焦 姍,侯曉暉,武國(guó)輝

(中國(guó)冶金地質(zhì)總局 第三地質(zhì)勘查院,太原 030002)

山西省是我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)藏量和開采量大省,煤炭產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量30%以上,煤炭開采除了帶來(lái)提高當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)水平和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等優(yōu)勢(shì),伴隨而來(lái)的地質(zhì)環(huán)境惡化、生態(tài)環(huán)境破壞等劣勢(shì)已經(jīng)不容忽視,為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,了解礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量,開展礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查工作是很有必要的。而礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查工作的重要環(huán)節(jié)[1],是按照一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法對(duì)某個(gè)礦山的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行定量化描述,研究對(duì)象主要為礦山的地質(zhì)環(huán)境和空間環(huán)境[2],目的是評(píng)價(jià)礦山范圍內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣和礦山開采對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響程度,為礦山開采、治理和恢復(fù)提供依據(jù)。

應(yīng)用較為廣泛的礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法有專家打分法、序列綜合法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、層次分析法和熵值法等。相比于其他的方法并沒(méi)有很好的結(jié)合客觀要素和主觀要素,層析分析法較為客觀,原理簡(jiǎn)單,步驟計(jì)算較為清楚,應(yīng)用廣泛[3-5],并且結(jié)合之前礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查的資料和數(shù)據(jù),選用層次分析法可以較好地反映調(diào)查區(qū)礦山的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,將“3S”[6-7]技術(shù)引用到地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中可以提高評(píng)價(jià)的效率和依據(jù)。此外,證據(jù)權(quán)法、多尺度法和Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法[8-10]的應(yīng)用使得礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)更為精確有效。

本文以陽(yáng)城縣煤礦為例利用層次分析法進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，為了更好地了解每個(gè)煤礦的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量情況，直接利用AHP法計(jì)算將每個(gè)礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行定級(jí)，為煤礦以后的開采及及時(shí)的治理恢復(fù)工作提供依據(jù)。

1 陽(yáng)城縣煤礦基本概況

陽(yáng)城縣位于山西省晉城市東南部,地理坐標(biāo)在東經(jīng)112°0′～112°37',北緯35°12′～35°40′之間。由于陽(yáng)城縣礦區(qū)大部分屬于沁水煤田,煤礦開采及相關(guān)產(chǎn)業(yè)目前依舊是當(dāng)?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè),主要開采3#、9#、15#煤層,加上當(dāng)?shù)氐牡貙?、地質(zhì)構(gòu)造的影響以及為了提高煤層開采效率,開采過(guò)程中預(yù)留煤柱較少的原因,導(dǎo)致區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大面積的采空區(qū),采空區(qū)的繼續(xù)變形發(fā)展引發(fā)了地面變形,產(chǎn)生了大量地面塌陷、地裂縫、崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。此外,由于當(dāng)?shù)氐湫偷臇|亞暖溫帶大陸性氣候帶來(lái)的夏季大量降雨,導(dǎo)致出現(xiàn)大量的滑坡和泥石流隱患,給當(dāng)?shù)厝嗣駧?lái)了嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)和生命安全的威脅。因此,在陽(yáng)城縣開展了地質(zhì)環(huán)境調(diào)查工作,著重調(diào)查礦區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害和災(zāi)害隱患情況。根據(jù)調(diào)查部署,有29座煤礦在調(diào)查范圍內(nèi),面積達(dá)到276 km2。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

采用層次分析法計(jì)算礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的過(guò)程和步驟如下:

2.1 建立地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

根據(jù)層次分析法的基本原理,地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)可劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層三個(gè)層次。

因此本次地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)選用的指標(biāo)體系也分為三個(gè)層次,第一層為目標(biāo)層A,第二層為準(zhǔn)則層,即A={A1,A2},第三層為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),即A1={A11,A12,A13,A14},A2={A21,A22,A23,A24}。結(jié)合指標(biāo)選取的針對(duì)性、簡(jiǎn)明性、普適性、數(shù)據(jù)易取得、指標(biāo)可量化和動(dòng)態(tài)和靜態(tài)相結(jié)合的原則,并結(jié)合實(shí)際情況,最終選取的指標(biāo)體系結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)T.L.Satty的1—9標(biāo)度(表2)和山西省礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,得到判斷矩陣:

表2 判斷矩陣中因子的標(biāo)度及其含義Table 2 Scales and meanings of factors in judgment matrix

根據(jù)表2中的判斷矩陣中因子的確定依據(jù),對(duì)指標(biāo)層和準(zhǔn)則層的各要素之間進(jìn)行比較,并構(gòu)造指標(biāo)層和準(zhǔn)則層中各要素的兩兩比較判斷矩陣:

A=(aij)n×n.

(1)

式中:aij>0,aji=1/aij,aii=1。

最終確定了指標(biāo)體系的判斷矩陣如表3、表4和表5所示:

表3 相對(duì)目標(biāo)層A的判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of relative target layer A

表4 相對(duì)指標(biāo)層A1的判斷矩陣Table 4 Judgment matrix of relative indicator layer A1

表5 相對(duì)指標(biāo)層A2的判斷矩陣Table 5 Judgment matrix of relative indicator layer A2

2.3 權(quán)重計(jì)算與排序

何芳等[11]總結(jié)了各種權(quán)重方法的優(yōu)缺點(diǎn),考慮各種主觀因素和客觀因素,本文利用方根法求解A的歸一化特征向量和特征值來(lái)得到結(jié)構(gòu)層中的相對(duì)權(quán)重,所求特征向量即為各因子的權(quán)重:

1)將判斷矩陣的元素按照行相乘:

(2)

式中:ui為i行共j個(gè)元素的累乘;aij為第i行第j個(gè)元素,將所得的乘積分別開n次方:

(3)

2)根據(jù)向量正規(guī)化,可得排序權(quán)向量Wi:

(4)

特征向量W的分量即為每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重值,通過(guò)此方法以此類推可計(jì)算得到指標(biāo)層相對(duì)于準(zhǔn)則層、準(zhǔn)則層相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重。

3)判斷矩陣的一致性：

計(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax:

(5)

(AW)i為向量AW的第i個(gè)分量;

(6)

RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo),查表6。

表6 RI取值Table 6 RI values

CR<0.10,可認(rèn)為矩陣具有滿意的一致性。

采用方根法計(jì)算得到各層指標(biāo)的組合權(quán)重值,并且經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn),具有滿意的一致性,具體如表7所示。

表7 各層指標(biāo)的組合權(quán)重值Table 7 Combined weights of indicators from various layers

2.4 礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)值計(jì)算

首先將因子指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,因子指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法有:極差標(biāo)準(zhǔn)化法、百分比標(biāo)準(zhǔn)化法、模糊數(shù)學(xué)法、正逆指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化法和分級(jí)給分法。本次因子標(biāo)準(zhǔn)化方法采用百分比標(biāo)準(zhǔn)化法。其中參照值的選擇主要參考一些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值、背景值、極限值、省市平均值。其計(jì)算方法如下:

D=C/S.

(7)

式中:D為標(biāo)準(zhǔn)化后值;S為參照值;C為實(shí)際值。

然后礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)值利用如下公式先對(duì)指標(biāo)層進(jìn)行計(jì)算,直到目標(biāo)層。

(8)

式中:A為某一指標(biāo)評(píng)價(jià)計(jì)算值;Di為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后結(jié)果值;ωi為指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重值;j,m為指標(biāo)的序號(hào)。

最終得到資源影響指標(biāo)A1和地質(zhì)災(zāi)害指標(biāo)A2的評(píng)價(jià)值。再根據(jù)公式計(jì)算得到各個(gè)煤礦的環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量評(píng)價(jià)值,與等級(jí)范圍值比較,得到每個(gè)煤礦的礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)。

2.5 評(píng)價(jià)等級(jí)值計(jì)算

評(píng)價(jià)等級(jí)值的建立是為了評(píng)價(jià)調(diào)查區(qū)內(nèi)各個(gè)礦山的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量,建立各個(gè)等級(jí)評(píng)價(jià)閾值。目前,在建立評(píng)價(jià)等級(jí)的時(shí)候大多采用人為分等定級(jí),即評(píng)價(jià)等級(jí)值根據(jù)評(píng)價(jià)者或?qū)＜疫M(jìn)行人為的分等定級(jí)。本次采用一種通過(guò)運(yùn)算建立起來(lái)的評(píng)價(jià)等級(jí)值,克服了主觀性,其建立過(guò)程為:

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境特性和評(píng)價(jià)要求,劃分礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)。本次調(diào)查將礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量劃分為Ⅰ(嚴(yán)重)Ⅱ(較嚴(yán)重)Ⅲ(一般嚴(yán)重)Ⅳ(輕微嚴(yán)重)。

運(yùn)用前面已經(jīng)確定的每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值,計(jì)算不同等級(jí)下的礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量閾值。每個(gè)等級(jí)閾值的確定必須依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,并且注意結(jié)合實(shí)際。

根據(jù)最后所計(jì)算的每個(gè)等級(jí)的閾值,確定每個(gè)等級(jí)的范圍值。最后根據(jù)計(jì)算得到的等級(jí)閾值與煤礦的評(píng)價(jià)計(jì)算值相比,確定出每個(gè)煤礦的礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級(jí),根據(jù)等級(jí)劃分情況合理確定礦山治理和恢復(fù)方法。

3 實(shí)例計(jì)算

以陽(yáng)城縣某煤礦為例來(lái)說(shuō)明基于AHP法的礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)模型,如表8所示。

表8 陽(yáng)城縣某煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)(AHP法)Table 8 Quality evaluation of mine geological environment in some mine, Yangcheng County (AHP method)

并且計(jì)算得到了各個(gè)等級(jí)的評(píng)價(jià)閾值:Ⅰ(>3.319 8)，Ⅱ(3.319 8～2.722 0)，Ⅲ(2.722 0～2.018 1)，Ⅳ(2.018 1～1.243 1)。

與各個(gè)等級(jí)閾值比較,發(fā)現(xiàn)該煤礦地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量屬于“嚴(yán)重”等級(jí),建議對(duì)煤礦的采空區(qū)進(jìn)行治理恢復(fù),改善環(huán)境。與得到的遙感資料對(duì)比是相符的,該煤礦的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量確實(shí)惡劣。

利用層次分析法對(duì)陽(yáng)城縣其余28座煤礦進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià),四個(gè)等級(jí)的煤礦分布為:Ⅰ(嚴(yán)重):1座;Ⅱ(較嚴(yán)重):15座;Ⅲ(一般嚴(yán)重):7座;Ⅳ(輕微嚴(yán)重):5座。

4 結(jié)論

1)利用層次分析法對(duì)陽(yáng)城縣煤礦進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià),結(jié)果與遙感資料和實(shí)際調(diào)查情況符合。

2)通過(guò)本文計(jì)算,可知陽(yáng)城縣的礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量破壞較為嚴(yán)重。根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查結(jié)果,嚴(yán)重和較嚴(yán)重的煤礦大面積的地面塌陷、地裂縫直接破壞農(nóng)田、林地、園地及公路等,地面整體下沉、地面輕微變形導(dǎo)致房屋、輸電線路等設(shè)施破壞、黃土邊坡土體松散、巖質(zhì)邊坡裂隙發(fā)育,加上人工開挖、降雨等誘發(fā)因素,極易導(dǎo)致滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。而一般嚴(yán)重和輕微嚴(yán)重的煤礦,地面塌陷和地面變形嚴(yán)重程度較小,影響農(nóng)田、房屋進(jìn)行及時(shí)填埋修復(fù)治理可以恢復(fù)正常的生產(chǎn)和生活。煤矸石等物源區(qū)不充足,加之人類活動(dòng)不強(qiáng)烈,導(dǎo)致崩塌、災(zāi)害、泥石流隱患較小,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害概率較低。

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