閻躍觀，郜亞東，張 旺，嚴(yán)海旭

目前我國80%以上的礦區(qū)存在“三下”開采問題，壓煤儲量達(dá)18.79Gt，部分礦井“三下”壓煤率達(dá)100%，村莊壓煤問題最為突出[1]。一般我國村莊下壓煤開采的途徑有2條：一是村莊不搬遷開采，旨在村莊不搬遷情況下采用一定的技術(shù)手段合理采出了村莊壓滯煤炭，通常采用的主要技術(shù)手段有條帶開采[2-6]、充填開采[7-9]和協(xié)調(diào)開采[10-12]等；二是村莊搬遷開采[13-14]，把村莊搬遷到無煤區(qū)域，以達(dá)到徹底解放村莊下煤炭資源的目的。

可見村莊壓煤如何開采會直接影響礦井的可持續(xù)發(fā)展和村民的安定生活，而決策者在進(jìn)行村莊壓煤采搬決策時(shí)會受到多種因素的影響，從而需要找尋更加科學(xué)合理的評判方法。常有的評判方法有層次分析法[15-16]、灰色關(guān)聯(lián)法、模糊層次分析法、模糊評判法等。每種方法都有其適用性，各有優(yōu)缺點(diǎn)。如層次分析法是一種將定性與定量相結(jié)合的方法，具有確定權(quán)重方面的優(yōu)勢，恰與影響村莊壓煤采搬決策時(shí)需要考慮的指標(biāo)因素相符合。灰色關(guān)聯(lián)法是對一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢定量描述的方法，在多指標(biāo)決策方面具有優(yōu)勢。本文擬結(jié)合兩種評價(jià)方法的優(yōu)勢，采用層次分析-灰色關(guān)聯(lián)評判法作為村莊壓煤采搬決策方法，并進(jìn)行相關(guān)問題的研究。

1 層次分析-灰色關(guān)聯(lián)評判方法構(gòu)建

1.1 層次分析法

采用層次分析法對村莊壓煤采搬影響指標(biāo)因素評價(jià)時(shí)，首先根據(jù)最終目標(biāo)、影響因素和決策方案進(jìn)行層次化，簡化層次結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中最終目標(biāo)是指最高層的目標(biāo)層所要達(dá)到的目標(biāo)；影響因素是指標(biāo)層中包含的所有影響因子，一般情況下，影響因素種類繁多、各有異同，為了更方便地分析各影響因素，會根據(jù)影響因素的性質(zhì)，進(jìn)行聚類分組構(gòu)成多個(gè)層次；決策方案是指最底層的方案層中包含的解決問題的方法和措施。

圖1 簡化層次結(jié)構(gòu)

層次分析法在村莊壓煤采搬影響指標(biāo)評價(jià)時(shí)，最主要的還是采用層次分析法在確定權(quán)重值方面的優(yōu)勢。一般采用幾何平均法[17]計(jì)算權(quán)重向量。權(quán)重的計(jì)算其實(shí)就是兩影響因素之間重要性的比較，為了便于計(jì)算，把影響因素聚類分為不同層次，從上到下排序?yàn)椋阂患壷笜?biāo)、二級指標(biāo)、……。影響因素計(jì)算采用自下而上的排序法，底層因素相對于上一層因素的排序問題，以此類推，可將其簡化為成對因素的比較判斷。為了將定性的比較判斷實(shí)現(xiàn)定量化，層次分析法引入1～9標(biāo)度(表1)，以矩陣形式書寫，即構(gòu)成所謂的判斷矩陣，進(jìn)而將判斷矩陣正規(guī)化后求得各影響指標(biāo)因素的權(quán)重值。

表1 標(biāo)度及其含義

1.2 灰色關(guān)聯(lián)法

灰色關(guān)聯(lián)法是基于不同影響因素間的異同進(jìn)行定量判斷一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展趨勢的方法。適用于影響因素樣本少、影響因素之間的關(guān)系未知情況。其核心思想就是確定理想方案與比較方案的相似度來確定影響因素的關(guān)聯(lián)程度，最后通過定量比較各方案的數(shù)值關(guān)系進(jìn)行排序。

1.3 層次分析-灰色關(guān)聯(lián)評判法

層次分析法在計(jì)算權(quán)重方面優(yōu)勢明顯，而灰色關(guān)聯(lián)法有多屬性決策的優(yōu)勢。為了發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢，可以通過以下步驟將層次分析法得到的權(quán)重值與灰色關(guān)聯(lián)法得到的關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行結(jié)合，組合成層次分析-灰色關(guān)聯(lián)評判法進(jìn)行村莊壓煤采搬決策的評判。具體評判方法步驟如下：

第一步：判斷矩陣的建立

A表示目標(biāo)，B表示影響指標(biāo)，bi表示評價(jià)指標(biāo)因素(i=1，2，…，n)，bij表示bj的相對重要性(j=1，2，…，n)。依據(jù)表1中的1～9標(biāo)度，根據(jù)因素的重要性大小排序建立指標(biāo)因素的判斷矩陣B=(bij)n×n，如下式：

第二步：判斷矩陣B的正規(guī)化

采用幾何平均法[18]將B的各個(gè)列向量正規(guī)化：

第三步：判斷矩陣B的一致性檢驗(yàn)

第四步：方案評價(jià)矩陣的確定及無量綱化

假設(shè)有n個(gè)方案，p個(gè)評價(jià)指標(biāo)為b1，b2，…，bp。聘請相關(guān)專家采用十分制對n個(gè)方案進(jìn)行打分，得到評價(jià)矩陣。表中bij表示第i個(gè)方案中的第j個(gè)指標(biāo)的打分平均值，i=1，2，…，n，j=1，2，…，p，b0j表示指標(biāo)的理想值。對評價(jià)矩陣進(jìn)行無量綱計(jì)算bij=bij/b0j，得到如下矩陣：

第五步：構(gòu)造差序列矩陣(Δij)

Δij=b0j-bij，Δij表示在第i個(gè)方案中的第j個(gè)指標(biāo)值與對應(yīng)理想方案中的相應(yīng)指標(biāo)值之差的絕對值。

第六步：計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)Qij

Qij表示第i個(gè)方案中第j個(gè)指標(biāo)值與理想方案相對應(yīng)指標(biāo)值的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

第七步：灰色關(guān)聯(lián)度Ri的計(jì)算及排序

將基于層析分析法確定的各影響因素的權(quán)重值，與基于灰色關(guān)聯(lián)法得到的各方案下對應(yīng)影響因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)結(jié)合，如下式計(jì)算第i個(gè)方案的灰色關(guān)聯(lián)度Ri，最后將i個(gè)方案的灰色關(guān)聯(lián)度Ri依據(jù)大小排序得出方案的優(yōu)劣。

2 采搬決策評價(jià)指標(biāo)體系確定

村莊壓煤開采方案的確定一般從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性兩方面考慮。目前社會和環(huán)境因素是煤炭行業(yè)踐行綠色開采的主要指標(biāo)，為了盡可能全面涵蓋村莊壓煤開采影響因素和存在的問題，本文增加了社會指標(biāo)與生態(tài)環(huán)境指標(biāo)。

影響壓煤村莊搬遷的因素很多，包括礦企與村民關(guān)系度、村莊人口和規(guī)模、新村址征地難易程度、煤炭儲量、噸煤利潤、初期設(shè)施投入成本、回采率、舊村莊環(huán)境治理情況、土地復(fù)墾費(fèi)、房屋與設(shè)施補(bǔ)償、新村用地購置、新村址與原耕地距離、非搬遷設(shè)施和建筑物維修等。這些因素之間相互影響、相互制約，具有不確定性、模糊性。本文結(jié)合多方面因素建立了村莊壓煤采搬決策評價(jià)指標(biāo)體系，如圖2所示，并建立了判斷矩陣，見表2。

圖2 村莊壓煤采搬決策評價(jià)指標(biāo)體系

表2 判斷矩陣

3 實(shí)例分析

3.1 研究區(qū)概況

開灤某礦開采井田位于平原地區(qū)，屬于大采深、緩傾斜、中厚煤層。本區(qū)主要開采煤層為7，8，9和12共4個(gè)煤層，煤層平均厚度分別為3.15m，1.79m，2.05m，4.66m，埋藏深度為800～1000m左右，地層傾角為3°～24°。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，小斷層密度大，對開采產(chǎn)生較大影響。

本采區(qū)范圍內(nèi)正上方地表有2個(gè)村莊，如圖3所示，約1800戶、6300多人，地表建筑物有居民區(qū)、廠房等，地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜。建筑房屋類型有樓房、磚混結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、簡易結(jié)構(gòu)；公共設(shè)施有水、電、道路、有線電視、通訊等；企事業(yè)單位的主要建筑物、廠區(qū)設(shè)施及附著物、機(jī)械設(shè)備等；還有大量農(nóng)田耕地、林地、魚塘等多種地表壓煤對象。地表村莊壓煤量占總儲量的91%。村莊壓煤嚴(yán)重影響了-950m水平八采區(qū)的回采，對礦井的下一步生產(chǎn)規(guī)劃及生產(chǎn)銜接都產(chǎn)生了嚴(yán)重干擾。

圖3 村莊壓煤示意

3.2 村莊壓煤采搬決策方案優(yōu)選

3.2.1 確定影響指標(biāo)權(quán)重值

3.2.2 確定最優(yōu)方案

基于開采區(qū)地質(zhì)采礦條件及村莊壓煤情況，本文設(shè)計(jì)了2個(gè)方案進(jìn)行村莊煤柱開采，方案一為村莊搬遷開采，方案二為條帶開采(村莊不搬遷)。

基于層次分析-灰色關(guān)聯(lián)評判法實(shí)施步驟進(jìn)行村莊采搬決策分析。邀請相關(guān)專家分別對2個(gè)方案對應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)因素采取十分制進(jìn)行打分，可以確定村莊壓煤采搬決策影響指標(biāo)評價(jià)，見表3。

對表3進(jìn)行無量綱化計(jì)算，見表4。

計(jì)算差序列矩陣和關(guān)聯(lián)系數(shù)，見表5和表6。

表3 村莊壓煤采搬決策影響指標(biāo)評價(jià)

表4 村莊壓煤采搬決策影響指標(biāo)無量綱化數(shù)據(jù)

表5 村莊壓煤采搬決策影響指標(biāo)差序列矩陣

表6 村莊壓煤采搬決策影響指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)

計(jì)算2個(gè)方案的灰色關(guān)聯(lián)度Ri并排序，結(jié)果見表7。

表7 ρ=0.5關(guān)聯(lián)度

依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)原則，灰色關(guān)聯(lián)度越大，說明方案越好。根據(jù)表7可得方案C1(0.686)>方案C2(0.445)。所以從工程技術(shù)、生態(tài)環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)4個(gè)一級指標(biāo)和12個(gè)二級指標(biāo)的影響因素來看，決策者在進(jìn)行村莊壓煤下采煤時(shí)，搬遷開采方案優(yōu)于條帶開采方案。

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合層次分析法確定權(quán)重和灰色關(guān)聯(lián)法多指標(biāo)決策的優(yōu)勢，確定了采用層次分析-灰色關(guān)聯(lián)評判法作為決策者進(jìn)行村莊壓煤采搬決策依據(jù)和確定方法。

(2)綜合分析了村莊壓煤采搬決策的影響因素，確定了工程技術(shù)指標(biāo)、生態(tài)環(huán)境指標(biāo)、社會指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)4個(gè)一級影響因素和12個(gè)二級影響因素作為評價(jià)指標(biāo)體系。

(3)基于層次分析-灰色關(guān)聯(lián)評判法，以開灤某礦村莊壓煤采搬決策進(jìn)行了實(shí)例分析，通過指標(biāo)定權(quán)、專家打分、灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算等過程得出了優(yōu)選方案。