基于AHP和GIS的矿区岩溶塌陷易发性评估——以贵州林歹岩溶矿区为例

陈菊艳，朱 斌，彭三曦，单慧媚

(桂林理工大学 地球科学学院，广西 桂林 541006)

矿山地下开采可缓解社会快速发展对资源的迫切需求，而矿区疏干排水人为地降低当地地下水位，改变原有的地下水动力条件，迫使覆盖层的应力分布发生变化，进而导致诸如塌陷、地面沉降和地裂缝等地质灾害，造成巨大的经济损失[1-2]。然而，岩溶矿山疏干降水新引发的塌陷为矿坑涌水提供新的通道和途径，增大矿坑涌水量，进而迫使矿山加大排水力度，加速新塌陷的产生，从而形成恶性循环，加剧了矿山水害事故的发生[3-4]。据统计，我国岩溶区面积占国土面积的1/3，达到346.4×104km2；我国采矿诱发岩溶塌陷造成的经济损失巨大，直接损失超过300亿，引发2 000个塌陷坑以上，较大规模的超过180处，面积超过1 150 km2；凡口铅锌矿、马坑铁矿、中关铁矿及水口山铅锌矿等更是塌陷的重灾区，如凡口铅锌矿的塌陷区损坏几十万平方米农田，破坏铁路4km、公路1.5km，且塌陷还在继续发生。因此，岩溶塌陷已经成为矿山生产及水害防治不可回避的研究课题。

矿区的岩溶塌陷防治措施的制定，必须针对矿山特殊的水文地质特征，从机理研究岩溶塌陷的发生过程，以得到最实用的防治依据。岩溶塌陷是水-土-岩-气与环境相互作用产生的，其机制的根本原因在于塌陷体受到的致塌力超过其抗塌力，从而造成塌陷体失稳。塌陷体的抗塌力决定因素有抗剪力、内聚力、水浮力和与周边的摩擦程度等；致塌力除自身重量外，更易于受外部环境决定，其影响因素有地下水渗透力、震动液化及空气正负压力等[5-7]。因此，岩溶塌陷主要是在荷载、重力、潜蚀、冲爆、溶蚀及真空吸蚀等多重作用效应下孕育-发展-产生的，是一个非线性的动力现象。早期岩溶塌陷评价方法主要有经验值法、统计学法、多元回归法等，但这仅进行定性描述；随着计算机技术的不断发展，神经网络、灰色理论法、模糊贴近度法及GIS技术等定量、半定量方法得到广泛应用，取得了显著效果[8-14]。然而，岩溶塌陷具有多因素性、模糊性及隐蔽性，影响因素复杂繁多且无界限值，各因素间又具明显的空间实效性，难以用准确数学方法进行定量表示，而且定量描述所需的大量参数数据难以获取[15-19]，因此，结合GIS技术的半定量层次分析法在解决多源信息融合的问题时具有独特的优势。

层次分析法(The analytic hierarchy process，简称AHP)能够更加科学的得出各地质因素对岩溶塌陷发生的贡献权重，有效地融合了各影响因子的多源信息，达到快速高效地解决实际问题，在我国岩溶区的塌陷防治中得到广泛应用。李飞飞[20]等选取6个岩溶塌陷的主控因素，构建东黄山国际小镇的岩溶发育分区评价模型，取得良好效果；何书[21]等参考大量实例及专家意见，构建模型并在武山铜矿区上屋周地段得到验证；吴福[22]等、江思义[23]等、冯佐海[24]等通过归纳桂林地区岩溶发育特征及影响因子，采用专家-层次分析法评估岩溶塌陷易发区，有益地指导当地的岩溶塌陷防治；涂靖等[25]、李喜[26]等借助层次分析法，评价了武汉主要城区的岩溶塌陷易发区，为武汉制定岩溶塌陷的防治措施奠定了基础；肖谆[27]等、张生海[28]等利用层次分析法，分布建立的湖南省临武县黄寿村和山东省胶东半岛中北部栖霞中桥地区的岩溶塌陷模型与实际情况基本吻合，应用性很强。

本文针对贵州林歹矿区的岩溶塌陷问题，在深入分析矿区水文地质特征的基础上，参考前人经验及规范，通过专家打分法筛选岩溶发育条件B1(岩溶发育程度C1、地质构造C2)、覆盖层条件B2(第四系土层厚度C3、第四系土层结构C4)和地下水动力条件B3(地下水波动幅度C5、地下水与基岩面关系C6、地下水疏干程度C7)3个条件共计7个影响因子作为影响因子，利用层次分析法建立判别矩阵并进行权重赋值，继而利用GIS(Geographic Information System)的空间叠加技术构建矿区岩溶塌陷易发区评价模型，并根据矿区塌陷现状验证模型的精确度。在此基础上，针对不同的水动力条件，预测矿区地下延伸开采至1 040 m中段时，矿层隔水底板是否遭受破坏两种状况下的塌陷易发区，为矿山的岩溶塌陷防治提供依据，同时力争为矿山水害防治探索一种新方法，为类似矿山建设提供参考。

1 研究区概况

研究区属贵州省清镇市站街镇，位于清镇市北17 km清毕公路中途站，距贵阳市约46 km，交通便利，详见图1。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographic location of study area

贵州林歹铝土矿区处于三面环山，开口向北的狭长槽谷中，一般标高1 220～1 450 m，地形为浅切割中低山区，西侧有汇水面积约5.04 km2的萨拉河，东侧有燕龙河，属岩溶充水矿床。矿区位于站街倒转向斜东翼，地层从老至新依次为寒武系金顶山组(∈1j)和清虚洞-高台组(∈1q+∈2g)、石炭系九架炉组(C1j)和摆佐组(C1b)、二叠系下统梁山组(P1l)、栖霞-茅口组(P1q+P1m)和龙潭组、长兴组及大隆组(P2l+P2c+P2d)、三叠系大冶组(T1d)，第四系散布于各地层上。构造为南北走向的单斜构造，倾角约70°，铝土矿产于石炭系九架炉组(C1j)、上覆摆佐组(C1b)灰岩及白云岩中。

矿山为开采十多年的老矿山，采用中央竖井开拓方案，中段高度50 m，共设7个生产中段，开采过程产生具有规模的塌陷24个。现阶段已开拓1 332 m、1 290 m、1 240 m、1 190 m四个中段。1988年竖井下掘至1 190 m中段马头门时，发生岩溶突水淹井，经堵水未成功，使用砼止水垫封堵竖井后，采用盲斜井方案开拓1 190 m中段。经研究，矿山决定采用延伸现有盲斜井开拓方案开采1 190 m以下3个中段的铝矿资源[29]。随着开采深度的延伸，矿层底板是能承受住栖霞-茅口组(P1q+P1m)强含水层的水压力，将是矿区岩溶塌陷问题和水害防治最为关注的问题。矿区地下水流场详见图2。

图2 林歹矿区地下水流向示意图Fig.2 Diagram of groundwater flow in Lindai mining area

2 塌陷易发区评价

层次分析法在建立不同目标层的基础上，进行各因子的权重赋值并进行一致性检验，明确各评估因子对目标层的权重[30]。综合分析矿区地质条件特征，归纳致塌因素为3大条件7个因子，分述如下：(1)基础地质条件(B1)，包括岩溶发育程度(C1)和地质构造发育程度(C2)；(2)第四系覆盖层特征(B2)，包括土层厚度(C3)和土层结构(C4)；(3)地下水动力条件(B3)，包括地下水位波动幅度(C5)、地下水位与基岩面关系(C6)以及地下水疏干程度(C7)。岩溶塌陷评价模型采用一元多项式，根据塌陷易发程度判别矩阵，建立7个因子的量化数据库，进而通过AHP确立各因子的权重，并按各影响因子对塌陷的作用进行等级划分，给出归一化指标，最后将各因子按权重进行叠加。研究区的评价模型公式见公式1，评价指标体系示意图详见图3。

岩溶塌陷易发性评价结果H表达式为：

H=A1*X1+A2*X2+…+Ai*Xi.

(1)

式中，Xi为各评价指标，Ai为权重。

图3 矿区塌陷评价体系示意图Fig.3 Sketch map of subsidence evaluation system in mining area

(1)评价因子权重确定

1)判别矩阵的建立

层次分析法首先需要建立判别矩阵，对两两因素的相对重要性进行量化，以确定评价因子的权重，其次确定权重指标，接着通过因子层对条件层以及条件层对目标层的权重乘积即可得出各评价因子对目标层的最终权重，最后进行一致性检验[31-32]。

针对矿区地质特征及开采疏干现状，归纳各评价因子的相对重要性，得出条件层(B)对目标层(A)的判别矩阵如表1所示；因子层(C)对条件层(B)的判别矩阵如表2～表4所示：

表1 条件层B对目标层A的判别矩阵Table 1 The discriminant matrix of the conditional layer B to the target layer A

表2 因子层C对岩溶发育条件B1的判别矩阵Table 2 The discriminant matrix of factor layer C to karst development condition B1B1岩溶发育程度C1距断裂的距离C2岩溶发育程度C113距断裂的距离C21/31表3 因子层C对覆盖层条件B2的判别矩阵Table 3 The discriminant matrix of factor layer C to cover layer condition B2B2第四系土层厚度C3第四系土层结构C4第四系土层厚度C313第四系土层结构C41/31

表4 因子层C对水动力条件B3的判别矩阵Table 4 The discriminant matrix of factor layer C to hydrodynamic conditions B3

综合以上判别矩阵，应用层次分析法，可得到各影响因子对目标层的最终权重，如图4所示。

图4 矿区岩溶塌陷易发性权重分析示意图Fig.4 Schematic diagram of weight analysis of karst collapse susceptibility in mining area

因此，可得模型的评价结果H如式(2)所示：

H=0.239 7*C1+0.079 9*C2+0.030 5*C3+0.091 5*C4+0.180 6*C5
+0.049 7*C6+0.328 1*C7.

(2)

可知，地下水疏干程度对矿区的岩溶塌陷影响最大。

2)一致性检验

判断因子的一致性检验是判断特征向量的特征值能否作为比较因子的权向量的有效手段，也是评估判断矩阵有效性的关键。通常用一致性比率CR判断矩阵的一致性是否在精度范围之内[33]，如下式所示：

(3)

RI为随机一致性指标，取值如表5所示。

表5 随机一致性指标Table 5 Index of random consistency

通过计算可得，判别矩阵表2～表4的最大特征根λm分别为3.02、2.0、2.0和3.01，一致性比率分别为0.017 6、0.0、0.0和0.008 8，判断矩阵的一致性比率均远小于0.1，因此，判断矩阵通过一致性检验，可用式(2)评价矿区的塌陷易发区。

(2)平均因子赋值

各因子对塌陷的触发作用程度不同。为统一各触发因素和空间分析，以1～10来表征7个相应因子的影响程度，值越大，对塌陷的影响就越大，分述如下：

1)岩溶发育程度

岩溶发育程度反映矿区基岩的岩溶发育现状和类型，岩溶发育程度和类型对矿区岩溶塌陷的发育和发展具有控制性影响。按照矿区基岩的岩溶发育程度分别分为强岩溶发育区、中等岩溶发育区、弱岩溶发育区，赋值分别为10、7、3，赋值如表6所示。

2)地质构造

地质构造会切断基岩，增强矿区的导水能力，使岩溶水沿构造贯通，有利于岩溶的发育与形成。本次工作将矿区的构造进行缓冲区分析，把断裂影响带50 m内划分为高影响区，赋值为10，50～100 m范围为中等影响区，赋值为5，赋值如表7所示。

表6 岩溶发育程度因子赋值表Table 6 Evaluation table of karst development degree factor岩溶发育程度影响程度赋值强发育区高影响区10中等发育区中影响区7弱-中等发育区低影响区3非岩溶区无影响区0表7 断层因子赋值表Table 7 Table of fault factor assignment距断层距离/m影响程度赋值0-50高影响区1050-100中影响区5>100低影响区0

3)第四系土层厚度

第四系土层厚度越薄对岩溶塌陷的发生影响越严重，本次工作将土层厚度0～10 m区域划为高影响区，赋值10，厚度10～20 m的划分为中影响区，赋值5，厚度>20 m的划为低影响区，赋值1，赋值如表8所示。

4)第四系土层结构

第四系土层结构的不同组成会对岩溶塌陷产生不同影响，正常情况下，二元结构的土层最容易发生岩溶塌陷，本次工作将二元结构土层赋值10，一元结构土层为7，多元结构为1，赋值如表9所示。

表8 第四系土层厚度赋值表Table 8 Table of the thickness assignment of Quaternary soil layer第四系土层厚度/m影响程度赋值0-10高影响区1010-20中影响区5>20低影响区1表9 第四系土层结构赋值表Table 9 Assignment table of Quaternary soil layer structure第四系土层结构影响程度赋值二元结构高影响区10一元结构中影响区7多元结构低影响区1

5)地下水位波动幅度

矿区在大气降水和采矿疏干的影响下，不同岩层的地下水位波动幅度不一，一般地下水波动幅度越大区域，对岩溶塌陷的影响权重就越大。本次工作将水位波动幅度>8 m/a的地区划分为高影响区，赋值10，3～8 m/a的为中等影响区，赋值5，<3 m/a的为低影响区，赋值1，赋值如表10所示。

表10 水位波动幅度赋值表Table 10 Valuation table of fluctuation amplitude of water lever地下水位波动幅度/(m·a-1)影响程度赋值>8高影响区103～8中影响区5<3低影响区1表11 地下水位与基岩面的关系赋值表Table 11 Valuation table of relationship between groundwater lever and bedrock surface地下水与基岩面的关系影响程度赋值基岩面附近高影响区10基岩面以下中影响区5基岩面以上低影响区3

6)地下水与基岩面的关系

正常情况下，地下水位在基岩面上下波动，最易发生岩溶塌陷。本次工作将地下水位在基岩面附近3～10 m波动的区域定为高影响区，赋值10，将地下水位在基岩面以下10 m的区域定为中影响区，赋值5，地下水位在基岩面以上的区域定为低影响区，赋值3，赋值如表11所示。

7)地下水疏干程度

地下水的活动显著地诱发岩溶塌陷的发生，矿区采矿疏干改变了地下水的天然流场，对矿区岩溶塌陷的发生有重要的作用，本次工作结合矿区疏干排水的特点和疏干漏斗影响范围的大小，将疏干漏斗中心200 m范围的区域划分为高影响区，赋值为10；200～500 m划分为中影响区，赋值为7 500 m～漏斗边缘为低影响区，赋值为3，赋值如表12所示。

表12 地下水开采程度赋值表Table 12 Evaluation table of groundwater exploitation degree

(3)塌陷易发区评价

GIS具有强大的空间数据处理能力[34]，可对各影响因子的权重进行叠加并处理。因此，本文在AHP的基础上使用GIS预测研究区的塌陷易发程度。

为更好地描述二叠系梁山组(P1l)与石炭系摆佐组(C1b)组合的岩体阻隔水作用，本研究用矿层底板未发生破坏时的地下水疏干程度(C7)单因子图表示其阻水效果，详见图5；依据模型评价结果H，利用GIS技术综合评估林歹矿区岩溶塌陷易发区，并与已知塌陷点进行比较，得出矿区岩溶塌陷易发区，详见图6。

图5 阻水边界隔水效果示意图 图6 矿山开采现状岩溶塌陷易发区图Fig.5 Schematic diagram of water blocking effect on water resisting boundary Fig.6 Karst collapse prone area map at mining present situation

由图5可知，因阻水边界的隔水作用，疏干范围呈椭圆展布，椭圆长轴沿地层走向；疏干椭圆的范围在阻水边界部位被边界切除。

由图6分析可知，1)矿区的24个已知塌陷点，有21个处于塌陷易发区范围，占87.5%，3个处于不稳定区范围，占12.5%；2)疏干范围以采矿巷道为中心(CK106附近)，呈近南北向展布的西边缺失椭圆形，表明疏干范围未穿过阻水边界，疏干椭圆向南北及东部扩展；3)阻水边界西部塌陷易发区占覆盖层的7.37%，包含5个已知塌陷点，主要为自身天然水文地质条件决定；阻水边界东部塌陷易发区占23.5%，包含16个已知塌陷点，主要由矿山疏干与自身水文地质条件共同作用产生的；4)塌陷范围向东扩展未触及燕龙河，岩溶塌陷不会引起燕龙河河水倒灌。因此，基于AHP和GIS的塌陷易发区划分与矿山实际基本一致，所建模型具有较高的准确度，用来指导矿山建设是可行的。

3 延伸开采时易发区预测

按矿山前期规划，矿山将延伸现有盲斜井至最低开采中段1 040 m中段，疏干深度将在现有基础上加深150 m，地下水流场和疏干范围将发生极大的变化，同时栖霞-茅口组(P1q+P1m)岩溶含水层的水压力会增加1.5 MPa，这将对二叠系梁山组(P1l)与石炭系摆佐组(C1b)组成的隔水岩体的隔水能力产生极大的挑战。本文以已建好的预测模型为依据，分别预测矿层隔水底板仍具有隔水能力和隔水底板失效2种情况下，预测矿区延伸开采时的岩溶塌陷易发区，力争为矿山的岩溶塌陷防治工作和延伸开采防治水工作起到指导作用。

针对矿区延伸开采至1 040 m开采中段时的水文地质条件变化趋势，结合AHP和GIS技术，可得矿区延伸开采时隔水底板未发生破坏时和发生破坏时2种情况的矿区岩溶易发区预测结果，分别如图7和图8所示。

图7 隔水底板未破坏时的易发区 图8 隔水底板破坏时的易发区Fig.7 Prone zone when the water separation plate is not damaged Fig.8 Prone zone when the water separation plate is broken

从图7可知，矿山延伸开采后，在隔水底板仍具有隔水性能的条件下，塌陷易发区有如下特征：1)矿区塌陷易发区范围占覆盖层面积53.2%，受阻水边界作用，疏干椭圆未穿过边界，边界东部未受疏干影响；2)塌陷易发区基本包含阻水边界以东，燕龙河以西的全部第四系范围；3)塌陷易发区已触及燕龙河，触及部位达3个地段；燕龙河的河水将可能倒灌进入塌陷区，涌向矿坑，存在潜在的矿坑突水威胁。

从图8可知，在隔水底板遭受破坏条件下，矿区塌陷易发区有如下特征：1)矿区疏干范围以CK106正东方向约100 m为圆心，呈近圆形展布，易发区范围占覆盖层面积的62.8%；2)疏干范围越过阻水边界，塌陷易发区触及萨拉河长达380 m；阻水边界以东，塌陷易发区刚触及到燕龙河，疏干范围稍有缩减，形状也有所变化，变为近圆形；3)塌陷易发区已扩展到阻水边界西侧的矿区办公楼、宿舍、电影院、篮球场、游泳池、空压机房等建筑物，危及矿山生产和人员安全，且难以进行有效防治。因此，塌陷易发区扩展至岩溶强发育的栖霞-茅口组(P1q+P1m)富含水层，并触及到萨拉河，可能会发生灾难性的水害事故。

矿山在延伸开采时，隔水底板的有效保护将是矿山有效运行的关键因素。底板破坏的主要危害有：1)岩溶塌陷易发区将涵盖矿区办公楼、宿舍及空压机房等建筑物，可能使建筑物沉降、倾向甚至倒塌，危害矿山生产和人员安全；2)栖霞-茅口组(P1q+P1m)岩溶水将直接涌入矿坑，增加矿坑突水危险，增加矿山防治水难度；3)阻水边界西侧的新塌陷坑将为大气降雨及萨拉河水倒灌提供了新的矿坑突水通道。这些危害将给矿山带来不可挽回的损失，即使投入巨资也难以进行有效防治，因此，矿山进行延伸开采时，首要任务是防止隔水底板遭受破坏，这也将是矿山有效生产的关键。

目前，矿区岩溶塌陷的防治措施有两步：第一步是塌陷发生前防治，主要为总体布局，尽量把建筑物修建在稳定区；建立地面塌陷监测网，监测地面沉降、开裂及塌陷的情况，总结矿山塌陷规律，为塌陷的进一步防治提供依据。第二步是塌陷发生后的防治，主要为塌洞的回填，分为普通回填和清基回填、修建截水沟和帷幕灌浆等方法。

4 结论与建议

利用层次分析法确定7个致塌因子并赋值，结合GIS技术，建立矿区目前开采疏干条件下的评价模型；在此基础上，分别预测矿山延伸开采时，隔水底板是否遭受破坏两种条件下的塌陷易发区，主要结论如下：

(1)矿区岩溶塌陷易发性可用公式：H=0.239 7*C1+0.079 9*C2+0.030 5*C3+0.091 5*C4+0.180 6*C5+0.049 7*C6+0.328 1*C7进行评价，评价结果准确度较高。由此可知，地下水疏干程度对塌陷的发生促进作用最大，权重为0.3281。

(2)在目前的矿山开采条件下，塌陷易发区主要特征为：1)矿区的24个已知塌陷点，有21个处于塌陷易发区范围，占87.5%；3个处于不稳定区范围，占12.5%；2)在阻水边界的作用下，疏干漏斗呈椭圆状，长轴沿南北向，阻水边界切除疏干椭圆西半侧；3)阻水边界西部塌陷易发区面积占覆盖层的7.37%，东部的占23.5%，塌陷范围未触及燕龙河。

(3)矿山延伸开采时，隔水底板未受破坏条件下，主要特征为：1)塌陷易发区范围占覆盖层的53.2%，基本涵盖阻水边界以东、燕龙河以西的第四系覆盖层；2)塌陷易发区向东扩展触及燕龙河3个地段，存在河水倒灌涌入矿坑风险。

(4)矿山延伸开采时，隔水底板遭受破坏条件下，主要特征为：1)疏干漏斗位于CK106正东约100 m位置，呈近圆形展布，塌陷易发区范围占覆盖层面积62.8%；2)塌陷易发区刚好触及燕龙河，而触及萨拉河长度达380 m，严重威胁矿坑安全生产；3)塌陷易发区已扩展至阻水边界西侧的矿区办公楼、宿舍、空压机房等建筑物，威胁矿山生产和人员安全。

(5)矿区岩溶塌陷的防治措施分为塌前防治和塌后防治。塌前防治有总体布局和建立地面塌陷监测网等方法；塌后防治有塌洞的回填、修建截水沟和帷幕灌浆等方法。

综上所述，矿山延伸开采时，矿层隔水底板遭受破坏将给矿山带来灾难性的后果，因此，保护隔水底板的有效隔水性能将成为矿区岩溶塌陷和水害防治的重要课题。本研究可为贵州林歹铝土矿区岩溶塌陷防治提供理论依据，也为矿山水害防治提供一种新方法，具有显著的经济效益和社会意义。

文中对岩溶塌陷的形成机理仅进行宏观把控，未深入研究塌陷从孕育-发展-发生过程中的微观力学变化。微观层面的力学研究将有助于验证影响因子的权重，进一步提高预测精度，以后的相关研究可进行深入分析。