層次分析及GIS空間分析在礦山巖溶塌陷預測評估中的應用:以某大理石礦為例

龔華根，徐 芬，楊 輝

(1.江西省地礦資源勘查開發(fā)中心，江西 南昌 330030;2.江西省勘察設計研究院，江西 南昌 330030)

礦山巖溶塌陷預測評估作為礦山環(huán)境評價中重要的單環(huán)境問題評價之一，是礦山環(huán)境問題研究的一個重要環(huán)節(jié)[1]，如何科學合理的對礦山巖溶塌陷作出評價也是礦山環(huán)境研究的一個重大課題，也是礦山生態(tài)環(huán)境保護與恢復治理規(guī)劃的基礎[2]。

礦山巖溶塌陷預測評估一直是礦山地質(zhì)環(huán)境保護與恢復治理中的重難點問題。目前，礦山地質(zhì)環(huán)境保護與恢復治理中的礦山巖溶塌陷預測評估大部分采用定性描述或根據(jù)量化評價標準表進行半定量打分進行評價。然而，先進的GIS技術與科學的預測模型相結(jié)合，是對巖溶塌陷等進行定量預測的一種非常行之有效的辦法[3]。因此，本文用此方法對某大理石礦巖溶塌陷進行預測評估。

1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

礦區(qū)位于江西省中東部，礦種為大理石礦;開采方式為露天開采;礦區(qū)面積1.970 2 km2;開采標高為 +280～+508 m。礦區(qū)屬亞熱帶東南季風性氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，歷年平均降雨量為1 728.5 mm。礦區(qū)地形變化不大，屬淺切割的低山地形巖溶地貌區(qū)(見圖1)。地形南低北高，中部高，東部及西部低。最高海拔 508.91 m，最低海拔 272.30 m[4]。

礦區(qū)內(nèi)地層出露較簡單，具體可見圖2(三維地質(zhì)圖)。主要為藤田盆地發(fā)育的石炭系下統(tǒng)上部為大塘組(C1d)、石炭系中統(tǒng)黃龍組(C2h)、上統(tǒng)船山組(C3c)和第四系(Q)地層。礦區(qū)以單斜巖層為特征，地層總體走向為南北向，傾向250°～270°，傾角一般為 25°～35°之間。礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)有斷層分布[4]。

2 礦山巖溶塌陷機理分析

巖溶塌陷產(chǎn)生與否主要由自然因素所決定[5]，這些因素主要有覆蓋層特征、巖溶發(fā)育程度和地下水活動。它們共同構(gòu)成了影響巖溶塌陷的基本因素，也就是巖溶塌陷的內(nèi)因，只要具備了塌陷的內(nèi)因，巖溶塌陷就可能形成。而自然因素和人類活動的影響，主要起加速和引發(fā)作用，它們共同構(gòu)成了影響巖溶塌陷的外因。巖溶塌陷機理分析見圖3。

圖1 地形地貌曲面圖

圖2 三維地質(zhì)模型柵欄圖

圖3 巖溶塌陷機理分析

礦山開采導致巖溶塌陷的外因又具有其專屬特點。礦山基建及開采過程中可能促進巖溶塌陷形成的活動主要有:抽排地下水、施工機械及車輛的荷載與振動、挖填土層使覆蓋層變薄或增厚。礦山巖溶塌陷的發(fā)生主要是在覆蓋型巖溶礦區(qū)淺部巖溶發(fā)育、第四系厚度較小的地段，當進行抽排水、荷載、振動等人類活動時，或改變了地下水的運動狀態(tài)，水力坡度增大，使地下水潛蝕、淘空、搬運第四系土體及巖溶充填物的能力增強，或改變地下巖溶頂板應力狀態(tài)，引起自然條件下的相對應力平衡遭到破壞，因而產(chǎn)生巖溶塌陷。

3 層次分析法確定權(quán)重

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)

通過對礦山巖溶塌陷的機理分析，選取地下水活動、覆蓋層特征、巖溶發(fā)育程度和人類活動強度這四個方面，共6個評價指標，建立礦山巖溶塌陷預測評估層次結(jié)構(gòu)。見圖4。

圖4 層次分析結(jié)構(gòu)模型

3.2 構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)表 1 重要性標度含義表，對 C1、C2、C3、C4、C5、C6六個因子進行兩兩比較，得出重要性標度含義表，通過專家咨詢、篩選、打分，確定每一層各個因子之間的相對重要性比值，并構(gòu)造判斷矩陣，見表2。

表1 重要性標度含義表

表2 判斷矩陣

3.3 計算權(quán)向量

通過計算判斷矩陣的權(quán)向量得出每一個指標及每一層次各個因子的權(quán)重。計算權(quán)向量有特征根法、和法、根法、冪法等，這里采用較為簡便的和法。

3.4 一致性檢驗

表3 平均隨機一致性指標 R.I.表 (1000次正互反矩陣計算結(jié)果)

經(jīng)計算，λmax≈6.1，C.R.=0.016 ＜ 0.1。因此，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的。

各因子 權(quán) 重 為:Wi=[0.077，0.037，0.283，0.037，0.283，0.283]T。

圖5 最低地下水位分區(qū)圖

圖6 巖溶率分區(qū)圖

圖7 下伏巖體巖性分區(qū)圖

4 對各評價因子進行等級劃分

依據(jù)層次分析法數(shù)學模型，根據(jù)專家評定及大量實例統(tǒng)計相結(jié)合，將礦區(qū)巖溶塌陷各評價因子進行量化分級。詳見表4。

表4 巖溶塌陷各評價因子等級劃分表

5 基于GIS對評估區(qū)內(nèi)各評價因子進行分區(qū)

最低地下水水位分區(qū):根據(jù)地形地貌及第四系覆蓋情況，位于溝谷地形較為平緩的第四系覆蓋區(qū)最低地下水水位一般位于基巖頂面上下，而地形較陡的山坡地區(qū)最低地下水位一般位于基巖頂面以下，賦存于地下巖溶通道、暗河及裂隙中。

巖溶率分區(qū):根據(jù)儲量核實報告中的鉆孔數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)及地表溶蝕洼地、溶洞、落水洞等的分布進行圈定。

下伏巖體巖性分區(qū):根據(jù)鉆孔揭露的地層及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造進行劃分。

第四系覆蓋層厚度分區(qū):根據(jù)鉆孔揭露的第四系厚度及現(xiàn)場踏勘的結(jié)果進行劃分。

抽排水影響范圍分區(qū):根據(jù)開采最低標高+280 m及含水層的展布、地下水流向進行劃定，低于+280 m的區(qū)域及評估區(qū)東北側(cè)大塘組隔水層等區(qū)域為影響較小區(qū)，再根據(jù)距離抽排水區(qū)域的距離進一步劃分為500 m以內(nèi)及500 m以外區(qū)域。

振動及荷載分區(qū):根據(jù)礦山開發(fā)利用方案設計的開采范圍及廢石場、荒料場場址劃定。

評估區(qū)內(nèi)各評價因子分區(qū)結(jié)果見圖5～圖10。

圖8 第四系覆蓋層厚度分區(qū)圖

圖9 抽排水影響范圍分區(qū)圖

圖10 振動及荷載分區(qū)圖

6 對各評價因子分區(qū)圖進行空間分析

利用MAPGIS空間分析功能，對評估區(qū)內(nèi)各評價因子分區(qū)結(jié)果進行復合、求交、疊加運算，并對各評價因子的屬性字段進行計算，確定各預測單元的隸屬函數(shù)矩陣。按照隸屬度最大原則，最大值則為該預測評判單元所對應的級別。

以上通過空間分析及編制程序自動完成，并將評判結(jié)果存到各預測單元的屬性庫中，最后根據(jù)計算結(jié)果，把相同隸屬度的單元劃分為同一級別，不同級別賦予不同顏色，得到某大理石礦巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)圖。分區(qū)結(jié)果見圖11。

圖11 巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)圖

7 結(jié)語

通過對上述預測評估結(jié)果的分析，并結(jié)合評估區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件及巖溶塌陷現(xiàn)狀，可以確定:在自然條件下，礦區(qū)露采范圍、荒料場內(nèi)、北露采區(qū)北側(cè)和東側(cè)及南露采區(qū)南部的部分第四系覆蓋較薄區(qū)域，由于受地下水位波動及礦山露采抽排水的影響，屬于巖溶塌陷易發(fā)區(qū);礦區(qū)范圍周邊其他受礦山露采抽排水和振動、荷載影響的區(qū)域，由于下伏巖體存在可溶巖體的分布，屬于巖溶塌陷較易發(fā)區(qū);其他區(qū)域由于受礦山開采影響較小、巖溶發(fā)育程度較低、局部地區(qū)不存在可溶巖體的分布，屬于巖溶塌陷不易發(fā)區(qū)。

所建立的預測評估模型能反映礦山巖溶塌陷形成的一般規(guī)律，模型中的評價因子基本符合某大理石礦巖溶塌陷的實際情況，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)的兩個已有巖溶塌陷點均位于巖溶塌陷的易發(fā)區(qū)。但評價因子的選取及級別的劃分還有待今后進一步完善。本文所采用的評價方法高效、簡潔，減少了人為因素在預測中的影響作用，且可視化程度較高、便于數(shù)據(jù)管理并不斷完善，可以為礦山巖溶塌陷預警系統(tǒng)的建立奠定基礎。

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