鄂州市汀祖鎮礦產集中開發重點區采空塌陷易發性評價

張 波，王亞風，盧雨嵐，任宵瑩，劉 朝，李 拓，屈國穎

（湖北省地質局第五地質大隊，湖北 鄂州 436000）

汀祖鎮為鄂州市采空塌陷發育最為嚴重的地區，地下開采產生多處地面塌陷及采空區，地質生態環境趨于惡化，經濟發展與生態環境矛盾日益突出。對該區進行采空塌陷易發性評價具有防災減災的重大現實意義。

1 研究區概況

研究區位于鄂州市鄂城區汀祖鎮北部，桂花村至丁坳村片區，總面積2.83km2。區內地層出露的地層簡單，第四系全新統和更新統分布于坡腳和低洼地段。基巖主要為三疊系蒲圻組泥質粉砂巖，研究區內零星出露；燕山早期閃長巖出露廣泛。研究區礦產開發是本區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域內斷斷續續出現不同程度的采礦活動，地下開采礦山8家，目前均已停產。

2 評價方法與模型

層次分析法是20 世紀70 年代發展起來的一種定性與定量相結合的決策分析方法[1]。其基本思路是根據工程問題的性質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性權重的步驟如圖1所示。

圖1 層次分析法確定易發性權重流程

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

地質災害發育的嚴重程度受到諸多因素的作用，在局部區域又表現出明顯的差異性和復雜性，因此，在對研究區進行易發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，為保證原始數據精度，將研究區劃分為2m×2m的柵格評價單元。

4 易發性評價指標提取與篩選

通過對研究區內地面塌陷的調查分析，選取地表變形、歷史采空區范圍、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 采空塌陷易發性指標體系

4.1 地表變形

地表變形主要通過研究區內的地面塌陷情況反映，地面塌陷數量、塌陷初始發生時間、塌陷形態、塌陷規模具有較強的相關性。

4.2 歷史采空區范圍

歷史采空區為采空塌陷提供了有利的空間條件，并在外界地質營力的作用下容易引發采空塌陷[4]。經過資料收集、地面調查、物探、鉆探綜合分析采空區范圍得到采空區的分布圖。

4.3 覆巖層RQD

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

表2 礦層厚度及采空區覆巖RQD值統計表

采空區覆巖RQD值越低，越容易發生地面塌陷。利用ArcGIS 軟件，將礦層厚度和采空區覆RQD在研究區內值進行插值處理，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覆巖質量在評估區內的分布趨勢，但由于數據源較少，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

根據資料收集，研究區域礦山疏排地下水形成4個降水漏斗區。根據發育情況分為非降水漏斗區和降水漏斗區。地形水運移速率和運移路徑會直接影響采空區錯動范圍內的巖石裂縫工程地質性質，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，采空區其受力環境也不同。根據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內的分布趨勢。

4.6 開采厚度

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

4.7 護頂層厚度

護頂層厚度不同對采空區上覆巖層穩定性影響不同，護頂層越薄容易造成上覆巖層不穩[7]。根據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 采空塌陷易發性評價指標矩陣表

6 研究區易發性評價結果

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

地質災害易發性評價結果必須按照一定的規則進行等級劃分，才能形成可應用的易發性評價成果。根據影響地面塌陷7類評價因子進行地質災害易發性區劃，計算出的易發性分區圖（見圖4）。極高易發區A面積0.1km2，占研究區3.44%，主要分布于丁坳村龜山鐵礦—僑生礦業一帶；高易發區B 面積0.1km2，占研究區3.44%，主要分布于丁坳村丁坳鐵礦一帶；中易發區C面積0.05km2，占研究區1.62%，主要分布于主要分布于洪山村恒鑫盛鐵礦一帶；低易發區D面積2.58km2，占研究區91.32%，主要分布于除上述區域的其他區域。

圖4 易發性分區結果

7 結論

（1）構建了鄂州市汀祖鎮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，結果表明研究區內采空塌陷易發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的易發性評價結果，將研究區內采空塌陷易發程度分為4類，其中極高易發區與高易發區面積為0.2km2,占研究區6.88%，其評價結果可對研究區的地質災害防治提供參考。

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