膠東采空區危險性模糊綜合評價

李沛，尹明泉，馮秀麗，邢同菊

（1.中國海洋大學，山東青島266100；2.青島地質工程勘察院，山東青島266100）

膠東采空區危險性模糊綜合評價

李沛*1，尹明泉2，馮秀麗1，邢同菊2

（1.中國海洋大學，山東青島266100；2.青島地質工程勘察院，山東青島266100）

針對膠東地區采空塌陷的相關資料，提出了一套針對該區域的采空區模糊綜合評價體系。選取12項相對重要的因素作為評價因子，運用層次分析法確定各因子的權重，用四邏輯分析法確定隸屬函數，運用模糊綜合評判對膠東地區131個采空區危險性進行評估，得出了膠東地區采空區危險性評估圖，并給出關于采空塌陷治理的合理建議。

采空區；危險性；模糊綜合評價

1　概述

隨著礦山開采量逐漸增加，礦床開采產生的地下大量采空區，容易誘發許多地質災害，如礦區塌陷、礦井突水、滑坡、崩塌等，采空區失穩的問題已經嚴重影響礦山安全生產，越來越引起人們的重視［1］。采空區不僅給礦山開采留下安全隱患，也嚴重影響人們的日常生活，給一些居民點、鐵路、公路、工廠、農田等形成嚴重安全威脅，同時給也嚴重影響地下水等地質環境。

研究區域主要位于山東省的東部，范圍為青島、煙臺、威海3個地級市所轄行政區，面積29838km2。

該地區采空區的分布如圖1所示，多分布在萊州西部、龍口西部、招遠金礦區、蓬萊西南部、煙臺西南部等地區。該區域采空區危險性評價面臨的主要問題是：影響采空區塌陷的各種因素比較模糊，同時又具有很大的地域性［2］；另外，這些因素之間的關系也相對復雜，本文選取了影響采空區危險性的比較重要的因素對采空區進行模糊綜合評價，預測采空區的危險性。

圖1　膠東地區采空區分布圖

2　膠東地區采空區穩定性影響因素的主要特征

膠東地區采空區主要影響因素可分為地質因素、環境因素、采空區特征參數和其他因素。

地質因素：金礦礦區大多分布在北東向斷裂帶上，褶皺和斷層影響較為復雜。煤礦區主要分布在龍口附近斷陷盆地上，采空區受構造影響較小。石墨礦床點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，采空區地質特性因地各異。該研究區域內河流較多，共有大小河流數百條，這些河流多屬半島邊緣水系，其發育與分布受膠東半島地形及氣候的影響，其水文動態隨季節變化較大。

環境因素：區內地形地貌嚴格受水文、構造及巖性控制，由內外營力共同作用形成的，呈現為中低山、丘陵、平原等多種復雜地質地貌景觀。第四系沉積物分布不均勻。

采空區特征及其他因素：采空地面塌陷是研究區最主要的地質災害，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，其次是金、鐵礦及石墨、滑石礦等采空區，但從突發性和對人民生命財產安全上來講，又以金、鐵、石膏、滑石礦更為嚴重。塌陷面積規模較大的是煙臺、招遠、萊州、牟平及龍口。一些規模較大的采空區已經進行了簡單的治理，但由于礦產的重復開采，又形成了一些新的潛在塌陷區。

3　膠東采空區危險性模糊綜合評價

3.1構建評價模型

綜合考慮地質、環境及采空區的特征參數和采空區塌陷對當地人和財產造成損失的大小等方面，對相關因子進行優篩［3］。最終選取12項因素作為評價因子建立危險性評價的指標層次結構（圖2）。將采空區安全評價的結果劃分為4個等級，即評判集V=｛Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ｝=｛危險性極高，危險性較高，危險性一般，危險性較低｝。

圖2　采空區危險性評價指標層次結構

3.2確定各個評價因素的權重和隸屬度函數

（1）確定評價因素的權重：

①構造判斷矩陣：設U=｛U1，U2，…，Um｝為評價因素集，分別對各因素之間重要性進行比較進行打分，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烈，倒數則表示Uj與Ui比較得Uji=1/Uij［5］。按以上規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　地質因素打分表

表3　環境因素打分表

表4　采空區特征參數打分表

表5　其他因素打分表

②計算重要性排序：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的特征向量，把特征向量歸一化，即是權數分配［3］。

③檢驗：由于主觀個體對事物認識具有片面性，判斷因素之間關系也比較復雜，因此，需要對判斷矩陣是否合理進行一致性和隨機性檢驗［4］，檢驗公式為：

式中：CR——判斷矩陣的隨機一致性比率；

CI——判斷矩陣一致性指標；

λmax——最大特征根；

m——判斷矩陣階數；

RI——判斷矩陣的平均隨機一致性指標，取值列于表6。

當CR＜0.1時，即說明矩陣一致性合格，權重分配合理；否則，就需要調整判斷矩陣，直到矩陣一致性合格為止［5］。

表6　層次分析法的平均隨機一致性指標值

根據打分表（表1～表5）求得各因素權重矩陣Ai及最大特征值λmax。并將各個λmax代入驗證公式得CR均小于0.1，即認為判斷矩陣一致性合格，權數分配合理。

（2）確定隸屬函數：首先制定采空區四值邏輯評分因子量化表（表7）和隸屬函數確定表（表8）。

表7　評價因子量化表

對于文字性表述的評價因子，則根據表7中分別對應評價等級，對于數字表達的評價因子，則根據表8中的隸屬度函數，計算出對應于各個評價等級的權重。

3.3膠東地區危險性評價［7］

將依據表8和表9計算所得各個因素的權重組成模糊變換矩陣R。

（1）第一層次的綜合評價：

分別將B1（2），B2（2），B3（2），B4（2）進行歸一化處理，從而得出評價矩陣B1（1）。

（2）一級綜合評價：

得出A中的數值分別對應各個評價等級的隸屬度。本文采用最大隸屬度評價準則進行判別，即A中隸屬度值最高值對應的等級為該采空區的危險性等級。

表8　定量表述的影響因素的隸屬函數確定表

3.4評價結果

根據膠東地區131個采空區危險性的評價結果得出膠東地區采空區危險性評估圖，見圖3。

圖3中Ⅰ-Ⅳ區分別表示采空區危險性由極高到較低的區域，由評價過程和結果圖可以看出膠東地區由于礦山開采，出現采空塌陷的地區比較多，龍口地區采空區面積較大，但治理工程做得比較好，因此危險性較低；招遠金礦區，由于金礦多生成在該地區主要的斷裂帶上，地形地質條件比較復雜，開采過程多采用直接冒落，開采速度也較快，造成新的采空區面積較大，并且少有治理措施，因此采空區危險性整體較高；煙臺牟平區和萊州地區采空區面積相對較大，并且多數也未有任何治理措施，危險性較高。其余塌陷區，由于礦區開采日期比較久，多數已處于相對穩定狀態，危險性較低。

4　結論及建議

（1）針對膠東地區采空區的調查資料，建立起了一套符合該地區的模糊綜合評價模型，可作為類似礦區危險性的評價指標，但是也由于調查的局限性，對另外一些影響因子有所舍去。

（2）評價過程中把塌陷區的威脅對象單獨作為一個指標，充分考慮進去了一些規模雖然不大，但卻距離村鎮居民點很近，給人們生命財產安全帶來很大威脅的采空區。

（3）采用層次分析法分析各因素的權重，使影響采空區穩定性的主要因素和次要因素更容易判別，從而能使采空區治理時針對某個因素采取針對措施。

（4）對于危險性極高的采空區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，并圈定采空區范圍樹立警示牌。對于威脅人口較多搬遷量較大的采空區，應及時充填，做好治理工作。對于危險性一般和較低的，應簡單填埋，防止繼續發展，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狀與發展趨勢［J］.中國礦業，2011（9）：76-79.

［2］王新民，段瑜，彭欣.采空區災害危險度的模糊綜合評價［J］.礦業研究與開發，2005，25（2）.

［3］程霞.澄合礦區采空區地面塌陷危險性評價［D］.2009.

［4］陳寶，周麗珍.層次分析法在隧道布置型式中的應用研究［J］.湖南科技大學學報：自然科學版，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］.系統工程理論與實踐，2004（1）：63-69.

［6］樊亞萍.延安貫屯煤礦區地質災害風險評估［D］.2013.

［7］安國強.膠東重點金礦區環境地質監測分析［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，中國海洋大學在讀碩士研究生，研究方向：采空區評價及治理。