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(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

煤炭是我國的主要能源，對我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有強(qiáng)力的支撐作用。煤炭資源的利用在保障國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展同時，一系列的地質(zhì)災(zāi)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(zāi)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?yàn)殚_采而導(dǎo)致破壞，無法直接使用，造成高達(dá)幾十億元的經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此，采空區(qū)地面塌陷嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)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(xué)者利用GIS 在地質(zhì)災(zāi)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(zāi)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(fēng)險，進(jìn)一步分析不同風(fēng)險下塌陷區(qū)開發(fā)與利用的價值，才能科學(xué)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(diǎn)，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(fēng)險評價指標(biāo)體系及各指標(biāo)的權(quán)重；通過定量分析，劃分了不同的風(fēng)險區(qū)；針對不同的風(fēng)險區(qū)，給出了治理措施。研究結(jié)果對煤礦塌陷區(qū)的風(fēng)險評估具有較大的實(shí)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(zāi)害風(fēng)險評估打下基礎(chǔ)。

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(shí)驗(yàn)原理及方法

本實(shí)驗(yàn)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(jìn)行綜合評價。然后結(jié)合礦區(qū)在生命安全、經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)、社會影響、生態(tài)環(huán)境等多個方面進(jìn)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(jìn)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(yùn)算獲得復(fù)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(biāo)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(biāo)度表

2.1.2 計算各個指標(biāo)權(quán)重

2.1.3 檢驗(yàn)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(biāo)，RI 為隨機(jī)性指標(biāo)，RI 取值見表2。

表2 RI 取值

當(dāng)CR＜0.1 時，一致性檢驗(yàn)合格。

2.2 單因素信息量值法

信息量法逐漸被應(yīng)用到各類災(zāi)害的預(yù)測和預(yù)警中。計算公式為：

式中：Ii（ui，H）為ui指標(biāo)提供的信息量對于出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害；Ni為有ui指標(biāo)范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)的單元數(shù)；N 為研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)的單元數(shù)；Si為含有ui指標(biāo)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(jìn)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(zāi)害易損性評價，從物質(zhì)指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)角度來分析，對承災(zāi)體量化賦值，如表3 所示。

表3 承災(zāi)體類型及價值

根據(jù)易損性指標(biāo)表，先將不同承災(zāi)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(zāi)體總價值；Ei- 各承災(zāi)體的單價；ξi- 各承災(zāi)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(zāi)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(biāo)準(zhǔn)

3 實(shí)驗(yàn)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(fēng)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(zāi)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(zāi)體總價值較高，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)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(fēng)險評價分析

通過ArcGIS 軟件柵格計算，獲取了地面塌陷風(fēng)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(fēng)險較低，是因?yàn)檫@些區(qū)域的承災(zāi)體價值較低，導(dǎo)致易損性較低，即發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害帶來的社會影響和經(jīng)濟(jì)影響均較小，因此在后期治理上可以僅投入適量資源進(jìn)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(fēng)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(guān)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(fēng)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(shí)地調(diào)查，獲取了礦區(qū)自然地理?xiàng)l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(diǎn)進(jìn)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(fù)墾提出針對性治理措施。