焦 姗,侯晓晖,武国辉

(中国冶金地质总局 第三地质勘查院,太原 030002)

山西省是我国煤炭储藏量和开采量大省,煤炭产量占全国总产量30%以上,煤炭开采除了带来提高当地的经济水平和相关产业的发展等优势,伴随而来的地质环境恶化、生态环境破坏等劣势已经不容忽视,为了实现可持续发展,了解矿山地质环境质量,开展矿山地质环境调查工作是很有必要的。而矿山地质环境质量评价是矿山地质环境调查工作的重要环节[1],是按照一定的评价标准和评价方法对某个矿山的地质环境进行定量化描述,研究对象主要为矿山的地质环境和空间环境[2],目的是评价矿山范围内的地质环境质量的优劣和矿山开采对地质环境的影响程度,为矿山开采、治理和恢复提供依据。

应用较为广泛的矿山地质环境质量评价方法有专家打分法、序列综合法、数理统计法、层次分析法和熵值法等。相比于其他的方法并没有很好的结合客观要素和主观要素,层析分析法较为客观,原理简单,步骤计算较为清楚,应用广泛[3-5],并且结合之前矿山地质环境调查的资料和数据,选用层次分析法可以较好地反映调查区矿山的地质环境质量。随着遥感技术的发展,将“3S”[6-7]技术引用到地质环境质量评价中可以提高评价的效率和依据。此外,证据权法、多尺度法和Matlab神经网络等方法[8-10]的应用使得矿山地质环境评价更为精确有效。

本文以阳城县煤矿为例利用层次分析法进行矿山地质环境质量评价，为了更好地了解每个煤矿的地质环境质量情况，直接利用AHP法计算将每个矿山地质环境质量进行定级，为煤矿以后的开采及及时的治理恢复工作提供依据。

1 阳城县煤矿基本概况

阳城县位于山西省晋城市东南部,地理坐标在东经112°0′～112°37',北纬35°12′～35°40′之间。由于阳城县矿区大部分属于沁水煤田,煤矿开采及相关产业目前依旧是当地的支柱产业,主要开采3#、9#、15#煤层,加上当地的地层、地质构造的影响以及为了提高煤层开采效率,开采过程中预留煤柱较少的原因,导致区内出现大面积的采空区,采空区的继续变形发展引发了地面变形,产生了大量地面塌陷、地裂缝、崩塌和滑坡等地质灾害。此外,由于当地典型的东亚暖温带大陆性气候带来的夏季大量降雨,导致出现大量的滑坡和泥石流隐患,给当地人民带来了严重的财产和生命安全的威胁。因此,在阳城县开展了地质环境调查工作,着重调查矿区内的地质灾害和灾害隐患情况。根据调查部署,有29座煤矿在调查范围内,面积达到276 km2。

2 矿山地质环境质量评价

采用层次分析法计算矿山地质环境质量的过程和步骤如下:

2.1 建立地质环境质量指标评价体系

根据层次分析法的基本原理,地质环境评价可划分为目标层、准则层和指标层三个层次。

因此本次地质环境质量评价选用的指标体系也分为三个层次,第一层为目标层A,第二层为准则层,即A={A1,A2},第三层为各个评价指标,即A1={A11,A12,A13,A14},A2={A21,A22,A23,A24}。结合指标选取的针对性、简明性、普适性、数据易取得、指标可量化和动态和静态相结合的原则,并结合实际情况,最终选取的指标体系结果见表1。

2.2 构造判断矩阵

根据T.L.Satty的1—9标度(表2)和山西省矿山地质环境质量综合指数评价指标体系,得到判断矩阵:

表2 判断矩阵中因子的标度及其含义Table 2 Scales and meanings of factors in judgment matrix

根据表2中的判断矩阵中因子的确定依据,对指标层和准则层的各要素之间进行比较,并构造指标层和准则层中各要素的两两比较判断矩阵:

A=(aij)n×n.

(1)

式中:aij>0,aji=1/aij,aii=1。

最终确定了指标体系的判断矩阵如表3、表4和表5所示:

表3 相对目标层A的判断矩阵Table 3 Judgment matrix of relative target layer A

表4 相对指标层A1的判断矩阵Table 4 Judgment matrix of relative indicator layer A1

表5 相对指标层A2的判断矩阵Table 5 Judgment matrix of relative indicator layer A2

2.3 权重计算与排序

何芳等[11]总结了各种权重方法的优缺点,考虑各种主观因素和客观因素,本文利用方根法求解A的归一化特征向量和特征值来得到结构层中的相对权重,所求特征向量即为各因子的权重:

1)将判断矩阵的元素按照行相乘:

(2)

式中:ui为i行共j个元素的累乘;aij为第i行第j个元素,将所得的乘积分别开n次方:

(3)

2)根据向量正规化,可得排序权向量Wi:

(4)

特征向量W的分量即为每个指标对应的权重值,通过此方法以此类推可计算得到指标层相对于准则层、准则层相对于目标层的权重。

3)判断矩阵的一致性：

计算判断矩阵的最大特征根λmax:

(5)

(AW)i为向量AW的第i个分量;

(6)

RI为平均随机一致性指标,查表6。

表6 RI取值Table 6 RI values

CR<0.10,可认为矩阵具有满意的一致性。

采用方根法计算得到各层指标的组合权重值,并且经过一致性检验,具有满意的一致性,具体如表7所示。

表7 各层指标的组合权重值Table 7 Combined weights of indicators from various layers

2.4 矿山地质环境质量评价值计算

首先将因子指标进行标准化,因子指标数据标准化方法有:极差标准化法、百分比标准化法、模糊数学法、正逆指标标准化法和分级给分法。本次因子标准化方法采用百分比标准化法。其中参照值的选择主要参考一些国家标准值、背景值、极限值、省市平均值。其计算方法如下:

D=C/S.

(7)

式中:D为标准化后值;S为参照值;C为实际值。

然后矿山地质环境质量评价值利用如下公式先对指标层进行计算,直到目标层。

(8)

式中:A为某一指标评价计算值;Di为指标标准化后结果值;ωi为指标对应的权重值;j,m为指标的序号。

最终得到资源影响指标A1和地质灾害指标A2的评价值。再根据公式计算得到各个煤矿的环境地质质量评价值,与等级范围值比较,得到每个煤矿的矿山地质环境质量评价等级。

2.5 评价等级值计算

评价等级值的建立是为了评价调查区内各个矿山的地质环境质量,建立各个等级评价阈值。目前,在建立评价等级的时候大多采用人为分等定级,即评价等级值根据评价者或专家进行人为的分等定级。本次采用一种通过运算建立起来的评价等级值,克服了主观性,其建立过程为:

根据矿区地质环境特性和评价要求,划分矿山地质环境质量等级。本次调查将矿山地质环境质量划分为Ⅰ(严重)Ⅱ(较严重)Ⅲ(一般严重)Ⅳ(轻微严重)。

运用前面已经确定的每个指标的权重值,计算不同等级下的矿山地质环境质量阈值。每个等级阈值的确定必须依据相关标准和规范,并且注意结合实际。

根据最后所计算的每个等级的阈值,确定每个等级的范围值。最后根据计算得到的等级阈值与煤矿的评价计算值相比,确定出每个煤矿的矿山地质环境质量等级,根据等级划分情况合理确定矿山治理和恢复方法。

3 实例计算

以阳城县某煤矿为例来说明基于AHP法的矿山地质环境评价模型,如表8所示。

表8 阳城县某煤矿矿山地质环境质量评价(AHP法)Table 8 Quality evaluation of mine geological environment in some mine, Yangcheng County (AHP method)

并且计算得到了各个等级的评价阈值: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)。

与各个等级阈值比较,发现该煤矿地质环境质量属于“严重”等级,建议对煤矿的采空区进行治理恢复,改善环境。与得到的遥感资料对比是相符的,该煤矿的地质环境质量确实恶劣。

利用层次分析法对阳城县其余28座煤矿进行矿山地质环境质量评价,四个等级的煤矿分布为:Ⅰ(严重):1座;Ⅱ(较严重):15座;Ⅲ(一般严重):7座;Ⅳ(轻微严重):5座。

4 结论

1)利用层次分析法对阳城县煤矿进行矿山地质环境质量评价,结果与遥感资料和实际调查情况符合。

2)通过本文计算,可知阳城县的矿山地质环境质量破坏较为严重。根据野外实地调查结果,严重和较严重的煤矿大面积的地面塌陷、地裂缝直接破坏农田、林地、园地及公路等,地面整体下沉、地面轻微变形导致房屋、输电线路等设施破坏、黄土边坡土体松散、岩质边坡裂隙发育,加上人工开挖、降雨等诱发因素,极易导致滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害。而一般严重和轻微严重的煤矿,地面塌陷和地面变形严重程度较小,影响农田、房屋进行及时填埋修复治理可以恢复正常的生产和生活。煤矸石等物源区不充足,加之人类活动不强烈,导致崩塌、灾害、泥石流隐患较小,发生地质灾害概率较低。

[1] 周爱国.地质环境评价[M].武汉：中国地质大学出版社,2008.

[2] 武强,李云龙,董东林.矿山环境地质调查技术要求研究[J].水文地质工程地质,2004,31(2):97-100. WU Qiang,LI Yunlong,DONG Donglin.Study on Technology and Method of Mine Geo-environment Survey[J].Hydrogeology & Engineering Geology,2004,31(2):97-100.

[3] 刘金涛,冯文凯,胥良.矿山地质环境质量评价数学模型研究概述[J].灾害学,2011,26(4):110-115. LIU Jintao,FENG Wenkai,XU Liang.Overview on Mathematical Model for Mine Geological Environment Quality Evaluation[J].Catastrophology,2011,26(4):110-115.

[4] 乔旭俊.层次分析法在矿山地质环境影响评价中的应用[J].山西建筑,2012,38(11):66-67. QIAO Xujun.The Application of Hierarchy Analysis Method in the Impact Assessment of Mine Geological Environment[J].Shanxi Architecture,2012,38(11):66-67.

[5] 陈桥,胡克,雒昆利,等.基于AHP法的矿山生态环境综合评价模式研究[J].中国矿业大学学报,2006,35(3):377-383. CHEN Qiao,HU Ke,LUO Kunli,etal.Study on the Synthetical Assessment Model of Mine Eco Environments Based on AHP[J].Journal of China University of Mining &Technology,2006,35(3):377-383.

[5] 徐华,王欢,鲁守刚,等.基于层次分析法的绥中县矿山地质环境质量评价[J].安全与环境工程,2013,20(6):116-120.XUHua,WANGHuan,LUShougang,et al.QualityAssessmentofMineralGeologicalEnvironmentinSuizhongCountyBasedonAHP[J].SafetyandEnvironmentalEngineering,2013,20(6):116-120.

[6] 王海庆.基于GIS和RS的矿山地质环境评价方法比选[J].国土资源遥感,2010,2010(3):92-96.

[7] 马伟,徐素宁,王润生,等.基于证据权法的赣南稀土矿山地质环境评价[J].地球学报,2015(1):103-110.MAWei,XUSuning,WANGRunsheng.Geo-environmentalQualityAssessmentofRare-earthMinesinSouthernJiangxiProvinceUsingWeights-of-evidenceModeling[J].ActaGeoscienticaSinica,2015(1):103-110.

[8] 刘洪,张宏斌.基于MatLab的神经网络在江苏矿山地质环境评估中的应用[J].地质学刊,2007,31(4):348-353.LIUHong,ZHANGHongbin.ApplicationofArtificialNeuralNetworkinEvaluatingMineGeologicalEnvironmentinJiangsuBasedonMatLab[J].JournalofGeology,2007,31(4):348-353.

[9] 陈建明,于浩,常玲,等.多尺度矿山地质环境评价——以新疆白杨沟矿区为例[J].新疆地质,2010,28(3):346-349.CHENJianming,YUHao,CHANGLing,et al.StudyonAssessmentofMulti-scalesMineGeologicalEnvironment-ACaseStudyBaiyanggouMineinXinjiang[J].XinjiangGeology,2010,28(3):346-349.

[10] 何芳,徐友宁,袁汉春.矿山环境地质问题综合评价客观权值确定方法探讨[J].中国地质,2008,35(2):161-167.

[11] 花晓鸣,魏斌.矿山地质环境评价中权值确定方法的探讨[J].水利科技与经济,2010,16(4):418-419.