李沛，尹明泉，馮秀麗，邢同菊

（1.中國海洋大學(xué)，山東青島266100；2.青島地質(zhì)工程勘察院，山東青島266100）

膠東采空區(qū)危險性模糊綜合評價

李沛*1，尹明泉2，馮秀麗1，邢同菊2

（1.中國海洋大學(xué)，山東青島266100；2.青島地質(zhì)工程勘察院，山東青島266100）

針對膠東地區(qū)采空塌陷的相關(guān)資料，提出了一套針對該區(qū)域的采空區(qū)模糊綜合評價體系。選取12項相對重要的因素作為評價因子，運用層次分析法確定各因子的權(quán)重，用四邏輯分析法確定隸屬函數(shù)，運用模糊綜合評判對膠東地區(qū)131個采空區(qū)危險性進(jìn)行評估，得出了膠東地區(qū)采空區(qū)危險性評估圖，并給出關(guān)于采空塌陷治理的合理建議。

采空區(qū)；危險性；模糊綜合評價

1　概述

隨著礦山開采量逐漸增加，礦床開采產(chǎn)生的地下大量采空區(qū)，容易誘發(fā)許多地質(zhì)災(zāi)害，如礦區(qū)塌陷、礦井突水、滑坡、崩塌等，采空區(qū)失穩(wěn)的問題已經(jīng)嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)，越來越引起人們的重視［1］。采空區(qū)不僅給礦山開采留下安全隱患，也嚴(yán)重影響人們的日常生活，給一些居民點、鐵路、公路、工廠、農(nóng)田等形成嚴(yán)重安全威脅，同時給也嚴(yán)重影響地下水等地質(zhì)環(huán)境。

研究區(qū)域主要位于山東省的東部，范圍為青島、煙臺、威海3個地級市所轄行政區(qū)，面積29838km2。

該地區(qū)采空區(qū)的分布如圖1所示，多分布在萊州西部、龍口西部、招遠(yuǎn)金礦區(qū)、蓬萊西南部、煙臺西南部等地區(qū)。該區(qū)域采空區(qū)危險性評價面臨的主要問題是：影響采空區(qū)塌陷的各種因素比較模糊，同時又具有很大的地域性［2］；另外，這些因素之間的關(guān)系也相對復(fù)雜，本文選取了影響采空區(qū)危險性的比較重要的因素對采空區(qū)進(jìn)行模糊綜合評價，預(yù)測采空區(qū)的危險性。

圖1　膠東地區(qū)采空區(qū)分布圖

2　膠東地區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素的主要特征

膠東地區(qū)采空區(qū)主要影響因素可分為地質(zhì)因素、環(huán)境因素、采空區(qū)特征參數(shù)和其他因素。

地質(zhì)因素：金礦礦區(qū)大多分布在北東向斷裂帶上，褶皺和斷層影響較為復(fù)雜。煤礦區(qū)主要分布在龍口附近斷陷盆地上，采空區(qū)受構(gòu)造影響較小。石墨礦床點總體上分布在膠并隆起南緣及威海隆起南緣和膠南隆起北緣至西緣。其余礦種分布地域性非常明顯，采空區(qū)地質(zhì)特性因地各異。該研究區(qū)域內(nèi)河流較多，共有大小河流數(shù)百條，這些河流多屬半島邊緣水系，其發(fā)育與分布受膠東半島地形及氣候的影響，其水文動態(tài)隨季節(jié)變化較大。

環(huán)境因素：區(qū)內(nèi)地形地貌嚴(yán)格受水文、構(gòu)造及巖性控制，由內(nèi)外營力共同作用形成的，呈現(xiàn)為中低山、丘陵、平原等多種復(fù)雜地質(zhì)地貌景觀。第四系沉積物分布不均勻。

采空區(qū)特征及其他因素：采空地面塌陷是研究區(qū)最主要的地質(zhì)災(zāi)害，涉及金礦、煤礦、鐵礦、石墨、滑石等所有地下開采礦山，伴隨采空地面塌陷出現(xiàn)的往往還有地裂縫、山體開裂等。采空地面塌陷主要分布在煤礦采空區(qū)，其次是金、鐵礦及石墨、滑石礦等采空區(qū)，但從突發(fā)性和對人民生命財產(chǎn)安全上來講，又以金、鐵、石膏、滑石礦更為嚴(yán)重。塌陷面積規(guī)模較大的是煙臺、招遠(yuǎn)、萊州、牟平及龍口。一些規(guī)模較大的采空區(qū)已經(jīng)進(jìn)行了簡單的治理，但由于礦產(chǎn)的重復(fù)開采，又形成了一些新的潛在塌陷區(qū)。

3　膠東采空區(qū)危險性模糊綜合評價

3.1構(gòu)建評價模型

綜合考慮地質(zhì)、環(huán)境及采空區(qū)的特征參數(shù)和采空區(qū)塌陷對當(dāng)?shù)厝撕拓敭a(chǎn)造成損失的大小等方面，對相關(guān)因子進(jìn)行優(yōu)篩［3］。最終選取12項因素作為評價因子建立危險性評價的指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)（圖2）。將采空區(qū)安全評價的結(jié)果劃分為4個等級，即評判集V=｛Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ｝=｛危險性極高，危險性較高，危險性一般，危險性較低｝。

圖2　采空區(qū)危險性評價指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)

3.2確定各個評價因素的權(quán)重和隸屬度函數(shù)

（1）確定評價因素的權(quán)重：

①構(gòu)造判斷矩陣：設(shè)U=｛U1，U2，…，Um｝為評價因素集，分別對各因素之間重要性進(jìn)行比較進(jìn)行打分，得到打分矩陣［3］。Uij表示Ui對Uj的相比較的重要性程度，Uij的取值從1～9，表示Ui相對Uj的重要程度由同等到強烈，倒數(shù)則表示Uj與Ui比較得Uji=1/Uij［5］。按以上規(guī)則得到各因素之間相對重要性打分（表1～表5）。

表1　各因素綜合打分表

表2　地質(zhì)因素打分表

表3　環(huán)境因素打分表

表4　采空區(qū)特征參數(shù)打分表

表5　其他因素打分表

②計算重要性排序：把以上表格作為判斷矩陣，求出各判斷矩陣的最大特征根和對應(yīng)的特征向量，把特征向量歸一化，即是權(quán)數(shù)分配［3］。

③檢驗：由于主觀個體對事物認(rèn)識具有片面性，判斷因素之間關(guān)系也比較復(fù)雜，因此，需要對判斷矩陣是否合理進(jìn)行一致性和隨機(jī)性檢驗［4］，檢驗公式為：

式中：CR——判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率；

CI——判斷矩陣一致性指標(biāo)；

λmax——最大特征根；

m——判斷矩陣階數(shù)；

RI——判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值列于表6。

當(dāng)CR＜0.1時，即說明矩陣一致性合格，權(quán)重分配合理；否則，就需要調(diào)整判斷矩陣，直到矩陣一致性合格為止［5］。

表6　層次分析法的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值

根據(jù)打分表（表1～表5）求得各因素權(quán)重矩陣Ai及最大特征值λmax。并將各個λmax代入驗證公式得CR均小于0.1，即認(rèn)為判斷矩陣一致性合格，權(quán)數(shù)分配合理。

（2）確定隸屬函數(shù)：首先制定采空區(qū)四值邏輯評分因子量化表（表7）和隸屬函數(shù)確定表（表8）。

表7　評價因子量化表

對于文字性表述的評價因子，則根據(jù)表7中分別對應(yīng)評價等級，對于數(shù)字表達(dá)的評價因子，則根據(jù)表8中的隸屬度函數(shù)，計算出對應(yīng)于各個評價等級的權(quán)重。

3.3膠東地區(qū)危險性評價［7］

將依據(jù)表8和表9計算所得各個因素的權(quán)重組成模糊變換矩陣R。

（1）第一層次的綜合評價：

分別將B1（2），B2（2），B3（2），B4（2）進(jìn)行歸一化處理，從而得出評價矩陣B1（1）。

（2）一級綜合評價：

得出A中的數(shù)值分別對應(yīng)各個評價等級的隸屬度。本文采用最大隸屬度評價準(zhǔn)則進(jìn)行判別，即A中隸屬度值最高值對應(yīng)的等級為該采空區(qū)的危險性等級。

表8　定量表述的影響因素的隸屬函數(shù)確定表

3.4評價結(jié)果

根據(jù)膠東地區(qū)131個采空區(qū)危險性的評價結(jié)果得出膠東地區(qū)采空區(qū)危險性評估圖，見圖3。

圖3中Ⅰ-Ⅳ區(qū)分別表示采空區(qū)危險性由極高到較低的區(qū)域，由評價過程和結(jié)果圖可以看出膠東地區(qū)由于礦山開采，出現(xiàn)采空塌陷的地區(qū)比較多，龍口地區(qū)采空區(qū)面積較大，但治理工程做得比較好，因此危險性較低；招遠(yuǎn)金礦區(qū)，由于金礦多生成在該地區(qū)主要的斷裂帶上，地形地質(zhì)條件比較復(fù)雜，開采過程多采用直接冒落，開采速度也較快，造成新的采空區(qū)面積較大，并且少有治理措施，因此采空區(qū)危險性整體較高；煙臺牟平區(qū)和萊州地區(qū)采空區(qū)面積相對較大，并且多數(shù)也未有任何治理措施，危險性較高。其余塌陷區(qū)，由于礦區(qū)開采日期比較久，多數(shù)已處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，危險性較低。

4　結(jié)論及建議

（1）針對膠東地區(qū)采空區(qū)的調(diào)查資料，建立起了一套符合該地區(qū)的模糊綜合評價模型，可作為類似礦區(qū)危險性的評價指標(biāo)，但是也由于調(diào)查的局限性，對另外一些影響因子有所舍去。

（2）評價過程中把塌陷區(qū)的威脅對象單獨作為一個指標(biāo)，充分考慮進(jìn)去了一些規(guī)模雖然不大，但卻距離村鎮(zhèn)居民點很近，給人們生命財產(chǎn)安全帶來很大威脅的采空區(qū)。

（3）采用層次分析法分析各因素的權(quán)重，使影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素和次要因素更容易判別，從而能使采空區(qū)治理時針對某個因素采取針對措施。

（4）對于危險性極高的采空區(qū)如治理工程比較困難，又威脅人口較少，則建議搬遷部分村落，并圈定采空區(qū)范圍樹立警示牌。對于威脅人口較多搬遷量較大的采空區(qū)，應(yīng)及時充填，做好治理工作。對于危險性一般和較低的，應(yīng)簡單填埋，防止繼續(xù)發(fā)展，并樹立警示牌，定期檢測。

［1］王賢來，姚維信，王虎，等.礦山廢石全尾砂充填研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.中國礦業(yè)，2011（9）：76-79.

［2］王新民，段瑜，彭欣.采空區(qū)災(zāi)害危險度的模糊綜合評價［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2005，25（2）.

［3］程霞.澄合礦區(qū)采空區(qū)地面塌陷危險性評價［D］.2009.

［4］陳寶，周麗珍.層次分析法在隧道布置型式中的應(yīng)用研究［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005（3）：42-44.

［5］金菊良，魏一鳴，潘金鋒.修正AHP中判斷矩陣一致性的加速遺傳算法［J］.系統(tǒng)工程理論與實踐，2004（1）：63-69.

［6］樊亞萍.延安貫屯煤礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估［D］.2013.

［7］安國強.膠東重點金礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)監(jiān)測分析［D］.2003.

TD362

A

1004-5716（2016）10-0099-05

2015-11-18

2015-11-19

李沛（1991-），男（漢族），河南三門峽人，中國海洋大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：采空區(qū)評價及治理。