霍西煤田柳灣礦集區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價

劉 靜, 熊 柯, 郭 強

(1.山西省煤炭地質(zhì)資源環(huán)境調(diào)查院,山西 太原 030006; 2.北京航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司，北京 100089)

煤炭資源的開發(fā)利用,為社會創(chuàng)造財富的同時,也造成了地面塌陷、土地資源破壞、水資源破壞等一系列的地質(zhì)環(huán)境問題,不僅威脅到人民生命財產(chǎn)安全,還制約著經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。近年來,有學(xué)者提出了礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價的思路[4-6],即在礦山地質(zhì)環(huán)境影響評價與地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價的理論基礎(chǔ)上,對生命安全和財產(chǎn)損失的潛在后果開展量化評價。對礦山開發(fā)所引起地質(zhì)環(huán)境問題的風(fēng)險性進(jìn)行評價,可以指導(dǎo)礦山科學(xué)地開采、有針對性地保護(hù)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境,從而實現(xiàn)礦區(qū)資源開發(fā)利用和地質(zhì)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的綠色礦業(yè)之路。

柳灣礦集區(qū)為始建于上世紀(jì)50年代的大型國有煤礦區(qū),擁有豐富的煤炭資源,但由于長期的煤炭開采,該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境破壞嚴(yán)重,風(fēng)險持續(xù)加大,因此有必要對柳灣礦集區(qū)進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價,為該區(qū)下一步的合理開采規(guī)劃、地質(zhì)環(huán)境防治提供依據(jù)。

1 礦集區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地質(zhì)環(huán)境背景條件

礦集區(qū)位于霍西煤田汾孝礦區(qū)的西北端,行政區(qū)劃隸屬呂梁市孝義市,面積122.26 km2,目前包含6個資源整合后的礦井,分別為:新柳礦、正善礦、正安礦、正豐礦、正幫礦和德順礦。礦集區(qū)屬暖溫帶大陸季風(fēng)型氣候,風(fēng)多雨少,溫差較大;區(qū)內(nèi)主要河流2條,屬黃河流域汾河水系。地形地貌類型屬黃土高原低—中低山區(qū),地表大部分為第四系黃土覆蓋。區(qū)內(nèi)賦存的基巖地層有二疊系上、下石盒子組，及下伏煤系地層——山西組、太原組和本溪組,以及煤系地層基底巖系奧陶系石灰?guī)r地層。本區(qū)處在陽泉曲—汾西盆狀復(fù)向斜之東翼,構(gòu)造總體形態(tài)為單斜構(gòu)造,地層總體走向北東,傾向南東,傾角3°～8°,區(qū)內(nèi)廣泛分布小型高角度正斷層。

礦集區(qū)含煤地層共含煤12層。其中:9、10、11號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層;2、4、5、7號煤層為局部可采的不穩(wěn)定煤層;其余為不可采煤層。目前,區(qū)內(nèi)主要開采煤層為2、4、9、10、11號煤層。

1.2 礦山地質(zhì)環(huán)境問題

區(qū)內(nèi)發(fā)育的礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要為采煤引起的地質(zhì)災(zāi)害(地面塌陷、崩塌、滑坡),地形地貌及土地資源破壞(矸石、尾礦堆放,露天采場等),水資源破壞等。據(jù)2017年調(diào)查資料,礦集區(qū)內(nèi)采空及小窯破壞區(qū)面積達(dá)到52.35 km2,約占礦集區(qū)總面積的42.82%;發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害總計172處,其中地面塌陷135處,崩塌33處,滑坡4處,造成直接經(jīng)濟損失達(dá)294.047萬元;露天采場6處,矸石堆放8處,廢石堆放27處,廢棄工業(yè)廣場131處,破壞土地資源面積達(dá)11.542 km2;水資源破壞主要表現(xiàn)為采空造成的含水層結(jié)構(gòu)破壞(圖1)。

圖1 柳灣礦集區(qū)主要地質(zhì)環(huán)境問題圖Fig.1 Map of the major geo-environment problems in Liuwan coal mining areas1.小型地面塌陷;2.中型地面塌陷;3.地形地貌及土地資源破壞;4.崩塌;5.小型滑坡;6.中型滑坡。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價模型

在實際調(diào)查成果的基礎(chǔ)上,選擇評價因子構(gòu)建礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價指標(biāo)體系,采用層次分析法(AHP)計算出各級指標(biāo)的相對權(quán)重,從而建立礦集區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價模型。

2.1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

依據(jù)本區(qū)采煤活動情況和地質(zhì)環(huán)境的背景條件,構(gòu)建出礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價指標(biāo)體系(圖2)。本次礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價系統(tǒng)包含煤炭開采影響力和地質(zhì)環(huán)境脆弱性2個子系統(tǒng)。

煤炭開采影響力子系統(tǒng)包含兩個層次:要素層和指標(biāo)層。要素層包括采礦活動和地質(zhì)環(huán)境問題兩個要素。每一要素又包含多個單指標(biāo),其中采礦活動包括開采方式、開采強度、重復(fù)開采3個單指標(biāo);地質(zhì)環(huán)境問題包括地質(zhì)災(zāi)害(崩塌、滑坡、地面塌陷)、水資源破壞、地形地貌及土地資源破壞3個單指標(biāo)。

地質(zhì)環(huán)境脆弱性子系統(tǒng)也包含兩個層次:要素層和指標(biāo)層。要素層包括基礎(chǔ)地質(zhì)和自然地理兩個要素,基礎(chǔ)地質(zhì)包括巖性組合、構(gòu)造2個單指標(biāo);自然地理包括地形地貌、植被覆蓋度、居民地密度3個單指標(biāo)。

2.2 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

本次評價采用層次分析法(AHP)進(jìn)行評價因子的權(quán)重計算[7]。

圖2 柳灣礦集區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價指標(biāo)體系Fig.2 Evaluation index system of mine geo-environment riskin Liuwan coal mining areas

(1) 判斷矩陣的構(gòu)造方法。將同一層次的評價因子對上一層次各要素的相對重要性進(jìn)行兩兩比較,構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣[8]。本文采用1～9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣,而構(gòu)造矩陣中各因素相對重要性的分值,則通過專家打分法確定。

(2) 指標(biāo)權(quán)重的計算方法。①將判斷矩陣A的元素按照行相乘,得乘積Mi:

② 計算Mi的n次方根Mi＇:

Mi＇=(Mi)1/n

③ 對向量Mi＇進(jìn)行歸一化處理,所得向量W=(W1,W2,…,Wn)T,即為所求的特征向量。

④ 計算判斷矩陣的最大特征根λmax。

⑤ 判斷矩陣的一致性檢驗。

C.I.=(λmax-n)/(n-1)

通過一致性檢驗的判斷矩陣,特征向量Wi即為權(quán)重值。

(3) 判斷矩陣和指標(biāo)權(quán)重的確定。按照上述層次分析法的步驟,分別計算出指標(biāo)體系中各級指標(biāo)的權(quán)重。具體結(jié)果見以下表格數(shù)據(jù)(表1-表6)。

表1 煤炭開采影響力(M)判斷矩陣及權(quán)重Table 1 Judgment matrix and weight of coal mining influence

表2 采礦活動(M1)判斷矩陣及權(quán)重Table 2 Judgment matrix and weight of coal mining activities

表3 地質(zhì)環(huán)境問題(M2)判斷矩陣及權(quán)重Table 3 Judgment matrix and weight of geo-environment problems

表4 地質(zhì)環(huán)境脆弱性(H)判斷矩陣及權(quán)重Table 4 Judgment matrix and weight of geo-environment vulnerability

表5 基礎(chǔ)地質(zhì)(H1)判斷矩陣及權(quán)重Table 5 Judgment matrix and weight of basic geology

表6 自然地理(H2)判斷矩陣及權(quán)重Table 6 Judgment matrix and weight of natural geography

2.3 評價模型的建立

(1) 評價模型的建立。本次所用評價模型參考災(zāi)害風(fēng)險評估模型。礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險度可用煤炭開采影響力值和地質(zhì)環(huán)境脆弱性值乘積表達(dá),即用以下數(shù)學(xué)模型來表示:

FX=M×H

式中:FX為礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險度;M為煤炭開采影響力值;H為地質(zhì)環(huán)境脆弱性值。

煤炭開采影響力值和環(huán)境脆弱性值可通過要素指標(biāo)加權(quán)分值綜合評價模型來求取。以煤炭開采影響力值為例,綜合評價模型為:

式中:Fj為煤炭開采影響力評價體系中各要素的加權(quán)分值;j為評價體系中的要素個數(shù);Wj為各要素的權(quán)重值;Fi為每一要素層中單指標(biāo)的評定分值;Wi為單指標(biāo)的權(quán)重值;i為各要素中的單指標(biāo)個數(shù)。

地質(zhì)環(huán)境脆弱性評價模型與煤炭開采影響力評價模型相似,故不贅述。

(2) 評價模型的計算。將計算的指標(biāo)權(quán)重代入建立的評價模型,形成如下的計算公式:

FX=M×H

M=0.25M1+0.75M2

M1=0.12M11+0.29M12+0.59M13

M2=0.46M21+0.23M22+0.31M23

H=0.4H1+0.6H2

H1=0.33H11+0.67H12

H2=0.10H21+0.22H22+0.68H23

3 礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價及分區(qū)評述

3.1 評價指標(biāo)分級量化

在參考《礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價規(guī)范》(DD2014—05)基礎(chǔ)上,將評價指標(biāo)按嚴(yán)重、較嚴(yán)重和一般三個等級劃分。本文通過實地調(diào)查、專家咨詢和鄰區(qū)類比制定了分級量化標(biāo)準(zhǔn),具體分級見表7。

3.2 礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價

本次評價主要借助GIS平臺實現(xiàn)。首先,在GIS平臺繪制評價指標(biāo)體系中的各單指標(biāo)圖層;然后,根據(jù)建立的評價模型,運用GIS軟件的圖層聯(lián)合功能,對各圖層屬性進(jìn)行加權(quán)疊加計算,得到的綜合圖層即為柳灣礦集區(qū)地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價分區(qū)圖(圖3)。

(1) 評價單元劃分。使用柵格單元對礦集區(qū)進(jìn)行劃分評價,柵格單元大小為50 m×50 m。

(2) 礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價。首先將各單指標(biāo)圖層進(jìn)行地理配準(zhǔn),然后對點要素與線要素因子進(jìn)行緩沖區(qū)分析,與研究區(qū)范圍進(jìn)行聯(lián)合;對于面要素因子,將遙感圖像及DEM影像進(jìn)行預(yù)處理,并剪裁刪去多余范圍;之后對各因子賦予分級分?jǐn)?shù),再轉(zhuǎn)為柵格文件,利用ArcGIS柵格計算器對各因子進(jìn)行加權(quán)疊加,最終得出礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價分區(qū)圖。

3.3 礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價分區(qū)評述

根據(jù)礦集區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險分區(qū)圖,結(jié)合區(qū)內(nèi)主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題,得出:

高風(fēng)險區(qū)主要分布于礦集區(qū)內(nèi)新柳礦的中部、西部、南部,正安礦北部、正善礦東南部、德順礦南部和正幫礦東部等地區(qū),由6個高風(fēng)險區(qū)組成。區(qū)內(nèi)煤層開采強度大,且多為重復(fù)開采,礦山地質(zhì)環(huán)境問題發(fā)育多,主要為多層采空引發(fā)的地面塌陷、崩塌、滑坡、含水層破壞等,對礦山環(huán)境破壞嚴(yán)重。高風(fēng)險區(qū)面積為20.07 km2,占礦集區(qū)總面積的16.5%。

表7 礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價指標(biāo)分級量化評分表Table 7 Grading and quantitative scoring table of mine geo-environment risk evaluation indexes

圖3 柳灣礦集區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價分區(qū)圖Fig.3 Zoning map of mine geo-environment riskevaluation of Liuwan coal mining areas

中風(fēng)險區(qū)分布于礦集區(qū)內(nèi)6個礦井的大部分地區(qū),多為小型煤礦、小煤窯開采區(qū),區(qū)內(nèi)煤層開采強度中等,開采層數(shù)少,回采率低。礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要為采煤引發(fā)的地面塌陷、露天采場、矸石堆放、廢棄工業(yè)廣場等對地形地貌景觀與土地資源的破壞,對礦山地質(zhì)環(huán)境影響較嚴(yán)重。中風(fēng)險區(qū)分布面積為66.22 km2,占礦集區(qū)總面積的54%。

低風(fēng)險區(qū)主要分布于礦集區(qū)的東部和南部,此區(qū)域礦業(yè)開發(fā)活動少,對環(huán)境影響較輕。低風(fēng)險區(qū)分布面積為35.97 km2,占礦集區(qū)總面積的29.5%。

4 結(jié)論

在對柳灣礦集區(qū)資料收集和現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上,分析礦集區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景條件,及采礦活動對地質(zhì)環(huán)境的影響,對礦集區(qū)進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價及區(qū)劃。

(1) 從煤炭開采影響力和環(huán)境脆弱性兩個方面,選取開采強度、開采方式、地質(zhì)災(zāi)害、構(gòu)造、地形地貌、居民地密度等11個評價指標(biāo),構(gòu)建了礦集區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價指標(biāo)體系,采用層次分析法計算出指標(biāo)體系中各級指標(biāo)的權(quán)重,建立礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價模型。

(2) 通過實地調(diào)查,專家咨詢和鄰區(qū)類比制定了11個指標(biāo)的分級量化標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)量化標(biāo)準(zhǔn)繪制各單指標(biāo)圖層,結(jié)合建立的礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險評價模型,利用GIS圖層疊加分析法對礦集區(qū)進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險分區(qū)評價。

(3) 根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險分區(qū)圖,結(jié)合區(qū)內(nèi)主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題,得出礦集區(qū)內(nèi)高風(fēng)險區(qū)共有6個,分布面積約20.07 km2,占礦集區(qū)總面積的16.5%;中風(fēng)險區(qū)分布面積約66.22 km2,占礦集區(qū)總面積的54%;低風(fēng)險區(qū)分布面積約35.97 km2,占礦集區(qū)總面積的29.5%。