煤礦充填開采生態(tài)保護績效測度研究

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. 冀中能源峰峰集團有限公司，河北省邯鄲市，056001；4. 河北省煤炭生態(tài)保護開采產(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]，但以垮落法進行煤炭開采易造成地面沉陷、水資源流失等問題，不僅對環(huán)境造成了破壞，也影響了社會和諧穩(wěn)定。為了使煤炭行業(yè)向安全、綠色、經(jīng)濟的能源產(chǎn)業(yè)體系靠近，一種主動保護生態(tài)環(huán)境、控制上覆巖層移動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)外對煤礦充填開采生態(tài)環(huán)境保護研究的重點多數(shù)落在環(huán)境治理的方法和途徑，而很少對充填開采環(huán)境保護的效果進行系統(tǒng)的評價。在礦山生態(tài)環(huán)境評價方面，眾多學(xué)者也進行了諸多研究，如劉英等[4]運用模糊數(shù)學(xué)與綜合評價相結(jié)合的方法，建立了安徽五溝煤礦塌陷區(qū)地表環(huán)境損害綜合評價指標(biāo)體系；張沛沛等[5]利用基于熵權(quán)改進的TOPSIS法和障礙度模型，對河南省煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理績效水平進行評價并診斷其障礙因子；李曉靜等[6]對西南地區(qū)采煤塌陷區(qū)土壤水分特征進行了研究。但基于煤礦充填開采對生態(tài)環(huán)境保護績效的研究較少，因此，筆者從煤礦生態(tài)環(huán)境治理實際情況出發(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)與模糊綜合評價法(FCE)聯(lián)合的方法，建立了一個科學(xué)全面的煤礦充填開采生態(tài)環(huán)境治理績效測度體系，量化了環(huán)?？冃?，為政府出臺煤礦產(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、資金浪費等弊端，為煤礦企業(yè)制定煤礦生態(tài)環(huán)境保護治理體系提供科學(xué)參考和指導(dǎo)作用。

1 充填開采績效測度指標(biāo)體系構(gòu)建

充填開采評價體系建立的目的在于實現(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)境保護的績效測度。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)境保護開采績效測度的指標(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，進而提出了綠色充填開采來保護采場覆巖結(jié)構(gòu)，但會增加該技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟投入，三者應(yīng)該處于平衡狀態(tài)才能取得較好的社會效益及經(jīng)濟效益。人類需求使得煤礦生態(tài)系統(tǒng)不斷向人類社會輸出各類煤炭資源，同時人類社會向煤礦生態(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]、評價因素層和指標(biāo)層4級。在第4級指標(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確定了22個指標(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)分別為充實率、材料強度、地表下沉量等參數(shù)。矸石充填綠色處置技術(shù)的應(yīng)用勢必會帶來投資的增加，如何通過技術(shù)改進從而盡量少地增加單位處理成本同時最大限度地響應(yīng)綠色開采政策法規(guī)對矸石充填技術(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個等級，分別賦值為1～8，按兩兩比較結(jié)果構(gòu)成的矩陣稱作成對比較的判斷矩陣。該判斷矩陣具有如下性質(zhì)：

(1)

2.1.2 計算權(quán)向量及一致性檢驗

(1)計算矩陣A的最大特征根，得到判斷矩陣A的最大特征值λmax。

(2)計算一致性指標(biāo)CI：

(2)

式中：n——判斷矩陣的階數(shù)。

(3)查隨機一致性指標(biāo)RI數(shù)值表得到平均隨機一致性指標(biāo)RI[8]，從而得到判斷矩陣A的RI值。

(4)計算隨機一致性比率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，原始矩陣A的不一致度在允許范圍，則通過一致性檢驗，否則就調(diào)整比較矩陣A[17]，直到達到滿意的一致性為止。

(6)通過一致性檢驗后，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 對因素層進行層次總排序及一致性檢驗

(4)

式中：a1,a2,…,am——判斷矩陣A對應(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法確定評價因素集與評價等級

2.2.1 確定評價對象的等級域

根據(jù)表1，A為充填開采系統(tǒng)績效測評結(jié)果，確定因素層評價的元素集為A={B1,B2,B3,B4,B5}；因素層的評價元素集為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)置評語集V，將V分為4個等級，V={V1,V2,V3,V4}={優(yōu)，良，中，差}，設(shè)置相對應(yīng)的分數(shù)，優(yōu)為4分，良為3分，中為2分，差為1分；此時對應(yīng)V={4,3,2,1}。

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

2.2.2 確定評級對象指標(biāo)隸屬度

以河北省近年來煤礦生態(tài)環(huán)境治理實際情況作為現(xiàn)實依據(jù)，通過專家評價計算出各個指標(biāo)的隸屬度，見表2。

表2 煤礦充填開采生態(tài)保護績效測評隸屬

續(xù)表2

2.2.3 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

根據(jù)評價等級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 模糊綜合評價結(jié)果

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

由單因素模糊評價的法則可知：

根據(jù)式(5)計算出的Bi列向量對應(yīng)各評價等級優(yōu)良中差的占比；根據(jù)式(6)計算出的Pi對應(yīng)Bi的綜合得分；根據(jù)最大隸屬度原則可確定Bi最終的評價等級[20]。

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

其中，R=[B1,B2,B3,B4,B5]T。

(3)績效測評結(jié)果見表3。

表3 煤礦開采生態(tài)保護績效評價

3 總結(jié)

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

(2)根據(jù)評價結(jié)果，對該礦區(qū)后續(xù)的充填保護開采提出幾點建議：需加強對煤礦開采技術(shù)的投入；需不斷優(yōu)化充填系統(tǒng)中各項影響因素；在注重經(jīng)濟資源效益的同時，需持續(xù)注重礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善，使煤礦充填開采對促進煤礦生態(tài)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

(3)運用層次分析法和模糊綜合評價法評價煤礦充填生態(tài)保護開采，評價指標(biāo)的選取和指標(biāo)權(quán)重的確定帶有一定主觀性，指標(biāo)量化方法也會影響評價結(jié)果。因此，針對煤礦充填的生態(tài)環(huán)境保護開采的特點選取評價指標(biāo)以及指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)，會讓煤礦充填的生態(tài)環(huán)境保護開采績效測評更具科學(xué)性和準(zhǔn)確性。