膠東采空區(qū)危險(xiǎn)性模糊綜合評價(jià)

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(xiǎn)性模糊綜合評價(jià)

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(jià)體系。選取12項(xiàng)相對重要的因素作為評價(jià)因子，運(yùn)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(yùn)用模糊綜合評判對膠東地區(qū)131個(gè)采空區(qū)危險(xiǎn)性進(jìn)行評估，得出了膠東地區(qū)采空區(qū)危險(xiǎn)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(xiǎn)性；模糊綜合評價(jià)

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(diǎn)、鐵路、公路、工廠、農(nóng)田等形成嚴(yán)重安全威脅，同時(shí)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(gè)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(xiǎn)性評價(jià)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(shí)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(xiǎn)性的比較重要的因素對采空區(qū)進(jìn)行模糊綜合評價(jià)，預(yù)測采空區(qū)的危險(xiǎn)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(diǎn)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(dòng)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(cái)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(xiǎn)性模糊綜合評價(jià)

3.1構(gòu)建評價(jià)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?cái)產(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(xiàng)因素作為評價(jià)因子建立危險(xiǎn)性評價(jià)的指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)（圖2）。將采空區(qū)安全評價(jià)的結(jié)果劃分為4個(gè)等級，即評判集V=｛Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ｝=｛危險(xiǎn)性極高，危險(xiǎn)性較高，危險(xiǎn)性一般，危險(xiǎn)性較低｝。

圖2　采空區(qū)危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)

3.2確定各個(gè)評價(jià)因素的權(quán)重和隸屬度函數(shù)

（1）確定評價(jià)因素的權(quán)重：

①構(gòu)造判斷矩陣：設(shè)U=｛U1，U2，…，Um｝為評價(jià)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(qiáng)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(jì)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(yàn)：由于主觀個(gè)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(yàn)［4］，檢驗(yàn)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(shí)，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(gè)λmax代入驗(yàn)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(jià)因子量化表

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

3.3膠東地區(qū)危險(xiǎn)性評價(jià)［7］

將依據(jù)表8和表9計(jì)算所得各個(gè)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(jià)：

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(jià)矩陣B1（1）。

（2）一級綜合評價(jià)：

得出A中的數(shù)值分別對應(yīng)各個(gè)評價(jià)等級的隸屬度。本文采用最大隸屬度評價(jià)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(xiǎn)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(jià)結(jié)果

根據(jù)膠東地區(qū)131個(gè)采空區(qū)危險(xiǎn)性的評價(jià)結(jié)果得出膠東地區(qū)采空區(qū)危險(xiǎn)性評估圖，見圖3。

圖3中Ⅰ-Ⅳ區(qū)分別表示采空區(qū)危險(xiǎn)性由極高到較低的區(qū)域，由評價(jià)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(jià)模型，可作為類似礦區(qū)危險(xiǎn)性的評價(jià)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(jià)過程中把塌陷區(qū)的威脅對象單獨(dú)作為一個(gè)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(diǎn)很近，給人們生命財(cái)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(shí)針對某個(gè)因素采取針對措施。

（4）對于危險(xiǎn)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(shí)充填，做好治理工作。對于危險(xiǎn)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(xiǎn)度的模糊綜合評價(jià)［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(xiǎn)性評價(jià)［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(bào)：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(shí)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(xiǎn)評估［D］.2013.

［7］安國強(qiáng).膠東重點(diǎn)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(jià)及治理。