郭豐敏，盧長偉，程 勝

(1．吉林交通職業(yè)技術學院道橋工程分院，吉林長春 130012;2．吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林長春 130012)

0 引言

舒蘭市地處吉林省東北部煤田區(qū)，盛產(chǎn)褐煤，是中國重要的煤炭生產(chǎn)基地之一。區(qū)內由于自然因素以及人類工程活動的影響，地面塌陷十分嚴重，極大地威脅著人民生命財產(chǎn)和公共設施的安全，阻礙了當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，因此客觀科學的劃分出該區(qū)地面塌陷的易發(fā)程度和危險程度，從而進行分區(qū)評價是十分必要的。灰色關聯(lián)分析法是目前分析以及預測地質災害發(fā)生程度所采用的一種較為有效的方法。20世紀90年代初，劉希林曾提出該方法［1］，用以分析泥石流的危險區(qū)劃;近21世紀這種方法得以推廣［2，3］，在地面塌陷地質災害的研究分析過程中逐步運用該方法。

1 地面塌陷的特征

地面塌陷是舒蘭市最主要的地質災害類型，也是本區(qū)單位面積經(jīng)濟損失最重的地質災害類型，其中伊舒盆地區(qū)以人類活動誘發(fā)地面塌陷為主，自然災害次之，丘陵和山地則以自然災害為主，人類活動次之，被調查的22個地面塌陷點，集中分布于吉舒、東富、舒蘭街等三個區(qū)域，總面積23．19 km2(圖1)(圖中地點編號與表1一致)。此外，個別塌陷區(qū)呈點狀零星分布于水曲柳、平安等地。區(qū)內煤田大致呈北東南西向的條帶狀分布，走向長57 km，寬3 km，面積171 km2，已有180多年的開采史。塌陷層位為第三系煤系地層和上覆的第四系沖洪積層。吉舒—豐廣塌陷區(qū)頂板厚度20～300 m;東富塌陷區(qū)頂板厚度30～380 m;舒蘭街頂板厚度60～470 m，空間展布與礦井采掘平面相吻合。塌陷呈單體或串珠狀群集式產(chǎn)出，單體形態(tài)呈圓形或條形，空間分布具有相關性、依賴性;舒蘭礦區(qū)因采煤而直接引發(fā)的地面塌陷總面積為21．51 km2。塌陷面積為采空區(qū)平面投影面積的1．37倍。

圖1 舒蘭市地面塌陷區(qū)分布示意圖Fig.1 Distribution of surface subsidence in Shulan City 1．塌陷區(qū);2．村屯;3．公路;4．鐵路;5．縣界。

2 地面塌陷的危險性區(qū)劃理論及方法

地面塌陷的危險區(qū)劃的主要原則遵循區(qū)劃完整性原則、相似性原則、綜合性原則和主導因子原則。

2．1 地面塌陷危險性區(qū)劃定量指標的初選

本文采取了區(qū)域性規(guī)律比較明顯，能夠代表地面塌陷的歷史狀況和潛在的促發(fā)的因素作為關聯(lián)因子，這里將沉降量作為代表歷史狀況的主導因子。根據(jù)本區(qū)實際勘查的具體情況和數(shù)據(jù)，初選了以下幾個評價指標作為地面塌陷區(qū)劃的關聯(lián)因子，即:沉降區(qū)形狀(k1)、區(qū)域內最大高差(k2)上覆土層松散系數(shù)(k3)、地裂縫指標(k4)、地裂縫的密度(k5)、礦區(qū)的采空沉降率(k6)、煤層厚度(k7)、開采深度(k8)、人口密度(k9)、塌陷規(guī)模(k10)等，這些因子在地面塌陷危險性分析中的作用如下:

(1)沉降量y(深度m/m2) 表明了本區(qū)地面塌陷的發(fā)育歷史和目前的嚴重情況，區(qū)域內地面塌陷的程度和分布情況主要通過野外調查和區(qū)域實地填圖來獲取資料。

(2)沉降區(qū)形狀k1地面塌陷區(qū)的形狀若為圓形即記為0，如為長條形記為1，方形則記為2。地面塌陷區(qū)的表現(xiàn)形狀說明了塌陷的范圍和塌陷的區(qū)域。

(3)區(qū)域內最大高差k2(m) 即區(qū)域內最高點海拔與最低點海拔之差。地形高差的大小決定了沉降的程度。

(4)上覆土層松散系數(shù)k3由試驗得出，并算出區(qū)域內各類覆蓋土層所占的面積，以面積百分比為權重，加權平均后求得該區(qū)域的平均松散系數(shù)，可反映原覆蓋層的抗沖刷和抗塌陷能力。

(5)地裂縫指標k4k4是指區(qū)內的地裂縫的深度、強度、寬度及閉合程度等各方面的現(xiàn)實情況。通過打分形式得出(好:1，較好:3，較差:6，差:10)，該指標綜合反映了地層的性質。

(6)地裂縫的密度k5即單位面積上地裂縫的總長度?？傞L度由1∶5萬地質圖上量算獲取。地裂縫密度越大，沉降的速度越大。

(7)礦區(qū)的采空沉降率k6(km2/105t) 由當?shù)氐牡卣{部門提供資料獲取，采空沉降率越大，說明沉降量越大，塌陷的損失率越大，危害程度越高。

(8)煤層厚度k7(m) 即研究區(qū)某一范圍內地下一定深度處的含煤層厚度。

(9)開采深度k8(m) 通過調查和當?shù)氐牡刭|調查部門所提供的資料獲取。開采的深度越大，越影響地面的穩(wěn)定，直接影響地面塌陷。

(10)本區(qū)人口密度k9(人/km2) 由人口普查資料獲取。不合理的人類活動對地面塌陷有著一定的影響。

(11)塌陷規(guī)模k10指該區(qū)形成的塌陷坑的數(shù)量，同時塌陷坑的出現(xiàn)形式:單個出現(xiàn)為1，群發(fā)則為5。

2．2 關聯(lián)度及權重

對于關聯(lián)因子的上述選取，按照區(qū)劃的原則和要求，收集了舒蘭市地面塌陷的22處的10個指標的基礎數(shù)據(jù)(表1)，進行關聯(lián)分析，以便用此法確定各因子之間的關聯(lián)度。關聯(lián)度的計算步驟如下:

(1)采取均值法將原始數(shù)據(jù)作無量綱處理，得均值化矩陣K1i，()j。進行求差序列計算。

(2)利用公式 Δ(i，j)

表1 舒蘭市地面塌陷危險性候選指標的基礎數(shù)據(jù)Table 1 Basic data for the quantitative index of surface subsidence in Shulan City

(3)最大絕對差值和最小絕對差值計算。

(4)關聯(lián)系數(shù)的計算。

利用目前已獲得的數(shù)據(jù)，按照上述方法和步驟分別求得主導因子和關聯(lián)因子的關聯(lián)度，結果如表2，關聯(lián)度值越大，說明比較序列與參考序列變化的態(tài)勢越一致，從而對地面沉陷的影響就越大，反之亦然。因而選擇參評區(qū)域因子中的同主導因子關系密切的各項，作為地面塌陷危險性分析的定量指標。

首先從關聯(lián)度最小的定量指標開始入手，然后給定起始權數(shù)為一個基本單位10n(令n=0)，同時以這個基本單位為公差，依次成等差級數(shù)向關聯(lián)度增大的遞增定量指標的權數(shù)。通過分析主導因子的權數(shù)以最大的定量指標的權重為基數(shù)，以2為公比，呈等比級數(shù)

(5)計算關聯(lián)度。繼續(xù)遞增可得到如表3所示的權數(shù)和權重。

2．3 地面塌陷危險區(qū)劃

(1)統(tǒng)計中樣本數(shù)據(jù)的歸一化處理［4］主導因子的級差變換公式:

其他定量指標的級差變換公式:

運用以上公式，得到級差變換數(shù)據(jù)如表4所示。

(2)舒蘭市各區(qū)的地面塌陷危險度的計算 各個區(qū)域的各定量指標級差變換后的數(shù)值與其各自權重乘積的和為該區(qū)域的地面塌陷的危險度(Ri)，危險度的計算公式如下

其中，y'，k'i8，k'i4，…k'i2分別為第 i區(qū)域各項指標級差變換后的數(shù)值，其計算結果如表4所示。

表2 候選定量指標與主導因子的關聯(lián)度Table 2 Related degree of the contraint quantitative index and key factor

表3 定量指標的權數(shù)和權重Table 3 Weight number and weight of quantitative index

圖2 舒蘭市地面塌陷災害危險性分區(qū)示意圖Fig.2 Risk zoning of surface subsidence in Shulan City．極高危險區(qū);2．高度危險區(qū);3．中度危險區(qū);4．低度危險區(qū);5．地區(qū)編號。

3 地面沉陷的危險性評價［5，6］

由地面塌陷危險性的計算結果可以看到，舒蘭市總面積為4 000多平方千米，而地表沉降面積居然達20多平方千米，被調查的塌陷點共22個，危險性由高到低的排列順序為:豐廣—吉舒塌陷區(qū)(吉舒鎮(zhèn)、二道鄉(xiāng)、豐廣、聯(lián)盟、東嶺街、吉舒小區(qū)、愛國村)、東富塌陷區(qū)(東富開發(fā)區(qū)、雙保小區(qū)等)、舒蘭街塌陷區(qū)、水曲柳、平安村等地。為了能更直觀地反映地面塌陷危險性程度的高低，根據(jù)各地的危險度進行分級劃分［1，7］(表5、圖2，表和圖中的地區(qū)編號與表1一致)。

極高危險區(qū):東富塌陷區(qū)的東富小學北50 m，塌陷深度達3～20 m，長條形塌陷區(qū)，2 000 m×1 000 m，而且塌陷的趨勢趨于漸強，地裂縫極為發(fā)育，成因為冒頂型，但塌陷點為單個出現(xiàn)的。塌陷面積達2．97 km2。

表4 舒蘭市地面塌陷危險度計算成果Table4 Calculating result of the dangerous degree of surface subsidence in Shulan City

表5 舒蘭市地面塌陷危險性分區(qū)結果Table 5 Result of the risk zoning of the surface subsidence in Shulan City

高度危險區(qū):吉舒—豐廣塌陷區(qū)，危險程度大的區(qū)域是吉舒鎮(zhèn)的王家店和豐廣三社西大排，四井渣山北等區(qū)，王家店沉降深度3～5 m，長條形沉陷區(qū)，2 000 m×400 m，地裂縫多而雜，塌陷呈漸強的趨勢。西大排的塌陷深度達2～12 m，圓形區(qū)，直徑為800 m;而四井渣山北塌陷深度達2～7 m，圓形區(qū)，直徑為2 000 m，成因為冒頂型，地裂縫多而雜，塌陷呈漸強的趨勢。

中度危險區(qū):二道佟家溝屯、裕國二隊、聯(lián)盟五隊、聯(lián)盟九隊、五?！獦宓楣窎|富段、豐廣北小鄉(xiāng)，其沉降深度為3～5 m，塌陷區(qū)大部分呈長條形，范圍1 000 m×800 m左右，目前的沉降量隨著采空區(qū)的加大呈漸強的趨勢。

低度危險區(qū):裕國二社、朝陽鎮(zhèn)哈瑪河李炳才家、蛤蟆河二隊、南城街道通河街。這里塌陷的范圍較小，一般呈圓形，塌陷的直徑不超過10 m，深度較淺，裂隙不發(fā)育，且呈較穩(wěn)定的趨勢。

4 結語

地面塌陷地質災害給舒蘭人民帶來了巨大的威脅，本文通過實際調查，運用灰色關聯(lián)分析法，對本區(qū)的20多處地面沉陷進行了定性與定量的分析，并做了危險性分區(qū)與評價，所得結果與實際調查情況相符，可為舒蘭市地面塌陷的治理提供科學依據(jù)。

結論與建議如下:

(1)地面塌陷是舒蘭市最主要的地質災害，已威脅到人民生命財產(chǎn)的安全和經(jīng)濟建設，因此研究其危險性分布規(guī)律是十分重要的。

(2)灰色關聯(lián)分析的方法是一種較為有效的地質災害區(qū)劃方法，各項指標的選取可綜合反映地面塌陷的危險性程度。

(3)根據(jù)分析計算結果以及未來的發(fā)展情況，對極高危險度的東富小學北50 m區(qū)，即高危險度的吉舒—豐廣塌陷區(qū)，應立即撤出各方面的運營，以便采取措施制止塌陷，讓人民的生命財產(chǎn)免受損失，同時地下采礦工作也應立即停止，更不允許“扒皮式”或“地毯式”的開采方式的出現(xiàn)，用煤矸石等回填采空區(qū)。

(4)對中危險度的東富塌陷區(qū)，建議采取積極措施，在現(xiàn)有的塌陷不十分嚴重的情況下，地下采煤速度和采煤量要嚴加控制，規(guī)范采礦，避免爆破等，以免加劇塌陷惡化的進程。

(5)低度危險的區(qū)域，東富二社及蛤蟆河二隊等地，盡管目前的危害不嚴重，但我們必須防微杜漸，避免造成不必要的損失，確保該區(qū)人民的生產(chǎn)生活正常進行，因此建議對危險性較低的區(qū)域也要采取相應的綜合治理措施，防患于未然。

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