采空區地面塌陷危險性評價方法研究

胡慶金，徐睿卿，王 沖，鄧 勇，石 瑞，李瑞松

（西安科技大學，陜西西安710600）

1 概述

當前評價采空區地面塌陷危險性的方法有很多種，其中單因子評價法[2]與綜合因子評價法[1]較為常見。在構建評價模型過程中涉及到多種指標，結構內容相對復雜。在實際應用中如果僅用單因子評價法進行危險性評價就會出現考慮不全面、數據不精確的問題。因此為了保障良好的評價效果，現通常采用多指標綜合評價方法評估。層次分析法（AHP）在對采空區的數據處理和評價模型過程中是一種普遍性和通用性的方法，其優點是具有系統性、簡潔實用、所需定量信息較少。而通過對大量數據進行分析計算，聚類方法得到的分析模型直觀，結論簡單易懂。另外模糊綜合評價、未確知數學理論、神經網絡和GIS等方法也是采空區進行數據處理和建立評價模型的重要評價方法。

2 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process）被用來確定評價權重，屬于模糊綜合評價。AHP將定性分析與定量計算相結合，從而對一個復雜課題中的元素建立層次關系，并根據各因子的相對重要性予以定量表示，最終基于該量化結果來解決和分析問題。AHP通過數學原理，實現了主觀向客觀的轉化，從而在最大程度上保證結果的客觀性。AHP是一種效率較高的，用來分析各種因素相互作用的現實問題的技術。AHP在數據處理過程中確定權重的過程如圖1所示。

圖1 AHP確定權重

丁麗（2016 年），王和平（2017 年）都是單一通過AHP確定評價因子權重，然后對地面塌陷地區進行危險性評價。吳麗清（2017年）[3]將AHP確定的權重與信息量法確定的信息量進行結合，得到各值的綜合信息量,從而評估武漢地區巖溶地面塌陷危險區。劉攀（2017 年）則使用了AHP 和熵權法結合對因子進行組合賦權，計算得到各因子的權重，然后用可拓學理論和粗糙集理論對所有采空區進行危險線性分級。張必昌（2019年）[4]考慮到AHP方法通過專家評判確定影響因子權重具有一定的主觀性，所以他采用粗糙集理論來構造數據驅動的目標屬性集成權重,并利用線性加權將主、客觀權重進行組合,進而得出一種主、客觀性同時兼顧的權重計算方法，更客觀地對采空區危險性進行評估，從而提升了該項目結果的準確度。

AHP 將抽象過程具體化,并用數學知識和技巧為分析、計算提供定量依據。在面臨復雜問題決策時,涉及大量相關因素,數據收集量大,尤其一些因素無法或不能定量化時,AHP能夠充分利用人的知識與經驗,將問題簡化,具有較強的適用性。

3 模糊綜合評價方法

模糊綜合評價方法基于模糊數學理論，對影響系統的多種因素進行評價。基于已有指標體系，通過計算確定各指標體系的權重，建立對應專家打分表，利用隸屬度方法對相關打分結果進行處理，實現從定性到定量的轉化。得出最后評價結果。模糊綜合評價對于復雜事物的分層辨析結果更準確，即使各因素的權重差異不大，也可以準確地確定權重，明確各因素在評價過程中的重要程度，因此復雜事物借助多層次分析能獲得良好效果。其模型工作流程如圖2所示。

圖2 模糊綜合評價工作流程圖

李沛（2016年）[5]選取12項相對重要的因素作為評價因子，運用AHP 確定各因子的權重，用四邏輯分析法確定隸屬函數，建立模糊綜合評價模型，將膠東地區131 個采空區的情況集中評估。任建波（2017 年）通過模糊數學理論加AHP 得出非巖溶環境下地面塌陷的誘因,研討了在非巖溶環境下城市區域的塌陷危險性評價方式,從而得到詳細的評價方法,危險程度矩陣是通過將權重矩陣與隸屬度矩陣結合計算而來的。楊榮康（2017年）分別選取了6個一級評估因子和15個二級評估因子,建立了兩級評價方法體系用于巖溶塌陷危險性評估。王磊（2019 年）、韓亞（2020 年）[6]都是直接使用AHP 得到指標的權重，求出隸屬度進行綜合評價，再用模糊綜合評價法對危險等級進行劃分。

4 未確知數學理論方法

確知信息與數學處理理論是1990年由王光首次發表的。它被定義為與隨機信息、灰度信息和模糊信息不同的新的“不確定”信息。在此基礎上，劉開第等人提出了未確知數學理論且運用到其他學科中。未確知測度評價模型的應用與研究成果最多。未確知數學理論不但可以處理評價模型中涉及元素的不確定性，而且還能對其進行定量分析，從而評估采空區危險性。其工作流程圖如圖3所示。

圖3 未確知數學理論工作流程圖

張迎新(2009年)將信息熵和未確知測度理論結合，用得到的評價模型,進行定性、定量分析。通過實際案例得出,此模型能基本完成評價采空區火焰自燃危險性的任務。該研究對煤礦業控制煤炭自燃、降低火險提供了重要的數據。宮鳳強（2008 年）、吳和平（2014年）、李小剛（2020 年）[7]都是在確定了影響因素的情況下,采用信息熵理論計算指標權重和綜合測度,引入置信度識別準則進行等級判定,建立了基于確知理論的采空區地面塌陷危險性評價模型。其中，在確定權重時，李小剛則是運用改進的AHP和熵權法相結合。

5 神經網絡評價方法

人工神經網絡是由仿照人類神經元細胞類似的程序神經元組成的網絡。通過輸入信息建立神經元，借助規則要求等處理目標，包括記憶、存儲、計算、分析等智能過程，這樣大規模的組織處理可以很好地明確輸入信息與輸出信息之間的聯系，并不斷修正使得輸出結果與實際結果誤差減小，安全評價效果更有效。這種評價法注重量化研究，較好地模擬了專家的安全評價過程，實際應用效果較好。其模型圖如圖4所示。

圖4 神經網絡模型圖

圖4 中從上到下分別是輸入、隱藏層輸出、最終輸出、期望輸出向量，其中幫助隱層神經元引入閾值，幫助輸出神經元引入閾值。BP 神經網絡在電腦運算過程中，每次都需要使用到上次的運算結果，因此在權值的調整和選取上需要極其謹慎，前一層的局部梯度是后一層局部梯度的加權和。

馮巖（2013年）優化BP神經網絡評價方法，首先使用主成分分析法對數據進行預處理，之后使用BP神經網絡進行訓練預測的過程中，神經網絡學習的步驟大幅度減少，訓練所需的時間縮短。該算法下進行的模型建立預測輸出與實際輸出之間的相對誤差控制在很低的范圍內，預測結果更為準確。李孜軍（2015年）[8]提出基于AGA-BP神經網絡算法，即使用自適應遺傳算法對BP神經網絡需要的權值和閾值進行進化選取，嘗試尋找數據的最優解。該算法使訓練結果的預測精度比其他智能算法更高。莊育龍(2019 年)使用來自于開源項目 Keras 的改進 CNN 模型，與 GLM 和 CART 兩種方法進行對比，選擇三種地形數據進行測試對比，結果可以直觀地看出CNN 模型的精準度遠遠超過其他兩種方法，更加客觀、合理。

6 基于GIS的評價方法

GIS 技術是獲得、解決、管理方法和分析自然地理空間數據的關鍵工具，在技術方面是處理空間難題的專用工具；在作用方面具備空間數據的獲取、存儲、顯示、編寫、解決、分析、輸出和運用等功能；總體來說是使用空間思維、數據和分析將客觀世界表現出來的方法。其工作流程如圖5所示。

圖5 GIS工作流程圖

蔣小珍（2003 年)使用 GIS 軟件決策中的AHP 模塊構建模型，構建各個層次中因素的判斷矩陣，通過判斷矩陣來計算各元素的相對權值。對中國地質災害當中的風險性評價提供科學依據。劉江龍（2007年）將信息量法數學模型與GIS 技術結合，使用GIS 技術的分析能力和空間數據庫管理能力，準確客觀地進行地面塌陷災害危險性評價。毛偉（2014 年）利用AHP 構建判斷模型計算元素權值，最終使用GIS 技術的疊加分析功能產生綜合結果，建立災害評價模型。鐘宇（2015年）采用基于模糊算法與GIS技術結合的方法，對塌陷因素進行精準預測，使數據結構偏向客觀性，同時利用GIS 技術分析處理與建立可視化模型。林新紅（2017年）、應智超（2020 年）[9]均運用GIS 技術進行地質災害方面的危險性評價。其中應智超還在易發性方面做出評價。將信息量法與GIS技術結合應用于采空區地面塌陷危險性評價中，充分發揮出信息量法的客觀準確性。

根據相關文獻可以歸納出各類評價模型如表1 的優缺點。

表1 模型優缺點

7 結語

綜上所述，采空區地面塌陷危險性評價研究領域的不足之處大致如下：

（1）相關概念不統一。由于不同的研究人員對采空區地面塌陷相關概念有不同的理解，所以出現了很多意思相近的概念，比如危險性（程度）、穩定性（程度）、易發性（程度）、易損性（度）、風險性（度）等，以致出現了穩定性分區圖、危險性分區圖、易發性分區圖、風險性分區圖等。

（2）數據選取不夠充足。首先是，絕大部分研究人員選取的數據都是采空區范圍內的數據，并沒有對采空區附近范圍的數據進行收集。然而，只有單一的采空區數據，無法和其他數據進行對比處理，計算所得結果并不是十分準確，說服力也不是很強。其次是，由于采空區的內部狀況和當地氣溫變化等外界因素的干擾，對于采空區的數據收集帶來了巨大的誤差，數據收集受到阻礙，從而所得的結果也會有誤差。

（3）選取的影響因素不夠全面。采空區穩定性的影響因素從大的方面可以分為地質因素、水文因素、環境因素、開采因素四方面，而細分，則可分為覆巖結構穩定性、覆巖層厚度、地質構造、巖石質量指標、年降水量、地下水含量、地形地貌、第四系覆巖層厚度、停采時間、采煤層數、采深采厚比、采空面積、頂板巖性、頂板厚度、頂板抗壓（拉）強度、頂板抗剪斷強度、坡度角、植被覆蓋情況、天氣情況、礦柱尺寸和布置等。但研究人員們選取影響因子建立采空區穩定性評價體系時，并沒有考慮到全面性，而是從這些影響因素中選取若干個作為影響因子，進行危險性評價，從而所得的結果與真實結果會有偏差，不能夠精確地展示出采空區危險區域分級圖。

（4）評價模型存在不足。從國內相關文獻來看，關于采空區地面塌陷危險性評價工作，基本都體現在危險性、易發性、地面穩定性評價中[]。雖然，危險性評價的研究已經獲得大量成果，相關評價方法和文獻也有很多；但是，涉及承災體易損性評價和地面塌陷經濟損失的研究工作并不是很多。然而，只從地面塌陷危險性評價或易損性評價進行地面塌陷防治方案制定無異于杯水車薪，因為地面塌陷承災體的承災能力及災害的社會影響也決定了采空區地面塌陷的危害大小。而對采空區地面塌陷的評價中，危險性評價居多，易損性評價和塌陷經濟損失評價很少；因此，應該重視采空區地面塌陷承災體易損性評價和塌陷經濟損失評價，讓評價模型更加完善。