基于AHP和GIS技術(shù)的礦山采空區(qū)地表塌陷風(fēng)險影響研究

汪 云

（中國冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院，山東 泰安 2710000）

近年來，礦山采空區(qū)地表塌陷是我國主要地質(zhì)災(zāi)害之一。以往對地表塌陷地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險性進行研究主要是分區(qū)，多采用多因素綜合研究的方法，綜合研究方法是采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)對地表塌陷影響因素進行綜合處理的方法[1]。本文通過總結(jié)前人的工作成果，以礦山采空區(qū)為研究對象，將層次分析法（AHP） 與GIS 技術(shù)相結(jié)合，對研究區(qū)進行地表塌陷風(fēng)險研究。

1 研究方法

本文采用 AHP 和GIS 技術(shù)對礦山采空區(qū)地表區(qū)域塌陷風(fēng)險性進行研究分析[2]。層次分析法（AHP）是根據(jù)決定總目標(biāo)的兩兩因子相比較來確定其重要程度，該方法難以用定量的計算方法對地表塌陷的風(fēng)險進行研究。而GIS在地理信息統(tǒng)計分析和對圖層疊加、處理方面的具有比較好的優(yōu)勢，結(jié)合 AHP 能對礦山采空區(qū)地表塌陷風(fēng)險影響作較全面的研究。

2 礦區(qū)概況

2.1 環(huán)境地質(zhì)條件

2.1.1 地理條件

研究區(qū)北、東、南三面環(huán)山，西部相對開闊，北部為泰山山脈及其余脈，走向近東西， 自西向東分布有泰山、香山、大山，南部分布有徂徠山、蓮花山等，走向與北部泰山山脈大體平行，兩山脈均為山勢陡峻、切割強烈的中低山。東部為萬福山、鵬山等低山丘陵，中部為低緩起伏的平原，西部開闊。整個地勢由東向西傾斜，北、東、南三面又向盆地中部傾斜，牟汶河由東向西橫貫盆地中部。整個盆地外形為南緩北陡、向北突出的圓形盆地[3]。

2.1.2 地層分布及特征

研究區(qū)屬華北地層大區(qū)，晉冀魯?shù)貙訁^(qū)，魯西地層分區(qū)。區(qū)內(nèi)地層發(fā)育有太古界前震旦紀(jì)泰山巖群變質(zhì)巖，下古生界寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)碳酸鹽巖、頁巖，石炭-二疊紀(jì)煤系地層，中生界侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)砂巖，新生界古近紀(jì)、新近紀(jì)砂巖、礫巖、泥巖、泥灰?guī)r、粘土巖及第四紀(jì)松散巖等。

2.2 礦山采空區(qū)地表發(fā)育特征

①裸露型礦區(qū)：是指碳酸鹽巖出露地表，局部土層厚度小于 1m 的區(qū)域。主要分布于研究區(qū)南部的泰安市岱岳區(qū)徂徠鎮(zhèn)-萊蕪市鋼城區(qū)一線，如習(xí)武山、木頭山等，在北部的內(nèi)外弧斷裂之間亦有零星分布，面積 314.01km2。

②覆蓋型礦區(qū)：指下伏為碳酸鹽巖，上伏地層為第四系，且厚度大于 1m 的區(qū)域。主要分布在以下3個區(qū)域：泰安市城區(qū)-舊縣及以東至徂徠一帶；萊蕪西北大王莊-寨里一帶；萊蕪礦山背斜兩翼的 趙莊、主井、山子后、孟家莊、杜官莊、牛泉、西泉河等地區(qū)，即人們通常所說的第四系“天窗”地區(qū)。此外在萊蕪萊城區(qū)羊里鎮(zhèn)東北的山口村一帶、口鎮(zhèn)東北的棗園一帶、鋼城區(qū)的鵬山水源地、東泉-里辛水源地、清泥溝水源地一帶亦有零星分布，總面積 234.65km2。研究區(qū)內(nèi)的地表塌陷地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在覆蓋型礦產(chǎn)分布區(qū)內(nèi)。根據(jù)第四系覆蓋層巖性特征，結(jié)合地貌條件，劃分為河谷平原松散巖組覆蓋區(qū)、山前臺地松散巖組覆蓋區(qū)[4]。

③埋藏型礦區(qū)：指下伏碳酸鹽巖的上部除第四系覆蓋層之間，有一層厚度的古近系或其它時代非可溶巖 分布的地區(qū)，研究區(qū)內(nèi)埋藏型礦區(qū)分布面積為 670.07km2。根據(jù)古近系蓋層厚度的不同，分為薄層埋藏區(qū)和厚層埋藏區(qū)，古近系厚度小于 30m 的為 薄層埋藏型，大于30m的為厚層埋藏區(qū)。薄層埋藏區(qū)分布在泰安市東羊婁北部、萊蕪市山子后、趙莊、谷家臺、杜官莊、泉河、孟家莊等地。

3 礦山地表塌陷風(fēng)險定量研究

地表塌陷構(gòu)成固體、液體及氣體三相力學(xué)平衡體系，地下水位變動達到一定幅度，平衡破壞，上覆松散沉積物突然塌落，形成上大下小的圓錐形塌陷坑。地表塌陷需要具備的基本因素包括覆蓋層條件、構(gòu)造條件、地下水條件。地表塌陷發(fā)生的誘發(fā)因素是基巖巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下巖溶條件、土層結(jié)構(gòu)、土層厚度、土層巖性、水位變幅、水位與基巖面關(guān)系、開采模數(shù)、防災(zāi)減災(zāi)管理水平、防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)水平、建筑物抗塌性能、人口密度等。

結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H地質(zhì)及其它情況，對可能造成礦區(qū)地表塌陷的危險因子進行綜合考慮，選取如下公式來求取地表塌陷危險指數(shù)

式中: n = 13; U為地表塌陷危險指數(shù)，其值越大表示潛在塌陷危險性越大，相反則表示危險性愈低; A 表示地表塌陷危險因子; Bi表示危險因子權(quán)重值。

4 結(jié)語

根據(jù)綜合研究得分，將研究區(qū)劃分為地表塌陷風(fēng)險性高區(qū)、風(fēng)險性中等區(qū)和風(fēng)險性低區(qū)，風(fēng)險性分區(qū)。

（1）風(fēng)險性高區(qū)：總面積為28.63km2。其中，泰安地區(qū)面積有17.54km2，主要分布于省莊鎮(zhèn) 圣元官莊、桂林官莊、東羊婁、西羊婁、東苑莊一帶；城區(qū)東關(guān)一帶有小面積分布。萊蕪地區(qū)分布面積11.09km2，分布在萊蕪大王莊鎮(zhèn)西上崮，寨里鎮(zhèn)前-后枯河一帶，礦區(qū)孟 公清、西泉河、東泉河一帶，杜官莊有小面積分布。

（2）風(fēng)險性中等區(qū)：分布于風(fēng)險性高區(qū)外圍，總面積為168.70 km2。其中，泰安地區(qū)面積有109.03km2，主要分布在泰安城區(qū)—舊縣水源地大部，岱岳區(qū)徂徠-崅峪一帶；萊蕪地區(qū)面積 有 59.67km2，主要分布在大王莊鎮(zhèn)下崮-前張街、寨里鎮(zhèn)魚池、口鎮(zhèn)東北部、牛泉鎮(zhèn)東泉河、 侯家溝、八里溝一帶；高莊街道辦事處及顏莊鎮(zhèn)也有少量分布。

（3）風(fēng)險性低區(qū)：研究面積52.12km2。分布于上述 2個風(fēng)險區(qū)以外的隱伏型碳酸鹽巖類分布區(qū)。