霍西煤田柳湾矿集区矿山地质环境风险评价

刘 静, 熊 柯, 郭 强

(1.山西省煤炭地质资源环境调查院,山西 太原 030006; 2.北京航天宏图信息技术股份有限公司，北京 100089)

煤炭资源的开发利用,为社会创造财富的同时,也造成了地面塌陷、土地资源破坏、水资源破坏等一系列的地质环境问题,不仅威胁到人民生命财产安全,还制约着经济的可持续发展[1-3]。近年来,有学者提出了矿山地质环境风险评价的思路[4-6],即在矿山地质环境影响评价与地质灾害风险评价的理论基础上,对生命安全和财产损失的潜在后果开展量化评价。对矿山开发所引起地质环境问题的风险性进行评价,可以指导矿山科学地开采、有针对性地保护矿区地质环境,从而实现矿区资源开发利用和地质环境保护协调发展的绿色矿业之路。

柳湾矿集区为始建于上世纪50年代的大型国有煤矿区,拥有丰富的煤炭资源,但由于长期的煤炭开采,该地区地质环境破坏严重,风险持续加大,因此有必要对柳湾矿集区进行地质环境风险评价,为该区下一步的合理开采规划、地质环境防治提供依据。

1 矿集区地质环境概况

1.1 地质环境背景条件

矿集区位于霍西煤田汾孝矿区的西北端,行政区划隶属吕梁市孝义市,面积122.26 km2,目前包含6个资源整合后的矿井,分别为:新柳矿、正善矿、正安矿、正丰矿、正帮矿和德顺矿。矿集区属暖温带大陆季风型气候,风多雨少,温差较大;区内主要河流2条,属黄河流域汾河水系。地形地貌类型属黄土高原低—中低山区,地表大部分为第四系黄土覆盖。区内赋存的基岩地层有二叠系上、下石盒子组，及下伏煤系地层——山西组、太原组和本溪组,以及煤系地层基底岩系奥陶系石灰岩地层。本区处在阳泉曲—汾西盆状复向斜之东翼,构造总体形态为单斜构造,地层总体走向北东,倾向南东,倾角3°～8°,区内广泛分布小型高角度正断层。

矿集区含煤地层共含煤12层。其中:9、10、11号煤层为全区稳定可采煤层;2、4、5、7号煤层为局部可采的不稳定煤层;其余为不可采煤层。目前,区内主要开采煤层为2、4、9、10、11号煤层。

1.2 矿山地质环境问题

区内发育的矿山地质环境问题主要为采煤引起的地质灾害(地面塌陷、崩塌、滑坡),地形地貌及土地资源破坏(矸石、尾矿堆放,露天采场等),水资源破坏等。据2017年调查资料,矿集区内采空及小窑破坏区面积达到52.35 km2,约占矿集区总面积的42.82%;发育地质灾害总计172处,其中地面塌陷135处,崩塌33处,滑坡4处,造成直接经济损失达294.047万元;露天采场6处,矸石堆放8处,废石堆放27处,废弃工业广场131处,破坏土地资源面积达11.542 km2;水资源破坏主要表现为采空造成的含水层结构破坏(图1)。

图1 柳湾矿集区主要地质环境问题图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.地形地貌及土地资源破坏;4.崩塌;5.小型滑坡;6.中型滑坡。

2 矿山地质环境风险评价模型

在实际调查成果的基础上,选择评价因子构建矿山地质环境风险评价指标体系,采用层次分析法(AHP)计算出各级指标的相对权重,从而建立矿集区矿山地质环境风险评价模型。

2.1 评价指标体系的构建

依据本区采煤活动情况和地质环境的背景条件,构建出矿山地质环境风险评价指标体系(图2)。本次矿山地质环境风险评价系统包含煤炭开采影响力和地质环境脆弱性2个子系统。

煤炭开采影响力子系统包含两个层次:要素层和指标层。要素层包括采矿活动和地质环境问题两个要素。每一要素又包含多个单指标,其中采矿活动包括开采方式、开采强度、重复开采3个单指标;地质环境问题包括地质灾害(崩塌、滑坡、地面塌陷)、水资源破坏、地形地貌及土地资源破坏3个单指标。

地质环境脆弱性子系统也包含两个层次:要素层和指标层。要素层包括基础地质和自然地理两个要素,基础地质包括岩性组合、构造2个单指标;自然地理包括地形地貌、植被覆盖度、居民地密度3个单指标。

2.2 评价指标权重的确定

本次评价采用层次分析法(AHP)进行评价因子的权重计算[7]。

图2 柳湾矿集区矿山地质环境风险评价指标体系Fig.2 Evaluation index system of mine geo-environment riskin Liuwan coal mining areas

(1) 判断矩阵的构造方法。将同一层次的评价因子对上一层次各要素的相对重要性进行两两比较,构造两两比较判断矩阵[8]。本文采用1～9标度法构造判断矩阵,而构造矩阵中各因素相对重要性的分值,则通过专家打分法确定。

(2) 指标权重的计算方法。①将判断矩阵A的元素按照行相乘,得乘积Mi:

② 计算Mi的n次方根Mi＇:

Mi＇=(Mi)1/n

③ 对向量Mi＇进行归一化处理,所得向量W=(W1,W2,…,Wn)T,即为所求的特征向量。

④ 计算判断矩阵的最大特征根λmax。

⑤ 判断矩阵的一致性检验。

C.I.=(λmax-n)/(n-1)

通过一致性检验的判断矩阵,特征向量Wi即为权重值。

(3) 判断矩阵和指标权重的确定。按照上述层次分析法的步骤,分别计算出指标体系中各级指标的权重。具体结果见以下表格数据(表1-表6)。

表1 煤炭开采影响力(M)判断矩阵及权重Table 1 Judgment matrix and weight of coal mining influence

表2 采矿活动(M1)判断矩阵及权重Table 2 Judgment matrix and weight of coal mining activities

表3 地质环境问题(M2)判断矩阵及权重Table 3 Judgment matrix and weight of geo-environment problems

表4 地质环境脆弱性(H)判断矩阵及权重Table 4 Judgment matrix and weight of geo-environment vulnerability

表5 基础地质(H1)判断矩阵及权重Table 5 Judgment matrix and weight of basic geology

表6 自然地理(H2)判断矩阵及权重Table 6 Judgment matrix and weight of natural geography

2.3 评价模型的建立

(1) 评价模型的建立。本次所用评价模型参考灾害风险评估模型。矿山地质环境风险度可用煤炭开采影响力值和地质环境脆弱性值乘积表达,即用以下数学模型来表示:

FX=M×H

式中:FX为矿山地质环境风险度;M为煤炭开采影响力值;H为地质环境脆弱性值。

煤炭开采影响力值和环境脆弱性值可通过要素指标加权分值综合评价模型来求取。以煤炭开采影响力值为例,综合评价模型为:

式中:Fj为煤炭开采影响力评价体系中各要素的加权分值;j为评价体系中的要素个数;Wj为各要素的权重值;Fi为每一要素层中单指标的评定分值;Wi为单指标的权重值;i为各要素中的单指标个数。

地质环境脆弱性评价模型与煤炭开采影响力评价模型相似,故不赘述。

(2) 评价模型的计算。将计算的指标权重代入建立的评价模型,形成如下的计算公式:

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 矿山地质环境风险评价及分区评述

3.1 评价指标分级量化

在参考《矿山地质环境调查评价规范》(DD2014—05)基础上,将评价指标按严重、较严重和一般三个等级划分。本文通过实地调查、专家咨询和邻区类比制定了分级量化标准,具体分级见表7。

3.2 矿山地质环境风险评价

本次评价主要借助GIS平台实现。首先,在GIS平台绘制评价指标体系中的各单指标图层;然后,根据建立的评价模型,运用GIS软件的图层联合功能,对各图层属性进行加权叠加计算,得到的综合图层即为柳湾矿集区地质环境风险评价分区图(图3)。

(1) 评价单元划分。使用栅格单元对矿集区进行划分评价,栅格单元大小为50 m×50 m。

(2) 矿山地质环境风险评价。首先将各单指标图层进行地理配准,然后对点要素与线要素因子进行缓冲区分析,与研究区范围进行联合;对于面要素因子,将遥感图像及DEM影像进行预处理,并剪裁删去多余范围;之后对各因子赋予分级分数,再转为栅格文件,利用ArcGIS栅格计算器对各因子进行加权叠加,最终得出矿山地质环境风险评价分区图。

3.3 矿山地质环境风险评价分区评述

根据矿集区矿山地质环境风险分区图,结合区内主要矿山地质环境问题,得出:

高风险区主要分布于矿集区内新柳矿的中部、西部、南部,正安矿北部、正善矿东南部、德顺矿南部和正帮矿东部等地区,由6个高风险区组成。区内煤层开采强度大,且多为重复开采,矿山地质环境问题发育多,主要为多层采空引发的地面塌陷、崩塌、滑坡、含水层破坏等,对矿山环境破坏严重。高风险区面积为20.07 km2,占矿集区总面积的16.5%。

表7 矿山地质环境风险评价指标分级量化评分表Table 7 Grading and quantitative scoring table of mine geo-environment risk evaluation indexes

图3 柳湾矿集区矿山地质环境风险评价分区图Fig.3 Zoning map of mine geo-environment riskevaluation of Liuwan coal mining areas

中风险区分布于矿集区内6个矿井的大部分地区,多为小型煤矿、小煤窑开采区,区内煤层开采强度中等,开采层数少,回采率低。矿山地质环境问题主要为采煤引发的地面塌陷、露天采场、矸石堆放、废弃工业广场等对地形地貌景观与土地资源的破坏,对矿山地质环境影响较严重。中风险区分布面积为66.22 km2,占矿集区总面积的54%。

低风险区主要分布于矿集区的东部和南部,此区域矿业开发活动少,对环境影响较轻。低风险区分布面积为35.97 km2,占矿集区总面积的29.5%。

4 结论

在对柳湾矿集区资料收集和现场调查的基础上,分析矿集区地质环境背景条件,及采矿活动对地质环境的影响,对矿集区进行矿山地质环境风险评价及区划。

(1) 从煤炭开采影响力和环境脆弱性两个方面,选取开采强度、开采方式、地质灾害、构造、地形地貌、居民地密度等11个评价指标,构建了矿集区矿山地质环境风险评价指标体系,采用层次分析法计算出指标体系中各级指标的权重,建立矿山地质环境风险评价模型。

(2) 通过实地调查,专家咨询和邻区类比制定了11个指标的分级量化标准,根据量化标准绘制各单指标图层,结合建立的矿山地质环境风险评价模型,利用GIS图层叠加分析法对矿集区进行矿山地质环境风险分区评价。

(3) 根据矿山地质环境风险分区图,结合区内主要矿山地质环境问题,得出矿集区内高风险区共有6个,分布面积约20.07 km2,占矿集区总面积的16.5%;中风险区分布面积约66.22 km2,占矿集区总面积的54%;低风险区分布面积约35.97 km2,占矿集区总面积的29.5%。