陳菊艷，朱 斌，彭三曦，單慧媚

(桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006)

礦山地下開(kāi)采可緩解社會(huì)快速發(fā)展對(duì)資源的迫切需求，而礦區(qū)疏干排水人為地降低當(dāng)?shù)氐叵滤唬淖冊(cè)械牡叵滤畡?dòng)力條件，迫使覆蓋層的應(yīng)力分布發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致諸如塌陷、地面沉降和地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。然而，巖溶礦山疏干降水新引發(fā)的塌陷為礦坑涌水提供新的通道和途徑，增大礦坑涌水量，進(jìn)而迫使礦山加大排水力度，加速新塌陷的產(chǎn)生，從而形成惡性循環(huán)，加劇了礦山水害事故的發(fā)生[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)巖溶區(qū)面積占國(guó)土面積的1/3，達(dá)到346.4×104km2；我國(guó)采礦誘發(fā)巖溶塌陷造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，直接損失超過(guò)300億，引發(fā)2 000個(gè)塌陷坑以上，較大規(guī)模的超過(guò)180處，面積超過(guò)1 150 km2；凡口鉛鋅礦、馬坑鐵礦、中關(guān)鐵礦及水口山鉛鋅礦等更是塌陷的重災(zāi)區(qū)，如凡口鉛鋅礦的塌陷區(qū)損壞幾十萬(wàn)平方米農(nóng)田，破壞鐵路4km、公路1.5km，且塌陷還在繼續(xù)發(fā)生。因此，巖溶塌陷已經(jīng)成為礦山生產(chǎn)及水害防治不可回避的研究課題。

礦區(qū)的巖溶塌陷防治措施的制定，必須針對(duì)礦山特殊的水文地質(zhì)特征，從機(jī)理研究巖溶塌陷的發(fā)生過(guò)程，以得到最實(shí)用的防治依據(jù)。巖溶塌陷是水-土-巖-氣與環(huán)境相互作用產(chǎn)生的，其機(jī)制的根本原因在于塌陷體受到的致塌力超過(guò)其抗塌力，從而造成塌陷體失穩(wěn)。塌陷體的抗塌力決定因素有抗剪力、內(nèi)聚力、水浮力和與周邊的摩擦程度等；致塌力除自身重量外，更易于受外部環(huán)境決定，其影響因素有地下水滲透力、震動(dòng)液化及空氣正負(fù)壓力等[5-7]。因此，巖溶塌陷主要是在荷載、重力、潛蝕、沖爆、溶蝕及真空吸蝕等多重作用效應(yīng)下孕育-發(fā)展-產(chǎn)生的，是一個(gè)非線性的動(dòng)力現(xiàn)象。早期巖溶塌陷評(píng)價(jià)方法主要有經(jīng)驗(yàn)值法、統(tǒng)計(jì)學(xué)法、多元回歸法等，但這僅進(jìn)行定性描述；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論法、模糊貼近度法及GIS技術(shù)等定量、半定量方法得到廣泛應(yīng)用，取得了顯著效果[8-14]。然而，巖溶塌陷具有多因素性、模糊性及隱蔽性，影響因素復(fù)雜繁多且無(wú)界限值，各因素間又具明顯的空間實(shí)效性，難以用準(zhǔn)確數(shù)學(xué)方法進(jìn)行定量表示，而且定量描述所需的大量參數(shù)數(shù)據(jù)難以獲取[15-19]，因此，結(jié)合GIS技術(shù)的半定量層次分析法在解決多源信息融合的問(wèn)題時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

層次分析法(The analytic hierarchy process，簡(jiǎn)稱AHP)能夠更加科學(xué)的得出各地質(zhì)因素對(duì)巖溶塌陷發(fā)生的貢獻(xiàn)權(quán)重，有效地融合了各影響因子的多源信息，達(dá)到快速高效地解決實(shí)際問(wèn)題，在我國(guó)巖溶區(qū)的塌陷防治中得到廣泛應(yīng)用。李飛飛[20]等選取6個(gè)巖溶塌陷的主控因素，構(gòu)建東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)的巖溶發(fā)育分區(qū)評(píng)價(jià)模型，取得良好效果；何書(shū)[21]等參考大量實(shí)例及專家意見(jiàn)，構(gòu)建模型并在武山銅礦區(qū)上屋周地段得到驗(yàn)證；吳福[22]等、江思義[23]等、馮佐海[24]等通過(guò)歸納桂林地區(qū)巖溶發(fā)育特征及影響因子，采用專家-層次分析法評(píng)估巖溶塌陷易發(fā)區(qū)，有益地指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐膸r溶塌陷防治；涂靖等[25]、李喜[26]等借助層次分析法，評(píng)價(jià)了武漢主要城區(qū)的巖溶塌陷易發(fā)區(qū)，為武漢制定巖溶塌陷的防治措施奠定了基礎(chǔ)；肖諄[27]等、張生海[28]等利用層次分析法，分布建立的湖南省臨武縣黃壽村和山東省膠東半島中北部棲霞中橋地區(qū)的巖溶塌陷模型與實(shí)際情況基本吻合，應(yīng)用性很強(qiáng)。

本文針對(duì)貴州林歹礦區(qū)的巖溶塌陷問(wèn)題，在深入分析礦區(qū)水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，參考前人經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范，通過(guò)專家打分法篩選巖溶發(fā)育條件B1(巖溶發(fā)育程度C1、地質(zhì)構(gòu)造C2)、覆蓋層條件B2(第四系土層厚度C3、第四系土層結(jié)構(gòu)C4)和地下水動(dòng)力條件B3(地下水波動(dòng)幅度C5、地下水與基巖面關(guān)系C6、地下水疏干程度C7)3個(gè)條件共計(jì)7個(gè)影響因子作為影響因子，利用層次分析法建立判別矩陣并進(jìn)行權(quán)重賦值，繼而利用GIS(Geographic Information System)的空間疊加技術(shù)構(gòu)建礦區(qū)巖溶塌陷易發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)模型，并根據(jù)礦區(qū)塌陷現(xiàn)狀驗(yàn)證模型的精確度。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的水動(dòng)力條件，預(yù)測(cè)礦區(qū)地下延伸開(kāi)采至1 040 m中段時(shí)，礦層隔水底板是否遭受破壞兩種狀況下的塌陷易發(fā)區(qū)，為礦山的巖溶塌陷防治提供依據(jù)，同時(shí)力爭(zhēng)為礦山水害防治探索一種新方法，為類似礦山建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬貴州省清鎮(zhèn)市站街鎮(zhèn)，位于清鎮(zhèn)市北17 km清畢公路中途站，距貴陽(yáng)市約46 km，交通便利，詳見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographic location of study area

貴州林歹鋁土礦區(qū)處于三面環(huán)山，開(kāi)口向北的狹長(zhǎng)槽谷中，一般標(biāo)高1 220～1 450 m，地形為淺切割中低山區(qū)，西側(cè)有匯水面積約5.04 km2的薩拉河，東側(cè)有燕龍河，屬巖溶充水礦床。礦區(qū)位于站街倒轉(zhuǎn)向斜東翼，地層從老至新依次為寒武系金頂山組(∈1j)和清虛洞-高臺(tái)組(∈1q+∈2g)、石炭系九架爐組(C1j)和擺佐組(C1b)、二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)、棲霞-茅口組(P1q+P1m)和龍?zhí)督M、長(zhǎng)興組及大隆組(P2l+P2c+P2d)、三疊系大冶組(T1d)，第四系散布于各地層上。構(gòu)造為南北走向的單斜構(gòu)造，傾角約70°，鋁土礦產(chǎn)于石炭系九架爐組(C1j)、上覆擺佐組(C1b)灰?guī)r及白云巖中。

礦山為開(kāi)采十多年的老礦山，采用中央豎井開(kāi)拓方案，中段高度50 m，共設(shè)7個(gè)生產(chǎn)中段，開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生具有規(guī)模的塌陷24個(gè)?，F(xiàn)階段已開(kāi)拓1 332 m、1 290 m、1 240 m、1 190 m四個(gè)中段。1988年豎井下掘至1 190 m中段馬頭門時(shí)，發(fā)生巖溶突水淹井，經(jīng)堵水未成功，使用砼止水墊封堵豎井后，采用盲斜井方案開(kāi)拓1 190 m中段。經(jīng)研究，礦山?jīng)Q定采用延伸現(xiàn)有盲斜井開(kāi)拓方案開(kāi)采1 190 m以下3個(gè)中段的鋁礦資源[29]。隨著開(kāi)采深度的延伸，礦層底板是能承受住棲霞-茅口組(P1q+P1m)強(qiáng)含水層的水壓力，將是礦區(qū)巖溶塌陷問(wèn)題和水害防治最為關(guān)注的問(wèn)題。礦區(qū)地下水流場(chǎng)詳見(jiàn)圖2。

圖2 林歹礦區(qū)地下水流向示意圖Fig.2 Diagram of groundwater flow in Lindai mining area

2 塌陷易發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)

層次分析法在建立不同目標(biāo)層的基礎(chǔ)上，進(jìn)行各因子的權(quán)重賦值并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，明確各評(píng)估因子對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重[30]。綜合分析礦區(qū)地質(zhì)條件特征，歸納致塌因素為3大條件7個(gè)因子，分述如下：(1)基礎(chǔ)地質(zhì)條件(B1)，包括巖溶發(fā)育程度(C1)和地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度(C2)；(2)第四系覆蓋層特征(B2)，包括土層厚度(C3)和土層結(jié)構(gòu)(C4)；(3)地下水動(dòng)力條件(B3)，包括地下水位波動(dòng)幅度(C5)、地下水位與基巖面關(guān)系(C6)以及地下水疏干程度(C7)。巖溶塌陷評(píng)價(jià)模型采用一元多項(xiàng)式，根據(jù)塌陷易發(fā)程度判別矩陣，建立7個(gè)因子的量化數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而通過(guò)AHP確立各因子的權(quán)重，并按各影響因子對(duì)塌陷的作用進(jìn)行等級(jí)劃分，給出歸一化指標(biāo)，最后將各因子按權(quán)重進(jìn)行疊加。研究區(qū)的評(píng)價(jià)模型公式見(jiàn)公式1，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系示意圖詳見(jiàn)圖3。

巖溶塌陷易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果H表達(dá)式為：

H=A1*X1+A2*X2+…+Ai*Xi.

(1)

式中，Xi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)，Ai為權(quán)重。

圖3 礦區(qū)塌陷評(píng)價(jià)體系示意圖Fig.3 Sketch map of subsidence evaluation system in mining area

(1)評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定

1)判別矩陣的建立

層次分析法首先需要建立判別矩陣，對(duì)兩兩因素的相對(duì)重要性進(jìn)行量化，以確定評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，其次確定權(quán)重指標(biāo)，接著通過(guò)因子層對(duì)條件層以及條件層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重乘積即可得出各評(píng)價(jià)因子對(duì)目標(biāo)層的最終權(quán)重，最后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[31-32]。

針對(duì)礦區(qū)地質(zhì)特征及開(kāi)采疏干現(xiàn)狀，歸納各評(píng)價(jià)因子的相對(duì)重要性，得出條件層(B)對(duì)目標(biāo)層(A)的判別矩陣如表1所示；因子層(C)對(duì)條件層(B)的判別矩陣如表2～表4所示：

表1 條件層B對(duì)目標(biāo)層A的判別矩陣Table 1 The discriminant matrix of the conditional layer B to the target layer A

表2 因子層C對(duì)巖溶發(fā)育條件B1的判別矩陣Table 2 The discriminant matrix of factor layer C to karst development condition B1B1巖溶發(fā)育程度C1距斷裂的距離C2巖溶發(fā)育程度C113距斷裂的距離C21/31表3 因子層C對(duì)覆蓋層條件B2的判別矩陣Table 3 The discriminant matrix of factor layer C to cover layer condition B2B2第四系土層厚度C3第四系土層結(jié)構(gòu)C4第四系土層厚度C313第四系土層結(jié)構(gòu)C41/31

表4 因子層C對(duì)水動(dòng)力條件B3的判別矩陣Table 4 The discriminant matrix of factor layer C to hydrodynamic conditions B3

綜合以上判別矩陣，應(yīng)用層次分析法，可得到各影響因子對(duì)目標(biāo)層的最終權(quán)重，如圖4所示。

圖4 礦區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性權(quán)重分析示意圖Fig.4 Schematic diagram of weight analysis of karst collapse susceptibility in mining area

因此，可得模型的評(píng)價(jià)結(jié)果H如式(2)所示：

H=0.239 7*C1+0.079 9*C2+0.030 5*C3+0.091 5*C4+0.180 6*C5
+0.049 7*C6+0.328 1*C7.

(2)

可知，地下水疏干程度對(duì)礦區(qū)的巖溶塌陷影響最大。

2)一致性檢驗(yàn)

判斷因子的一致性檢驗(yàn)是判斷特征向量的特征值能否作為比較因子的權(quán)向量的有效手段，也是評(píng)估判斷矩陣有效性的關(guān)鍵。通常用一致性比率CR判斷矩陣的一致性是否在精度范圍之內(nèi)[33]，如下式所示：

(3)

RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值如表5所示。

表5 隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 5 Index of random consistency

通過(guò)計(jì)算可得，判別矩陣表2～表4的最大特征根λm分別為3.02、2.0、2.0和3.01，一致性比率分別為0.017 6、0.0、0.0和0.008 8，判斷矩陣的一致性比率均遠(yuǎn)小于0.1，因此，判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)，可用式(2)評(píng)價(jià)礦區(qū)的塌陷易發(fā)區(qū)。

(2)平均因子賦值

各因子對(duì)塌陷的觸發(fā)作用程度不同。為統(tǒng)一各觸發(fā)因素和空間分析，以1～10來(lái)表征7個(gè)相應(yīng)因子的影響程度，值越大，對(duì)塌陷的影響就越大，分述如下：

1)巖溶發(fā)育程度

巖溶發(fā)育程度反映礦區(qū)基巖的巖溶發(fā)育現(xiàn)狀和類型，巖溶發(fā)育程度和類型對(duì)礦區(qū)巖溶塌陷的發(fā)育和發(fā)展具有控制性影響。按照礦區(qū)基巖的巖溶發(fā)育程度分別分為強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū)、中等巖溶發(fā)育區(qū)、弱巖溶發(fā)育區(qū)，賦值分別為10、7、3，賦值如表6所示。

2)地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造會(huì)切斷基巖，增強(qiáng)礦區(qū)的導(dǎo)水能力，使巖溶水沿構(gòu)造貫通，有利于巖溶的發(fā)育與形成。本次工作將礦區(qū)的構(gòu)造進(jìn)行緩沖區(qū)分析，把斷裂影響帶50 m內(nèi)劃分為高影響區(qū)，賦值為10，50～100 m范圍為中等影響區(qū)，賦值為5，賦值如表7所示。

表6 巖溶發(fā)育程度因子賦值表Table 6 Evaluation table of karst development degree factor巖溶發(fā)育程度影響程度賦值強(qiáng)發(fā)育區(qū)高影響區(qū)10中等發(fā)育區(qū)中影響區(qū)7弱-中等發(fā)育區(qū)低影響區(qū)3非巖溶區(qū)無(wú)影響區(qū)0表7 斷層因子賦值表Table 7 Table of fault factor assignment距斷層距離/m影響程度賦值0-50高影響區(qū)1050-100中影響區(qū)5>100低影響區(qū)0

3)第四系土層厚度

第四系土層厚度越薄對(duì)巖溶塌陷的發(fā)生影響越嚴(yán)重，本次工作將土層厚度0～10 m區(qū)域劃為高影響區(qū)，賦值10，厚度10～20 m的劃分為中影響區(qū)，賦值5，厚度>20 m的劃為低影響區(qū)，賦值1，賦值如表8所示。

4)第四系土層結(jié)構(gòu)

第四系土層結(jié)構(gòu)的不同組成會(huì)對(duì)巖溶塌陷產(chǎn)生不同影響，正常情況下，二元結(jié)構(gòu)的土層最容易發(fā)生巖溶塌陷，本次工作將二元結(jié)構(gòu)土層賦值10，一元結(jié)構(gòu)土層為7，多元結(jié)構(gòu)為1，賦值如表9所示。

表8 第四系土層厚度賦值表Table 8 Table of the thickness assignment of Quaternary soil layer第四系土層厚度/m影響程度賦值0-10高影響區(qū)1010-20中影響區(qū)5>20低影響區(qū)1表9 第四系土層結(jié)構(gòu)賦值表Table 9 Assignment table of Quaternary soil layer structure第四系土層結(jié)構(gòu)影響程度賦值二元結(jié)構(gòu)高影響區(qū)10一元結(jié)構(gòu)中影響區(qū)7多元結(jié)構(gòu)低影響區(qū)1

5)地下水位波動(dòng)幅度

礦區(qū)在大氣降水和采礦疏干的影響下，不同巖層的地下水位波動(dòng)幅度不一，一般地下水波動(dòng)幅度越大區(qū)域，對(duì)巖溶塌陷的影響權(quán)重就越大。本次工作將水位波動(dòng)幅度>8 m/a的地區(qū)劃分為高影響區(qū)，賦值10，3～8 m/a的為中等影響區(qū)，賦值5，<3 m/a的為低影響區(qū)，賦值1，賦值如表10所示。

表10 水位波動(dòng)幅度賦值表Table 10 Valuation table of fluctuation amplitude of water lever地下水位波動(dòng)幅度/(m·a-1)影響程度賦值>8高影響區(qū)103～8中影響區(qū)5<3低影響區(qū)1表11 地下水位與基巖面的關(guān)系賦值表Table 11 Valuation table of relationship between groundwater lever and bedrock surface地下水與基巖面的關(guān)系影響程度賦值基巖面附近高影響區(qū)10基巖面以下中影響區(qū)5基巖面以上低影響區(qū)3

6)地下水與基巖面的關(guān)系

正常情況下，地下水位在基巖面上下波動(dòng)，最易發(fā)生巖溶塌陷。本次工作將地下水位在基巖面附近3～10 m波動(dòng)的區(qū)域定為高影響區(qū)，賦值10，將地下水位在基巖面以下10 m的區(qū)域定為中影響區(qū)，賦值5，地下水位在基巖面以上的區(qū)域定為低影響區(qū)，賦值3，賦值如表11所示。

7)地下水疏干程度

地下水的活動(dòng)顯著地誘發(fā)巖溶塌陷的發(fā)生，礦區(qū)采礦疏干改變了地下水的天然流場(chǎng)，對(duì)礦區(qū)巖溶塌陷的發(fā)生有重要的作用，本次工作結(jié)合礦區(qū)疏干排水的特點(diǎn)和疏干漏斗影響范圍的大小，將疏干漏斗中心200 m范圍的區(qū)域劃分為高影響區(qū)，賦值為10；200～500 m劃分為中影響區(qū)，賦值為7 500 m～漏斗邊緣為低影響區(qū)，賦值為3，賦值如表12所示。

表12 地下水開(kāi)采程度賦值表Table 12 Evaluation table of groundwater exploitation degree

(3)塌陷易發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)

GIS具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理能力[34]，可對(duì)各影響因子的權(quán)重進(jìn)行疊加并處理。因此，本文在AHP的基礎(chǔ)上使用GIS預(yù)測(cè)研究區(qū)的塌陷易發(fā)程度。

為更好地描述二疊系梁山組(P1l)與石炭系擺佐組(C1b)組合的巖體阻隔水作用，本研究用礦層底板未發(fā)生破壞時(shí)的地下水疏干程度(C7)單因子圖表示其阻水效果，詳見(jiàn)圖5；依據(jù)模型評(píng)價(jià)結(jié)果H，利用GIS技術(shù)綜合評(píng)估林歹礦區(qū)巖溶塌陷易發(fā)區(qū)，并與已知塌陷點(diǎn)進(jìn)行比較，得出礦區(qū)巖溶塌陷易發(fā)區(qū)，詳見(jiàn)圖6。

圖5 阻水邊界隔水效果示意圖 圖6 礦山開(kāi)采現(xiàn)狀巖溶塌陷易發(fā)區(qū)圖Fig.5 Schematic diagram of water blocking effect on water resisting boundary Fig.6 Karst collapse prone area map at mining present situation

由圖5可知，因阻水邊界的隔水作用，疏干范圍呈橢圓展布，橢圓長(zhǎng)軸沿地層走向；疏干橢圓的范圍在阻水邊界部位被邊界切除。

由圖6分析可知，1)礦區(qū)的24個(gè)已知塌陷點(diǎn)，有21個(gè)處于塌陷易發(fā)區(qū)范圍，占87.5%，3個(gè)處于不穩(wěn)定區(qū)范圍，占12.5%；2)疏干范圍以采礦巷道為中心(CK106附近)，呈近南北向展布的西邊缺失橢圓形，表明疏干范圍未穿過(guò)阻水邊界，疏干橢圓向南北及東部擴(kuò)展；3)阻水邊界西部塌陷易發(fā)區(qū)占覆蓋層的7.37%，包含5個(gè)已知塌陷點(diǎn)，主要為自身天然水文地質(zhì)條件決定；阻水邊界東部塌陷易發(fā)區(qū)占23.5%，包含16個(gè)已知塌陷點(diǎn)，主要由礦山疏干與自身水文地質(zhì)條件共同作用產(chǎn)生的；4)塌陷范圍向東擴(kuò)展未觸及燕龍河，巖溶塌陷不會(huì)引起燕龍河河水倒灌。因此，基于AHP和GIS的塌陷易發(fā)區(qū)劃分與礦山實(shí)際基本一致，所建模型具有較高的準(zhǔn)確度，用來(lái)指導(dǎo)礦山建設(shè)是可行的。

3 延伸開(kāi)采時(shí)易發(fā)區(qū)預(yù)測(cè)

按礦山前期規(guī)劃，礦山將延伸現(xiàn)有盲斜井至最低開(kāi)采中段1 040 m中段，疏干深度將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加深150 m，地下水流場(chǎng)和疏干范圍將發(fā)生極大的變化，同時(shí)棲霞-茅口組(P1q+P1m)巖溶含水層的水壓力會(huì)增加1.5 MPa，這將對(duì)二疊系梁山組(P1l)與石炭系擺佐組(C1b)組成的隔水巖體的隔水能力產(chǎn)生極大的挑戰(zhàn)。本文以已建好的預(yù)測(cè)模型為依據(jù)，分別預(yù)測(cè)礦層隔水底板仍具有隔水能力和隔水底板失效2種情況下，預(yù)測(cè)礦區(qū)延伸開(kāi)采時(shí)的巖溶塌陷易發(fā)區(qū)，力爭(zhēng)為礦山的巖溶塌陷防治工作和延伸開(kāi)采防治水工作起到指導(dǎo)作用。

針對(duì)礦區(qū)延伸開(kāi)采至1 040 m開(kāi)采中段時(shí)的水文地質(zhì)條件變化趨勢(shì)，結(jié)合AHP和GIS技術(shù)，可得礦區(qū)延伸開(kāi)采時(shí)隔水底板未發(fā)生破壞時(shí)和發(fā)生破壞時(shí)2種情況的礦區(qū)巖溶易發(fā)區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果，分別如圖7和圖8所示。

圖7 隔水底板未破壞時(shí)的易發(fā)區(qū) 圖8 隔水底板破壞時(shí)的易發(fā)區(qū)Fig.7 Prone zone when the water separation plate is not damaged Fig.8 Prone zone when the water separation plate is broken

從圖7可知，礦山延伸開(kāi)采后，在隔水底板仍具有隔水性能的條件下，塌陷易發(fā)區(qū)有如下特征：1)礦區(qū)塌陷易發(fā)區(qū)范圍占覆蓋層面積53.2%，受阻水邊界作用，疏干橢圓未穿過(guò)邊界，邊界東部未受疏干影響；2)塌陷易發(fā)區(qū)基本包含阻水邊界以東，燕龍河以西的全部第四系范圍；3)塌陷易發(fā)區(qū)已觸及燕龍河，觸及部位達(dá)3個(gè)地段；燕龍河的河水將可能倒灌進(jìn)入塌陷區(qū)，涌向礦坑，存在潛在的礦坑突水威脅。

從圖8可知，在隔水底板遭受破壞條件下，礦區(qū)塌陷易發(fā)區(qū)有如下特征：1)礦區(qū)疏干范圍以CK106正東方向約100 m為圓心，呈近圓形展布，易發(fā)區(qū)范圍占覆蓋層面積的62.8%；2)疏干范圍越過(guò)阻水邊界，塌陷易發(fā)區(qū)觸及薩拉河長(zhǎng)達(dá)380 m；阻水邊界以東，塌陷易發(fā)區(qū)剛觸及到燕龍河，疏干范圍稍有縮減，形狀也有所變化，變?yōu)榻鼒A形；3)塌陷易發(fā)區(qū)已擴(kuò)展到阻水邊界西側(cè)的礦區(qū)辦公樓、宿舍、電影院、籃球場(chǎng)、游泳池、空壓機(jī)房等建筑物，危及礦山生產(chǎn)和人員安全，且難以進(jìn)行有效防治。因此，塌陷易發(fā)區(qū)擴(kuò)展至巖溶強(qiáng)發(fā)育的棲霞-茅口組(P1q+P1m)富含水層，并觸及到薩拉河，可能會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的水害事故。

礦山在延伸開(kāi)采時(shí)，隔水底板的有效保護(hù)將是礦山有效運(yùn)行的關(guān)鍵因素。底板破壞的主要危害有：1)巖溶塌陷易發(fā)區(qū)將涵蓋礦區(qū)辦公樓、宿舍及空壓機(jī)房等建筑物，可能使建筑物沉降、傾向甚至倒塌，危害礦山生產(chǎn)和人員安全；2)棲霞-茅口組(P1q+P1m)巖溶水將直接涌入礦坑，增加礦坑突水危險(xiǎn)，增加礦山防治水難度；3)阻水邊界西側(cè)的新塌陷坑將為大氣降雨及薩拉河水倒灌提供了新的礦坑突水通道。這些危害將給礦山帶來(lái)不可挽回的損失，即使投入巨資也難以進(jìn)行有效防治，因此，礦山進(jìn)行延伸開(kāi)采時(shí)，首要任務(wù)是防止隔水底板遭受破壞，這也將是礦山有效生產(chǎn)的關(guān)鍵。

目前，礦區(qū)巖溶塌陷的防治措施有兩步：第一步是塌陷發(fā)生前防治，主要為總體布局，盡量把建筑物修建在穩(wěn)定區(qū)；建立地面塌陷監(jiān)測(cè)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)地面沉降、開(kāi)裂及塌陷的情況，總結(jié)礦山塌陷規(guī)律，為塌陷的進(jìn)一步防治提供依據(jù)。第二步是塌陷發(fā)生后的防治，主要為塌洞的回填，分為普通回填和清基回填、修建截水溝和帷幕灌漿等方法。

4 結(jié)論與建議

利用層次分析法確定7個(gè)致塌因子并賦值，結(jié)合GIS技術(shù)，建立礦區(qū)目前開(kāi)采疏干條件下的評(píng)價(jià)模型；在此基礎(chǔ)上，分別預(yù)測(cè)礦山延伸開(kāi)采時(shí)，隔水底板是否遭受破壞兩種條件下的塌陷易發(fā)區(qū)，主要結(jié)論如下：

(1)礦區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性可用公式：H=0.239 7*C1+0.079 9*C2+0.030 5*C3+0.091 5*C4+0.180 6*C5+0.049 7*C6+0.328 1*C7進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確度較高。由此可知，地下水疏干程度對(duì)塌陷的發(fā)生促進(jìn)作用最大，權(quán)重為0.3281。

(2)在目前的礦山開(kāi)采條件下，塌陷易發(fā)區(qū)主要特征為：1)礦區(qū)的24個(gè)已知塌陷點(diǎn)，有21個(gè)處于塌陷易發(fā)區(qū)范圍，占87.5%；3個(gè)處于不穩(wěn)定區(qū)范圍，占12.5%；2)在阻水邊界的作用下，疏干漏斗呈橢圓狀，長(zhǎng)軸沿南北向，阻水邊界切除疏干橢圓西半側(cè)；3)阻水邊界西部塌陷易發(fā)區(qū)面積占覆蓋層的7.37%，東部的占23.5%，塌陷范圍未觸及燕龍河。

(3)礦山延伸開(kāi)采時(shí)，隔水底板未受破壞條件下，主要特征為：1)塌陷易發(fā)區(qū)范圍占覆蓋層的53.2%，基本涵蓋阻水邊界以東、燕龍河以西的第四系覆蓋層；2)塌陷易發(fā)區(qū)向東擴(kuò)展觸及燕龍河3個(gè)地段，存在河水倒灌涌入礦坑風(fēng)險(xiǎn)。

(4)礦山延伸開(kāi)采時(shí)，隔水底板遭受破壞條件下，主要特征為：1)疏干漏斗位于CK106正東約100 m位置，呈近圓形展布，塌陷易發(fā)區(qū)范圍占覆蓋層面積62.8%；2)塌陷易發(fā)區(qū)剛好觸及燕龍河，而觸及薩拉河長(zhǎng)度達(dá)380 m，嚴(yán)重威脅礦坑安全生產(chǎn)；3)塌陷易發(fā)區(qū)已擴(kuò)展至阻水邊界西側(cè)的礦區(qū)辦公樓、宿舍、空壓機(jī)房等建筑物，威脅礦山生產(chǎn)和人員安全。

(5)礦區(qū)巖溶塌陷的防治措施分為塌前防治和塌后防治。塌前防治有總體布局和建立地面塌陷監(jiān)測(cè)網(wǎng)等方法；塌后防治有塌洞的回填、修建截水溝和帷幕灌漿等方法。

綜上所述，礦山延伸開(kāi)采時(shí)，礦層隔水底板遭受破壞將給礦山帶來(lái)災(zāi)難性的后果，因此，保護(hù)隔水底板的有效隔水性能將成為礦區(qū)巖溶塌陷和水害防治的重要課題。本研究可為貴州林歹鋁土礦區(qū)巖溶塌陷防治提供理論依據(jù)，也為礦山水害防治提供一種新方法，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。

文中對(duì)巖溶塌陷的形成機(jī)理僅進(jìn)行宏觀把控，未深入研究塌陷從孕育-發(fā)展-發(fā)生過(guò)程中的微觀力學(xué)變化。微觀層面的力學(xué)研究將有助于驗(yàn)證影響因子的權(quán)重，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度，以后的相關(guān)研究可進(jìn)行深入分析。