鄂州市汀祖鎮(zhèn)礦產(chǎn)集中開發(fā)重點區(qū)采空塌陷易發(fā)性評價

張 波，王亞風，盧雨嵐，任宵瑩，劉 朝，李 拓，屈國穎

（湖北省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊，湖北 鄂州 436000）

汀祖鎮(zhèn)為鄂州市采空塌陷發(fā)育最為嚴重的地區(qū)，地下開采產(chǎn)生多處地面塌陷及采空區(qū)，地質(zhì)生態(tài)環(huán)境趨于惡化，經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境矛盾日益突出。對該區(qū)進行采空塌陷易發(fā)性評價具有防災減災的重大現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂州市鄂城區(qū)汀祖鎮(zhèn)北部，桂花村至丁坳村片區(qū)，總面積2.83km2。區(qū)內(nèi)地層出露的地層簡單，第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)分布于坡腳和低洼地段?；鶐r主要為三疊系蒲圻組泥質(zhì)粉砂巖，研究區(qū)內(nèi)零星出露；燕山早期閃長巖出露廣泛。研究區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)是本區(qū)域最為強烈的人為工程活動，從20世紀八九十年代至今本區(qū)域內(nèi)斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)不同程度的采礦活動，地下開采礦山8家，目前均已停產(chǎn)。

2 評價方法與模型

層次分析法是20 世紀70 年代發(fā)展起來的一種定性與定量相結合的決策分析方法[1]。其基本思路是根據(jù)工程問題的性質(zhì)和要求達到的總目標，將問題分解成不同的分目標、子目標，并按目標間的相互關聯(lián)程度與隸屬關系分組，形成多層次的結構，通過兩兩比較的方式確定層次中諸目標的相對重要性（見表1），同時運用矩陣運算確定子目標對其上一層目標的相對重要性[2]。層次分析法計算確定易發(fā)性權重的步驟如圖1所示。

圖1 層次分析法確定易發(fā)性權重流程

表1 層次分析法的判斷矩陣標志及其含義[3]

3 評價單元的劃分

地質(zhì)災害發(fā)育的嚴重程度受到諸多因素的作用，在局部區(qū)域又表現(xiàn)出明顯的差異性和復雜性，因此，在對研究區(qū)進行易發(fā)性評價時首先考慮確定的就是評價單元。評價單元的選取是評價體系建立的基礎。本文評價采用柵格單元進行易發(fā)性評價，考慮到本次評價采用的資料中包含1∶2000 地形圖、井上井下對照圖等大比例尺資料，為保證原始數(shù)據(jù)精度，將研究區(qū)劃分為2m×2m的柵格評價單元。

4 易發(fā)性評價指標提取與篩選

通過對研究區(qū)內(nèi)地面塌陷的調(diào)查分析，選取地表變形、歷史采空區(qū)范圍、覆巖層RQD、地下水條件、開采深度、開采厚度、護頂層厚度共計7個評價因子建立評價指標體系（見圖2）。

圖2 采空塌陷易發(fā)性指標體系

4.1 地表變形

地表變形主要通過研究區(qū)內(nèi)的地面塌陷情況反映，地面塌陷數(shù)量、塌陷初始發(fā)生時間、塌陷形態(tài)、塌陷規(guī)模具有較強的相關性。

4.2 歷史采空區(qū)范圍

歷史采空區(qū)為采空塌陷提供了有利的空間條件，并在外界地質(zhì)營力的作用下容易引發(fā)采空塌陷[4]。經(jīng)過資料收集、地面調(diào)查、物探、鉆探綜合分析采空區(qū)范圍得到采空區(qū)的分布圖。

4.3 覆巖層RQD

通過對收集鉆孔資料中的有效信息，統(tǒng)計其揭露的采空區(qū)覆巖RQD值，統(tǒng)計結果見表2。

表2 礦層厚度及采空區(qū)覆巖RQD值統(tǒng)計表

采空區(qū)覆巖RQD值越低，越容易發(fā)生地面塌陷。利用ArcGIS 軟件，將礦層厚度和采空區(qū)覆RQD在研究區(qū)內(nèi)值進行插值處理，再進行歸一化。通過插值可一定程度地反映礦層厚度和采空區(qū)覆巖質(zhì)量在評估區(qū)內(nèi)的分布趨勢，但由于數(shù)據(jù)源較少，導致插值結果精度較低，在構建評價模型時適當減少兩者權重賦值。

4.4 地下水條件

根據(jù)資料收集，研究區(qū)域礦山疏排地下水形成4個降水漏斗區(qū)。根據(jù)發(fā)育情況分為非降水漏斗區(qū)和降水漏斗區(qū)。地形水運移速率和運移路徑會直接影響采空區(qū)錯動范圍內(nèi)的巖石裂縫工程地質(zhì)性質(zhì)，從而造成采空塌陷[5]。

4.5 開采深度

礦山開采的深度不同對地表影響不同，采空區(qū)其受力環(huán)境也不同。根據(jù)前期收集到的井上井下對照圖及物探、鉆探、綜合分析結果采礦深度運用克里金插值法處理，通過插值可一定程度地反映采礦深度在評估區(qū)內(nèi)的分布趨勢。

4.6 開采厚度

礦山開采厚度不同影響采空區(qū)的空間受力條件，對采空塌陷影響較大。研究區(qū)內(nèi)礦層厚度越厚，采空區(qū)高度越高，越容易發(fā)生地面塌陷[6]。根據(jù)前期收集到的礦山恢復治理方案資料，開采厚度，根據(jù)礦體的位置及開采技術方法，得出研究區(qū)內(nèi)的開采厚度分布圖。

4.7 護頂層厚度

護頂層厚度不同對采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性影響不同，護頂層越薄容易造成上覆巖層不穩(wěn)[7]。根據(jù)前期收集到礦山開采技術方案，反映礦山開采護頂層厚度，一般位于10~30m。

5 評價指標權重分析

通過軟件的分析計算，構建的所有判斷矩陣符合一致性要求，所有方案層的評價因子的權重合理，指標層次分析法矩陣見表3。將7個指標輸入Yaahp層次分析軟件中進行建模計算（見圖3）。

圖3 層次分析法模型計算結果

表3 采空塌陷易發(fā)性評價指標矩陣表

6 研究區(qū)易發(fā)性評價結果

在評價單元劃分和各評價單元內(nèi)權值的賦值基礎上，使用ArcGIS 軟件柵格計算器工具對各評價因子進行柵格疊加，完成本區(qū)域的地面塌陷地質(zhì)災害易發(fā)性評價。

地質(zhì)災害易發(fā)性評價結果必須按照一定的規(guī)則進行等級劃分，才能形成可應用的易發(fā)性評價成果。根據(jù)影響地面塌陷7類評價因子進行地質(zhì)災害易發(fā)性區(qū)劃，計算出的易發(fā)性分區(qū)圖（見圖4）。極高易發(fā)區(qū)A面積0.1km2，占研究區(qū)3.44%，主要分布于丁坳村龜山鐵礦—僑生礦業(yè)一帶；高易發(fā)區(qū)B 面積0.1km2，占研究區(qū)3.44%，主要分布于丁坳村丁坳鐵礦一帶；中易發(fā)區(qū)C面積0.05km2，占研究區(qū)1.62%，主要分布于主要分布于洪山村恒鑫盛鐵礦一帶；低易發(fā)區(qū)D面積2.58km2，占研究區(qū)91.32%，主要分布于除上述區(qū)域的其他區(qū)域。

圖4 易發(fā)性分區(qū)結果

7 結論

（1）構建了鄂州市汀祖鎮(zhèn)采空塌陷的層次分析模型并求得7個采空塌陷因子的權重，結果表明研究區(qū)內(nèi)采空塌陷易發(fā)性影響最大的因子為地表變形，其次為地下水條件、歷史采空區(qū)范圍、覆巖RQD、護頂層厚度、開采深度、開采厚度。

（2）基于GIS平臺分析取得研究區(qū)的易發(fā)性評價結果，將研究區(qū)內(nèi)采空塌陷易發(fā)程度分為4類，其中極高易發(fā)區(qū)與高易發(fā)區(qū)面積為0.2km2,占研究區(qū)6.88%，其評價結果可對研究區(qū)的地質(zhì)災害防治提供參考。

（3）本文提出的易發(fā)性評價指標體系對采空塌陷地質(zhì)災害評價具有一定的參考作用。