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(shè)計研究院，江西 南昌 330030)

礦山巖溶塌陷預(yù)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(xué)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(fù)治理規(guī)劃的基礎(chǔ)[2]。

礦山巖溶塌陷預(yù)測評估一直是礦山地質(zhì)環(huán)境保護與恢復(fù)治理中的重難點問題。目前，礦山地質(zhì)環(huán)境保護與恢復(fù)治理中的礦山巖溶塌陷預(yù)測評估大部分采用定性描述或根據(jù)量化評價標(biāo)準(zhǔn)表進行半定量打分進行評價。然而，先進的GIS技術(shù)與科學(xué)的預(yù)測模型相結(jié)合，是對巖溶塌陷等進行定量預(yù)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(yù)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(biāo)高為 +280～+508 m。礦區(qū)屬亞熱帶東南季風(fēng)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(dǎo)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(dāng)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(yīng)力狀態(tài)，引起自然條件下的相對應(yīng)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(biāo)，建立礦山巖溶塌陷預(yù)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo) 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(rèn)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(xué)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(biāo)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(shè)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(fù)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(yù)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(yù)測評判單元所對應(yīng)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)警系統(tǒng)的建立奠定基礎(chǔ)。

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