張 晨，盛 燦，陳 樂，趙菊花，蘇 昌

(湖北省地質(zhì)局 第六地質(zhì)大隊(duì)，湖北 孝感 432100)

應(yīng)城市有“膏都鹽海”之稱，是中國著名的膏鹽礦產(chǎn)區(qū)。長期的膏鹽礦開采形成了較大范圍的采空區(qū)，引發(fā)地面塌陷、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害，直接威脅居民生命財(cái)產(chǎn)安全和制約地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)、地質(zhì)災(zāi)害防治及地表土地開發(fā)利用成為影響應(yīng)城市可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)難題[1-2]。為規(guī)范應(yīng)城市膏鹽礦山開采，指導(dǎo)采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害勘查與防治，亟需加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害評估工作，其中一項(xiàng)基本工作是進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)[3]。易發(fā)性評價(jià)又稱敏感性分析，是在綜合分析地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的控制條件和誘發(fā)條件基礎(chǔ)上，評價(jià)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性的大小[4]。目前對于地面塌陷的易發(fā)性評價(jià)，國內(nèi)多采用半定量的評價(jià)方法，如專家—層次分析法[5]、模糊綜合評判法[6]、易發(fā)程度指數(shù)法[7]、綜合指數(shù)法[8]、信息量法[9-10]、確定性模型與邏輯回歸模型組合法[11]等。上述評價(jià)方法的關(guān)鍵在于查明地面塌陷發(fā)育特征、形成條件及其相互聯(lián)系。

本文以應(yīng)城市石膏礦區(qū)為研究區(qū)，在系統(tǒng)分析地面塌陷發(fā)育特征及其形成條件基礎(chǔ)上，選取評價(jià)指標(biāo)，明確不同指標(biāo)之間及其與地面塌陷的關(guān)系；然后運(yùn)用層次分析法(AHP)建立地面塌陷多因子判別模型，結(jié)合GIS強(qiáng)大的圖形運(yùn)算處理能力，對地面塌陷易發(fā)性進(jìn)行定量評價(jià)，以期為地方防災(zāi)減災(zāi)、礦政管理、城鎮(zhèn)規(guī)劃等提供決策依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)內(nèi)有10家石膏礦礦山(圖1)，其中一分礦和二分礦已于1996年閉坑，其他石膏礦也于2018年全部關(guān)停。石膏礦開采方式為地下巷道開采，解放前采用無計(jì)劃的硐采，主要開采淺層石膏礦，形成老窿；解放后采用走向長壁后退式和傾斜長壁后退式充填采礦法開采纖維石膏礦，開采石膏礦時(shí)沿礦層掘進(jìn)，主巷道一般寬3～4 m、高2.5 m，普通巷道一般寬2～2.5 m、高0.8～1.7 m，礦渣回填率約50%。該區(qū)規(guī)?；_采石膏礦已歷數(shù)十年，開采深度多在70～220 m，采空區(qū)的范圍不斷擴(kuò)大。

研究區(qū)面積約93.6 km2,地表大多被第四系覆蓋，基巖露頭很少。第四系包括全新統(tǒng)、更新統(tǒng)，下伏新近系掇刀石組、古近系文峰塔組與云應(yīng)膏鹽組。云應(yīng)膏鹽組廣泛分布于整個(gè)云應(yīng)膏鹽礦區(qū)，厚度>1 598 m，巖性為灰綠色泥巖與紫紅色砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖互層，富含石膏、鈣芒硝、巖鹽等，是區(qū)內(nèi)主要含礦巖組。石膏礦體多呈薄層狀、似層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀總體較平緩(一般傾角6°～8°)，與較深色的圍巖間具有明顯的接觸界線，接觸面較平整。

2 地面塌陷發(fā)育特征

2.1 地面塌陷總體特征

研究區(qū)地面塌陷有27處，主要分布在石膏礦開采區(qū)地表。這些地面塌陷分兩種：①采空區(qū)塌陷，嚴(yán)格受地下采空區(qū)分布的影響，塌陷坑口直徑一般<10 m，少量達(dá)到數(shù)十米，坑口面積為628～2 400 m2，塌陷坑深度一般為幾十厘米—幾米；②老窿塌陷，一般由2個(gè)相鄰的豎井組成，塌陷坑口直徑一般約10 m，塌陷影響范圍有限，塌陷坑深度多在60～100 m。

2.2 地面塌陷形成條件

(1)地質(zhì)條件。石膏礦區(qū)地表為第四系，總厚3.5～30 m，由北向南逐漸增厚，其上部為黏土、粉質(zhì)黏土，厚3～20 m；下部為砂、礫石，厚0.5～10 m。由于地下水埋深較淺，第四系細(xì)砂、粉砂層多處于飽和狀態(tài)，在動(dòng)荷載情況下易產(chǎn)生砂土液化現(xiàn)象，當(dāng)?shù)叵麓嬖诓煽諈^(qū)時(shí)，該部分土體易向下伏采空區(qū)運(yùn)移，進(jìn)而導(dǎo)致地面塌陷。石膏礦采礦層主要位于云應(yīng)膏鹽組盛家灘下含硬石膏巖段，覆巖主要為云應(yīng)膏鹽組王家廟下含鈣芒硝硬石膏巖段黏土質(zhì)灰質(zhì)粉砂巖及灰色石膏質(zhì)黏土巖，下伏基巖為古近系白砂口組灰質(zhì)黏土質(zhì)粉砂巖。礦層頂板為未風(fēng)化的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，干抗壓強(qiáng)度為26～42 MPa，軟化系數(shù)為0.23～0.85，遇水后易軟化和膨脹，使其巖石力學(xué)強(qiáng)度迅速降低，易于導(dǎo)致坑道頂板發(fā)生冒落。局部發(fā)育的次級斷裂使巖體中節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，降低了巖體的完整性和強(qiáng)度，同時(shí)切穿隔水層，形成良好的導(dǎo)水通道，為地下水活動(dòng)提供了通道和儲存空間，促進(jìn)了地面變形的發(fā)生。

(2)水文地質(zhì)條件。石膏礦層賦存于云應(yīng)膏鹽組泥質(zhì)粉砂巖—泥巖隔水層中，該隔水層厚度大、隔水效果好，但開采區(qū)局部地段較潮濕，主要原因包括：①采硐上部石膏礦層與淺部老窿貫通，老窿滲水；②少數(shù)勘查鉆孔封孔不好，下滲水量較大；③豎(斜)井井壁混凝土澆灌不好，向下滲水；④大氣降水通過匯水范圍內(nèi)的第四系含水層經(jīng)由開采豎井向井筒運(yùn)移，在井筒底部形成積水。盡管區(qū)域內(nèi)地下水活動(dòng)相對較弱，但由于節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面破壞了巖體完整性，并受采掘活動(dòng)影響，地下水使巖體裂隙中的松散填充物被淘空，加之水化學(xué)潛蝕作用影響[12]，裂隙加寬加長，加劇了巖體風(fēng)化、崩解，進(jìn)一步降低了巖體整體力學(xué)強(qiáng)度，導(dǎo)致出現(xiàn)地表變形。

(3)開采條件。石膏礦區(qū)均采用干式充填，將開采洗選過程中產(chǎn)生的矸石固廢物填入采空區(qū)，進(jìn)而改善采場圍巖變形和覆巖沉降程度。采空區(qū)充填體的充填率及其強(qiáng)度對上覆巖層的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)起著至關(guān)重要的作用，不同的充填率會導(dǎo)致上覆巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)和特征都存在明顯區(qū)別。當(dāng)采空區(qū)充填率較低時(shí)，充填體欠接頂量很大，不能對頂板下沉起到支撐作用，隨著采空區(qū)范圍的擴(kuò)大，直接頂逐漸垮落破碎，與采空區(qū)充填體相互混合，形成基本頂?shù)闹误w，此時(shí)基本頂在上覆載荷作用下發(fā)生彎曲變形，對采空區(qū)支撐體進(jìn)行壓縮，直到采空區(qū)支撐體被壓實(shí)，支撐體的壓縮和基本頂?shù)南鲁吝_(dá)到平衡狀態(tài)。在此過程中，基本頂隨開采范圍的擴(kuò)大發(fā)生持續(xù)破斷，形成塊體結(jié)構(gòu)，且塊體結(jié)構(gòu)隨工作面推進(jìn)而不斷向上覆巖層傳遞，直到變形發(fā)展到地面，形成地面沉陷。

(4)誘發(fā)因素。應(yīng)城市石膏礦開采歷史悠久，其中私人采礦歷史長達(dá)400多年，其開采層埋深較淺(一般<100 m)，遺留下許多廢棄的井筒、巷道，形成大小老窿100多個(gè)(截至1960年)。在現(xiàn)代采礦過程中，受爆破沖擊等動(dòng)荷載作用影響，老窿與下部的采空區(qū)通過裂隙等連通，造成老窿內(nèi)水體流失。在降雨作用下，地表水沿上覆土層中的裂隙等通道滲入地下，將老窿上部土體的松散顆粒沖蝕帶走，使土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，頂層土體飽水力學(xué)強(qiáng)度降低，采空區(qū)上部土體在自重的作用下失穩(wěn)，最終發(fā)生地面塌陷[13]。地面塌陷產(chǎn)生后，隨著地下水的流動(dòng)，地表塌陷變形范圍逐漸擴(kuò)大，影響范圍一般為10～200 m。

3 地面塌陷易發(fā)性評價(jià)

本次開展應(yīng)城市石膏礦區(qū)地面塌陷易發(fā)性評價(jià)采用層次分析法，主要流程包括選取評價(jià)因子、計(jì)算評價(jià)因子權(quán)重、評價(jià)模型量化分析等，整個(gè)評價(jià)工作在ArcGIS平臺上實(shí)現(xiàn)。

3.1 選取評價(jià)因子

評價(jià)因子的選取是建立評價(jià)模型的關(guān)鍵[14]。石膏礦區(qū)地面塌陷的發(fā)生主要取決于地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、開采條件、誘發(fā)因素的綜合影響，因此選取第四系厚度、地層巖性、距斷層距離、地下水埋深、距地表水距離、開采深度、采空區(qū)范圍、充填密實(shí)度、距塌陷點(diǎn)距離、老窿密度10個(gè)評價(jià)因子用于建立評價(jià)指標(biāo)體系(圖2)。在該體系中，石膏礦區(qū)地面塌陷易發(fā)性評價(jià)(A)為目標(biāo)層；影響石膏礦區(qū)地面塌陷的4個(gè)主要形成條件(地質(zhì)條件(B1)、水文地質(zhì)條件(B2)、開采條件(B3)、誘發(fā)因素(B4))為評價(jià)的準(zhǔn)則條件，構(gòu)成準(zhǔn)則層；將上述準(zhǔn)則條件細(xì)分為若干基礎(chǔ)評價(jià)指標(biāo)，如地質(zhì)條件(B1)細(xì)分為第四系厚度(C1)、地層巖性(C2)、距斷層距離(C3)，水文地質(zhì)條件(B2)細(xì)分為地下水埋深(C4)、距地表水距離(C5)，開采條件(B3)細(xì)分為開采深度(C6)、采空區(qū)范圍(C7)、充填密實(shí)度(C8)，誘發(fā)因素(B4)細(xì)分為距塌陷點(diǎn)距離(C9)、老窿密度(C10)，構(gòu)成指標(biāo)層。

圖2 評價(jià)指標(biāo)體系圖

在分析各評價(jià)因子特征的基礎(chǔ)上，綜合處理收集的區(qū)域地質(zhì)、鉆孔、礦山開采等資料，根據(jù)各評價(jià)因子對地面塌陷的影響程度，按照高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)、不易發(fā)4個(gè)等級進(jìn)行分級，并依次給予4分、3分、2分和1分的指標(biāo)值。例如對石膏礦區(qū)地層巖性進(jìn)行分區(qū)，泥灰?guī)r與黏土巖、泥巖與砂質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾硬石膏層、粉砂巖與含礫砂巖對應(yīng)的指標(biāo)值分別為4分、3分、2分和1分(表1)。各評價(jià)因子的分級結(jié)果如表1所示，單因子分區(qū)圖如圖3-圖6所示。

圖3 地質(zhì)條件有關(guān)評價(jià)因子分區(qū)圖

圖4 水文地質(zhì)條件有關(guān)評價(jià)因子分區(qū)圖

圖5 開采條件有關(guān)評價(jià)因子分區(qū)圖

圖6 誘發(fā)因素有關(guān)評價(jià)因子分區(qū)圖

表1 評價(jià)指標(biāo)分級及取值統(tǒng)計(jì)表

3.2 計(jì)算評價(jià)因子權(quán)重

在確定評價(jià)因子后，采用層次分析法(1～9標(biāo)度法[15])判斷各評價(jià)因子對地面塌陷影響的大小，通過兩兩比較得到判別矩陣(表2-表6)。構(gòu)建判別矩陣得到最大特征向量λmax后，還需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，公式為：

表2 評價(jià)因子判別矩陣A-B

表3 評價(jià)因子判別矩陣B1-C

表4 評價(jià)因子判別矩陣B2-C

表5 評價(jià)因子判別矩陣B3-C

表6 評價(jià)因子判別矩陣B4-C

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

CR=CI/RI

(2)

式中：n為矩陣階數(shù)；CR為一致性指標(biāo)；CI為隨機(jī)一致性指標(biāo)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值見表7。

表7 判別矩陣RI取值表

只有當(dāng)CR<0.1時(shí)，判別矩陣才具有滿意的一致性，其計(jì)算得到的權(quán)重值才是合理的。本次判別矩陣CR=0～0.042 9<0.1，因此本次計(jì)算的各評價(jià)因子的權(quán)重值是合理的。

在計(jì)算出準(zhǔn)則層各指標(biāo)及相應(yīng)的指標(biāo)層評價(jià)因子的權(quán)重后，再計(jì)算各評價(jià)因子在整個(gè)評價(jià)指標(biāo)體系中的總排序權(quán)重，并通過了一致性檢驗(yàn)，綜合結(jié)果見表8。

表8 組合權(quán)重統(tǒng)計(jì)表

3.3 評價(jià)模型量化分析

采用加權(quán)平均綜合指數(shù)評價(jià)模型對石膏礦區(qū)地面塌陷易發(fā)性進(jìn)行評價(jià)，其數(shù)學(xué)模型為：

(3)

式中：H為加權(quán)平均綜合指數(shù)；Wi為評價(jià)因子i的權(quán)重，取值情況見表8；Pi為各評價(jià)因子i的指標(biāo)值，取值情況見表1。

公式(3)可以轉(zhuǎn)化為：

H=0.045 7C1+0.008 6C2+0.016 2C3+0.111 6C4+

0.027 9C5+0.090 9C6+0.060 6C7+0.151 6C8+

0.162 3C9+0.324 6C10

(4)

根據(jù)評價(jià)模型可知，老窿密度、距塌陷點(diǎn)距離、充填密實(shí)度、開采深度和采空區(qū)范圍的權(quán)重較大，說明這些因素對石膏礦區(qū)地面塌陷影響較大，也說明該區(qū)地面塌陷與采礦活動(dòng)緊密相關(guān)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)發(fā)生的27次地面塌陷中，大部分是由老窿引發(fā)的，其余則是由開采巷道上覆巖層變形、冒落并傳播至地表形成的。此外，塌陷區(qū)周邊發(fā)育大量地面及房屋變形現(xiàn)象，距離塌陷點(diǎn)越近變形越強(qiáng)烈，因此誘發(fā)因素和開采條件對石膏礦區(qū)地面塌陷影響最大，由此可以判斷其權(quán)重比較合理。

基于ArcGIS軟件疊加空間分析功能，根據(jù)評價(jià)因子的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)及賦值原則進(jìn)行疊加，得到石膏礦區(qū)地面塌陷的易發(fā)性綜合指數(shù)，再按照指數(shù)高低進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)與綜合指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表9所示。

表9 易發(fā)性分區(qū)等級表

4 評價(jià)結(jié)果及驗(yàn)證

4.1 易發(fā)性分區(qū)評價(jià)結(jié)果

將應(yīng)城市石膏礦區(qū)分為地面塌陷高、中、低、不易發(fā)區(qū)4種類型(圖7)。

圖7 應(yīng)城市石膏礦區(qū)地面塌陷易發(fā)性分區(qū)圖

(1)高易發(fā)區(qū)(Ⅰ)。該區(qū)面積為3.02 km2，占研究區(qū)總面積的3.23%；發(fā)育地面塌陷20處，占塌陷點(diǎn)總數(shù)的74.07%，點(diǎn)密度為6.62處/km2。高易發(fā)區(qū)分為5個(gè)亞區(qū)，其中金龍礦區(qū)地面塌陷高易發(fā)亞區(qū)(Ⅰ-1)面積為1.91 km2，分布在金龍礦區(qū)柳林村、鄒郭村一帶；李咀礦區(qū)地面塌陷高易發(fā)亞區(qū)(Ⅰ-2)面積為0.12 km2，分布在李咀礦區(qū)主井、副井周圍；團(tuán)山礦區(qū)地面塌陷高易發(fā)亞區(qū)(Ⅰ-3)面積為0.25 km2，分布在團(tuán)山礦區(qū)盧家塆、松林崗周邊；和昌礦區(qū)地面塌陷高易發(fā)亞區(qū)(Ⅰ-4)面積為0.31 km2，分布在和昌礦區(qū)汪李家巷、齊王村一帶；龍王集礦區(qū)地面塌陷高易發(fā)亞區(qū)(Ⅰ-5)面積為0.43 km2，分布在龍王集礦區(qū)吳河、廟塆一帶。

(2)中易發(fā)區(qū)(Ⅱ)。該區(qū)面積為11.86 km2，占研究區(qū)總面積的12.67%，發(fā)育地面塌陷7處，占塌陷點(diǎn)總數(shù)的25.93%，點(diǎn)密度為0.59處/km2。中易發(fā)區(qū)分為9個(gè)亞區(qū)，其中一、二分礦地面塌陷中等易發(fā)亞區(qū)(Ⅱ-1)面積為1.76 km2，分布在一、二分礦區(qū)游家塆—河邊陳—熊家畈一帶；金龍—昌興礦區(qū)地面塌陷中等易發(fā)亞區(qū)(Ⅱ-2)面積為3.60 km2，分布在金龍礦區(qū)與昌興礦區(qū)除高易發(fā)區(qū)以外的開采區(qū)域，即梁家塆、曾子崗、陡河村、雷家山、西雷塆一帶；李咀礦區(qū)地面塌陷中等易發(fā)亞區(qū)(Ⅱ-3)面積為0.87 km2，分布在李咀礦區(qū)除高易發(fā)區(qū)以外的開采區(qū)域，即團(tuán)山廟、李咀村一帶；團(tuán)山礦區(qū)地面塌陷中等易發(fā)亞區(qū)(Ⅱ-4)面積為1.01 km2，分布在團(tuán)山礦區(qū)除高易發(fā)區(qū)以外的開采區(qū)域，即舒家塆、團(tuán)山村一帶；鑫鑫礦區(qū)地面塌陷中等易發(fā)亞區(qū)(Ⅱ-5)，面積為0.59 km2，分布在鑫鑫礦區(qū)開采范圍內(nèi)；和昌礦區(qū)地面塌陷中等易發(fā)亞區(qū)(Ⅱ-6)面積為2.07 km2，分布在和昌礦區(qū)除高易發(fā)區(qū)以外的開采區(qū)域，即齊王村、葉家坡一帶；鑫龍礦區(qū)地面塌陷中等易發(fā)亞區(qū)(Ⅱ-7)面積為0.19 km2，分布在鑫龍礦區(qū)開采范圍內(nèi)；龍王集礦區(qū)地面塌陷中等易發(fā)亞區(qū)(Ⅱ-8)面積為1.71 km2，分布在鑫龍礦區(qū)除高易發(fā)區(qū)以外的開采區(qū)域，即龍集村、趙上塆一帶；玉峰礦區(qū)地面塌陷中等易發(fā)亞區(qū)(Ⅱ-9)面積為0.06 km2，分布在玉峰礦區(qū)西北角。

(3)低易發(fā)區(qū)(Ⅲ)。該區(qū)面積為40.87 km2，占研究區(qū)總面積的43.66%；區(qū)內(nèi)無地面塌陷發(fā)生。

(4)不易發(fā)區(qū)(Ⅳ)。該區(qū)面積為37.85 km2，占研究區(qū)總面積的40.44%；區(qū)內(nèi)無地面塌陷發(fā)生。

4.2 評價(jià)結(jié)果驗(yàn)證

利用受試者工作特征曲線(ROC)分析法[16]對易發(fā)性評價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。ROC曲線下方的面積被定義為AUC，是衡量模型準(zhǔn)確性的指標(biāo)[17]，AUC的取值區(qū)間為[0.5,1],當(dāng)AUC=0.5時(shí)，模型預(yù)測無效；0.50.9時(shí)，模型準(zhǔn)確性特別高。經(jīng)分析(圖8)，本次評價(jià)結(jié)果的AUC=0.833，表明應(yīng)城市石膏礦區(qū)地面塌陷易發(fā)性分區(qū)的準(zhǔn)確性較高。

圖8 評價(jià)結(jié)果ROC曲線圖

5 結(jié)論

(1)以應(yīng)城市石膏礦區(qū)為研究區(qū)，采用層次分析法選取了第四系厚度、地層巖性、距斷層距離、地下水埋深、距地表水距離、開采深度、采空區(qū)范圍、充填密實(shí)度、老窿密度、距塌陷點(diǎn)距離10個(gè)評價(jià)因子，建立了石膏礦區(qū)地面塌陷易發(fā)性評價(jià)指標(biāo)體系；然后采用GIS空間分析功能對該區(qū)進(jìn)行地面塌陷易發(fā)性分區(qū)，研究成果對應(yīng)城石膏礦區(qū)的地面塌陷防治具有指導(dǎo)意義。

(2)將應(yīng)城市石膏礦區(qū)分為地面塌陷高、中、低、不易發(fā)區(qū)4種類型，面積分別為3.02、11.86、40.87、37.85 km2，分別占研究區(qū)總面積的3.23%、12.67%、43.66%、40.44%。

(3)建議在應(yīng)城市石膏礦區(qū)構(gòu)建“人防+技防”相結(jié)合的高質(zhì)量群測群防體系，針對地面塌陷高、中易發(fā)區(qū)，分析地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展趨勢，預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域，預(yù)報(bào)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)段，最大限度地避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失；同時(shí)應(yīng)建立“天—空—地—淺—深”監(jiān)測預(yù)警體系和三維地質(zhì)模型與信息化平臺，為地方政府防災(zāi)減災(zāi)、礦政管理、城鎮(zhèn)規(guī)劃等提供決策依據(jù)和技術(shù)支撐。