建筑垃圾-粗粉煤灰充填材料環(huán)境友好性評價研究

劉 音，吳海鳳，李 浩，王 凱，閆汝瑜

（山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590）

煤礦膏體充填作為1 種綠色開采技術(shù)，能夠有效解決地表沉陷和“三下”壓煤問題[1-3]，但是煤礦充填膏體對環(huán)境的影響也不容小覷。為了實(shí)現(xiàn)煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，利用建筑垃圾-粗粉煤灰進(jìn)行礦山充填開采[4-5]，從源頭上解決了建筑垃圾和粉煤灰及其衍生出的污染物污染環(huán)境的問題，對煤礦的發(fā)展有重要意義[6]。目前對煤礦膏體充填材料的研究主要集中在充填材料的性能研究[7-10]，在充填材料對環(huán)境影響綜合評價方面研究較少。為了更客觀地反映建筑垃圾-粗粉煤灰充填材料對環(huán)境的影響，采用物元分析評價方法對其進(jìn)行綜合評價，該方法是解決不相容問題[11-13]的簡便方法，具有快速、直觀等特點(diǎn)[14-15]。

目前, 一些專家對物元分析法也進(jìn)行了相關(guān)的應(yīng)用與研究。蔡文教授[16]于20 世紀(jì)80 年代初提出物元分析,以物元為基本元并建立物元模型，應(yīng)用物元變換法，化矛盾問題為相容問題；張小虎等[17]運(yùn)用物元分析法結(jié)合嫡值理論，從宏觀角度對黑龍江省土地生態(tài)安全程度進(jìn)行評價；張虹波等[18]采用物元分析法和可拓理論構(gòu)建了區(qū)域土地資源生態(tài)安全評價的綜合評判模型[19]，并以寧夏南部彭陽縣為例進(jìn)行了實(shí)證研究；盧金發(fā)等[20]首先運(yùn)用模糊關(guān)聯(lián)法估算出生態(tài)安全關(guān)聯(lián)度，進(jìn)而計算了錫林浩特市各樣地地塊生態(tài)安全指數(shù)，進(jìn)行全部地塊生態(tài)安全等級評定。Hsu 等人[21]使用基于層次分析法模型的安全管理指數(shù)評估了沿海航運(yùn)中產(chǎn)品油輪的安全系數(shù)[22-23]。但是這些成果大部分是針對土地安全評價以及海上安全進(jìn)行研究的，針對充填材料對環(huán)境的影響進(jìn)行評價的鮮有報道。為此構(gòu)建了評價環(huán)境友好性的物元分析法數(shù)學(xué)模型和環(huán)境友好性綜合評價體系，主要構(gòu)建物元矩陣、隸屬程度的關(guān)聯(lián)函數(shù)，以隸屬程度的不同取值范圍作為環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)，對建筑垃圾-粗粉煤灰充填材料對環(huán)境的影響進(jìn)行等級劃分，通過試驗對建筑垃圾-粗粉煤灰對環(huán)境友好性進(jìn)行等級判定，用物元分析法來評價建筑垃圾粗粉煤灰對環(huán)境友好性對環(huán)境的保護(hù)有重要意義。

1 構(gòu)建物元分析模型

1.1 “物元R”的定義

事物Q、事物Q 的特征H、關(guān)于特征值H 的量值c 共同組成物元R，其基本形式表示為：

1.2 n 維物元矩陣

用事物 Q 的特征 H1、H2、…、Hn，及與其所對應(yīng)的量值 c1、c2、…、cn來描述 1 個事物，則事物 Q的 n維物元矩陣可表示為：

1.3 節(jié)域?qū)ο笪镌仃?/h3>

若G 用來表示標(biāo)準(zhǔn)事物與可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)事物2種物質(zhì)所組成的節(jié)域?qū)ο螅琧ρi=[aρi,bρi] 表示節(jié)域?qū)ο箨P(guān)于特征Hi的量值范圍，因此節(jié)域?qū)ο笪镌仃嚳杀硎緸椋?/p>

1.4 經(jīng)典域?qū)ο笪镌仃?/h3>

經(jīng)典域?qū)ο笪镌仃嚳杀硎緸椋?/p>

式中：Gk為標(biāo)準(zhǔn)對象，其對應(yīng)的量值范圍為cki=[aki,bki]，（cki=?aρi（k=1，2，3…，m；i=1，2，3…，n；m＜n））。

1.5 關(guān)聯(lián)函數(shù)的建立

1.5.1 關(guān)聯(lián)函數(shù)模的定義及點(diǎn)到區(qū)間的距離

令有界區(qū)間xr=［a，b］的模[24-25]定義為：某點(diǎn)x 到區(qū)間xr=［a，b］的距離 S 為：

1.5.2 關(guān)聯(lián)函數(shù)

xr=［a，b］，x1=［c，d］，且xr?x1，則關(guān)聯(lián)函數(shù) K：

式中：λi為權(quán)重系數(shù)。

1.5.3 評價標(biāo)準(zhǔn)

由隸屬程度的關(guān)聯(lián)函數(shù)Kai可知，可根據(jù)Kai取值范圍的不同作為評價環(huán)境友好性的標(biāo)準(zhǔn)。

1）當(dāng)Kai＜-1 時，表示該評價材料不符合某一等級，且 Kai越小，離某一等級就越遠(yuǎn)。

2）當(dāng)-1≤Kai＜0 時，表示該評價材料不符合某一等級的標(biāo)準(zhǔn)，但具有轉(zhuǎn)化為某一級標(biāo)準(zhǔn)的條件。

3）當(dāng) 0≤Kai＜1 時，表示該評價材料符合某一等級的標(biāo)準(zhǔn)，且Kai值越大表示對某一等級的隸屬程度越高。

2 環(huán)境友好性的綜合評價體系的建立

2.1 綜合評價指標(biāo)

單方充填材料的耗能F1、單方充填材料粉煤灰和建筑垃圾所占的比重F2、單方充填材料的環(huán)保費(fèi)用F3為其綜合評價指標(biāo)。

2.2 綜合評價物元

建筑垃圾粗粉煤灰充填體環(huán)境友好性綜合評價物元為：

2.3 確定充填材料的基本單元

關(guān)于影響環(huán)境友好性等級的因素分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 影響因素分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grad standard of influence factors

根據(jù)影響環(huán)境友好性等級的因素分級標(biāo)準(zhǔn)確定描述各個等級的基本單元為：

根據(jù)各個等級的基本單元得到充填材料全體的基本單元，可以表示為：

2.3.1 各等級的耗能界定值的確定

由于目前國內(nèi)外缺少充填材料環(huán)境友好性評價標(biāo)準(zhǔn)以及環(huán)境友好性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此高度友好型、較友好型、友好型、不友好型等級的耗能界定值可參照目前國內(nèi)最高水平（4 000 t/d 及4 000 t/d 以上）、較高水平（2 000～4 000 t/d）、中等水平（1 000～2 000 t/d）及低水平（1 000 t/d 以下）的水泥廠和混凝土公司生產(chǎn)1 m3混凝土的耗能大小來確定。

友好和不友好的界定值可依據(jù)GB/T 50378—2006 綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)中的在同類建筑材料質(zhì)量中廢棄物生產(chǎn)建筑材料所占比例不低于30%的相關(guān)要求來界定。環(huán)保費(fèi)用參照綠色高性能充填材料試驗研究中對環(huán)保費(fèi)用的界定[25]。

2.3.2 評價體系的結(jié)果分析

根據(jù)目前情況得到的單個參數(shù)對強(qiáng)度等級為C20 的混凝土的友好性等級的分類標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 C20 混凝土的友好性等級的分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grad standard of friendliness level of C20 concrete

通過建立的建筑垃圾充填體環(huán)境友好性綜合評價體系可以看出，要提高建筑垃圾粗粉煤灰充填材料的環(huán)境友好性，就是要在保證充填材料有足夠的充填能力下，盡量減少單方充填材料的耗能、增加充填材料中建筑垃圾和粉煤灰所占的比重和減少環(huán)保費(fèi)用。

3 環(huán)境友好性等級的判定

利用建立的綜合評價體系對本試驗用建筑垃圾粗粉煤灰充填材料進(jìn)行環(huán)境友好性綜合評價，通過綜合評價指標(biāo)的確定以判定其環(huán)境友好性等級。

3.1 試驗材料

取方圓50～100 km2的平均值75 km2范圍內(nèi)的0.9 t 單方建筑垃圾充填體建筑垃圾和 0.35 t 粉煤灰、0.1 t 外加劑，并重卡運(yùn)輸。

3.2 綜合評價指標(biāo)的確定

式中：F1為單方建筑垃圾充填材料的能耗；E為單方充填材料建筑垃圾用量；T 為單位建筑垃圾運(yùn)輸能耗；Y為單方充填材料粉煤灰用量；U為單位粉煤灰生產(chǎn)和運(yùn)輸能耗；I為單方充填材料外加劑用量；為P 生產(chǎn)單位外加劑能耗。

式中：F2為單方充填材料建筑垃圾比重；E 為單方充填材料建筑垃圾用量；A 為單方充填材料質(zhì)量。

式中：F3為環(huán)保費(fèi)用；D 為建筑垃圾環(huán)保費(fèi)用；Z為粉煤灰環(huán)保費(fèi)用；V 為外加劑環(huán)保費(fèi)用。

3.3 關(guān)聯(lián)度的確定

在建筑垃圾充填體的環(huán)境友好性的評價中權(quán)重系數(shù)λF1=λF2=λF3=1/3 起著重要作用，因此這3 個權(quán)重系數(shù)必不可少。

根據(jù)式（6）計算出影響建筑垃圾充填體環(huán)境友好性的 3 個因素對各等級的關(guān)聯(lián)度（表3）。

表3 各因素關(guān)聯(lián)度Table 3 Association degree of all factors

3.4 隸屬程度的確定

根據(jù)式（7）可以得出試驗用建筑垃圾充填體對于各個等級的隸屬程度（表4）。

表4 充填體隸屬度Table 4 Membership of filling body

從表4 看出，該試驗用的建筑垃圾充填體屬于較友好性充填材料，表明該建筑垃圾充填材料不僅能滿足井下充填需要，而且對環(huán)境友好，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價值和發(fā)展前景。

4 結(jié) 論

1）建筑垃圾粗粉煤面料不僅可以對粉煤灰及建筑垃圾進(jìn)行最大限度的利用，而且可以有效降低其對環(huán)境的影響。

2）構(gòu)建了環(huán)境友好性的綜合評價體系，將物元分析法運(yùn)用到建筑垃圾-粗粉煤灰充填材料環(huán)境友好性綜合評價中，使構(gòu)建的物元分析模型更具有普遍性，計算更加方便快捷，結(jié)果清晰明了。

3）在保證充填材料的充填性能情況下，盡量減少單方充填材料耗能、增加充填材料中建筑垃圾和粉煤灰所占比重，并減少環(huán)保費(fèi)用，才能有效提高建筑垃圾粗粉煤灰充填材料的環(huán)境友好性。