集成AHP/熵權法的煤炭資源開發利用綜合評價：以潞寧煤業公司為例

杜建磊，申宇鵬，李 楊，王 江

(1.中國礦業大學(北京)能源與礦業學院，北京 100083；2.中國礦業大學(北京)共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083)

山西省作為我國傳統煤炭產區，為我國工業發展提供了能源支撐。由于歷史原因，山西省內多個煤田均分布有不同程度的小煤礦，機械化程度低，安全條件差，直接將小煤礦關閉會造成大量資源的浪費[1]。為此，山西省提出了煤炭資源整合的基本方針，引導省內小煤礦可持續發展。本文基于此背景開展對潞寧煤業公司煤炭資源綜合評價研究。為研究煤炭資源綜合評價，國內學者進行了積極探索。王志民[2]從地質條件、安全及開采技術條件、資源環境條件、社會經濟效益條件4個方面對煤炭資源綜合評價進行研究；薛黎明等[3]基于改進的AHP與模糊理論從發展基礎、競爭能力、發展潛力、協調發展能力4個方面對縣域礦產資源綜合評價進行研究；張金鎖等[4]基于模糊屬度函數評價方法對煤炭資源安全綠色高效開發進行了綜合評價研究。目前在對煤炭資源綜合評價研究中普遍采用改進AHP確定指標權重，與AHP法相比增加了指標權重客觀性。本文通過對潞寧煤業公司的現場調研以及查閱文獻法，構建煤炭資源綜合評價指標體系，運用AHP計算評價指標權重，并根據熵權法對指標權重進行修正，得到綜合權重，對煤炭資源進行綜合評價，為潞寧煤業公司煤炭資源建設提出針對性建議，并為煤炭資源綜合評價指標體系提供技術參考。

1 構建煤炭資源綜合評價指標體系

通過對煤炭資源綜合評價目標問題分析，結合文獻研究法以及對潞寧煤業公司煤炭資源的現場調研，最終確定了煤炭資源綜合評價指標體系，該體系包括目標層A、準則層B、要素層C、控制層D。其中，目標層為煤炭資源綜合評價；準則層包括資源條件、安全及開采技術條件、環境條件、開采經濟效益4個方面[2]；要素層包括9項指標，指標層包括24項指標，煤炭資源綜合評價指標體系如圖1所示。

圖1 煤炭資源綜合評價指標體系Fig.1 Coal resources comprehensive evaluation index system

2 煤炭資源綜合評價方法

2.1 AHP計算指標權重

層次分析法(AHP)的核心是指標權重的確定，各指標之間的互相重要程度以權重的形式體現出來，權重是指標對比、權衡后的綜合顯示數據。AHP計算各指標權重方法的如下所述。

1) 構造判斷矩陣。根據煤炭資源綜合評價指標體系，將準則層B、要素層C、控制層D中的指標按照隸屬范圍進行兩兩比較。為避免個人知識局限性，邀請專家(單位：中國礦業大學(北京)，職稱：教授，研究領域：礦井開拓及優化設計、礦山安全與災害防治等)根據1～9標度方法(九級分制)對判斷矩陣A的元素bij進行對比并賦值[5-7]。且指標賦值滿足bij=1，bji=1/bij(i，j=1，2，3，…，n)，完成構造判斷矩陣A。

2) 計算各指標權重及一致性檢驗。計算各判斷矩陣的最大特征根λmax以及權向量W，即可得到本層次各因素相對于上一層次因素的相對重要性。以判斷矩陣A為例，依據式(1)求出各指標權向量W，利用式(2)得到最大特征根λmax，根據式(3)對W進行標準化處理得w，即各評價指標權重。為驗證得到的權向量是否合理，還需對判斷矩陣進行一致性檢驗，保證可以在接受范圍之內，即式(4)中一致性比率CR<0.1，才能滿足一致性要求。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，RI為隨機一致性指標(取值為：n=1、RI=0；n=2、RI=0；n=3、RI=0.52；n=4、RI=0.89)。

以構造的判斷矩陣A為例求解權重w，見式(5)。

(5)

在得到權重w的同時，依據式(2)求解出判斷矩陣A的最大特征根λmax=0.25×(5.980 0/1.484 8+4.812 4/1.195 4+3.009 2/0.750 6+3.009 2/0.750 6)=4.017 8，由于n=4，可知RI=0.89，依據式(4)得到一致性比率CR=0.017 8/(3×0.89)=0.006 7<0.1，滿足要求。采用同樣方法依次得到各判斷矩陣的λmax和w，經計算各判斷矩陣均符合一致性檢驗。最后將各級指標權重依次相乘，得到控制層相對于目標層的權重，計算結果見表1。

2.2 熵權法計算指標權重

熵作為熱力學的一個概念，最早被SHANNON引入信息論；由信息論基本原理可知，熵是系統無序程度的度量，即熵權法是一種客觀賦權法[8]；通過計算得到的客觀熵權并不反映評價指標在煤炭資源綜合評價中的重要程度，而是各個評價指標在煤炭資源評價上優差程度。運用熵權法計算各評價指標權重方法如下所述。

1) 數據標準化。根據建立的煤炭資源綜合評價指標體系，可知要素層的指標集V={v1，v2，…，vn}是由n個評價指標組成的集合；研究區域U={u1，u2，…，um}是由m個研究區域組成的集合，評判集S={s1，s2，…，ss}是由s種評價組成的集合，完成評價并形成原始矩陣Y=(Yij)m×n，為保證AHP和熵權法的使用，根據式(7)進行標準化處理得到標準化矩陣P=(pij)m×n[8]。

(7)

2) 計算第j個指標信息熵和熵權。根據式(8)可計算第j個指標的信息熵Hj。

(8)

根據計算得到的各指標信息熵按照式(9)轉化為熵權wj。

(9)

以要素層煤炭資源C1為例，見式(10)。

(10)

得到標準化矩陣P1，依據式(8)得到Hj=(0.997 8，0.997 1，0.993 5)。 在得到所有信息熵后，依據式(9)可得wj=(0.020 8，0.027 4，0.060 1)，所有控制層評價指標計算結果見表1。

2.3 確定指標綜合權重

將運用AHP得到的指標權重與熵權法得到的指標熵權相結合，按照式(10)得到考慮主客觀因素之后指標權重，其中，α為主客觀偏好系數，當α=0為熵權法權重、α=1為層次分析法權重，關于α取值的合理性，結合本文實際情況，α取值為0.5。計算的指標綜合權重見表1。

(i=j=1，2，…，n，0≤α≤1)

(10)

2.4 煤炭資源評價標準及隸屬度值

根據已建立的煤炭資源綜合評價指標體系，以及現場調研，得到潞寧煤業公司各分公司評價指標數據，見表2，其中，量化指標由現場調研直接給出，非量化指標由現場實際情況給以確定。根據煤炭資源綜合評價指標的特點，結合研究區實際情況將評價指標分為4個等級，即s1、s2、s3、s4。同時根據對潞寧煤業公司各分公司的調研結果，最終確定了煤炭資源評價標準及評價指標隸屬度值,見表3。

2.5 計算評估結果

將表3中評價指標隸屬度值與對應的評價指標綜合權重相乘，得出潞寧煤業公司各分公司評價指標分值，再把各評價指標分值相加，得到被評價單位評分成績，成績越高，煤炭資源綜合條件越好。為了進一步分析潞寧煤業公司各分公司煤炭資源特點，還計算了一級指標(準則層)各個指標得分值，計算結果見表4。

表1 煤炭資源綜合評價指標權重Table 1 Coal resources comprehensive evaluation index weight

表2 潞寧煤業公司各分公司煤礦評價指標數據Table 2 Coal mine evaluation index data of each branch of Luning Coal Industry Group

表3 煤炭資源評價標準及評價指標隸屬度值Table 3 Coal resources evaluation standard and evaluation index membership value

表4 潞寧煤業公司各分公司煤炭資源綜合評價得分Table 4 Comprehensive evaluation score of coal resourcesof each branch of Luning Coal Industry Group

根據潞寧煤業公司各分公司的煤炭資源綜合評價得分結果，大漢溝煤業煤炭資源綜合評價等級為良，但得分較低，屬于低水平的良，前文明煤業、靜安煤業、忻豐煤業煤炭資源綜合評價等級為中。經對各分公司平均計算，得出潞寧煤業公司煤炭資源綜合評價得分平均值為47.805 4，平均分較低，綜合評價等級為中。從一級指標平均分分析可知，潞寧煤業公司煤炭資源整體偏差，且在資源條件、安全及開采技術條件、環境條件、開采經濟效益4個方面存在嚴重的不平衡。

3 結論與對策建議

通過文獻研究法，以及對潞寧煤業公司煤炭資源的現場調研，從資源條件、安全及開采技術條件、環境條件、開采經濟效益4個方面，建立了煤炭資源綜合評價指標體系。基于AHP計算各級指標的權重，并引進熵權法對評價指標進行了權重修正，得到綜合權重。依據劃分的煤炭資源評價標準，確定各評價指標的隸屬度值，計算得到評估結果，可知潞寧煤業公司煤炭資源整體偏差。根據評估結果分析，現對潞寧煤業公司存在的問題提出如下建議，為潞寧煤業公司提高綜合競爭力、實現可持續發展提供技術參考。

1) 在資源條件方面，煤炭資源量是決定礦井生產能力的重要因素之一，是評價礦井是否具備可持續發展的重要因素。根據分析可知，潞寧煤業公司各分公司資源條件差，現保留可采儲量少，但其主采煤層穩定性好，煤質優良，考慮到潞寧煤業公司的遠景發展，直接關閉必然造成資源浪費。在國家政策允許范圍內，提議集團公司聯合周圍國企及當地政府把周圍殘余礦權劃分到潞寧煤業公司及各分公司，具體措施為：①將潞安潞寧煤礦、山西煤運煤礦并入大漢溝煤業；②陽泉煤業天安煤礦、霍州煤電汾源煤業并入前文明煤業；③潞安孟家窯煤礦、潞安大木廠煤礦、煤銷三百子礦并入靜安煤業；④正暉煤業昌盛煤礦并入忻豐煤業；⑤將萬鑫安平煤礦、石豹溝煤礦、汾西昌達煤礦、潞安忻峪煤礦合并在一起并入潞寧煤業公司。以上措施既避免了對資源開采的浪費，同時又增加了潞寧煤業公司設計可采儲量，創造了更多的經濟效益。

2) 在安全及開采技術條件方面，安全及開采一直是煤礦生產過程中的核心問題。根據分析可知，潞寧煤業公司各分公司瓦斯涌出量較大，一方面是因為各分公司為瓦斯煤礦，另一方面因各分公司所采資源均為整合資源，整合之前各小礦井管理混亂，造成各分公司在巷道掘進與開采過程中存在“小窯”開采現象，易造成煤層瓦斯涌出量變大；又因煤層自燃傾向性為自燃、煤塵爆炸性較弱，即在掘進與開采過程中易存在瓦斯爆炸現象。具體解決措施為：①在掘進過程中，減慢巷道掘進速度，必須先探后掘，加大探測密度，也可采用地質雷達對巷道兩幫及頂底板進行勘探確定“小窯”位置，對瓦斯進行抽采；②在開采過程中，從巷道兩側向實體煤打抽放鉆孔對煤層瓦斯進行抽出，減少開采過程中瓦斯涌出量。

3) 在環境條件方面，綠色礦山已成為礦業發展的共識。根據分析可知，潞寧煤業公司各分公司環境條件得分較低，地面沉陷、地面煤塵、水資源保持、植被覆蓋率問題較為突出，為解決這些問題，具體措施為：①矸石充填可以有效解決地面沉陷，但同時也增加了生產成本，在采用時要綜合考慮；②在煤場對煤堆加蓋防塵網，同時在煤場四周建高5～7 m防塵網圍欄，可以達到明顯降低煤塵的效果；③潞寧煤業公司各分公司所在地附近均有大小不一的山峰，可以在煤礦周圍及山峰植樹造林，增加植被覆蓋率，優化地表生態環境，亦可解決水資源流失嚴重問題。

4) 在開采經濟效益方面，根據分析可知，潞寧煤業公司各分公司開采經濟效益得分較低，為提高各分公司年利潤，降低資源消耗，可以采取的措施為：①將周邊煤礦并入各分公司，提高各分公司煤炭生產能力，以及年產量，可在一定范圍內提高各分公司年利潤，但不能簡單地以提高煤炭產量為標準；②在降低煤炭資源消耗方面，各分公司由于主采煤層均為5#煤層，對礦井系統設計時可采用相同且先進的采煤方法、支護方法，來降低物料和水電消耗。