鄂州市汀祖镇矿产集中开发重点区采空塌陷易发性评价

张 波，王亚风，卢雨岚，任宵莹，刘 朝，李 拓，屈国颖

（湖北省地质局第五地质大队，湖北 鄂州 436000）

汀祖镇为鄂州市采空塌陷发育最为严重的地区，地下开采产生多处地面塌陷及采空区，地质生态环境趋于恶化，经济发展与生态环境矛盾日益突出。对该区进行采空塌陷易发性评价具有防灾减灾的重大现实意义。

1 研究区概况

研究区位于鄂州市鄂城区汀祖镇北部，桂花村至丁坳村片区，总面积2.83km2。区内地层出露的地层简单，第四系全新统和更新统分布于坡脚和低洼地段。基岩主要为三叠系蒲圻组泥质粉砂岩，研究区内零星出露；燕山早期闪长岩出露广泛。研究区矿产开发是本区域最为强烈的人为工程活动，从20世纪八九十年代至今本区域内断断续续出现不同程度的采矿活动，地下开采矿山8家，目前均已停产。

2 评价方法与模型

层次分析法是20 世纪70 年代发展起来的一种定性与定量相结合的决策分析方法[1]。其基本思路是根据工程问题的性质和要求达到的总目标，将问题分解成不同的分目标、子目标，并按目标间的相互关联程度与隶属关系分组，形成多层次的结构，通过两两比较的方式确定层次中诸目标的相对重要性（见表1），同时运用矩阵运算确定子目标对其上一层目标的相对重要性[2]。层次分析法计算确定易发性权重的步骤如图1所示。

图1 层次分析法确定易发性权重流程

表1 层次分析法的判断矩阵标志及其含义[3]

3 评价单元的划分

地质灾害发育的严重程度受到诸多因素的作用，在局部区域又表现出明显的差异性和复杂性，因此，在对研究区进行易发性评价时首先考虑确定的就是评价单元。评价单元的选取是评价体系建立的基础。本文评价采用栅格单元进行易发性评价，考虑到本次评价采用的资料中包含1∶2000 地形图、井上井下对照图等大比例尺资料，为保证原始数据精度，将研究区划分为2m×2m的栅格评价单元。

4 易发性评价指标提取与筛选

通过对研究区内地面塌陷的调查分析，选取地表变形、历史采空区范围、覆岩层RQD、地下水条件、开采深度、开采厚度、护顶层厚度共计7个评价因子建立评价指标体系（见图2）。

图2 采空塌陷易发性指标体系

4.1 地表变形

地表变形主要通过研究区内的地面塌陷情况反映，地面塌陷数量、塌陷初始发生时间、塌陷形态、塌陷规模具有较强的相关性。

4.2 历史采空区范围

历史采空区为采空塌陷提供了有利的空间条件，并在外界地质营力的作用下容易引发采空塌陷[4]。经过资料收集、地面调查、物探、钻探综合分析采空区范围得到采空区的分布图。

4.3 覆岩层RQD

通过对收集钻孔资料中的有效信息，统计其揭露的采空区覆岩RQD值，统计结果见表2。

表2 矿层厚度及采空区覆岩RQD值统计表

采空区覆岩RQD值越低，越容易发生地面塌陷。利用ArcGIS 软件，将矿层厚度和采空区覆RQD在研究区内值进行插值处理，再进行归一化。通过插值可一定程度地反映矿层厚度和采空区覆岩质量在评估区内的分布趋势，但由于数据源较少，导致插值结果精度较低，在构建评价模型时适当减少两者权重赋值。

4.4 地下水条件

根据资料收集，研究区域矿山疏排地下水形成4个降水漏斗区。根据发育情况分为非降水漏斗区和降水漏斗区。地形水运移速率和运移路径会直接影响采空区错动范围内的岩石裂缝工程地质性质，从而造成采空塌陷[5]。

4.5 开采深度

矿山开采的深度不同对地表影响不同，采空区其受力环境也不同。根据前期收集到的井上井下对照图及物探、钻探、综合分析结果采矿深度运用克里金插值法处理，通过插值可一定程度地反映采矿深度在评估区内的分布趋势。

4.6 开采厚度

矿山开采厚度不同影响采空区的空间受力条件，对采空塌陷影响较大。研究区内矿层厚度越厚，采空区高度越高，越容易发生地面塌陷[6]。根据前期收集到的矿山恢复治理方案资料，开采厚度，根据矿体的位置及开采技术方法，得出研究区内的开采厚度分布图。

4.7 护顶层厚度

护顶层厚度不同对采空区上覆岩层稳定性影响不同，护顶层越薄容易造成上覆岩层不稳[7]。根据前期收集到矿山开采技术方案，反映矿山开采护顶层厚度，一般位于10~30m。

5 评价指标权重分析

通过软件的分析计算，构建的所有判断矩阵符合一致性要求，所有方案层的评价因子的权重合理，指标层次分析法矩阵见表3。将7个指标输入Yaahp层次分析软件中进行建模计算（见图3）。

图3 层次分析法模型计算结果

表3 采空塌陷易发性评价指标矩阵表

6 研究区易发性评价结果

在评价单元划分和各评价单元内权值的赋值基础上，使用ArcGIS 软件栅格计算器工具对各评价因子进行栅格叠加，完成本区域的地面塌陷地质灾害易发性评价。

地质灾害易发性评价结果必须按照一定的规则进行等级划分，才能形成可应用的易发性评价成果。根据影响地面塌陷7类评价因子进行地质灾害易发性区划，计算出的易发性分区图（见图4）。极高易发区A面积0.1km2，占研究区3.44%，主要分布于丁坳村龟山铁矿—侨生矿业一带；高易发区B 面积0.1km2，占研究区3.44%，主要分布于丁坳村丁坳铁矿一带；中易发区C面积0.05km2，占研究区1.62%，主要分布于主要分布于洪山村恒鑫盛铁矿一带；低易发区D面积2.58km2，占研究区91.32%，主要分布于除上述区域的其他区域。

图4 易发性分区结果

7 结论

（1）构建了鄂州市汀祖镇采空塌陷的层次分析模型并求得7个采空塌陷因子的权重，结果表明研究区内采空塌陷易发性影响最大的因子为地表变形，其次为地下水条件、历史采空区范围、覆岩RQD、护顶层厚度、开采深度、开采厚度。

（2）基于GIS平台分析取得研究区的易发性评价结果，将研究区内采空塌陷易发程度分为4类，其中极高易发区与高易发区面积为0.2km2,占研究区6.88%，其评价结果可对研究区的地质灾害防治提供参考。

（3）本文提出的易发性评价指标体系对采空塌陷地质灾害评价具有一定的参考作用。