舒蘭市地面塌陷危險(xiǎn)性分析與評(píng)價(jià)

郭豐敏，盧長(zhǎng)偉，程 勝

(1．吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院道橋工程分院，吉林長(zhǎng)春 130012;2．吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春 130012)

0 引言

舒蘭市地處吉林省東北部煤田區(qū)，盛產(chǎn)褐煤，是中國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)基地之一。區(qū)內(nèi)由于自然因素以及人類(lèi)工程活動(dòng)的影響，地面塌陷十分嚴(yán)重，極大地威脅著人民生命財(cái)產(chǎn)和公共設(shè)施的安全，阻礙了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此客觀科學(xué)的劃分出該區(qū)地面塌陷的易發(fā)程度和危險(xiǎn)程度，從而進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)是十分必要的?；疑P(guān)聯(lián)分析法是目前分析以及預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生程度所采用的一種較為有效的方法。20世紀(jì)90年代初，劉希林曾提出該方法［1］，用以分析泥石流的危險(xiǎn)區(qū)劃;近21世紀(jì)這種方法得以推廣［2，3］，在地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的研究分析過(guò)程中逐步運(yùn)用該方法。

1 地面塌陷的特征

地面塌陷是舒蘭市最主要的地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型，也是本區(qū)單位面積經(jīng)濟(jì)損失最重的地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型，其中伊舒盆地區(qū)以人類(lèi)活動(dòng)誘發(fā)地面塌陷為主，自然災(zāi)害次之，丘陵和山地則以自然災(zāi)害為主，人類(lèi)活動(dòng)次之，被調(diào)查的22個(gè)地面塌陷點(diǎn)，集中分布于吉舒、東富、舒蘭街等三個(gè)區(qū)域，總面積23．19 km2(圖1)(圖中地點(diǎn)編號(hào)與表1一致)。此外，個(gè)別塌陷區(qū)呈點(diǎn)狀零星分布于水曲柳、平安等地。區(qū)內(nèi)煤田大致呈北東南西向的條帶狀分布，走向長(zhǎng)57 km，寬3 km，面積171 km2，已有180多年的開(kāi)采史。塌陷層位為第三系煤系地層和上覆的第四系沖洪積層。吉舒—豐廣塌陷區(qū)頂板厚度20～300 m;東富塌陷區(qū)頂板厚度30～380 m;舒蘭街頂板厚度60～470 m，空間展布與礦井采掘平面相吻合。塌陷呈單體或串珠狀群集式產(chǎn)出，單體形態(tài)呈圓形或條形，空間分布具有相關(guān)性、依賴(lài)性;舒蘭礦區(qū)因采煤而直接引發(fā)的地面塌陷總面積為21．51 km2。塌陷面積為采空區(qū)平面投影面積的1．37倍。

圖1 舒蘭市地面塌陷區(qū)分布示意圖Fig.1 Distribution of surface subsidence in Shulan City 1．塌陷區(qū);2．村屯;3．公路;4．鐵路;5．縣界。

2 地面塌陷的危險(xiǎn)性區(qū)劃理論及方法

地面塌陷的危險(xiǎn)區(qū)劃的主要原則遵循區(qū)劃完整性原則、相似性原則、綜合性原則和主導(dǎo)因子原則。

2．1 地面塌陷危險(xiǎn)性區(qū)劃定量指標(biāo)的初選

本文采取了區(qū)域性規(guī)律比較明顯，能夠代表地面塌陷的歷史狀況和潛在的促發(fā)的因素作為關(guān)聯(lián)因子，這里將沉降量作為代表歷史狀況的主導(dǎo)因子。根據(jù)本區(qū)實(shí)際勘查的具體情況和數(shù)據(jù)，初選了以下幾個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為地面塌陷區(qū)劃的關(guān)聯(lián)因子，即:沉降區(qū)形狀(k1)、區(qū)域內(nèi)最大高差(k2)上覆土層松散系數(shù)(k3)、地裂縫指標(biāo)(k4)、地裂縫的密度(k5)、礦區(qū)的采空沉降率(k6)、煤層厚度(k7)、開(kāi)采深度(k8)、人口密度(k9)、塌陷規(guī)模(k10)等，這些因子在地面塌陷危險(xiǎn)性分析中的作用如下:

(1)沉降量y(深度m/m2) 表明了本區(qū)地面塌陷的發(fā)育歷史和目前的嚴(yán)重情況，區(qū)域內(nèi)地面塌陷的程度和分布情況主要通過(guò)野外調(diào)查和區(qū)域?qū)嵉靥顖D來(lái)獲取資料。

(2)沉降區(qū)形狀k1地面塌陷區(qū)的形狀若為圓形即記為0，如為長(zhǎng)條形記為1，方形則記為2。地面塌陷區(qū)的表現(xiàn)形狀說(shuō)明了塌陷的范圍和塌陷的區(qū)域。

(3)區(qū)域內(nèi)最大高差k2(m) 即區(qū)域內(nèi)最高點(diǎn)海拔與最低點(diǎn)海拔之差。地形高差的大小決定了沉降的程度。

(4)上覆土層松散系數(shù)k3由試驗(yàn)得出，并算出區(qū)域內(nèi)各類(lèi)覆蓋土層所占的面積，以面積百分比為權(quán)重，加權(quán)平均后求得該區(qū)域的平均松散系數(shù)，可反映原覆蓋層的抗沖刷和抗塌陷能力。

(5)地裂縫指標(biāo)k4k4是指區(qū)內(nèi)的地裂縫的深度、強(qiáng)度、寬度及閉合程度等各方面的現(xiàn)實(shí)情況。通過(guò)打分形式得出(好:1，較好:3，較差:6，差:10)，該指標(biāo)綜合反映了地層的性質(zhì)。

(6)地裂縫的密度k5即單位面積上地裂縫的總長(zhǎng)度?？傞L(zhǎng)度由1∶5萬(wàn)地質(zhì)圖上量算獲取。地裂縫密度越大，沉降的速度越大。

(7)礦區(qū)的采空沉降率k6(km2/105t) 由當(dāng)?shù)氐牡卣{(diào)部門(mén)提供資料獲取，采空沉降率越大，說(shuō)明沉降量越大，塌陷的損失率越大，危害程度越高。

(8)煤層厚度k7(m) 即研究區(qū)某一范圍內(nèi)地下一定深度處的含煤層厚度。

(9)開(kāi)采深度k8(m) 通過(guò)調(diào)查和當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)調(diào)查部門(mén)所提供的資料獲取。開(kāi)采的深度越大，越影響地面的穩(wěn)定，直接影響地面塌陷。

(10)本區(qū)人口密度k9(人/km2) 由人口普查資料獲取。不合理的人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地面塌陷有著一定的影響。

(11)塌陷規(guī)模k10指該區(qū)形成的塌陷坑的數(shù)量，同時(shí)塌陷坑的出現(xiàn)形式:單個(gè)出現(xiàn)為1，群發(fā)則為5。

2．2 關(guān)聯(lián)度及權(quán)重

對(duì)于關(guān)聯(lián)因子的上述選取，按照區(qū)劃的原則和要求，收集了舒蘭市地面塌陷的22處的10個(gè)指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(表1)，進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，以便用此法確定各因子之間的關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度的計(jì)算步驟如下:

(1)采取均值法將原始數(shù)據(jù)作無(wú)量綱處理，得均值化矩陣K1i，()j。進(jìn)行求差序列計(jì)算。

(2)利用公式 Δ(i，j)

表1 舒蘭市地面塌陷危險(xiǎn)性候選指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic data for the quantitative index of surface subsidence in Shulan City

(3)最大絕對(duì)差值和最小絕對(duì)差值計(jì)算。

(4)關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算。

利用目前已獲得的數(shù)據(jù)，按照上述方法和步驟分別求得主導(dǎo)因子和關(guān)聯(lián)因子的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表2，關(guān)聯(lián)度值越大，說(shuō)明比較序列與參考序列變化的態(tài)勢(shì)越一致，從而對(duì)地面沉陷的影響就越大，反之亦然。因而選擇參評(píng)區(qū)域因子中的同主導(dǎo)因子關(guān)系密切的各項(xiàng)，作為地面塌陷危險(xiǎn)性分析的定量指標(biāo)。

首先從關(guān)聯(lián)度最小的定量指標(biāo)開(kāi)始入手，然后給定起始權(quán)數(shù)為一個(gè)基本單位10n(令n=0)，同時(shí)以這個(gè)基本單位為公差，依次成等差級(jí)數(shù)向關(guān)聯(lián)度增大的遞增定量指標(biāo)的權(quán)數(shù)。通過(guò)分析主導(dǎo)因子的權(quán)數(shù)以最大的定量指標(biāo)的權(quán)重為基數(shù)，以2為公比，呈等比級(jí)數(shù)

(5)計(jì)算關(guān)聯(lián)度。繼續(xù)遞增可得到如表3所示的權(quán)數(shù)和權(quán)重。

2．3 地面塌陷危險(xiǎn)區(qū)劃

(1)統(tǒng)計(jì)中樣本數(shù)據(jù)的歸一化處理［4］主導(dǎo)因子的級(jí)差變換公式:

其他定量指標(biāo)的級(jí)差變換公式:

運(yùn)用以上公式，得到級(jí)差變換數(shù)據(jù)如表4所示。

(2)舒蘭市各區(qū)的地面塌陷危險(xiǎn)度的計(jì)算 各個(gè)區(qū)域的各定量指標(biāo)級(jí)差變換后的數(shù)值與其各自權(quán)重乘積的和為該區(qū)域的地面塌陷的危險(xiǎn)度(Ri)，危險(xiǎn)度的計(jì)算公式如下

其中，y'，k'i8，k'i4，…k'i2分別為第 i區(qū)域各項(xiàng)指標(biāo)級(jí)差變換后的數(shù)值，其計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表2 候選定量指標(biāo)與主導(dǎo)因子的關(guān)聯(lián)度Table 2 Related degree of the contraint quantitative index and key factor

表3 定量指標(biāo)的權(quán)數(shù)和權(quán)重Table 3 Weight number and weight of quantitative index

圖2 舒蘭市地面塌陷災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)示意圖Fig.2 Risk zoning of surface subsidence in Shulan City．極高危險(xiǎn)區(qū);2．高度危險(xiǎn)區(qū);3．中度危險(xiǎn)區(qū);4．低度危險(xiǎn)區(qū);5．地區(qū)編號(hào)。

3 地面沉陷的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)［5，6］

由地面塌陷危險(xiǎn)性的計(jì)算結(jié)果可以看到，舒蘭市總面積為4 000多平方千米，而地表沉降面積居然達(dá)20多平方千米，被調(diào)查的塌陷點(diǎn)共22個(gè)，危險(xiǎn)性由高到低的排列順序?yàn)?豐廣—吉舒塌陷區(qū)(吉舒鎮(zhèn)、二道鄉(xiāng)、豐廣、聯(lián)盟、東嶺街、吉舒小區(qū)、愛(ài)國(guó)村)、東富塌陷區(qū)(東富開(kāi)發(fā)區(qū)、雙保小區(qū)等)、舒蘭街塌陷區(qū)、水曲柳、平安村等地。為了能更直觀地反映地面塌陷危險(xiǎn)性程度的高低，根據(jù)各地的危險(xiǎn)度進(jìn)行分級(jí)劃分［1，7］(表5、圖2，表和圖中的地區(qū)編號(hào)與表1一致)。

極高危險(xiǎn)區(qū):東富塌陷區(qū)的東富小學(xué)北50 m，塌陷深度達(dá)3～20 m，長(zhǎng)條形塌陷區(qū)，2 000 m×1 000 m，而且塌陷的趨勢(shì)趨于漸強(qiáng)，地裂縫極為發(fā)育，成因?yàn)槊绊斝?，但塌陷點(diǎn)為單個(gè)出現(xiàn)的。塌陷面積達(dá)2．97 km2。

表4 舒蘭市地面塌陷危險(xiǎn)度計(jì)算成果Table4 Calculating result of the dangerous degree of surface subsidence in Shulan City

表5 舒蘭市地面塌陷危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果Table 5 Result of the risk zoning of the surface subsidence in Shulan City

高度危險(xiǎn)區(qū):吉舒—豐廣塌陷區(qū)，危險(xiǎn)程度大的區(qū)域是吉舒鎮(zhèn)的王家店和豐廣三社西大排，四井渣山北等區(qū)，王家店沉降深度3～5 m，長(zhǎng)條形沉陷區(qū)，2 000 m×400 m，地裂縫多而雜，塌陷呈漸強(qiáng)的趨勢(shì)。西大排的塌陷深度達(dá)2～12 m，圓形區(qū)，直徑為800 m;而四井渣山北塌陷深度達(dá)2～7 m，圓形區(qū)，直徑為2 000 m，成因?yàn)槊绊斝?，地裂縫多而雜，塌陷呈漸強(qiáng)的趨勢(shì)。

中度危險(xiǎn)區(qū):二道佟家溝屯、裕國(guó)二隊(duì)、聯(lián)盟五隊(duì)、聯(lián)盟九隊(duì)、五常—樺甸公路東富段、豐廣北小鄉(xiāng)，其沉降深度為3～5 m，塌陷區(qū)大部分呈長(zhǎng)條形，范圍1 000 m×800 m左右，目前的沉降量隨著采空區(qū)的加大呈漸強(qiáng)的趨勢(shì)。

低度危險(xiǎn)區(qū):裕國(guó)二社、朝陽(yáng)鎮(zhèn)哈瑪河李炳才家、蛤蟆河二隊(duì)、南城街道通河街。這里塌陷的范圍較小，一般呈圓形，塌陷的直徑不超過(guò)10 m，深度較淺，裂隙不發(fā)育，且呈較穩(wěn)定的趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害給舒蘭人民帶來(lái)了巨大的威脅，本文通過(guò)實(shí)際調(diào)查，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法，對(duì)本區(qū)的20多處地面沉陷進(jìn)行了定性與定量的分析，并做了危險(xiǎn)性分區(qū)與評(píng)價(jià)，所得結(jié)果與實(shí)際調(diào)查情況相符，可為舒蘭市地面塌陷的治理提供科學(xué)依據(jù)。

結(jié)論與建議如下:

(1)地面塌陷是舒蘭市最主要的地質(zhì)災(zāi)害，已威脅到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)，因此研究其危險(xiǎn)性分布規(guī)律是十分重要的。

(2)灰色關(guān)聯(lián)分析的方法是一種較為有效的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃方法，各項(xiàng)指標(biāo)的選取可綜合反映地面塌陷的危險(xiǎn)性程度。

(3)根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果以及未來(lái)的發(fā)展情況，對(duì)極高危險(xiǎn)度的東富小學(xué)北50 m區(qū)，即高危險(xiǎn)度的吉舒—豐廣塌陷區(qū)，應(yīng)立即撤出各方面的運(yùn)營(yíng)，以便采取措施制止塌陷，讓人民的生命財(cái)產(chǎn)免受損失，同時(shí)地下采礦工作也應(yīng)立即停止，更不允許“扒皮式”或“地毯式”的開(kāi)采方式的出現(xiàn)，用煤矸石等回填采空區(qū)。

(4)對(duì)中危險(xiǎn)度的東富塌陷區(qū)，建議采取積極措施，在現(xiàn)有的塌陷不十分嚴(yán)重的情況下，地下采煤速度和采煤量要嚴(yán)加控制，規(guī)范采礦，避免爆破等，以免加劇塌陷惡化的進(jìn)程。

(5)低度危險(xiǎn)的區(qū)域，東富二社及蛤蟆河二隊(duì)等地，盡管目前的危害不嚴(yán)重，但我們必須防微杜漸，避免造成不必要的損失，確保該區(qū)人民的生產(chǎn)生活正常進(jìn)行，因此建議對(duì)危險(xiǎn)性較低的區(qū)域也要采取相應(yīng)的綜合治理措施，防患于未然。

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