舒蘭市地面塌陷危險性分析與評價

郭豐敏，盧長偉，程 勝

(1．吉林交通職業技術學院道橋工程分院，吉林長春 130012;2．吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林長春 130012)

0 引言

舒蘭市地處吉林省東北部煤田區，盛產褐煤，是中國重要的煤炭生產基地之一。區內由于自然因素以及人類工程活動的影響，地面塌陷十分嚴重，極大地威脅著人民生命財產和公共設施的安全，阻礙了當地經濟的發展，因此客觀科學的劃分出該區地面塌陷的易發程度和危險程度，從而進行分區評價是十分必要的。灰色關聯分析法是目前分析以及預測地質災害發生程度所采用的一種較為有效的方法。20世紀90年代初，劉希林曾提出該方法［1］，用以分析泥石流的危險區劃;近21世紀這種方法得以推廣［2，3］，在地面塌陷地質災害的研究分析過程中逐步運用該方法。

1 地面塌陷的特征

地面塌陷是舒蘭市最主要的地質災害類型，也是本區單位面積經濟損失最重的地質災害類型，其中伊舒盆地區以人類活動誘發地面塌陷為主，自然災害次之，丘陵和山地則以自然災害為主，人類活動次之，被調查的22個地面塌陷點，集中分布于吉舒、東富、舒蘭街等三個區域，總面積23．19 km2(圖1)(圖中地點編號與表1一致)。此外，個別塌陷區呈點狀零星分布于水曲柳、平安等地。區內煤田大致呈北東南西向的條帶狀分布，走向長57 km，寬3 km，面積171 km2，已有180多年的開采史。塌陷層位為第三系煤系地層和上覆的第四系沖洪積層。吉舒—豐廣塌陷區頂板厚度20～300 m;東富塌陷區頂板厚度30～380 m;舒蘭街頂板厚度60～470 m，空間展布與礦井采掘平面相吻合。塌陷呈單體或串珠狀群集式產出，單體形態呈圓形或條形，空間分布具有相關性、依賴性;舒蘭礦區因采煤而直接引發的地面塌陷總面積為21．51 km2。塌陷面積為采空區平面投影面積的1．37倍。

圖1 舒蘭市地面塌陷區分布示意圖Fig.1 Distribution of surface subsidence in Shulan City 1．塌陷區;2．村屯;3．公路;4．鐵路;5．縣界。

2 地面塌陷的危險性區劃理論及方法

地面塌陷的危險區劃的主要原則遵循區劃完整性原則、相似性原則、綜合性原則和主導因子原則。

2．1 地面塌陷危險性區劃定量指標的初選

本文采取了區域性規律比較明顯，能夠代表地面塌陷的歷史狀況和潛在的促發的因素作為關聯因子，這里將沉降量作為代表歷史狀況的主導因子。根據本區實際勘查的具體情況和數據，初選了以下幾個評價指標作為地面塌陷區劃的關聯因子，即:沉降區形狀(k1)、區域內最大高差(k2)上覆土層松散系數(k3)、地裂縫指標(k4)、地裂縫的密度(k5)、礦區的采空沉降率(k6)、煤層厚度(k7)、開采深度(k8)、人口密度(k9)、塌陷規模(k10)等，這些因子在地面塌陷危險性分析中的作用如下:

(1)沉降量y(深度m/m2) 表明了本區地面塌陷的發育歷史和目前的嚴重情況，區域內地面塌陷的程度和分布情況主要通過野外調查和區域實地填圖來獲取資料。

(2)沉降區形狀k1地面塌陷區的形狀若為圓形即記為0，如為長條形記為1，方形則記為2。地面塌陷區的表現形狀說明了塌陷的范圍和塌陷的區域。

(3)區域內最大高差k2(m) 即區域內最高點海拔與最低點海拔之差。地形高差的大小決定了沉降的程度。

(4)上覆土層松散系數k3由試驗得出，并算出區域內各類覆蓋土層所占的面積，以面積百分比為權重，加權平均后求得該區域的平均松散系數，可反映原覆蓋層的抗沖刷和抗塌陷能力。

(5)地裂縫指標k4k4是指區內的地裂縫的深度、強度、寬度及閉合程度等各方面的現實情況。通過打分形式得出(好:1，較好:3，較差:6，差:10)，該指標綜合反映了地層的性質。

(6)地裂縫的密度k5即單位面積上地裂縫的總長度。總長度由1∶5萬地質圖上量算獲取。地裂縫密度越大，沉降的速度越大。

(7)礦區的采空沉降率k6(km2/105t) 由當地的地調部門提供資料獲取，采空沉降率越大，說明沉降量越大，塌陷的損失率越大，危害程度越高。

(8)煤層厚度k7(m) 即研究區某一范圍內地下一定深度處的含煤層厚度。

(9)開采深度k8(m) 通過調查和當地的地質調查部門所提供的資料獲取。開采的深度越大，越影響地面的穩定，直接影響地面塌陷。

(10)本區人口密度k9(人/km2) 由人口普查資料獲取。不合理的人類活動對地面塌陷有著一定的影響。

(11)塌陷規模k10指該區形成的塌陷坑的數量，同時塌陷坑的出現形式:單個出現為1，群發則為5。

2．2 關聯度及權重

對于關聯因子的上述選取，按照區劃的原則和要求，收集了舒蘭市地面塌陷的22處的10個指標的基礎數據(表1)，進行關聯分析，以便用此法確定各因子之間的關聯度。關聯度的計算步驟如下:

(1)采取均值法將原始數據作無量綱處理，得均值化矩陣K1i，()j。進行求差序列計算。

(2)利用公式 Δ(i，j)

表1 舒蘭市地面塌陷危險性候選指標的基礎數據Table 1 Basic data for the quantitative index of surface subsidence in Shulan City

(3)最大絕對差值和最小絕對差值計算。

(4)關聯系數的計算。

利用目前已獲得的數據，按照上述方法和步驟分別求得主導因子和關聯因子的關聯度，結果如表2，關聯度值越大，說明比較序列與參考序列變化的態勢越一致，從而對地面沉陷的影響就越大，反之亦然。因而選擇參評區域因子中的同主導因子關系密切的各項，作為地面塌陷危險性分析的定量指標。

首先從關聯度最小的定量指標開始入手，然后給定起始權數為一個基本單位10n(令n=0)，同時以這個基本單位為公差，依次成等差級數向關聯度增大的遞增定量指標的權數。通過分析主導因子的權數以最大的定量指標的權重為基數，以2為公比，呈等比級數

(5)計算關聯度。繼續遞增可得到如表3所示的權數和權重。

2．3 地面塌陷危險區劃

(1)統計中樣本數據的歸一化處理［4］主導因子的級差變換公式:

其他定量指標的級差變換公式:

運用以上公式，得到級差變換數據如表4所示。

(2)舒蘭市各區的地面塌陷危險度的計算 各個區域的各定量指標級差變換后的數值與其各自權重乘積的和為該區域的地面塌陷的危險度(Ri)，危險度的計算公式如下

其中，y'，k'i8，k'i4，…k'i2分別為第 i區域各項指標級差變換后的數值，其計算結果如表4所示。

表2 候選定量指標與主導因子的關聯度Table 2 Related degree of the contraint quantitative index and key factor

表3 定量指標的權數和權重Table 3 Weight number and weight of quantitative index

圖2 舒蘭市地面塌陷災害危險性分區示意圖Fig.2 Risk zoning of surface subsidence in Shulan City．極高危險區;2．高度危險區;3．中度危險區;4．低度危險區;5．地區編號。

3 地面沉陷的危險性評價［5，6］

由地面塌陷危險性的計算結果可以看到，舒蘭市總面積為4 000多平方千米，而地表沉降面積居然達20多平方千米，被調查的塌陷點共22個，危險性由高到低的排列順序為:豐廣—吉舒塌陷區(吉舒鎮、二道鄉、豐廣、聯盟、東嶺街、吉舒小區、愛國村)、東富塌陷區(東富開發區、雙保小區等)、舒蘭街塌陷區、水曲柳、平安村等地。為了能更直觀地反映地面塌陷危險性程度的高低，根據各地的危險度進行分級劃分［1，7］(表5、圖2，表和圖中的地區編號與表1一致)。

極高危險區:東富塌陷區的東富小學北50 m，塌陷深度達3～20 m，長條形塌陷區，2 000 m×1 000 m，而且塌陷的趨勢趨于漸強，地裂縫極為發育，成因為冒頂型，但塌陷點為單個出現的。塌陷面積達2．97 km2。

表4 舒蘭市地面塌陷危險度計算成果Table4 Calculating result of the dangerous degree of surface subsidence in Shulan City

表5 舒蘭市地面塌陷危險性分區結果Table 5 Result of the risk zoning of the surface subsidence in Shulan City

高度危險區:吉舒—豐廣塌陷區，危險程度大的區域是吉舒鎮的王家店和豐廣三社西大排，四井渣山北等區，王家店沉降深度3～5 m，長條形沉陷區，2 000 m×400 m，地裂縫多而雜，塌陷呈漸強的趨勢。西大排的塌陷深度達2～12 m，圓形區，直徑為800 m;而四井渣山北塌陷深度達2～7 m，圓形區，直徑為2 000 m，成因為冒頂型，地裂縫多而雜，塌陷呈漸強的趨勢。

中度危險區:二道佟家溝屯、裕國二隊、聯盟五隊、聯盟九隊、五常—樺甸公路東富段、豐廣北小鄉，其沉降深度為3～5 m，塌陷區大部分呈長條形，范圍1 000 m×800 m左右，目前的沉降量隨著采空區的加大呈漸強的趨勢。

低度危險區:裕國二社、朝陽鎮哈瑪河李炳才家、蛤蟆河二隊、南城街道通河街。這里塌陷的范圍較小，一般呈圓形，塌陷的直徑不超過10 m，深度較淺，裂隙不發育，且呈較穩定的趨勢。

4 結語

地面塌陷地質災害給舒蘭人民帶來了巨大的威脅，本文通過實際調查，運用灰色關聯分析法，對本區的20多處地面沉陷進行了定性與定量的分析，并做了危險性分區與評價，所得結果與實際調查情況相符，可為舒蘭市地面塌陷的治理提供科學依據。

結論與建議如下:

(1)地面塌陷是舒蘭市最主要的地質災害，已威脅到人民生命財產的安全和經濟建設，因此研究其危險性分布規律是十分重要的。

(2)灰色關聯分析的方法是一種較為有效的地質災害區劃方法，各項指標的選取可綜合反映地面塌陷的危險性程度。

(3)根據分析計算結果以及未來的發展情況，對極高危險度的東富小學北50 m區，即高危險度的吉舒—豐廣塌陷區，應立即撤出各方面的運營，以便采取措施制止塌陷，讓人民的生命財產免受損失，同時地下采礦工作也應立即停止，更不允許“扒皮式”或“地毯式”的開采方式的出現，用煤矸石等回填采空區。

(4)對中危險度的東富塌陷區，建議采取積極措施，在現有的塌陷不十分嚴重的情況下，地下采煤速度和采煤量要嚴加控制，規范采礦，避免爆破等，以免加劇塌陷惡化的進程。

(5)低度危險的區域，東富二社及蛤蟆河二隊等地，盡管目前的危害不嚴重，但我們必須防微杜漸，避免造成不必要的損失，確保該區人民的生產生活正常進行，因此建議對危險性較低的區域也要采取相應的綜合治理措施，防患于未然。

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