應城市石膏礦區地面塌陷易發性評價

張 晨，盛 燦，陳 樂，趙菊花，蘇 昌

(湖北省地質局 第六地質大隊，湖北 孝感 432100)

應城市有“膏都鹽海”之稱，是中國著名的膏鹽礦產區。長期的膏鹽礦開采形成了較大范圍的采空區，引發地面塌陷、地面沉降等地質災害，直接威脅居民生命財產安全和制約地方經濟社會發展。采空區穩定性評價、地質災害防治及地表土地開發利用成為影響應城市可持續發展的技術難題[1-2]。為規范應城市膏鹽礦山開采，指導采空區地質災害勘查與防治，亟需加強地質災害評估工作，其中一項基本工作是進行地質災害易發性評價[3]。易發性評價又稱敏感性分析，是在綜合分析地質災害發生的控制條件和誘發條件基礎上，評價地質災害發生的可能性的大小[4]。目前對于地面塌陷的易發性評價，國內多采用半定量的評價方法，如專家—層次分析法[5]、模糊綜合評判法[6]、易發程度指數法[7]、綜合指數法[8]、信息量法[9-10]、確定性模型與邏輯回歸模型組合法[11]等。上述評價方法的關鍵在于查明地面塌陷發育特征、形成條件及其相互聯系。

本文以應城市石膏礦區為研究區，在系統分析地面塌陷發育特征及其形成條件基礎上，選取評價指標，明確不同指標之間及其與地面塌陷的關系；然后運用層次分析法(AHP)建立地面塌陷多因子判別模型，結合GIS強大的圖形運算處理能力，對地面塌陷易發性進行定量評價，以期為地方防災減災、礦政管理、城鎮規劃等提供決策依據和技術支撐。

1 研究區概況

研究區內有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年全部關停。石膏礦開采方式為地下巷道開采，解放前采用無計劃的硐采，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，開采石膏礦時沿礦層掘進，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%。該區規模化開采石膏礦已歷數十年，開采深度多在70～220 m，采空區的范圍不斷擴大。

研究區面積約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、更新統，下伏新近系掇刀石組、古近系文峰塔組與云應膏鹽組。云應膏鹽組廣泛分布于整個云應膏鹽礦區，厚度>1 598 m，巖性為灰綠色泥巖與紫紅色砂質泥巖、泥質粉砂巖互層，富含石膏、鈣芒硝、巖鹽等，是區內主要含礦巖組。石膏礦體多呈薄層狀、似層狀產出，產狀總體較平緩(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 地面塌陷發育特征

2.1 地面塌陷總體特征

研究區地面塌陷有27處，主要分布在石膏礦開采區地表。這些地面塌陷分兩種：①采空區塌陷，嚴格受地下采空區分布的影響，塌陷坑口直徑一般<10 m，少量達到數十米，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)地質條件。石膏礦區地表為第四系，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，第四系細砂、粉砂層多處于飽和狀態，在動荷載情況下易產生砂土液化現象，當地下存在采空區時，該部分土體易向下伏采空區運移，進而導致地面塌陷。石膏礦采礦層主要位于云應膏鹽組盛家灘下含硬石膏巖段，覆巖主要為云應膏鹽組王家廟下含鈣芒硝硬石膏巖段黏土質灰質粉砂巖及灰色石膏質黏土巖，下伏基巖為古近系白砂口組灰質黏土質粉砂巖。礦層頂板為未風化的泥巖、泥質粉砂巖，干抗壓強度為26～42 MPa，軟化系數為0.23～0.85，遇水后易軟化和膨脹，使其巖石力學強度迅速降低，易于導致坑道頂板發生冒落。局部發育的次級斷裂使巖體中節理、裂隙等結構面較發育，降低了巖體的完整性和強度，同時切穿隔水層，形成良好的導水通道，為地下水活動提供了通道和儲存空間，促進了地面變形的發生。

(2)水文地質條件。石膏礦層賦存于云應膏鹽組泥質粉砂巖—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的第四系含水層經由開采豎井向井筒運移，在井筒底部形成積水。盡管區域內地下水活動相對較弱，但由于節理、裂隙等結構面破壞了巖體完整性，并受采掘活動影響，地下水使巖體裂隙中的松散填充物被淘空，加之水化學潛蝕作用影響[12]，裂隙加寬加長，加劇了巖體風化、崩解，進一步降低了巖體整體力學強度，導致出現地表變形。

(3)開采條件。石膏礦區均采用干式充填，將開采洗選過程中產生的矸石固廢物填入采空區，進而改善采場圍巖變形和覆巖沉降程度。采空區充填體的充填率及其強度對上覆巖層的運動狀態起著至關重要的作用，不同的充填率會導致上覆巖層結構形態和特征都存在明顯區別。當采空區充填率較低時，充填體欠接頂量很大，不能對頂板下沉起到支撐作用，隨著采空區范圍的擴大，直接頂逐漸垮落破碎，與采空區充填體相互混合，形成基本頂的支撐體，此時基本頂在上覆載荷作用下發生彎曲變形，對采空區支撐體進行壓縮，直到采空區支撐體被壓實，支撐體的壓縮和基本頂的下沉達到平衡狀態。在此過程中，基本頂隨開采范圍的擴大發生持續破斷，形成塊體結構，且塊體結構隨工作面推進而不斷向上覆巖層傳遞，直到變形發展到地面，形成地面沉陷。

(4)誘發因素。應城市石膏礦開采歷史悠久，其中私人采礦歷史長達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(截至1960年)。在現代采礦過程中，受爆破沖擊等動荷載作用影響，老窿與下部的采空區通過裂隙等連通，造成老窿內水體流失。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，使土體結構遭到破壞，頂層土體飽水力學強度降低，采空區上部土體在自重的作用下失穩，最終發生地面塌陷[13]。地面塌陷產生后，隨著地下水的流動，地表塌陷變形范圍逐漸擴大，影響范圍一般為10～200 m。

3 地面塌陷易發性評價

本次開展應城市石膏礦區地面塌陷易發性評價采用層次分析法，主要流程包括選取評價因子、計算評價因子權重、評價模型量化分析等，整個評價工作在ArcGIS平臺上實現。

3.1 選取評價因子

評價因子的選取是建立評價模型的關鍵[14]。石膏礦區地面塌陷的發生主要取決于地質條件、水文地質條件、開采條件、誘發因素的綜合影響，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、采空區范圍、充填密實度、距塌陷點距離、老窿密度10個評價因子用于建立評價指標體系(圖2)。在該體系中，石膏礦區地面塌陷易發性評價(A)為目標層；影響石膏礦區地面塌陷的4個主要形成條件(地質條件(B1)、水文地質條件(B2)、開采條件(B3)、誘發因素(B4))為評價的準則條件，構成準則層；將上述準則條件細分為若干基礎評價指標，如地質條件(B1)細分為第四系厚度(C1)、地層巖性(C2)、距斷層距離(C3)，水文地質條件(B2)細分為地下水埋深(C4)、距地表水距離(C5)，開采條件(B3)細分為開采深度(C6)、采空區范圍(C7)、充填密實度(C8)，誘發因素(B4)細分為距塌陷點距離(C9)、老窿密度(C10)，構成指標層。

圖2 評價指標體系圖

在分析各評價因子特征的基礎上，綜合處理收集的區域地質、鉆孔、礦山開采等資料，根據各評價因子對地面塌陷的影響程度，按照高易發、中易發、低易發、不易發4個等級進行分級，并依次給予4分、3分、2分和1分的指標值。例如對石膏礦區地層巖性進行分區，泥灰巖與黏土巖、泥巖與砂質泥巖、粉砂質泥巖夾硬石膏層、粉砂巖與含礫砂巖對應的指標值分別為4分、3分、2分和1分(表1)。各評價因子的分級結果如表1所示，單因子分區圖如圖3-圖6所示。

圖3 地質條件有關評價因子分區圖

圖4 水文地質條件有關評價因子分區圖

圖5 開采條件有關評價因子分區圖

圖6 誘發因素有關評價因子分區圖

表1 評價指標分級及取值統計表

3.2 計算評價因子權重

在確定評價因子后，采用層次分析法(1～9標度法[15])判斷各評價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)。構建判別矩陣得到最大特征向量λmax后，還需進行一致性檢驗，公式為：

表2 評價因子判別矩陣A-B

表3 評價因子判別矩陣B1-C

表4 評價因子判別矩陣B2-C

表5 評價因子判別矩陣B3-C

表6 評價因子判別矩陣B4-C

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

CR=CI/RI

(2)

式中：n為矩陣階數；CR為一致性指標；CI為隨機一致性指標；RI為平均隨機一致性指標，取值見表7。

表7 判別矩陣RI取值表

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

在計算出準則層各指標及相應的指標層評價因子的權重后，再計算各評價因子在整個評價指標體系中的總排序權重，并通過了一致性檢驗，綜合結果見表8。

表8 組合權重統計表

3.3 評價模型量化分析

采用加權平均綜合指數評價模型對石膏礦區地面塌陷易發性進行評價，其數學模型為：

(3)

式中：H為加權平均綜合指數；Wi為評價因子i的權重，取值情況見表8；Pi為各評價因子i的指標值，取值情況見表1。

公式(3)可以轉化為：

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)

根據評價模型可知，老窿密度、距塌陷點距離、充填密實度、開采深度和采空區范圍的權重較大，說明這些因素對石膏礦區地面塌陷影響較大，也說明該區地面塌陷與采礦活動緊密相關。調查發現區內發生的27次地面塌陷中，大部分是由老窿引發的，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，塌陷區周邊發育大量地面及房屋變形現象，距離塌陷點越近變形越強烈，因此誘發因素和開采條件對石膏礦區地面塌陷影響最大，由此可以判斷其權重比較合理。

基于ArcGIS軟件疊加空間分析功能，根據評價因子的等級劃分標準及賦值原則進行疊加，得到石膏礦區地面塌陷的易發性綜合指數，再按照指數高低進行分區，分區與綜合指數的對應關系如表9所示。

表9 易發性分區等級表

4 評價結果及驗證

4.1 易發性分區評價結果

將應城市石膏礦區分為地面塌陷高、中、低、不易發區4種類型(圖7)。

圖7 應城市石膏礦區地面塌陷易發性分區圖

(1)高易發區(Ⅰ)。該區面積為3.02 km2，占研究區總面積的3.23%；發育地面塌陷20處，占塌陷點總數的74.07%，點密度為6.62處/km2。高易發區分為5個亞區，其中金龍礦區地面塌陷高易發亞區(Ⅰ-1)面積為1.91 km2，分布在金龍礦區柳林村、鄒郭村一帶；李咀礦區地面塌陷高易發亞區(Ⅰ-2)面積為0.12 km2，分布在李咀礦區主井、副井周圍；團山礦區地面塌陷高易發亞區(Ⅰ-3)面積為0.25 km2，分布在團山礦區盧家塆、松林崗周邊；和昌礦區地面塌陷高易發亞區(Ⅰ-4)面積為0.31 km2，分布在和昌礦區汪李家巷、齊王村一帶；龍王集礦區地面塌陷高易發亞區(Ⅰ-5)面積為0.43 km2，分布在龍王集礦區吳河、廟塆一帶。

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

(3)低易發區(Ⅲ)。該區面積為40.87 km2，占研究區總面積的43.66%；區內無地面塌陷發生。

(4)不易發區(Ⅳ)。該區面積為37.85 km2，占研究區總面積的40.44%；區內無地面塌陷發生。

4.2 評價結果驗證

利用受試者工作特征曲線(ROC)分析法[16]對易發性評價結果進行驗證。ROC曲線下方的面積被定義為AUC，是衡量模型準確性的指標[17]，AUC的取值區間為[0.5,1],當AUC=0.5時，模型預測無效；0.50.9時，模型準確性特別高。經分析(圖8)，本次評價結果的AUC=0.833，表明應城市石膏礦區地面塌陷易發性分區的準確性較高。

圖8 評價結果ROC曲線圖

5 結論

(1)以應城市石膏礦區為研究區，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、采空區范圍、充填密實度、老窿密度、距塌陷點距離10個評價因子，建立了石膏礦區地面塌陷易發性評價指標體系；然后采用GIS空間分析功能對該區進行地面塌陷易發性分區，研究成果對應城石膏礦區的地面塌陷防治具有指導意義。

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

(3)建議在應城市石膏礦區構建“人防+技防”相結合的高質量群測群防體系，針對地面塌陷高、中易發區，分析地面塌陷等地質災害的發展趨勢，預測地質災害發生區域，預報地質災害發生時段，最大限度地避免人員傷亡和財產損失；同時應建立“天—空—地—淺—深”監測預警體系和三維地質模型與信息化平臺，為地方政府防災減災、礦政管理、城鎮規劃等提供決策依據和技術支撐。