GIS與層次分析法相結合在寧東礦區煤礦可采性風險評價中的應用

王艷偉，周文生，童 玨，王亞軍

(1．中國地質大學(北京)，北京 100083；2.寧夏回族自治區地質調查院，寧夏 銀川 750011)

近年來，層次分析法在區域礦山開采風險安全評價中得到了越來越多的應用，雖然層次分析法在多要素綜合評價中具有獨特的優勢，但無法有效反映評價結果的空間分布格局。區域評價中，多要素綜合評價只是其中一個方面，要把握區域礦山開采安全評價的總體質量狀況，對其空間格局進行深入分析是必不可少的[1]。GIS技術強大的空間分析能力恰好彌補了層次分析法的不足。因此，GIS與層次分析法相結合將有助于提高區域礦山安全可采性風險評價的水平。本文的研究為了配合國家西部大開發戰略的實施，滿足寧夏規劃的火電基地和煤化工項目對優質環保型煤炭資源的需求，做好煤炭開發建設過程中的地災預測和防治工作，為此開展本研究，為能源基地規劃建設，資源的合理開采與環境保護等提供科學依據，同時也為其他處煤礦的可采性安全評價提供參考。

1 研究區概況

本文研究的區域位于寧夏回族自治區中東部地區，行政區劃隸屬靈武市寧東鎮(磁窯堡鎮)和馬家灘鎮管轄。研究區處鄂爾多斯臺地與銀川平原的過渡帶。東部屬于鄂爾多斯臺地區，西部屬于銀川平原。因而境內地形較復雜，地貌形態主要表現為低山丘陵、緩坡丘陵和沖積平原。本區地處西北內陸，為典型的半干旱半沙漠大陸性氣候。氣候特點是冬季寒冷、夏季炎熱，晝夜溫差較大。區內無常年地表逕流，在紅柳井田東北部外約2km處的堿溝子有水流，其流量受季節性影響變化較大，其徑流量一般為0.36～2.38L/s，水質較差，不能飲用。近年來，經過多年建設已形成較為完善的公路網。銀(川)-古(窯子)-王(家圈)高速公路及國道307線沿本井田南部東西向穿過，向西經靈武市、吳忠市及青銅峽鎮可接國道109線和包蘭鐵路，向東經鹽池縣、定邊縣可達榆林、延安、太原等地。

2 基本研究方法與工作流程

影響研究區煤礦開采的主要影響因子主要為兩類：地表環境(包括植被覆蓋、水體、林地耕地、道路、村莊)影響因子與地下巖層(即煤層頂板埋深)影響因子。

對于地表環境的影響本次研究的主要思路是首先利用層次分析法建立層次模型，通過計算得到研究區煤礦可采性環境影響因子的權重。然后利用GIS技術對地表各影響因子進行提取，從而得到各環境影響因子的地理數字圖層，根據層次分析法得到的影響因子權重并對各圖層的影響因子進行權重賦值。最后利用GIS的疊置分析功能得到研究區煤層環境影響可采性評價分區圖。對于煤層頂板埋深的影響，首先通過計算得全區的煤層頂板埋深分布圖，然后對埋深進行分級，由于煤層頂板埋深影響因子單一，對于煤層每一級埋深所對應的權重值的設定采取專家評判的方式。

研究區地層、環境綜合評價方式利用GIS的疊置分析功能，采用專家評判加對比分析的方式進行。其工作流程圖見圖1所示。

圖1 工作流程圖

3 環境影響因子的層次分析

3.1 層次分析法簡介

層次分析法是美國著名的運籌學專家匹茲堡大學教授T.L.Saaty于70年代提出的層次排序法(AHP法)，有較嚴格的數學依據，廣泛應用于復雜系統的分析與決策[2-4]。層次分析法的基本思路是把復雜的問題分解成各個因素，將各個因素按照支配關系分組，形成有層次的結構，通過兩兩比較的方式確定層次中諸要素的相對重要性，然后綜合人的判斷以決定諸因素相對重要性的總順序。在這個過程中，決策者需要判斷各項評判標準的重要性、決策變量相對于評判標準的優先級。應用層次分析法可以給出各個標準的權重，各個決策變量對于每項標準的優先級，量化決策變量，從而為決策提供依據[5]。

3.2 層次分析結構模型的建立

煤層可采的地表環境影響因子可行性分析考慮了地表植被及地表建筑、農田、水體等影響因素的分布，依據研究區實際情況，根據地表建筑設施以及植被分類情況確定不同的因子，建立的層次結構模型如圖2所示。

圖2 層次結構模型結構圖

3.3 判斷矩陣的構建

層次分析法的基礎主要靠對各層次兩兩元素相互重要程度差異給出判斷，并將這些判斷用樹枝表示出來，形成判斷矩陣，即兩兩比較矩陣。該矩陣式層次分析法的出發點，也是整個權重確定過程中的關鍵。在構造判斷矩陣的過程中，除了最頂層因素外，其余煤層可采性影響元素都要構造比較矩陣，在綜合評價指標體系中需要構造多個兩兩比較矩陣。對同一層次的指標，通過兩兩比較的方式建立判斷矩陣[6-7](表1)。

3.4 層次單排列

用歸一化求和法進行層次單排序的步驟如下：

1) 將判斷矩陣的每一列元素作歸一化處理：

表1 判斷矩陣構建表

2) 將按列歸一化的判斷矩陣按行相加：

所得的向量W即為所求的特征向量，亦判斷矩陣的層次單排序結果。本次計算結果所得的特征向量為：

W=(0.122026，0.048997，0.026007，

0.122026，0.122026，0.122026，

0.316864，0.122026)。

3.5 計算矩陣的最大特征值

本文求得的最大特征值為：8.112391。

3.6 一致性檢驗

以上得到的特征向量為所求權數，權數的分配是否合理，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗使用公式：

CR=CI/RI

其中CR稱為判斷矩陣的隨機一致性比率；CI稱為判斷矩陣的一般一致性指標，由下式給出：

本次模型得到的CI值為：

CI=(8.112391-8)/(8-1)= 0.0161

RI稱為判斷矩陣的平均隨機一致性指標，由大量試驗給出，見表2。

表2 隨機一次性指標表

經查表得知本次模型所采用的判斷矩陣一致性檢驗指標RI=1.41。

若CR<0.10時，判斷矩陣B具有滿意的一致性，所獲得的權重值比較合理；否則不具有滿意的一致性，應參照比較矩陣一致性調整方法進行修改。

則在此模型中，計算得到

CR=0.0161/1.41=0.0114<0.1

由此可知，該判斷矩陣具有較高的一致性，其層次單排序是可以接受的，權重的設定是合理的。

3.7 環境綜合評價與GIS可視化

以ArcGis為工具，分別提取各個評價因子的數字化矢量圖，以此來作為后面綜合評判分區的基礎數據集。然后在屬性表中加入權重的屬性數據。提取的各影響因子矢量圖如圖3所示。

圖3 環境影響因子提取圖

由于上述影響因子在空間拓撲關系上并不完全是重疊覆蓋關系。因此在綜合分析的時候采用了層間MVC最大值合成的方法，即一個區域包含若干影響因子時，在綜合評定其影響權重的時候，取所包含各層影響因子權重的最大值做為該區域的權重。得到研究區煤礦安全可采性評價環境影響因子綜合分區圖，見圖4所示。根據權重值，將研究區劃分為3個區域：環境敏感區、一般敏感區、不敏感區。

圖4 研究區環境影響綜合分區圖

4 煤層頂板埋深影響分析

煤層埋深的提取所用到的數據為研究區鉆孔資料和地表30m分辨率DEM。首先整理鉆孔，提取各鉆孔的煤層頂板標高，然后利用ArcGIS把各鉆孔頂板標高進行插值，然后用DEM數字高程數據減去得到的煤層標高，即可得到研究區煤層埋深圖，見圖5所示。從圖中可以看出煤層西高東低，向東傾伏，依據以往研究資料得知煤層的冒落帶高度和冒落裂隙帶高度分別為70m和115m。以此為依據用ArcGIS軟件將煤層頂板埋深劃分為四個等級，權重值采用專家打分的方式設為四級，見表3。

5 煤層可采性綜合分析

利用ArcGIS工具，將環境影響因子綜合評價圖與煤層頂板埋深圖進行疊加，由于兩圖層在空間關系上是覆蓋關系，因此對權重采用加和的方式。再根據得到的權重進行分級，可得到寧東礦區煤層可采性綜合評價圖，見圖6。

圖5 頂板埋深分級圖

圖6 寧東礦區煤層可采性綜合評價圖

表3 頂板埋深分級表

影響煤層可采性的主要因素是煤層頂板的埋深，然后再考慮地表壓覆地物地貌的影響。從圖中可以看出，寧東礦區煤層可采性重點保護區主要分布在煤層頂板埋深較淺的冒落區與冒落裂隙區，且地表有道路、村莊、河流等保護對象。如果冒落區與冒落裂隙區地表沒有重點保護對象，而是荒漠或沙地，煤層的冒落也不會造成環境破壞和經濟損失，并不會做為煤層開采的重點保護區域。

6 結語

礦產資源開發不以犧牲環境為代價，避免走“先污染后治理，先破壞后恢復”的老路，從生態環境保護的角度確定礦產資源開采的準入規劃條件，嚴格執行礦山地質環境影響評估和礦山環境恢復治理保證制度，避免產生更多的生態破壞和環境污染。本次研究針對寧東礦區的地層和環境特點，將層次分析法與GIS相接合，層次分析法用于計算各影響因素的權重，GIS用于影響因素和評價結果的空間表達，充分發揮了層次分析法的多因素結合分析能力和GIS強大的空間分析能力，為煤層可采性評價提供了新方法。

[1]王靜雅，何政偉，于歡.GIS與層次分析法相結合的生態環境綜合評價研究——以渝西地區為例[J].生態環境學報，2011，20(8-9)：1268-1272.

[2]許樹柏.層次分析法原理[M].天津：天津大學出版社，1988.

[3]沈雪嬌,田兆偉.層次分析法在惠州市水資源分配中的應用[J].廣東水利水電，2011(7)：49-51，66.

[4]黃敏，姜琛.層次分析法在煤礦沖擊礦壓發生原因中的應用[J].能源技術與管理，2011(2)：4-6.

[5]賀連芝，張爭艷.層次分析法在安全評價中的應用[J].大眾科技，2011(5)：93-94.

[6]秦濤，商宇航，劉振文.基于層次分析法的煤礦安全評價指標體系研究[J].現代礦業，2010(5)：70-72.

[7]鄒義懷，江成玉，李春輝，等.基于層次分析法和模糊數學的煤礦安全生產評價[J].工礦自動化，2010(10)：39-41.