层次分析及GIS空间分析在矿山岩溶塌陷预测评估中的应用:以某大理石矿为例

龚华根，徐 芬，杨 辉

(1.江西省地矿资源勘查开发中心，江西 南昌 330030;2.江西省勘察设计研究院，江西 南昌 330030)

矿山岩溶塌陷预测评估作为矿山环境评价中重要的单环境问题评价之一，是矿山环境问题研究的一个重要环节[1]，如何科学合理的对矿山岩溶塌陷作出评价也是矿山环境研究的一个重大课题，也是矿山生态环境保护与恢复治理规划的基础[2]。

矿山岩溶塌陷预测评估一直是矿山地质环境保护与恢复治理中的重难点问题。目前，矿山地质环境保护与恢复治理中的矿山岩溶塌陷预测评估大部分采用定性描述或根据量化评价标准表进行半定量打分进行评价。然而，先进的GIS技术与科学的预测模型相结合，是对岩溶塌陷等进行定量预测的一种非常行之有效的办法[3]。因此，本文用此方法对某大理石矿岩溶塌陷进行预测评估。

1 矿区地质环境背景

矿区位于江西省中东部，矿种为大理石矿;开采方式为露天开采;矿区面积1.970 2 km2;开采标高为 +280～+508 m。矿区属亚热带东南季风性气候区，气候温和，四季分明，历年平均降雨量为1 728.5 mm。矿区地形变化不大，属浅切割的低山地形岩溶地貌区(见图1)。地形南低北高，中部高，东部及西部低。最高海拔 508.91 m，最低海拔 272.30 m[4]。

矿区内地层出露较简单，具体可见图2(三维地质图)。主要为藤田盆地发育的石炭系下统上部为大塘组(C1d)、石炭系中统黄龙组(C2h)、上统船山组(C3c)和第四系(Q)地层。矿区以单斜岩层为特征，地层总体走向为南北向，倾向250°～270°，倾角一般为 25°～35°之间。矿区内断裂构造不发育，未发现有断层分布[4]。

2 矿山岩溶塌陷机理分析

岩溶塌陷产生与否主要由自然因素所决定[5]，这些因素主要有覆盖层特征、岩溶发育程度和地下水活动。它们共同构成了影响岩溶塌陷的基本因素，也就是岩溶塌陷的内因，只要具备了塌陷的内因，岩溶塌陷就可能形成。而自然因素和人类活动的影响，主要起加速和引发作用，它们共同构成了影响岩溶塌陷的外因。岩溶塌陷机理分析见图3。

图1 地形地貌曲面图

图2 三维地质模型栅栏图

图3 岩溶塌陷机理分析

矿山开采导致岩溶塌陷的外因又具有其专属特点。矿山基建及开采过程中可能促进岩溶塌陷形成的活动主要有:抽排地下水、施工机械及车辆的荷载与振动、挖填土层使覆盖层变薄或增厚。矿山岩溶塌陷的发生主要是在覆盖型岩溶矿区浅部岩溶发育、第四系厚度较小的地段，当进行抽排水、荷载、振动等人类活动时，或改变了地下水的运动状态，水力坡度增大，使地下水潜蚀、淘空、搬运第四系土体及岩溶充填物的能力增强，或改变地下岩溶顶板应力状态，引起自然条件下的相对应力平衡遭到破坏，因而产生岩溶塌陷。

3 层次分析法确定权重

3.1 建立层次结构

通过对矿山岩溶塌陷的机理分析，选取地下水活动、覆盖层特征、岩溶发育程度和人类活动强度这四个方面，共6个评价指标，建立矿山岩溶塌陷预测评估层次结构。见图4。

图4 层次分析结构模型

3.2 构造判断矩阵

根据表 1 重要性标度含义表，对 C1、C2、C3、C4、C5、C6六个因子进行两两比较，得出重要性标度含义表，通过专家咨询、筛选、打分，确定每一层各个因子之间的相对重要性比值，并构造判断矩阵，见表2。

表1 重要性标度含义表

表2 判断矩阵

3.3 计算权向量

通过计算判断矩阵的权向量得出每一个指标及每一层次各个因子的权重。计算权向量有特征根法、和法、根法、幂法等，这里采用较为简便的和法。

3.4 一致性检验

表3 平均随机一致性指标 R.I.表 (1000次正互反矩阵计算结果)

经计算，λmax≈6.1，C.R.=0.016 ＜ 0.1。因此，认为判断矩阵的一致性是可以接受的。

各因子 权 重 为:Wi=[0.077，0.037，0.283，0.037，0.283，0.283]T。

图5 最低地下水位分区图

图6 岩溶率分区图

图7 下伏岩体岩性分区图

4 对各评价因子进行等级划分

依据层次分析法数学模型，根据专家评定及大量实例统计相结合，将矿区岩溶塌陷各评价因子进行量化分级。详见表4。

表4 岩溶塌陷各评价因子等级划分表

5 基于GIS对评估区内各评价因子进行分区

最低地下水水位分区:根据地形地貌及第四系覆盖情况，位于沟谷地形较为平缓的第四系覆盖区最低地下水水位一般位于基岩顶面上下，而地形较陡的山坡地区最低地下水位一般位于基岩顶面以下，赋存于地下岩溶通道、暗河及裂隙中。

岩溶率分区:根据储量核实报告中的钻孔数据、物探数据及地表溶蚀洼地、溶洞、落水洞等的分布进行圈定。

下伏岩体岩性分区:根据钻孔揭露的地层及区域地质构造进行划分。

第四系覆盖层厚度分区:根据钻孔揭露的第四系厚度及现场踏勘的结果进行划分。

抽排水影响范围分区:根据开采最低标高+280 m及含水层的展布、地下水流向进行划定，低于+280 m的区域及评估区东北侧大塘组隔水层等区域为影响较小区，再根据距离抽排水区域的距离进一步划分为500 m以内及500 m以外区域。

振动及荷载分区:根据矿山开发利用方案设计的开采范围及废石场、荒料场场址划定。

评估区内各评价因子分区结果见图5～图10。

图8 第四系覆盖层厚度分区图

图9 抽排水影响范围分区图

图10 振动及荷载分区图

6 对各评价因子分区图进行空间分析

利用MAPGIS空间分析功能，对评估区内各评价因子分区结果进行复合、求交、叠加运算，并对各评价因子的属性字段进行计算，确定各预测单元的隶属函数矩阵。按照隶属度最大原则，最大值则为该预测评判单元所对应的级别。

以上通过空间分析及编制程序自动完成，并将评判结果存到各预测单元的属性库中，最后根据计算结果，把相同隶属度的单元划分为同一级别，不同级别赋予不同颜色，得到某大理石矿岩溶塌陷易发性分区图。分区结果见图11。

图11 岩溶塌陷易发性分区图

7 结语

通过对上述预测评估结果的分析，并结合评估区地质环境条件及岩溶塌陷现状，可以确定:在自然条件下，矿区露采范围、荒料场内、北露采区北侧和东侧及南露采区南部的部分第四系覆盖较薄区域，由于受地下水位波动及矿山露采抽排水的影响，属于岩溶塌陷易发区;矿区范围周边其他受矿山露采抽排水和振动、荷载影响的区域，由于下伏岩体存在可溶岩体的分布，属于岩溶塌陷较易发区;其他区域由于受矿山开采影响较小、岩溶发育程度较低、局部地区不存在可溶岩体的分布，属于岩溶塌陷不易发区。

所建立的预测评估模型能反映矿山岩溶塌陷形成的一般规律，模型中的评价因子基本符合某大理石矿岩溶塌陷的实际情况，现场调查发现的两个已有岩溶塌陷点均位于岩溶塌陷的易发区。但评价因子的选取及级别的划分还有待今后进一步完善。本文所采用的评价方法高效、简洁，减少了人为因素在预测中的影响作用，且可视化程度较高、便于数据管理并不断完善，可以为矿山岩溶塌陷预警系统的建立奠定基础。

[1]武强，薛东，连会青.矿山环境评价方法综述[J].水文地质工程地质.2005，03:84-88.

[2]黄敬军，李向前，陆华.江苏省露采矿山地质环境综合评价研究[J].水文地质工程地质.2005，05:97-100.

[3]胡成，陈植华，丁国平，等.GIS技术在岩溶塌陷预测中的应用[J].桂林工学院学报.2000，20(02):117-119.

[4]李文臣，刘发荣，等.江西省永丰县石马镇上升矿区饰面大理石矿资源储量核实报告[R].中材地质工程勘查研究院.2012.

[5]宾红卫.层次因子综合预测法在岩溶地面塌陷地质灾害预测分析评估中的应用[J].西部探矿工程.2010，04:111-117.