基于GIS 的采空塌陷區(qū)穩(wěn)定性及地質(zhì)災害風險評價

卜朦朦 索之輝 李倩

（1、江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊，江蘇 徐州 221004 2、中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116）

煤炭是我國的主要能源，對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展具有強力的支撐作用。煤炭資源的利用在保障國家經(jīng)濟建設快速發(fā)展同時，一系列的地質(zhì)災害和地質(zhì)環(huán)境問題也因采礦活動而陸續(xù)出現(xiàn)。煤炭開采引發(fā)的地表沉陷是最為常見的一類地質(zhì)災害，據(jù)調(diào)查，每開采1 萬噸煤，將產(chǎn)生約2000m2塌陷區(qū)[1]。此外，每年70km2土地因為開采而導致破壞，無法直接使用，造成高達幾十億元的經(jīng)濟損失[2]。因此，采空區(qū)地面塌陷嚴重制約經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。

目前，國內(nèi)對于采空塌陷區(qū)穩(wěn)定性的研究尚不完善，國內(nèi)外學者利用GIS 在地質(zhì)災害中的研究也在不斷發(fā)展，1986年，美國的Brabb Earl E.借助地理信息系統(tǒng)研究加利福尼亞某區(qū)的地質(zhì)問題[3]；2014 年，王佳佳[4]利用GIS 的柵格數(shù)據(jù)模型并采用信息量理論來評價研究區(qū)的地質(zhì)災害易發(fā)性。

開發(fā)與利用塌陷區(qū)首先需要明確塌陷區(qū)存在的風險，進一步分析不同風險下塌陷區(qū)開發(fā)與利用的價值，才能科學地規(guī)劃治理方案。論文針對上述問題，以徐州某礦區(qū)為例，調(diào)查了煤礦區(qū)的地質(zhì)條件，分析了塌陷區(qū)的分布和特點，基于GIS 技術(shù)分析了其形成的原因和作用因素；根據(jù)煤礦塌陷區(qū)的地質(zhì)條件，建立風險評價指標體系及各指標的權(quán)重；通過定量分析，劃分了不同的風險區(qū)；針對不同的風險區(qū)，給出了治理措施。研究結(jié)果對煤礦塌陷區(qū)的風險評估具有較大的實用價值。

1 研究區(qū)概況

本文研究的張雙樓煤礦位于沛縣境內(nèi)，距離徐州市區(qū)大約78 公里。該煤礦開采煤層有兩層，分別為山西組7 煤和9煤。多年的煤礦開采活動引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題主要有采空地面塌陷、破壞水資源和土地資源等，其影響范圍主要由采空地面塌陷范圍所控制。通過系統(tǒng)MSPS 軟件來計算塌陷影響范圍，最終得到調(diào)查區(qū)范圍圖。

張雙樓煤礦塌陷區(qū)地面塌陷形式主要為地表移動盆地。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地面塌陷損毀的土地共計1702.79hm2，地面塌陷損毀的土地詳見圖1、圖2，通過對采空地面塌陷、土地資源損毀等情況的調(diào)查為采空塌陷區(qū)穩(wěn)定性評價和地質(zhì)災害風險評估打下基礎。

圖1 采空區(qū)地面塌陷現(xiàn)狀圖

圖2 已損毀土地范圍圖

2 實驗原理及方法

本實驗結(jié)合主觀判斷法中的層次分析法（AHP 法）和客觀分析法中的信息量法對礦區(qū)的危險性進行綜合評價。然后結(jié)合礦區(qū)在生命安全、經(jīng)濟財產(chǎn)、社會影響、生態(tài)環(huán)境等多個方面進行易損性評價。

2.1 層次分析法

層次分析法（簡稱AHP 法）是將多因素中的任意兩個因素進行對比，根據(jù)重要性給出重要性的比較系數(shù)，從而得到判斷矩陣，并通過矩陣的運算獲得復雜事件各影響因子的重要性比重。本文選取開采方式、開采深度、開采厚度、終采時間、開采煤層、地質(zhì)構(gòu)造和頂板巖性7 個評價因子建立評價體系。

2.1.1 建立判斷矩陣

根據(jù)下列判斷矩陣標度表1，通過兩兩比較后，構(gòu)造出矩陣D，有

表1 判斷矩陣標度表

2.1.2 計算各個指標權(quán)重

2.1.3 檢驗結(jié)果一致性

首先，計算矩陣最大特征值λmax由公式得到λmax：

式中，CR 為一致性比例，CI 為一致性指標，RI 為隨機性指標，RI 取值見表2。

表2 RI 取值

當CR＜0.1 時，一致性檢驗合格。

2.2 單因素信息量值法

信息量法逐漸被應用到各類災害的預測和預警中。計算公式為：

式中：Ii（ui，H）為ui指標提供的信息量對于出現(xiàn)地質(zhì)災害；Ni為有ui指標范圍內(nèi)地質(zhì)災害出現(xiàn)的單元數(shù)；N 為研究區(qū)地質(zhì)災害出現(xiàn)的單元數(shù)；Si為含有ui指標的單元數(shù)；S 為研究區(qū)總單元數(shù)。

2.3 層次分析- 信息量法組合評價模型

該評價模型主要是綜合利用層次分析法和信息量法求出各個總信息量值，從而進行危險性評價，計算公式如下：

式中，I總代表某評價單元的總的信息量值；n 代表該評價單元評價因子個數(shù)；ui代表第i 個評價因子的權(quán)重；Ii代表第i 個評價因子信息量值。

2.4 塌陷區(qū)易損性評價

本文對該區(qū)地質(zhì)災害易損性評價，從物質(zhì)指標和環(huán)境指標角度來分析，對承災體量化賦值，如表3 所示。

表3 承災體類型及價值

根據(jù)易損性指標表，先將不同承災體重新分類，然后賦值，根據(jù)下列公式計算單元格總價值：

式中：V- 單元格內(nèi)承災體總價值；Ei- 各承災體的單價；ξi- 各承災體的折損系數(shù)；G- 每個單元格面積，值為25 m2；n- 單元格內(nèi)承災體類別數(shù)。

根據(jù)上式計算結(jié)果，劃分易損性評價等級，如表4。

表4 易損性分區(qū)標準

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 塌陷區(qū)危險性評價分析

將綜合信息量值借助GIS 自然差距法重新分類結(jié)果，得到危險性評價分區(qū)圖，如圖3。從圖中可以看出，高危險區(qū)主要分布在采煤活動較為頻繁的礦區(qū)，中等危險區(qū)一般分布在高風險區(qū)外圍，在地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定的區(qū)域也會出現(xiàn)。

圖3 礦區(qū)危險性評價分區(qū)圖

3.2 塌陷區(qū)易損性評價分析

依靠遙感影像，獲取承災體的種類和分布位置，獲得易損性分區(qū)圖。在圖中顏色最深的部分是高易損區(qū)內(nèi)，該區(qū)每個單元格內(nèi)承災體總價值較高，發(fā)生地質(zhì)災害時產(chǎn)生的損失較大，一般集中在重要道路、村莊和工廠廠房周圍。

3.3 礦區(qū)風險評價分析

通過ArcGIS 軟件柵格計算，獲取了地面塌陷風險分區(qū)圖，如圖5。從圖中可以得出，部分高危險度區(qū)域的風險較低，是因為這些區(qū)域的承災體價值較低，導致易損性較低，即發(fā)生地質(zhì)災害帶來的社會影響和經(jīng)濟影響均較小，因此在后期治理上可以僅投入適量資源進行景觀處理。而對于高危險區(qū)內(nèi)承載價值又較高的區(qū)域，風險性較大，因此需要將大部分的治理資源傾斜在這個區(qū)域，并且在采煤過程中需要加大監(jiān)測力度，密切關注地質(zhì)地層變化。

圖4 礦區(qū)易損性分區(qū)

圖5 礦區(qū)風險分區(qū)圖

4 結(jié)論

本文以徐州某礦區(qū)為例，通過遙感技術(shù)和實地調(diào)查，獲取了礦區(qū)自然地理條件和水文、地質(zhì)工程現(xiàn)狀，對礦區(qū)采煤沉陷區(qū)的分布特點進行分析，基于GIS 技術(shù)，結(jié)合易損性評價并利用層次分析- 信息量法評估礦區(qū)危險性，并基于評估結(jié)果對礦區(qū)土地復墾提出針對性治理措施。