舒兰市地面塌陷危险性分析与评价

2013-01-17郭丰敏卢长伟

资源环境与工程 2013年4期

郭丰敏，卢长伟，程胜

(1．吉林交通职业技术学院道桥工程分院，吉林长春 130012;2．吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春 130012)

0 引言

舒兰市地处吉林省东北部煤田区，盛产褐煤，是中国重要的煤炭生产基地之一。区内由于自然因素以及人类工程活动的影响，地面塌陷十分严重，极大地威胁着人民生命财产和公共设施的安全，阻碍了当地经济的发展，因此客观科学的划分出该区地面塌陷的易发程度和危险程度，从而进行分区评价是十分必要的。灰色关联分析法是目前分析以及预测地质灾害发生程度所采用的一种较为有效的方法。20世纪90年代初，刘希林曾提出该方法［1］，用以分析泥石流的危险区划;近21世纪这种方法得以推广［2，3］，在地面塌陷地质灾害的研究分析过程中逐步运用该方法。

1 地面塌陷的特征

地面塌陷是舒兰市最主要的地质灾害类型，也是本区单位面积经济损失最重的地质灾害类型，其中伊舒盆地区以人类活动诱发地面塌陷为主，自然灾害次之，丘陵和山地则以自然灾害为主，人类活动次之，被调查的22个地面塌陷点，集中分布于吉舒、东富、舒兰街等三个区域，总面积23．19 km2(图1)(图中地点编号与表1一致)。此外，个别塌陷区呈点状零星分布于水曲柳、平安等地。区内煤田大致呈北东南西向的条带状分布，走向长57 km，宽3 km，面积171 km2，已有180多年的开采史。塌陷层位为第三系煤系地层和上覆的第四系冲洪积层。吉舒—丰广塌陷区顶板厚度20～300 m;东富塌陷区顶板厚度30～380 m;舒兰街顶板厚度60～470 m，空间展布与矿井采掘平面相吻合。塌陷呈单体或串珠状群集式产出，单体形态呈圆形或条形，空间分布具有相关性、依赖性;舒兰矿区因采煤而直接引发的地面塌陷总面积为21．51 km2。塌陷面积为采空区平面投影面积的1．37倍。

图1 舒兰市地面塌陷区分布示意图Fig.1 Distribution of surface subsidence in Shulan City 1．塌陷区;2．村屯;3．公路;4．铁路;5．县界。

2 地面塌陷的危险性区划理论及方法

地面塌陷的危险区划的主要原则遵循区划完整性原则、相似性原则、综合性原则和主导因子原则。

2．1 地面塌陷危险性区划定量指标的初选

本文采取了区域性规律比较明显，能够代表地面塌陷的历史状况和潜在的促发的因素作为关联因子，这里将沉降量作为代表历史状况的主导因子。根据本区实际勘查的具体情况和数据，初选了以下几个评价指标作为地面塌陷区划的关联因子，即:沉降区形状(k1)、区域内最大高差(k2)上覆土层松散系数(k3)、地裂缝指标(k4)、地裂缝的密度(k5)、矿区的采空沉降率(k6)、煤层厚度(k7)、开采深度(k8)、人口密度(k9)、塌陷规模(k10)等，这些因子在地面塌陷危险性分析中的作用如下:

(1)沉降量y(深度m/m2) 表明了本区地面塌陷的发育历史和目前的严重情况，区域内地面塌陷的程度和分布情况主要通过野外调查和区域实地填图来获取资料。

(2)沉降区形状k1地面塌陷区的形状若为圆形即记为0，如为长条形记为1，方形则记为2。地面塌陷区的表现形状说明了塌陷的范围和塌陷的区域。

(3)区域内最大高差k2(m) 即区域内最高点海拔与最低点海拔之差。地形高差的大小决定了沉降的程度。

(4)上覆土层松散系数k3由试验得出，并算出区域内各类覆盖土层所占的面积，以面积百分比为权重，加权平均后求得该区域的平均松散系数，可反映原覆盖层的抗冲刷和抗塌陷能力。

(5)地裂缝指标k4k4是指区内的地裂缝的深度、强度、宽度及闭合程度等各方面的现实情况。通过打分形式得出(好:1，较好:3，较差:6，差:10)，该指标综合反映了地层的性质。

(6)地裂缝的密度k5即单位面积上地裂缝的总长度。总长度由1∶5万地质图上量算获取。地裂缝密度越大，沉降的速度越大。

(7)矿区的采空沉降率k6(km2/105t) 由当地的地调部门提供资料获取，采空沉降率越大，说明沉降量越大，塌陷的损失率越大，危害程度越高。

(8)煤层厚度k7(m) 即研究区某一范围内地下一定深度处的含煤层厚度。

(9)开采深度k8(m) 通过调查和当地的地质调查部门所提供的资料获取。开采的深度越大，越影响地面的稳定，直接影响地面塌陷。

(10)本区人口密度k9(人/km2) 由人口普查资料获取。不合理的人类活动对地面塌陷有着一定的影响。

(11)塌陷规模k10指该区形成的塌陷坑的数量，同时塌陷坑的出现形式:单个出现为1，群发则为5。

2．2 关联度及权重

对于关联因子的上述选取，按照区划的原则和要求，收集了舒兰市地面塌陷的22处的10个指标的基础数据(表1)，进行关联分析，以便用此法确定各因子之间的关联度。关联度的计算步骤如下:

(1)采取均值法将原始数据作无量纲处理，得均值化矩阵K1i，()j。进行求差序列计算。

(2)利用公式 Δ(i，j)

表1 舒兰市地面塌陷危险性候选指标的基础数据Table 1 Basic data for the quantitative index of surface subsidence in Shulan City

(3)最大绝对差值和最小绝对差值计算。

(4)关联系数的计算。

利用目前已获得的数据，按照上述方法和步骤分别求得主导因子和关联因子的关联度，结果如表2，关联度值越大，说明比较序列与参考序列变化的态势越一致，从而对地面沉陷的影响就越大，反之亦然。因而选择参评区域因子中的同主导因子关系密切的各项，作为地面塌陷危险性分析的定量指标。

首先从关联度最小的定量指标开始入手，然后给定起始权数为一个基本单位10n(令n=0)，同时以这个基本单位为公差，依次成等差级数向关联度增大的递增定量指标的权数。通过分析主导因子的权数以最大的定量指标的权重为基数，以2为公比，呈等比级数

(5)计算关联度。继续递增可得到如表3所示的权数和权重。

2．3 地面塌陷危险区划

(1)统计中样本数据的归一化处理［4］主导因子的级差变换公式:

其他定量指标的级差变换公式:

运用以上公式，得到级差变换数据如表4所示。

(2)舒兰市各区的地面塌陷危险度的计算各个区域的各定量指标级差变换后的数值与其各自权重乘积的和为该区域的地面塌陷的危险度(Ri)，危险度的计算公式如下

其中，y'，k'i8，k'i4，…k'i2分别为第 i区域各项指标级差变换后的数值，其计算结果如表4所示。

表2 候选定量指标与主导因子的关联度Table 2 Related degree of the contraint quantitative index and key factor

表3 定量指标的权数和权重Table 3 Weight number and weight of quantitative index

图2 舒兰市地面塌陷灾害危险性分区示意图Fig.2 Risk zoning of surface subsidence in Shulan City．极高危险区;2．高度危险区;3．中度危险区;4．低度危险区;5．地区编号。

3 地面沉陷的危险性评价［5，6］

由地面塌陷危险性的计算结果可以看到，舒兰市总面积为4 000多平方千米，而地表沉降面积居然达20多平方千米，被调查的塌陷点共22个，危险性由高到低的排列顺序为:丰广—吉舒塌陷区(吉舒镇、二道乡、丰广、联盟、东岭街、吉舒小区、爱国村)、东富塌陷区(东富开发区、双保小区等)、舒兰街塌陷区、水曲柳、平安村等地。为了能更直观地反映地面塌陷危险性程度的高低，根据各地的危险度进行分级划分［1，7］(表5、图2，表和图中的地区编号与表1一致)。

极高危险区:东富塌陷区的东富小学北50 m，塌陷深度达3～20 m，长条形塌陷区，2 000 m×1 000 m，而且塌陷的趋势趋于渐强，地裂缝极为发育，成因为冒顶型，但塌陷点为单个出现的。塌陷面积达2．97 km2。

表4 舒兰市地面塌陷危险度计算成果Table4 Calculating result of the dangerous degree of surface subsidence in Shulan City

表5 舒兰市地面塌陷危险性分区结果Table 5 Result of the risk zoning of the surface subsidence in Shulan City

高度危险区:吉舒—丰广塌陷区，危险程度大的区域是吉舒镇的王家店和丰广三社西大排，四井渣山北等区，王家店沉降深度3～5 m，长条形沉陷区，2 000 m×400 m，地裂缝多而杂，塌陷呈渐强的趋势。西大排的塌陷深度达2～12 m，圆形区，直径为800 m;而四井渣山北塌陷深度达2～7 m，圆形区，直径为2 000 m，成因为冒顶型，地裂缝多而杂，塌陷呈渐强的趋势。

中度危险区:二道佟家沟屯、裕国二队、联盟五队、联盟九队、五常—桦甸公路东富段、丰广北小乡，其沉降深度为3～5 m，塌陷区大部分呈长条形，范围1 000 m×800 m左右，目前的沉降量随着采空区的加大呈渐强的趋势。

低度危险区:裕国二社、朝阳镇哈玛河李炳才家、蛤蟆河二队、南城街道通河街。这里塌陷的范围较小，一般呈圆形，塌陷的直径不超过10 m，深度较浅，裂隙不发育，且呈较稳定的趋势。