阳泉矿区地质灾害易发区域划分

曹艳妮，刘 伟，许墨陶，王爱军，赵 阳

(1 长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710064； 2 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北 保定 071051)

0 前 言

国内外许多学者对区域性灾害做了大量的研究，内容主要涵盖灾害损失指标体系、灾害损失评估方法、灾害区域划分原则与原理、灾害综合区域划分方法、灾害预测预报方法、防灾减灾对策等[1-4]。对地质灾害的研究方向是进行地质灾害的调查，包括灾害空间分布、原因分析、诱发因素、危害程度及影响范围等[5]。本文根据中国地质调查局2016年对阳泉市(阳泉、平定、盂县)39座矿区地质灾害调查基础上，基于模糊理论和GIS技术通过对灾害类型、灾害数量、稳定性、危害特征、工程活动、降雨量、地震活动7个因素对地质灾害的影响，得出阳泉39个矿区地质灾害的发育程度，并提出防治地质灾害对策。以期为阳泉市的矿山地质灾害治理提供理论依据和指导，并为其它类似区域的地质灾害的治理提供参考。

1 区域概况

1.1 自然地理特征

阳泉市位于山西省东部，是一座新被发掘的工业城市。阳泉市北邻忻州市，东靠石家庄市，西接太原市，南毗晋中市。地理位置东经112(°)54(′)～114(°)40(′)，北纬37(°)40(′)～38(°)31(′)，行政区东西向宽度32～56 km，南北向长度80～106 km，总面积约4 452 km2。阳泉市位于两座省会城市太原与石家庄中间地带，于北京相距390 km。阳泉为山西省第二个拥有高铁动车的城市，铁路连接北京、天津、河北、河南、山东、山西，为晋东铁路枢纽，还有32条支线或专用线。阳泉气候受季风与地形地貌影响，不同区域气候有较大差异，总体特点为：四季分明，春季干冷，多风少雨；夏季温度随地形影响变化较大，年均降雨量较大；秋季昼夜温差大，湿润多雨；冬季寒冷干燥，多有西北风。年平均降水为505.5～735.4 mm，最高年降水量886.4 mm，最低年降水量240.4 mm；最大日降水量152.1 mm。

1.2 地层岩性及地质构造

阳泉市位于太行山中部西侧、沁水盆地东北部边缘地带。区域内地层主要为沉积形成，整体较为平缓，倾向主要为南西。区域内二叠系、三叠系、石炭系、奥陶系、寒武系地层，均有不同厚度的沉积，其它时代地层均缺失。新华夏构造体系与太行断块形成的走向北西、倾向南西的单斜基础上，发育了大量纵横交错的平缓褶皱，形成了该区域特有的地质构造景观。含水层组主要为碳酸盐岩类岩溶水、碎屑岩夹碳酸盐岩裂隙水、含水岩组碎屑岩类层间裂隙水含水、岩组松散岩孔隙水含水岩组。

2 地质灾害现状

矿区现状的总体上看北部较好、南部较差、中部最差。造成这种差别的主要原因是采掘业在矿山分布密集的地区环境差，矿山分布较少的地区环境较好。同时与矿山的生产年限、矿体厚度、采矿方法、生产规模有明显的关系。主要地质灾害类型有地裂缝、地面塌陷、泥石流、滑坡、地面沉降和崩塌等[6]。

2.1 地裂缝

从地面裂缝破坏对象来看，其主要受灾体是居住、水塔、电塔，其次是道路与耕地。损失较大的地面裂缝地质灾害有：平定县张庄镇上马郡头村地面裂缝，单缝长10～15 m、宽0.2～0.25 m，分布面积0.045 km2，毁坏房屋300间、造成水井干枯，共计损失170万元。平定县冠山镇水域沟村地面裂缝，单缝长2～3 m、宽0.001～0.1 m，分布面积0.003 km2，毁坏房屋100间，造成水井干枯，经济损失共计120万元。阳泉市郊区河底镇关家峪地面裂缝，缝宽0.2～0.3 m，使400多间房屋遭到严重损坏，破坏耕地100多亩，共造成经济损失164万元。

2.2 地面塌陷

从地面塌陷破坏对象来看，其主要受灾体是房屋、耕地、水源、水井，其次是道路。境内造成较大经济损失的地面塌陷主要有：盂县孙家庄乡西吉村地面塌陷，呈群集式排列，塌陷坑数5个，直径3～10 m，毁坏耕地30亩，破坏房屋50余间，地下水资源遭到严重破坏，共造成经济损失达116万元。

2.3 泥石流

泥石流发生过程一般历时短暂，具突发性，运动速度快，呈直进式的特点，其危害对象主要是房屋，耕地、道路、堤坝、涵洞等。市内泥石流造成损失较大的有：1999年8月13日，盂县上社镇、梁家寨乡发生泥石流，据统计，死亡3人，重伤4人，冲毁道路92 km，冲毁房屋672间，造成危房785间，冲走粮食5 055 kg，冲毁耕地1 613亩、低压线路1 381 km，冲走鸡3 430只、猪27头、羊1 195只，造成全乡87人断粮，821人无房居住，经济损失巨大。1996年的平定县发生泥石流，使60余户村民院墙倒塌，西郊公路有9.5 km不同程度损坏，造成交通中断，冲毁农田1 950亩，堤坝5 928 m，直接经济损失350万元。

2.4 滑坡

滑坡地质灾害的主要的受灾体是房屋、耕地，其次是道路。市内滑坡灾害危害较大的有：盂县上社镇大西里村滑坡，滑坡体积1 000 m3，毁坏房屋10间，威胁人口10人，威胁财产10万元，共造成经济损失40.2万元。盂县西潘乡车谷村滑坡，滑坡体积3 000 m3，毁坏房屋10间，威胁人口30人，威胁财产20万元，共造成经济损失30.3万元。

2.5 崩塌

由于崩塌多发生于高陡边坡处，而人类工程经济活动及主要建筑物多远离这些崩塌体，虽然阳泉市自然及人为崩塌分布较多，但造成地质灾害的危险性较小。据县郊地质灾害调查与区划报告资料显示，市内共发现4处崩塌，其中1处为自然崩塌型，其余3处为人工崩塌型。这些崩塌地质灾害均分布于平定县，主要由降水、修路切坡等人类工程活动引起，共造成直接经济损失5.06万元。其受灾体以建筑物为主，其次为道路、耕地。

3 形成条件及诱发因素

阳泉矿区处属山地丘陵，境内山峦起伏不平，沟谷纵横间距大，边坡坡度较陡，原生地形造就该处地质条件较差，本身就容易引发各类地质灾害。而阳泉市是山西省重要的煤炭开采型城市，煤炭开采具有分布广、时间长、程度深等特点。煤炭开采形成了大量的地下采空区，诱发了地面裂缝、地面塌陷、边坡崩塌、滑坡等地质灾害；地表煤炭开采形成了大量的高陡边坡，诱发了边坡崩塌与滑坡等地质灾害。同时煤炭开采还产生了大量的采矿废弃物，采矿废弃物的堆放，也诱发了废弃物边坡崩塌、滑坡及泥石流地质灾害。

4 矿山地质灾害评价构建

4.1 评价方法

信息量分析模型通过计算各个影响因素对斜坡变形破坏所提供的信息量值，作为区划的定量指标，既能正确地反映地质灾害的基本规律，又简单方便[7]。计算原理与过程如下：

1)计算单因素(指标)xi提供斜坡失稳(A)的信息量I(xi/A)：

(1)

式中P(xi/A)——斜坡变形破坏条件下出现xi的概率；

P(xi)——矿区内指标xi出现的概率。

具体运算时，总体概率用样本频率代替，即：

(2)

式中S——矿区总数；

N——已知样本中变形破坏的矿区总数；

Si——有xi的矿区个数；

Ni——有指标xi的变形破坏矿区个数。

2)计算某一单元P种因素组合情况下，提供斜坡变形破坏的信息量Ii，即：

(3)

3)根据Ii的大小，给调查矿区内确定稳定性等级。Ii<0，表示该矿区内变形破坏的可能性小于矿区平均变形破坏的可能性；Ii=0，表示该矿区变形破坏的可能性等于矿区平均变形破坏的可能性；Ii>0，表示该矿区单元变形破坏的可能性大于矿区平均变形破坏的可能性；即单元信息量值越大，斜坡变形破坏越严重。

4)经统计分析(主观判断或聚类分析)找出突变点作为分界点，将区域分成不同等级。评价指标的基础数据均为定量描述的数据，须采用标准化、规格化、均匀化，或对数、平方根等数值变换方法统一量纲，方可代入评价模型[8]。

4.2 评价指标体系

本次地质灾害发育度评价即以各企业矿区为评价单元进行。评价指标如图1。

图1 阳泉矿区地质灾害发育度评价指标体系

根据前述分析，阳泉矿区地质灾害发育度评价各个指标的权重(表1)。

表1 阳泉矿区地质灾害发育度评价各个指标权重分配

4.3 评价指标

评价指标包括定量和定性两个指标体系。对于定量指标，如灾害数量取其具体数字，并作适当的数值变换；对于定性指标，如灾害类型、稳定性及危害特征等，建立一个评价指标的分级划分标准，根据各项指标对应不同级别的相对贡献来取值。具体指标量化如下：

1)灾害类型

阳泉矿区已有地质灾害类型指标包括地裂缝、地面沉陷、泥石流、滑坡和崩塌。在地质灾害易发程度评价时，按各矿区内发生的灾害类型数与总灾害类型数5的比值。

2)灾害数量

按各矿区范围内灾害数量与矿区面积的比值统计。为了使赋分更加客观合理，具体计算时按泥石流、地面沉陷、地裂缝、滑坡和崩塌5类分别进行。之后，再依据采煤沉陷区不同灾种危害程度分别按0.4、0.25、0.2、0.1和0.05权重统计。

3)稳定性

灾害的稳定性可按稳定、基本稳定和不稳定3种状态衡量。具体计算时将不稳定状态的地质灾害发育度系数定义为1，基本稳定状态的定义为0.6，稳定状态的定义为0。

4)危害特征

可以根据灾害威胁到的具体生命财产性质统计。阳泉矿区各类地质灾害主要影响或威胁的对象有居民、房屋、道路、电力基础设施、耕地、林地、荒地等。具体计算时将影响或威胁到人员的灾害发育度系数定义为1，影响或威胁到房屋的定义为0.8，影响或威胁到道路或电力设施的定义为0.6，影响或威胁到耕地或林地的定义为0.4，影响或威胁到荒地的定义为0。

5)人类工程活动

具体计算时将采空区引发滑坡的灾害发育度系数定义为1，露天开采形成高陡边坡引发滑坡的定义为0.9，废弃物堆放引发泥石流的定义为0.8，废弃物堆放引发滑坡的定义为0.7，地下开采引发地裂缝的定义为0.6，地下开采引发地面沉陷的定义为0.5，露天开采形成高陡边坡引发崩塌的定义为0.4。

6)降雨量

根据阳泉市的降雨特性，依据阳泉市气象局多年的统计资料可知具体计算时按行政区定量，将降水量大于566 mm(市、郊区)、550 mm(盂县)、505.5 mm(平定)的灾害发育度系数定义为1，介于历史年最大降水量和历史年最小降水量的定义为0.5，小于历史年最小降水量的定义为0。

7)地震活动

阳泉市地震烈度为Ⅵ度，地震动峰值加速度为0.10 g，地震动反应谱特征周期为0.40～0.45 s，抗震设防烈度7度，全区基本一致。另据历史记载，阳泉市及邻区5级以上地震很少。所以此项指标对地质灾害发育程度的影响较小，均按0.1计算。

4.4 基于GIS的模糊综合评判

在前述评价指标分析和数据量化的基础上，首先，应用ArcGIS系统的空间叠加与统计功能，统计每一评价单元的所有指标值，得到数字矩阵的计算结果；然后，再利用ArcGIS平台提供的分析计算功能，将各评价单元数据按照权重分配结果(表1)进行叠加计算。经过对各个因子信息的叠加计算，得到评价区域地质灾害发育度评价结果[9]。

数据归一化处理后，将各种灾害数据网格化，之后按下式计算，最后将各因素进行图形叠加，形成评判成果图。计算公式(4)：

(4)

式中B——崩滑流发育程度指数；

bi——评价因素；

ri——权重。

各单元确定的地质灾害易发程度等级划分标准，见表2：

表2 地质灾害发育度评价分级标准

4.5 分区评价结果

依据阳泉矿区地质灾害发育程度评价结果可知，调查范围内的39个采煤沉陷区地质灾害均有不同程度的发育。

4.5.1 地质灾害发育程度高

地质灾害发育程度高的区域分布南娄镇大贤村、南娄镇拦掌村(金恒煤业)、南娄镇坡头村、秀水镇中兰村、南娄镇王家湾村、南娄镇大沟村。调查区内6个矿区属于地质灾害发育程度高的，面积46.327 km2，占调查区总面积的18.24%，地质灾害点133处，以地裂缝为主，如图2。

图2 阳泉矿区地质灾害发育度分区

4.5.2 地质灾害发育程度低

地质灾害发育程度低的区域分布南娄镇东南关村、南娄镇南上社村(二景和谐煤业)、南娄镇北上社村、南娄镇拦掌村(东垴煤业)、南娄镇秀寨村、南娄镇南上社村(上社晋玉煤业)、南娄镇香河村。调查区内7个矿区属于地质灾害发育程度低，面积50.733 km2，占调查区总面积的19.97%，地质灾害点108处，基本是地裂缝和地面塌陷，如图2。

4.5.3 地质灾害发育程度中等

地质灾害发育程度中等的区域分布在南娄镇大沟村、路家村镇石坡峪村、孙家庄镇东坪村、路家村镇路家村、路家村镇观沟村、路家村镇刘家村、孙家庄镇东坪村、路家村镇清城村、家村镇滴水崖村、路家村镇大黄沟村、孙家庄镇石店村、南娄镇南上社村、荫营镇、平坦镇中庄村、旧街乡测石村、河底镇邓家峪村、燕龛乡程庄村、阳泉市南庄路、河底镇北庄村西、平坦镇辛兴村、平坦镇坡头村、旧街乡枣园村。调查区内26个矿区属于地质灾害发育程度中等的，面积最大，共156.988 km2，占调查区总面积的61.79%，地质灾害点952处，仍以地裂缝和地面塌陷为主，伴随有滑坡及泥石流，如图2。

5 结 论

整个阳泉市研究区域,地质灾害发育度高区是危险性最大的地区，因此所采取的保护措施是布设地质灾害监测点，对灾害点处进行实时监测，对地质灾害处，还应竖立警示牌并对周围地质灾害进行预测评估，人口密集区或地质灾害严重时,要适当进行人口迁移；中发育区危险性相对较小,可采取必要的治理措施如卸荷、护坡、填充等,方能进行一定规模的投资建设；低发育区是地质灾害预测预警和群测群防的非重点地区，可按时监测，一旦发现异常，应采取工程措施修复。