应城市石膏矿区地面塌陷易发性评价
2022-09-05赵菊花
张 晨，盛 灿，陈 乐，赵菊花，苏 昌
(湖北省地质局 第六地质大队，湖北 孝感 432100)
应城市有“膏都盐海”之称，是中国著名的膏盐矿产区。长期的膏盐矿开采形成了较大范围的采空区，引发地面塌陷、地面沉降等地质灾害，直接威胁居民生命财产安全和制约地方经济社会发展。采空区稳定性评价、地质灾害防治及地表土地开发利用成为影响应城市可持续发展的技术难题[1-2]。为规范应城市膏盐矿山开采，指导采空区地质灾害勘查与防治，亟需加强地质灾害评估工作，其中一项基本工作是进行地质灾害易发性评价[3]。易发性评价又称敏感性分析，是在综合分析地质灾害发生的控制条件和诱发条件基础上，评价地质灾害发生的可能性的大小[4]。目前对于地面塌陷的易发性评价，国内多采用半定量的评价方法，如专家—层次分析法[5]、模糊综合评判法[6]、易发程度指数法[7]、综合指数法[8]、信息量法[9-10]、确定性模型与逻辑回归模型组合法[11]等。上述评价方法的关键在于查明地面塌陷发育特征、形成条件及其相互联系。
本文以应城市石膏矿区为研究区，在系统分析地面塌陷发育特征及其形成条件基础上，选取评价指标，明确不同指标之间及其与地面塌陷的关系；然后运用层次分析法(AHP)建立地面塌陷多因子判别模型，结合GIS强大的图形运算处理能力，对地面塌陷易发性进行定量评价，以期为地方防灾减灾、矿政管理、城镇规划等提供决策依据和技术支撑。
1 研究区概况
研究区内有10家石膏矿矿山(图1)，其中一分矿和二分矿已于1996年闭坑，其他石膏矿也于2018年全部关停。石膏矿开采方式为地下巷道开采，解放前采用无计划的硐采，主要开采浅层石膏矿，形成老窿；解放后采用走向长壁后退式和倾斜长壁后退式充填采矿法开采纤维石膏矿，开采石膏矿时沿矿层掘进，主巷道一般宽3～4 m、高2.5 m，普通巷道一般宽2～2.5 m、高0.8～1.7 m，矿渣回填率约50%。该区规模化开采石膏矿已历数十年，开采深度多在70～220 m，采空区的范围不断扩大。
研究区面积约93.6 km2,地表大多被第四系覆盖，基岩露头很少。第四系包括全新统、更新统，下伏新近系掇刀石组、古近系文峰塔组与云应膏盐组。云应膏盐组广泛分布于整个云应膏盐矿区，厚度>1 598 m，岩性为灰绿色泥岩与紫红色砂质泥岩、泥质粉砂岩互层，富含石膏、钙芒硝、岩盐等，是区内主要含矿岩组。石膏矿体多呈薄层状、似层状产出，产状总体较平缓(一般倾角6°～8°)，与较深色的围岩间具有明显的接触界线，接触面较平整。
2 地面塌陷发育特征
2.1 地面塌陷总体特征
研究区地面塌陷有27处，主要分布在石膏矿开采区地表。这些地面塌陷分两种：①采空区塌陷，严格受地下采空区分布的影响，塌陷坑口直径一般<10 m，少量达到数十米，坑口面积为628～2 400 m2，塌陷坑深度一般为几十厘米—几米；②老窿塌陷，一般由2个相邻的竖井组成，塌陷坑口直径一般约10 m，塌陷影响范围有限，塌陷坑深度多在60～100 m。
2.2 地面塌陷形成条件
(1)地质条件。石膏矿区地表为第四系，总厚3.5～30 m，由北向南逐渐增厚，其上部为黏土、粉质黏土，厚3～20 m；下部为砂、砾石，厚0.5～10 m。由于地下水埋深较浅，第四系细砂、粉砂层多处于饱和状态，在动荷载情况下易产生砂土液化现象，当地下存在采空区时，该部分土体易向下伏采空区运移，进而导致地面塌陷。石膏矿采矿层主要位于云应膏盐组盛家滩下含硬石膏岩段，覆岩主要为云应膏盐组王家庙下含钙芒硝硬石膏岩段黏土质灰质粉砂岩及灰色石膏质黏土岩，下伏基岩为古近系白砂口组灰质黏土质粉砂岩。矿层顶板为未风化的泥岩、泥质粉砂岩，干抗压强度为26～42 MPa，软化系数为0.23～0.85，遇水后易软化和膨胀，使其岩石力学强度迅速降低，易于导致坑道顶板发生冒落。局部发育的次级断裂使岩体中节理、裂隙等结构面较发育，降低了岩体的完整性和强度，同时切穿隔水层，形成良好的导水通道，为地下水活动提供了通道和储存空间，促进了地面变形的发生。
(2)水文地质条件。石膏矿层赋存于云应膏盐组泥质粉砂岩—泥岩隔水层中，该隔水层厚度大、隔水效果好，但开采区局部地段较潮湿，主要原因包括：①采硐上部石膏矿层与浅部老窿贯通，老窿渗水；②少数勘查钻孔封孔不好，下渗水量较大；③竖(斜)井井壁混凝土浇灌不好，向下渗水；④大气降水通过汇水范围内的第四系含水层经由开采竖井向井筒运移，在井筒底部形成积水。尽管区域内地下水活动相对较弱，但由于节理、裂隙等结构面破坏了岩体完整性，并受采掘活动影响，地下水使岩体裂隙中的松散填充物被淘空，加之水化学潜蚀作用影响[12]，裂隙加宽加长，加剧了岩体风化、崩解，进一步降低了岩体整体力学强度，导致出现地表变形。
(3)开采条件。石膏矿区均采用干式充填，将开采洗选过程中产生的矸石固废物填入采空区，进而改善采场围岩变形和覆岩沉降程度。采空区充填体的充填率及其强度对上覆岩层的运动状态起着至关重要的作用，不同的充填率会导致上覆岩层结构形态和特征都存在明显区别。当采空区充填率较低时，充填体欠接顶量很大，不能对顶板下沉起到支撑作用，随着采空区范围的扩大，直接顶逐渐垮落破碎，与采空区充填体相互混合，形成基本顶的支撑体，此时基本顶在上覆载荷作用下发生弯曲变形，对采空区支撑体进行压缩，直到采空区支撑体被压实，支撑体的压缩和基本顶的下沉达到平衡状态。在此过程中，基本顶随开采范围的扩大发生持续破断，形成块体结构，且块体结构随工作面推进而不断向上覆岩层传递，直到变形发展到地面，形成地面沉陷。
(4)诱发因素。应城市石膏矿开采历史悠久，其中私人采矿历史长达400多年，其开采层埋深较浅(一般<100 m)，遗留下许多废弃的井筒、巷道，形成大小老窿100多个(截至1960年)。在现代采矿过程中，受爆破冲击等动荷载作用影响，老窿与下部的采空区通过裂隙等连通，造成老窿内水体流失。在降雨作用下，地表水沿上覆土层中的裂隙等通道渗入地下，将老窿上部土体的松散颗粒冲蚀带走，使土体结构遭到破坏，顶层土体饱水力学强度降低，采空区上部土体在自重的作用下失稳，最终发生地面塌陷[13]。地面塌陷产生后，随着地下水的流动，地表塌陷变形范围逐渐扩大，影响范围一般为10～200 m。
3 地面塌陷易发性评价
本次开展应城市石膏矿区地面塌陷易发性评价采用层次分析法，主要流程包括选取评价因子、计算评价因子权重、评价模型量化分析等，整个评价工作在ArcGIS平台上实现。
3.1 选取评价因子
评价因子的选取是建立评价模型的关键[14]。石膏矿区地面塌陷的发生主要取决于地质条件、水文地质条件、开采条件、诱发因素的综合影响，因此选取第四系厚度、地层岩性、距断层距离、地下水埋深、距地表水距离、开采深度、采空区范围、充填密实度、距塌陷点距离、老窿密度10个评价因子用于建立评价指标体系(图2)。在该体系中，石膏矿区地面塌陷易发性评价(A)为目标层；影响石膏矿区地面塌陷的4个主要形成条件(地质条件(B1)、水文地质条件(B2)、开采条件(B3)、诱发因素(B4))为评价的准则条件，构成准则层；将上述准则条件细分为若干基础评价指标，如地质条件(B1)细分为第四系厚度(C1)、地层岩性(C2)、距断层距离(C3)，水文地质条件(B2)细分为地下水埋深(C4)、距地表水距离(C5)，开采条件(B3)细分为开采深度(C6)、采空区范围(C7)、充填密实度(C8)，诱发因素(B4)细分为距塌陷点距离(C9)、老窿密度(C10)，构成指标层。
图2 评价指标体系图
在分析各评价因子特征的基础上，综合处理收集的区域地质、钻孔、矿山开采等资料，根据各评价因子对地面塌陷的影响程度，按照高易发、中易发、低易发、不易发4个等级进行分级，并依次给予4分、3分、2分和1分的指标值。例如对石膏矿区地层岩性进行分区，泥灰岩与黏土岩、泥岩与砂质泥岩、粉砂质泥岩夹硬石膏层、粉砂岩与含砾砂岩对应的指标值分别为4分、3分、2分和1分(表1)。各评价因子的分级结果如表1所示，单因子分区图如图3-图6所示。
图3 地质条件有关评价因子分区图
图4 水文地质条件有关评价因子分区图
图5 开采条件有关评价因子分区图
图6 诱发因素有关评价因子分区图
表1 评价指标分级及取值统计表
3.2 计算评价因子权重
在确定评价因子后，采用层次分析法(1～9标度法[15])判断各评价因子对地面塌陷影响的大小，通过两两比较得到判别矩阵(表2-表6)。构建判别矩阵得到最大特征向量λmax后，还需进行一致性检验，公式为：
表2 评价因子判别矩阵A-B
表3 评价因子判别矩阵B1-C
表4 评价因子判别矩阵B2-C
表5 评价因子判别矩阵B3-C
表6 评价因子判别矩阵B4-C
CI=(λmax-n)/(n-1)
(1)
CR=CI/RI
(2)
式中：n为矩阵阶数；CR为一致性指标；CI为随机一致性指标；RI为平均随机一致性指标，取值见表7。
表7 判别矩阵RI取值表
只有当CR<0.1时，判别矩阵才具有满意的一致性，其计算得到的权重值才是合理的。本次判别矩阵CR=0～0.042 9<0.1，因此本次计算的各评价因子的权重值是合理的。
在计算出准则层各指标及相应的指标层评价因子的权重后，再计算各评价因子在整个评价指标体系中的总排序权重，并通过了一致性检验，综合结果见表8。
表8 组合权重统计表
3.3 评价模型量化分析
采用加权平均综合指数评价模型对石膏矿区地面塌陷易发性进行评价，其数学模型为：
(3)
式中：H为加权平均综合指数；Wi为评价因子i的权重，取值情况见表8；Pi为各评价因子i的指标值，取值情况见表1。
公式(3)可以转化为：
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)
根据评价模型可知，老窿密度、距塌陷点距离、充填密实度、开采深度和采空区范围的权重较大，说明这些因素对石膏矿区地面塌陷影响较大，也说明该区地面塌陷与采矿活动紧密相关。调查发现区内发生的27次地面塌陷中，大部分是由老窿引发的，其余则是由开采巷道上覆岩层变形、冒落并传播至地表形成的。此外，塌陷区周边发育大量地面及房屋变形现象，距离塌陷点越近变形越强烈，因此诱发因素和开采条件对石膏矿区地面塌陷影响最大，由此可以判断其权重比较合理。
基于ArcGIS软件叠加空间分析功能，根据评价因子的等级划分标准及赋值原则进行叠加，得到石膏矿区地面塌陷的易发性综合指数，再按照指数高低进行分区，分区与综合指数的对应关系如表9所示。
表9 易发性分区等级表
4 评价结果及验证
4.1 易发性分区评价结果
将应城市石膏矿区分为地面塌陷高、中、低、不易发区4种类型(图7)。
图7 应城市石膏矿区地面塌陷易发性分区图
(1)高易发区(Ⅰ)。该区面积为3.02 km2，占研究区总面积的3.23%；发育地面塌陷20处，占塌陷点总数的74.07%，点密度为6.62处/km2。高易发区分为5个亚区，其中金龙矿区地面塌陷高易发亚区(Ⅰ-1)面积为1.91 km2，分布在金龙矿区柳林村、邹郭村一带；李咀矿区地面塌陷高易发亚区(Ⅰ-2)面积为0.12 km2，分布在李咀矿区主井、副井周围；团山矿区地面塌陷高易发亚区(Ⅰ-3)面积为0.25 km2，分布在团山矿区卢家塆、松林岗周边；和昌矿区地面塌陷高易发亚区(Ⅰ-4)面积为0.31 km2，分布在和昌矿区汪李家巷、齐王村一带；龙王集矿区地面塌陷高易发亚区(Ⅰ-5)面积为0.43 km2，分布在龙王集矿区吴河、庙塆一带。
(2)中易发区(Ⅱ)。该区面积为11.86 km2，占研究区总面积的12.67%，发育地面塌陷7处，占塌陷点总数的25.93%，点密度为0.59处/km2。中易发区分为9个亚区，其中一、二分矿地面塌陷中等易发亚区(Ⅱ-1)面积为1.76 km2，分布在一、二分矿区游家塆—河边陈—熊家畈一带；金龙—昌兴矿区地面塌陷中等易发亚区(Ⅱ-2)面积为3.60 km2，分布在金龙矿区与昌兴矿区除高易发区以外的开采区域，即梁家塆、曾子岗、陡河村、雷家山、西雷塆一带；李咀矿区地面塌陷中等易发亚区(Ⅱ-3)面积为0.87 km2，分布在李咀矿区除高易发区以外的开采区域，即团山庙、李咀村一带；团山矿区地面塌陷中等易发亚区(Ⅱ-4)面积为1.01 km2，分布在团山矿区除高易发区以外的开采区域，即舒家塆、团山村一带；鑫鑫矿区地面塌陷中等易发亚区(Ⅱ-5)，面积为0.59 km2，分布在鑫鑫矿区开采范围内；和昌矿区地面塌陷中等易发亚区(Ⅱ-6)面积为2.07 km2，分布在和昌矿区除高易发区以外的开采区域，即齐王村、叶家坡一带；鑫龙矿区地面塌陷中等易发亚区(Ⅱ-7)面积为0.19 km2，分布在鑫龙矿区开采范围内；龙王集矿区地面塌陷中等易发亚区(Ⅱ-8)面积为1.71 km2，分布在鑫龙矿区除高易发区以外的开采区域，即龙集村、赵上塆一带；玉峰矿区地面塌陷中等易发亚区(Ⅱ-9)面积为0.06 km2，分布在玉峰矿区西北角。
(3)低易发区(Ⅲ)。该区面积为40.87 km2，占研究区总面积的43.66%；区内无地面塌陷发生。
(4)不易发区(Ⅳ)。该区面积为37.85 km2，占研究区总面积的40.44%；区内无地面塌陷发生。
4.2 评价结果验证
利用受试者工作特征曲线(ROC)分析法[16]对易发性评价结果进行验证。ROC曲线下方的面积被定义为AUC，是衡量模型准确性的指标[17]，AUC的取值区间为[0.5,1],当AUC=0.5时，模型预测无效；0.5
图8 评价结果ROC曲线图
5 结论
(1)以应城市石膏矿区为研究区，采用层次分析法选取了第四系厚度、地层岩性、距断层距离、地下水埋深、距地表水距离、开采深度、采空区范围、充填密实度、老窿密度、距塌陷点距离10个评价因子，建立了石膏矿区地面塌陷易发性评价指标体系；然后采用GIS空间分析功能对该区进行地面塌陷易发性分区，研究成果对应城石膏矿区的地面塌陷防治具有指导意义。
(2)将应城市石膏矿区分为地面塌陷高、中、低、不易发区4种类型，面积分别为3.02、11.86、40.87、37.85 km2，分别占研究区总面积的3.23%、12.67%、43.66%、40.44%。
(3)建议在应城市石膏矿区构建“人防+技防”相结合的高质量群测群防体系，针对地面塌陷高、中易发区，分析地面塌陷等地质灾害的发展趋势，预测地质灾害发生区域，预报地质灾害发生时段，最大限度地避免人员伤亡和财产损失；同时应建立“天—空—地—浅—深”监测预警体系和三维地质模型与信息化平台，为地方政府防灾减灾、矿政管理、城镇规划等提供决策依据和技术支撑。
