王毅穎，顧 英，劉宇軒，趙家巍，李亞鵬，史艷楠

(1. 河北工程大學(xué)，河北省邯鄲市，056038；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京市海淀區(qū)，100083；3. 冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，河北省邯鄲市，056001；4. 河北省煤炭生態(tài)保護(hù)開采產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北省邯鄲市，056038)

0 引言

煤炭作為我國主要能源，目前仍有著不可替代的地位[1-3]，但以垮落法進(jìn)行煤炭開采易造成地面沉陷、水資源流失等問題，不僅對(duì)環(huán)境造成了破壞，也影響了社會(huì)和諧穩(wěn)定。為了使煤炭行業(yè)向安全、綠色、經(jīng)濟(jì)的能源產(chǎn)業(yè)體系靠近，一種主動(dòng)保護(hù)生態(tài)環(huán)境、控制上覆巖層移動(dòng)從而減少地表沉陷的煤礦充填開采方法得到了發(fā)展，該方法對(duì)生態(tài)礦山建設(shè)、煤礦安全生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境治理、廢棄物利用等都發(fā)揮著積極的作用，符合煤礦生態(tài)保護(hù)開采和礦山生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展戰(zhàn)略。

目前，國內(nèi)外對(duì)煤礦充填開采生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究的重點(diǎn)多數(shù)落在環(huán)境治理的方法和途徑，而很少對(duì)充填開采環(huán)境保護(hù)的效果進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。在礦山生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)方面，眾多學(xué)者也進(jìn)行了諸多研究，如劉英等[4]運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)與綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法，建立了安徽五溝煤礦塌陷區(qū)地表環(huán)境損害綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；張沛沛等[5]利用基于熵權(quán)改進(jìn)的TOPSIS法和障礙度模型，對(duì)河南省煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理績效水平進(jìn)行評(píng)價(jià)并診斷其障礙因子；李曉靜等[6]對(duì)西南地區(qū)采煤塌陷區(qū)土壤水分特征進(jìn)行了研究。但基于煤礦充填開采對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)績效的研究較少，因此，筆者從煤礦生態(tài)環(huán)境治理實(shí)際情況出發(fā)，以河北省近年來煤礦充填開采的調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用多準(zhǔn)則系統(tǒng)分析方法(AHP)與模糊綜合評(píng)價(jià)法(FCE)聯(lián)合的方法，建立了一個(gè)科學(xué)全面的煤礦充填開采生態(tài)環(huán)境治理績效測(cè)度體系，量化了環(huán)?？冃?，為政府出臺(tái)煤礦產(chǎn)業(yè)環(huán)保的扶植政策、宏觀調(diào)控提供了參考和依據(jù)，避免政策冗余、資金浪費(fèi)等弊端，為煤礦企業(yè)制定煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)治理體系提供科學(xué)參考和指導(dǎo)作用。

1 充填開采績效測(cè)度指標(biāo)體系構(gòu)建

充填開采評(píng)價(jià)體系建立的目的在于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)健康及資源管理的可持續(xù)性，基于科學(xué)性和可操作性的原則，以河北省邢東礦為例，構(gòu)建出符合地區(qū)特色的煤礦充填開采生態(tài)環(huán)境保護(hù)的績效測(cè)度。采用“需求壓力-效果-響應(yīng)”思想，構(gòu)建煤炭充填生態(tài)環(huán)境保護(hù)開采績效測(cè)度的指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 河北省煤礦充填開采需求-效果-響應(yīng)績效測(cè)度框架

圖1表明，全部垮落法開采引發(fā)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞，進(jìn)而提出了綠色充填開采來保護(hù)采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)，但會(huì)增加該技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)投入，三者應(yīng)該處于平衡狀態(tài)才能取得較好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。人類需求使得煤礦生態(tài)系統(tǒng)不斷向人類社會(huì)輸出各類煤炭資源，同時(shí)人類社會(huì)向煤礦生態(tài)系統(tǒng)輸入各種污染。煤礦生態(tài)系統(tǒng)在上述因素影響下，其結(jié)構(gòu)和功能等表現(xiàn)出相應(yīng)狀態(tài)；這些狀態(tài)被企業(yè)、政府、公眾等接收并引起他們對(duì)此系統(tǒng)投入的資金、技術(shù)、制度等方面發(fā)生變化。由于人類活動(dòng)的不斷驅(qū)使，煤礦生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生新的壓力和新的狀態(tài)，繼而產(chǎn)生新的響應(yīng)，以此循環(huán)。筆者將指標(biāo)體系設(shè)立為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層[7-9]、評(píng)價(jià)因素層和指標(biāo)層4級(jí)。在第4級(jí)指標(biāo)層中遵循反映主要矛盾的原則，在保證科學(xué)性和可操作性的同時(shí)確定了22個(gè)指標(biāo)[10-14]，如圖2所示。煤礦開采主要引發(fā)矸石排放、地下水流失及污染、地表沉陷等問題。充填開采可以有效避免采礦帶來的環(huán)境問題，以采場(chǎng)覆巖控制效果為基礎(chǔ)，該技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)分別為充實(shí)率、材料強(qiáng)度、地表下沉量等參數(shù)。矸石充填綠色處置技術(shù)的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)帶來投資的增加，如何通過技術(shù)改進(jìn)從而盡量少地增加單位處理成本同時(shí)最大限度地響應(yīng)綠色開采政策法規(guī)對(duì)矸石充填技術(shù)的優(yōu)惠，有利于加快充填開采技術(shù)體系的應(yīng)用與推廣。

圖2 煤礦充填開采層次模型結(jié)構(gòu)

2 指標(biāo)選擇與模型構(gòu)建

2.1 基于AHP方法建立結(jié)構(gòu)層次模型并確定權(quán)重

2.1.1 構(gòu)造判斷矩陣

對(duì)準(zhǔn)則層和因素層分別構(gòu)造判斷矩陣A=(aij)n×n，其中aij為因素i與因素j重要性比較結(jié)果[15]，按照因素i比因素j的重要性程度分為8個(gè)等級(jí)，分別賦值為1～8，按兩兩比較結(jié)果構(gòu)成的矩陣稱作成對(duì)比較的判斷矩陣。該判斷矩陣具有如下性質(zhì)：

(1)

2.1.2 計(jì)算權(quán)向量及一致性檢驗(yàn)

(1)計(jì)算矩陣A的最大特征根，得到判斷矩陣A的最大特征值λmax。

(2)計(jì)算一致性指標(biāo)CI：

(2)

式中：n——判斷矩陣的階數(shù)。

(3)查隨機(jī)一致性指標(biāo)RI數(shù)值表得到平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI[8]，從而得到判斷矩陣A的RI值。

(4)計(jì)算隨機(jī)一致性比率CR：

(3)

(5)按CR的大小判斷A是否有滿意的一致性，或A是否要調(diào)整[16]，CR<0.1時(shí)，原始矩陣A的不一致度在允許范圍，則通過一致性檢驗(yàn)，否則就調(diào)整比較矩陣A[17]，直到達(dá)到滿意的一致性為止。

(6)通過一致性檢驗(yàn)后，可用該判斷矩陣歸一化特征向量W作為權(quán)向量[18]，得到判斷矩陣A的權(quán)向量W。

2.1.3 對(duì)因素層進(jìn)行層次總排序及一致性檢驗(yàn)

(4)

式中：a1,a2,…,am——判斷矩陣A對(duì)應(yīng)的歸一化權(quán)向量值；

CI1,CI2,…,CIm——因素層所構(gòu)成的判斷矩陣的CI值；

RI1,RI2,…,RIm——因素層所構(gòu)成的判斷矩陣的RI值。

2.1.4 基于AHP方法建立結(jié)構(gòu)層次模型確定的權(quán)重

通過上述步驟可得煤礦綠色開采績效指標(biāo)權(quán)重總排序，見表1。

2.2 FCE法確定評(píng)價(jià)因素集與評(píng)價(jià)等級(jí)

2.2.1 確定評(píng)價(jià)對(duì)象的等級(jí)域

根據(jù)表1，A為充填開采系統(tǒng)績效測(cè)評(píng)結(jié)果，確定因素層評(píng)價(jià)的元素集為A={B1,B2,B3,B4,B5}；因素層的評(píng)價(jià)元素集為B1={C1,C2,C3},B2={C4}，B3={C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11,C12}，B4={C13,C14，C15,C16,C17}，B5={C18,C19,C20,C21,C22}；設(shè)置評(píng)語集V，將V分為4個(gè)等級(jí)，V={V1,V2,V3,V4}={優(yōu)，良，中，差}，設(shè)置相對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)，優(yōu)為4分，良為3分，中為2分，差為1分；此時(shí)對(duì)應(yīng)V={4,3,2,1}。

表1 煤礦充填開采生態(tài)保護(hù)績效指標(biāo)權(quán)重總排序

2.2.2 確定評(píng)級(jí)對(duì)象指標(biāo)隸屬度

以河北省近年來煤礦生態(tài)環(huán)境治理實(shí)際情況作為現(xiàn)實(shí)依據(jù)，通過專家評(píng)價(jià)計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的隸屬度，見表2。

表2 煤礦充填開采生態(tài)保護(hù)績效測(cè)評(píng)隸屬

續(xù)表2

2.2.3 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度元素可得到模糊關(guān)系矩陣R：

同理可得到R2、R3、R4、R5。

2.2.4 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

(1)單因素評(píng)價(jià)。通過層次分析法可得到方案層各個(gè)指標(biāo)的歸一化權(quán)向量Wi[19],評(píng)語集V=(4,3,2,1)。

由單因素模糊評(píng)價(jià)的法則可知：

根據(jù)式(5)計(jì)算出的Bi列向量對(duì)應(yīng)各評(píng)價(jià)等級(jí)優(yōu)良中差的占比；根據(jù)式(6)計(jì)算出的Pi對(duì)應(yīng)Bi的綜合得分；根據(jù)最大隸屬度原則可確定Bi最終的評(píng)價(jià)等級(jí)[20]。

(2)多因素評(píng)價(jià)。通過層次分析法可知因素層權(quán)向量集合W；評(píng)語集V=(4,3,2,1)；同時(shí)，由多因素模糊評(píng)價(jià)法則可知：

其中，R=[B1,B2,B3,B4,B5]T。

(3)績效測(cè)評(píng)結(jié)果見表3。

表3 煤礦開采生態(tài)保護(hù)績效評(píng)價(jià)

3 總結(jié)

(1)通過層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)了河北省邢東礦充填開采生態(tài)環(huán)境保護(hù)績效水平。結(jié)果表明，河北省邢東礦的生態(tài)環(huán)境保護(hù)開采評(píng)價(jià)結(jié)果為優(yōu)，其中，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、資源壓力減緩、成本投入為優(yōu)；充填效果、地表保護(hù)的優(yōu)化為良。

(2)根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)該礦區(qū)后續(xù)的充填保護(hù)開采提出幾點(diǎn)建議：需加強(qiáng)對(duì)煤礦開采技術(shù)的投入；需不斷優(yōu)化充填系統(tǒng)中各項(xiàng)影響因素；在注重經(jīng)濟(jì)資源效益的同時(shí)，需持續(xù)注重礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善，使煤礦充填開采對(duì)促進(jìn)煤礦生態(tài)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

(3)運(yùn)用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)煤礦充填生態(tài)保護(hù)開采，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取和指標(biāo)權(quán)重的確定帶有一定主觀性，指標(biāo)量化方法也會(huì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果。因此，針對(duì)煤礦充填的生態(tài)環(huán)境保護(hù)開采的特點(diǎn)選取評(píng)價(jià)指標(biāo)以及指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)讓煤礦充填的生態(tài)環(huán)境保護(hù)開采績效測(cè)評(píng)更具科學(xué)性和準(zhǔn)確性。