黄土高原采煤塌陷区村落搬迁选址的地理适宜度评价

汤静雅，杨志强，芦家欣

（1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安710061；2.西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西 西安710054）

0 引 言

西部黄土高原及其过渡地带是我国主要的煤炭生产基地之一，地表沟壑纵横，地貌复杂多变，水资源匮乏，人居生态环境本身较为脆弱，在大规模的地下采煤导致的沉陷变形影响下，地表建（构）筑物不可避免地会产生破坏，严重危及到采煤沉陷区内建筑物的安全和居民的正常生活［1-4］。目前，在村（镇）居民区下实现安全采煤的途径主要包括充填开采、条带开采、建筑加固等方式［5-6］。由于黄土高原自然村落多零星散布在矿区各处，且多为建筑强度较低的窑洞或砖瓦房屋，上述安全采煤方式会使生产成本、作业效率和资源利用率均大幅降低。因此，当前解决村落区煤炭开采问题大多采用村庄搬迁的方式，即在开采之前将村落搬迁到规划的区域集中安置，并在地下煤层中留设一定范围的保护煤柱，以确保新选址区的安全。

对于黄土高原采煤沉陷区村落搬迁的选址评价问题，涉及采矿、地理、地质、人文、规划等多学科理论，目前还没有普适性的评价模型与方法。文中以陕西某煤矿开采沉陷区村落搬迁为实例模型，根据煤矿工作面布设计划和开采沉陷预计理论，确定村落搬迁区范围和迁址区保护煤柱的大小，采用运筹学的层次分析法、模糊综合评价法，结合特尔菲法，确定矿区村落地貌条件、水文状况、交通条件、劳作范围等多个影响因子的权重模型，形成综合评价指标体系［7-9］。基于 ArcGIS软件平台，定量地分析出沉陷区村落搬迁选址区的地理环境适宜度［10-12］，为西部黄土高原矿区村庄下压煤的安全开采提供技术支持。

1 采煤沉陷区村落迁址评价方法

西部矿井多采用走向长壁工作面顶板全部垮落法开采。按照矿井生产设计要求，每年布设数个长壁工作面有计划地进行回采，在地表逐渐形成由小到大的沉陷区域，而沉陷区内的村落建筑也会不断破坏。因此，在地下工作面计划回采之前，必须先将地面沉陷区域内的村落实施搬迁，新的搬迁选址区评价工作流程包括：制定开采工作面计划、预计地表沉陷范围、确定搬迁村落面积、确定选址区大小、选址区地理环境评价建模、选址区适宜度分析、适宜迁址区的确定。

1. 1 开采沉陷范围预计与迁址区面积确定

每一个长壁工作面开采后地表一般会形成沉陷盆地，地表沉陷变形的大小可依据开采沉陷预计理论进行预计分析。现有开采沉陷预计方法可分为影响函数法，剖面函数法，数值分析法和力学分析法等［13-19］。在我国，基于随机介质理论的概率积分法应用最为普遍［20-24］，该法较精确合理地描述了地表沉陷盆地的分布形态，具有理论严密及便于编程计算等优点。针对黄土高原矿区的特点，文献［25］利用随机介质理论原理，将地表沉陷视为基岩面不均匀沉降在土层中传播影响至地表的结果，导出概率积分法分层预计模型，并编制了专门的预计程序。实践表明，只要按矿区具体地质采矿条件选用合适的预计参数，上述模型完全能满足黄土高原矿区开采沉陷预计和村落搬迁工作的要求。

在多个相邻工作面开采后，工作面之间的间隔煤柱由于宽度仅为10～20 m左右，在覆岩移动过程中会失去煤柱支撑作用，使地表形成整体性的沉陷盆地。按照上述概率积分法分层预计模型对各个计划的回采工作面开采沉陷变形进行预计。计算工作在专门开发的开采沉陷预计软件平台上完成。在ArcGIS中对各个工作面开采后的地表下沉和变形值，分别予以叠加并进行可视化表达［26-28］。根据开采沉陷理论，按照地表下沉量小于10 mm来划定地表沉陷区范围。显然，沉陷区范围是按年度不断增加的，沉陷区内的村落面积也会逐年增加，根据计划年限可以确定搬迁村落的总面积。在此基础上，根据塌陷区村落建筑面积、相关搬迁安置政策和村镇规划原理来确定迁址区的规划面积。

1. 2 迁址区地理适宜度评价模型

针对黄土高原村落的地理环境复杂多变且影响因子众多的特点，文中选择运筹学中的AHP法，来构建黄土矿区村落迁址区的地理适宜度评价模型。利用AHP法将定量分析与定性分析相结合，进行黄土矿区村落搬迁选址评价，用专家经验给出自然地理指标和社会经济指标在某一标准体系下的相对重要程度，并有效地计算出各个影响因子对应的权重值，构建地理适宜度评价模型［29-30］。

在黄土高原开采沉陷区村落迁址的评价中，利用AHP法进行黄土高原沉陷区村落迁址的地理环境适宜性评价，将决策目标、考虑因素和决策对象按其相互关系分为3个层次，其结构模型如图1所示，包括目标层、准则层、方案层。文中利用图1所示的模型进行黄土矿区村落迁址的综合评价。

图1 村落迁址地理适宜度评价结构模型Fig.1 Structuralmodel for evaluating the geographical suitability of village relocation

1. 3 地理适宜度评价因子及评分依据

针对黄土高原采煤沉陷区村落迁址问题，评价目标为本矿区覆盖范围，首先要避开预计的开采沉陷区，以及不适宜居住建房的滩涂地、湿陷性黄土区、滑坡风险区等地质条件恶劣和灾害易发区。选址区地理适宜度评价的影响因子可分为2类：自然地理指标和社会经济指标，细分为6个主要影响因子［31］，见表 1.

地面坡度很大程度上影响居民点布局、土建费用和土地利用效率等，是影响选址区地理适宜度的重要因子；坡向影响选址区日照时长、太阳辐射强度、建筑朝向和通风条件等宜居环境；水源是影响农村居民生活用水和农业灌溉的重要因素，其中地下水位高低对村民打井用水的便利性至关重要；地表水系对农业生产有重要影响，但黄土高原矿区水系的流域面积一般较小；迁址区距离交通干道的远近直接影响搬迁配套费用和村民日常生活便利程度；沉陷区村落实施搬迁后，其农田仍然位于原址，因此选址区距离搬迁区的距离（即村民劳作半径）是影响村民生产、生活便利性的重要因素。对上述二级影响因子使用专家打分法和现场调查法进行定级和打分。设置3个等级，对应分值为20分、15分，10分。各二级影响因子评分依据及分值见表2.

表1 地理适宜度评价的影响因子Table 1 Influential factors of geographical suitability evaluation

表2 影响因子的评分依据及分值Table 2 Basis and score of influential factor

1. 4 选址区地理适宜度评价方法

按照层次分析法进行选址区地理适宜度评价。首先建立各级指标间的相对重要关系矩阵A如下。

式中aij反映了两因子之间的相对重要关系，满足aij＞0，aji=1／aij，aii=1.

为确保各因子之间的相对重要关系对比结果的一致性，通过计算矩阵A的随机一致性比率C. R. 来判断相对重要性是否一致。其计算方法如下

式中 C. I. 为矩阵一致性指标；λmax为矩阵A的最大特征值；n为影响因子的数量；R. I. 为矩阵平均随机一致性指标，可根据矩阵阶数在量表中查询。按式（3）对矩阵的随机一致性比率进行判断，依据如下

计算矩阵A的最大特征值λmax及其对应的特征向量 B=［b1，b2，…，bn］，并对向量 B做归一化处理，即求得各因子的权重向量W=［W1，W2，…，Wn］.

针对黄土高原采煤沉陷区村落选址的实际情况，确定自然地理一级指标的相对权重为0. 60，社会经济一级指标的相对权重0. 40. 评价模型中自然地理及社会经济指标下的各二级指标间的相对重要关系见表3及表4.

表3 自然地理各二级指标间的相对重要关系Table 3 Relative im portance of the secondary indicators of physical geography

表4 社会经济各二级指标间的相对重要关系Table 4 Relative im portance of the secondary indicators of social economy

由上述分析可知，各指标间保持较好的相对一致性。采用上述方法计算出自然地理和社会经济中各二级指标（因子）的权重向量及对应的权重值，见表5.

针对评价区任意一个地理单元，根据表2的评分标准及表5所对应的影响因子权重值，加权计算出各单元的综合评价分值，通过GIS的叠加分析生成煤矿迁址区地理适宜度评价图。将选址区的规划面积作为搜索窗口，在评价图中确定区域分值（取窗口平均值）最高的区域作为新的迁址区。

表5 各级指标权重Table 5 W eight of indexes at all levels

2 应用实例

2. 1 塌陷搬迁区范围确定

评价区为黄土高原的陕西某煤矿，开采煤层包含4上煤层和4下煤层。4上煤层开采厚度为3.8 m，4下煤层开采厚度为9 m，煤层平均倾角2°，开采深度350～450 m.矿区地表为黄土台塬及沟壑地貌，中部和东部为沟壑区，其余部分较为平坦。地面高程最大1 270 m，最小750 m，地下水位平均高程约700 m.按照矿井生产规划，在2020—2030年间计划回采16个相邻的工作面，地面将逐渐形成大范围的塌陷盆地，必须提前实施村落搬迁。为此，根据文中提出的方法进行村落迁址区的地理适宜度评价。本井田的井上下对照情况如图2所示。

图2中评价区范围即井田边界圈定的总面积约88 km2，2030年之前计划回采区面积12 km2，地表塌陷范围由概率积分法开采沉陷预计模型来确定。根据矿区地质采矿条件采用类比法确定预计参数分别为：下沉系数q=0. 7，主要影响角正切TANB=2. 2，拐点偏距 S0=0. 05H，水平移动系数 b=0. 3. 其中平均采深H=400 m，煤层开采厚度m1=3.8 m，m2=9.0 m.按照上述预计参数用专门的开采沉陷预计软件确定地表沉陷区范围为14.6 km2，如图2所示。沉陷区共有农户224户，建筑总面积0.033×106m2.按照新农村规划要求确定新的迁址区占地面积为0.1×106m2.

图2 井田井上下对照Fig.2 Contrast of the upper and lowerWells of amining area

2. 2 迁址区地理适宜度综合评价结果

将图2导入ArcGIS软件中，将整个井田范围（沉陷区除外）按照10 m分辨率进行影响因子提取和评分，其中地下水位值用地面格网高程值减去区域平均水位而得到。将表5中每个因子的权重值赋予ArcGIS的各个图层中，对6个二级影响因子进行缓冲区分析以及叠加分析，通过联合功能计算出每个地理单元的综合分值。在ArcGIS中生成地理适宜度综合分值的分级图，如图3所示。

图3 评价区地理适宜度综合分值分级Fig.3 Grading of the comprehensive score of the evaluation region’s geographical suitability

由于文中对各影响因子的评价分值为10，15，20等3个等级，当各因子分值均为10分时，则综合评分值最低应为50分，当各因子分值均为20分时，综合评分值最高为100分。图3中综合评价分值在52-97分之间，各分值区间面积占比见表6.其中综合评价分值在90分以上的区域面积为0.34×106m2，分值在85～90分的区域面积为6.27×106m2.以迁址区规划面积0.1×106m2为搜索窗口，基于ArcGIS叠加得到最高分值区，如图3中的A区，综合评价平均分值为92分。

但是，该区域与待搬迁村落不属于同一个县级行政区，在拆迁实施和后续行政管理方面存在诸多不便。按照上述方法可搜索得到次高分值区，如图3中的B区，综合评价平均分值为87分。该区域与待搬迁村落属于同一县级行政区域，亦属于地理适宜度较佳的迁址区域。将上述评价结果交由决策部门参考。

表6 综合评价分值及对应区域面积Table 6 Comprehensive evaluation score and corresponding area

3 结 论

1）黄土高原煤矿区受开采影响村落的搬迁选址，主要考虑矿区地理环境、水文资源、交通便捷性、塌陷区相对位置等影响因素及其相对重要程度，形成综合评价体系；

2）文中利用层次分析法结合专家打分法构建了黄土沟壑区村落迁址区地理适宜度的综合评价模型。应用实例表明，基于该模型通过ArcGIS叠加分析可便捷地进行村落迁址区地理环境的量化评价，其结果具有科学性与合理性；

3）黄土高原煤矿区村落搬迁选址的科学评价提供了有效的技术方法，具有实际应用价值。