版社
,2002
)
[5]
　
Han WB,ndsoillossassessmentofthedumpin
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(
4
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马锐
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.
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,2004,29
(
4
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StudyonStabilityoftheMined
-
outAreasandRec ov
2
eryofResidualPillarsinRockyGoldMine
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2
jing:UniversityofScienc eandTechnologyBeijing,2002
6
　结论
应用模糊数学理论 建立了采空区地表建筑地基
稳定性综合评价方法
,
把诸多因素影响采空区地基
稳定性的程度量化
,
初步建立了综合评价指数与采
空区地基稳定性级别的对应关系,
对不同稳定程度
的采空区地表提出了建筑结构措施或采空区治理措
施
.
应用三个实例对该方法进行了验证
,
获得了较
好的评价结果和工程应用效果< br>.
该方法适用于任何
采空区地表新建建筑时的地基稳定性评价工作
,
并
在应用中逐渐完善
.
参　考　文　献
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