原文论文
土耳其宗古尔达克地下煤矿活动引起的沉降的 GIS 建筑风险评估
阿坎·阿克钦
收到：2020 年 4 月 13 日 / 接受：2021 年 2 月 11 日 # 沙特地球科学学会 2021 年
摘要
本研究将基于地理信息系统（GIS）的风险评估决策矩阵（RADM-GIS）模型应用于评估宗古尔德克市巴哈切利耶勒地区地下煤炭开采活动引起的地面沉降和建筑损坏的空间危害。该市是土耳其主要煤炭生产基地的中心。RADM-GIS 模型使用空间数据库中的地面沉降区域、建筑和道路进行了评估，该数据库计划包括城市改造。数据库还包括该区域的信息，如采矿隧道和生产面板、地形、地质和土地利用。该模型应用于计算与巴哈切利耶勒地区沉降程度相关的区域中每个损坏建筑的风险值。从 2008 年至 2019 年的干涉合成孔径雷达（InSAR）观测中观察到最大沉降量为 482 毫米，在危害区内的 584 栋建筑中有 90 栋建筑受损。在三个沉降影响区域中，确定了 4 栋建筑的中小和显著风险，其严重程度在 3 到 5 级之间。 四座建筑中有两座被认定为高风险建筑，分别是用作高中的公共建筑。这种情况已向当地当局和相关的采矿公司报告，要求重新考虑近期将要实施的煤炭生产计划。
关键词：地面沉降、建筑风险评估、风险评估决策矩阵、GIS、InSAR、地下采矿、城市转型
引言
自然灾害，如地震、洪水、滑坡和岩石坠落，这些灾害会对地表或地下结构造成损害，导致高风险地区的生命和财产损失（Marschalko 等人，2015 年）。特别是，在地下采矿活动提取矿山储备后，废弃生产区或喀斯特结构的变形会导致地表扰动和结构损坏（Zhou 等人，2015 年；Genis 等人，2018 年；Kong 等人，2018 年）。遗憾的是，今天人们也可以在主要矿产资源上方建立和扩展居住区，他们面临着沉降的危险。因此
在地下采矿作业持续进行的地区，必须对沉降造成的危害进行风险评估。图 1 显示了倾斜煤层中地下面板形成的破坏区域以及城市区域沉降对地表影响的 3D 可视化模型。
有不同的方法可以用于沉降风险评估，以检查地下矿区域上方高风险区域和高风险结构之间的关系（Yuan 等人，2016 年）。因此，有必要决定并执行最有效的风险评估。采矿活动包括工程工作，根据生产计划进行。因此，即使在活动开始之前，也可以估计地下采矿活动对地表及其影响的时间依赖性及其程度。此外，在采矿活动开始后，可以使用大地测量、摄影测量、基于空间干涉测量和物理测量技术来观察地表变形的发展，以确定变形程度和结构及基础设施设施的损害程度。
责任编辑：比斯瓦杰特·普拉丹
* 阿克钦·哈坎
akcinh@beun.edu.tr
1
土木工程学院，工程系，宗古尔德克布尔伦·埃切维特大学，土耳其宗古尔德克 67100
https://doi.org/10.1007/s12517-021-06702-6
/ 在线出版：2021 年 2 月 26 日
阿拉伯地球科学杂志（2021）14: 376
需要构建符合灾害风险和危险结构区域标准的健康安全居住区。从社会经济角度来看，将居民区搬迁到其他区域以避免危险区域的威胁是一项非常困难的任务。为此，现场修复、加固和恢复结构以及拆除和更新被定义为“城市转型”。城市地下的采矿活动可能会产生灾害风险，因此需要确定风险评分和参数。
城市改造应针对高风险区域的风险结构进行。本研究的贡献在于通过基于地理信息系统（GIS）的风险评估决策矩阵（RADM）或简称 RADM-GIS 来确定高风险区域和结构，以启动城市改造程序。在本研究中，首先简要介绍了 RADM-GIS 理论。然后，讨论了与沉降相关的理论应用。最后，以土耳其宗古尔德克市（土耳其）为例进行了案例研究，该市正在进行城市地下煤炭开采活动。
RADM-GIS 理论作为定量风险评估方法
在城市化地区，基于 GIS 的现实应用可以用于评估对建筑物构成危险的地下矿山生产的风险（Lirer 和 Vitelli 1998；Kim 等人 2006；Mancini 等人 2009；Oh 和 Lee 2010；Malinowska 和 Hejmanowski 2010；Zhu 等人 2013；Suh 等人 2013；Marschalko 等人 2015；Blachowski 等人 2014；Bhattarai 和 Kondoh 2017）。
2014；Bhattarai 和 Kondoh 2017）。
RADM-GIS 是一种用于评估风险的集成方法。
下沉灾害方法实施流程图如图 2 所示。评估完成后，该方法将优先考虑下沉区域的风险结构，这是首先要做的事情。然后，确定资源转移的方向。因此，应在预防风险的相关问题上提供支持。在下沉区域使用 RADM-GIS 方法的主要目的是确定风险是否可接受，以及对于不可接受的风险可以采取哪些纠正措施（Ceylan 和 Başhelvacı 2011）。如果城市化区域位于下沉区域内，仅计算风险的概率和严重性
图 1 由于地下采矿活动在城市化区域形成的沉降 3D 可视化模型
图 2 RADM-GIS 沉降灾害流程图
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这并不能消除人们对灾害的易感性。需要注意的是，可以采取适当的控制措施来应对已识别的风险。通过进行良好的风险评估研究，可以规划潜在的危险相关措施和必要的预算，这些研究应提供重要的预防性技术支持，如在这些沉降地区提供灾害保险（Deck 等人，2009；Hu 等人，2009；Li 等人，2009；Shao 等人，2009）。
表 1 RADM-GIS 方法适用的概率等级表 可能性 P (DB)
概率值
非常轻微
0–0.2
1
轻微
0.2–0.4
2
中等
0.4–0.6
3
High
0.6–0.8
4
非常高
0.8–1.0
5
表 2 5×5 矩阵在 RADM-GIS 中
描述
严重程度
概率
严重程度
Very
High
5
High
4
中度
3
轻微
2
Very
轻度 1
柱子的扭曲和结构中的裂缝表明，该结构始终处于倒塌的危险之中。基础设施设施已无法使用。裂缝宽度为 25 毫米。
非常严重
5
High
Risk
25
High
Risk
20
High
Risk
15
中度
风险
10
Low
风险 5
柱子和梁出现裂缝，墙壁受损。尤其是门、窗和墙壁已经分离。门框和窗户被压碎，建筑物的地板倾斜。基础设施设施发生了严重损坏。裂缝宽度为 15-25 毫米。
严重
4
High
Risk
20
High
Risk
16
中等
Risk
12
中等
Risk
8
Low
风险 4
可能需要在有裂缝的地方移除涂层。墙体砖损坏。门窗变形并卡住。服务管道可能破裂。在维修期间，该建筑不应使用。裂缝宽度为 5-15 毫米。
中度
3
High
Risk
15
中等
Risk
12
中等
Risk
9
Low
Risk
6
Low
风险 3
可能存在重复的裂缝。一些裂缝可以从外面看到。门窗可能会卡住。服务管道可能会破裂并可能泄漏。裂缝宽度为 5 毫米
轻微
2
中度
风险
10
中等
Risk
8
Low
Risk
6
Low
Risk
4
Low
风险 2
通常损坏仅限于内墙表面。在仔细观察下，可以观察到外砖或混凝土中的某些裂缝。裂缝宽度为 1.0 毫米
非常轻微
1
Low
Risk
5
Low
Risk
4
Low
Risk
3
Low
Risk
2
Low
风险 1
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在准备 RADM-GIS 时，借鉴了在其他矿化盆地中进行的损害检测经验，以估计沉降灾害的风险。决策矩阵基于这些经验。根据沉降区建筑物的损害严重程度和可能性
设计了概率表和决策矩阵。在 RADMGIS 中使用的标准表格中，概率用行表示，严重程度用列表示，数值范围为 1 到 5。矩阵元素定义为从矩阵左上角到右下角的风险水平递减。在决策矩阵中，创建了低、中、高风险区域
表 3 本表根据严重程度类别评估了风险结果
表 4 RADM-GIS 方法对沉降风险评估的分类
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根据 1 式和彩色图（Zlateva 和 Velev 2016；Karahan 和 Akosman 2018；Elmontsri 2014）。"红色"代表高风险，"蓝色"代表中等风险，"绿色"代表低风险，在 RADM-GIS 的 5×5 矩阵中分配。
危险概率
损害程度
ð1Þ
方程中的概率项是指下沉后地表发生灾害的严重程度可能性。表 1 中的得分值用于概率。严重程度值是根据在不同盆地观察到的分类确定的。
本方法中的可能性，P (DB)，是通过使用公式获得，即通过按比例将受损建筑数量（NDB）与位于特定沉降水平或损害类别区域内的总建筑数量（n）进行比较（Deck 和 Verdel 2012）。
2 通过按比例将受损建筑数量（NDB）与位于特定沉降水平或损害类别区域内的总建筑数量（n）进行比较（Deck 和 Verdel 2012）。
P DB÷ Þ ¼ NDB=n
ð2Þ
使用公式 1 形成的风险决策矩阵见表 2，由严重程度类别定义的风险结果见表 3。在此方法中，有必要确定下沉区域建筑物的现场检查。损害状态的严重程度类别见表 4。严重程度类别通过以下三种替代方法之一建立：
地表沉降观测和现场物理检查得到执行，并确保将受损建筑集成到 GIS 中，其中使用大规模地形图或正射影像图为基底。地表沉降观测得到执行，确定沉降影响区域，并通过使用观测到的沉降值估算地表地面应变值（无需现场检查）提供 GIS 集成。使用考虑采矿活动的沉降估算技术，首先，在没有现场观测的情况下估算沉降影响区域及其内的沉降值。然后，估算由于沉降引起的地表地面应变值并将其集成到 GIS 中。根据 GIS 的数字地图测量沉降影响区域内建筑物的长度。最后，通过地表地面应变值和建筑物长度确定结构可能发生的严重程度和可能性。
图 3 建筑长度、应变、延伸、挠度比和裂缝宽度值与严重程度分类之间的关系（国家煤炭局 1975 年；澳大利亚矿山沉降工程顾问 AMSEC 2007 年）
图 4 Zonguldak 市 Bahcelievler 区域风险评估应用流程图
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