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矿产勘查 MINERAL EXPLORATION 第11卷第6期 2020年6月 Vo l . 11 No .6 Ju n e,2020 模糊综合评价在河南城郊煤矿地面塌陷 危险性评价中的应用 韩亚▽，母霓莎3,许飞飞3,王永辉2,4 （1.河南省地质科学研究所，郑州450000； 2.河南省城市地质工程技术研究中心，郑州450000 3.河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院，郑州450000； 4.河南省地质调查院，郑州450000） 摘要本文从地质环境条件、采矿工程活动两个主要因素着手进行综合分析，选取影响城郊煤矿地面采空塌陷 的9个因子，采用模糊综合评价的方法对城郊煤矿地面塌陷危险性进行评价,确定隶属函数，构建模糊评 价矩阵，并利用层次分析法确定各影响因子权重，建立矿区地面塌陷危险性评价模型并将矿区地面塌陷 危险性程度划分为危险性小区、危险性中等区以及危险性大区3个等级。结果表明，该评价模型能较好 地应用于城郊煤矿地面塌陷危险性评价中，该评价方法是实用和有效的。 关键词城郊煤矿地面塌陷模糊综合评价层次分析法危险性评价 中图分类号P694 文献标识码A 文章编号 0引言 城郊煤矿位于河南省永城市境内，是永煤集团 投产的第三对大型矿井。长期煤矿开采引发的地面 塌陷问题是采煤过程中普遍存在的环境工程地质问 题，也时刻威胁着当地生态环境和人民生命财产安 全，成为当地社会经济建设持续发展的制约因素。 进行矿区地面塌陷危险性评价可以最大限度地降低 塌陷产生的负环境效应，对有效控制采空塌陷灾害 对人民生命财产的危害，保护矿区生态环境、促进当 地经济持续发展具有重要意义（卜华等,2008；张长 敏,2010；马晓燕等,2010；章才光,2014）。 城郊煤矿地面塌陷的形成是地质因素、人为因 素等多重因素综合作用的结果,其稳定性评价与覆 岩岩性特征、地质构造、地下水资源等地质环境条件 及开采煤层厚度、开采深度等采矿工程活动多种因 素密切相关，是一项复杂的系统工程（罗东海, 2015；于大鹏等,2010）。各影响因素错综复杂且没 1674-7801（2020）06-1308-06 有截然的界限，其孕育过程、变形机制以及发生时机 具有较大的不确定性且难以用准确的数学描述工具 严密地刻画，但各影响因素之间又具有明显的相关 性和归类性。模糊数学方法可以较好地解决各种非 确定性、难以精确量化的问题（彭有宝,2018）。 模糊综合评价法是建立在模糊变换原理和最大 隶属度原则基础上来表述模糊界限，综合考虑评价 目标及其特征属性的相关因素，进行等级评价的一 种评价方法。该方法既可以顾及评判对象的层次性 和复杂性，又可使评价标准、影响因素的模糊性得以 体现，还可以做到定性和定量因素相结合,扩大信息 量,使评价精度得以提高，同时在评价中还可以充分 发挥人的经验，使评价结果更客观，符合实际情况 （付雁鹏,1986；陈国玉等,2009；江越潇等,2018；林 才秀,2018；陈云超和杨平庆,2018） 0因此,本次采 用模糊综合评价法对地面塌陷危险性进行评价。 ［收稿日期［收稿日期］2019-12-18 ［第一作者简介］韩亚，女［第一作者简介］韩亚，女,1989年生，硕士，助理工程师，从事水工环地质工作;E-mail 921109281。 1308 第11卷第6期 韩亚等模糊综合评价在河南城郊煤矿地面塌陷危险性评价中的应用 1模糊综合评价方法 1. 1评价体系的建立 1 评价因子选择 评价指标体系是由若干个单项评价指标组成的 层次分明的有机整体，评价因子的合理选取,是做到 地质环境质量优劣客观评价的前提和基础郑国明 等,2009。综合考虑城郊煤矿实际情况，本次选择 的评价因子分为两类地质环境条件M］覆岩岩性 特征M“、地下水资源叫2、地质构造Ms年降雨量 M”、地貌类型MJ ;采矿工程活动M开采厚度 Mn、开采深度M22、采矿活动强度M23、采矿管理 MJ o 2 评价等级划分 结合城郊煤矿实际情况,将矿区地面塌陷危险 性程度划分为危险性小区、危险性中等区以及危险 性大区3个等级，记为“ 卩3 ］ , ［危险性 小区］;匕［危险性中等区］; ［危险性大区］。 3 评价因子标准化 模糊综合评价运算过程中，需要对各评价因子 要进行定量化处理。根据矿区实际情况，结合前人 在相似问题上的处理方法，由评判专家组结合现场 调查，分析研究矿区地面塌陷的变化趋势。结合矿 区内实际情况,根据相关规范的划分标准,将矿区地 面塌陷危险等级进行标准化赋值表1。 1.2评价因子权重的确定 本次评价因子各指标的权重采用层次分析法进 行确定，具体步骤如下 1构建判断矩阵 根据地面塌陷影响因素结合专家经验，采用“1 -9标度”法对重要性程度进行赋值,根据赋值情况 得出如下判断矩阵。 叫 - 叫 T m2l“22 * ・ ■叫1叫2 - m丙 2重要性排序计算 本次采用和积分求解判断矩阵T的最大特征 值与其对应特征向量，如下所示 ① 将判断矩阵T每列进行归一化 ％ 叫j ----- i,j 1,2, ,n ZX 41 ② 将经过正规化的判断矩阵按行相加得 m Z mij iJ 1,2,，71 j i ③ 将向量厉二旳腿瓦厂进行正规化处理 表1地面塌陷影响因子标准化赋值 评价指标 评价等级 危险性小I危险性中等U危险性大III 赋分值 123 地质环境条件覆岩岩性软弱岩层或第四系地层坚硬、中硬软弱岩层或互层只在一定位置存在极软弱岩石 地下水资源富水性弱富水性中等富水性强 地质构造简单中等复杂 地形地貌切割剧烈的黄土沟壑区较平缓的黄土丘陵区平缓的黄土平原区 年降雨量/mm450550650 采矿工程活动 开采厚度/m368 开采深ffi/m600450200 采矿工程活动强度采矿工程活动弱采矿工程活动较强复采采矿工程活动强首采 采矿管理完全按有关规程开采基本按有关规程开采滥挖滥采 1309 矿 产 勘 查 2020 年 表4 M］判断矩阵列表 Z n __、- _,一， i l 其特征向量为A（1O2... a ”）「,进而求出其 最大特征值入现丄 ---。 n ii a； 其中,（TA）i为7M的i个元素。 （3） 一致性检验 对判断矩阵进行一致性检验，检验专家所做的 判断是否符合客观实际,检验公式为 r r 1 CR ； CI -------（A zi） RI n - V max 式中,CR为判断矩阵的随机一致性比率;刃可 根据矩阵的阶次由表2得到,为判断矩阵的平均随 机一致性指标;C/通过计算得到，为判断矩阵的一 般一致性指标；入唤为最大特征根;“为判断矩阵阶 数。 当CR0. 1时，认为判断矩阵具有满意的一致 性，评价结果符合实际情况，同时也说明权数分配是 合理的;否则，就需要重新调整判断矩阵，直到取得 满意的一致性为止。 依据上述公式确定此次危险性评价因子的权 重,结果见表3 6 o 表2平均随机一致性指标值 注一致性检验Am„ 5.0680 0.017,ZZ1.12,CZ 0. 015 地质环境条件（MJ 覆岩岩 地下水 地质 性特征资源构造 年降 雨量 地貌 类型 权重 （比） 覆岩岩性特征（町） 11/21/31/41/50.062 地下水资源（（M”） ） 211/21/31/40. 099 地质构造（Mh）3311/21/30.161 年降雨量（（M14） ） 43211/20. 262 地貌类型（（M“） ） 543210.416 0.1o 表5 IM判断矩阵列表 注一致性检验Amax4.031,CZ0.010,90,CZ 0. 011 开采开采采矿采矿相对 人类工程活动（M2） ） 厚度深度类型管理权重 M21 傀）M23 他）仙） 开采厚度（（Mm） 1231/20. 277 开采深度（M22） 1/2121/30. 161 采矿工程活动强度（M）1/31/2 11/40.096 采矿管理（M24） ） 23410.466 0. lo 表6各项指标最终权重 采矿 评价 因子 覆岩岩地下水地质年降地貌开采开采工程采矿 性特征资源构造雨量类型厚度深度活动管理 MJ M12 M13MGMisM21 M22 强度M M 最终权重0.02 0.02 0.040.070.100.210. 120.070.35 WJ N12345 6789 RI000.580.91.12 1.241.321.411.45 1.3隶属函数的确定 由于影响城郊煤矿地面塌陷因素的相互作用、 相互影响以及矿区地质环境本身的复杂性和模糊性 表3 M-M1-M2判断矩阵 地面塌陷M 地质环境 条件（MJ 采矿工程 活动（（M2） ） 权重仙） 地质环境条件（MJ 11/30. 250 采矿工程活动（M2） 310.750 注一致性检验Amax 1.5,CZZZ0,CZ 00. lo 的特点，综合以往相关文献,本次隶属函数选择线性 隶属函数，具体计算公式如下所示 C2-X C - C] XWC\ Cl X c2 x C2 MQ 1 0 1310 第11卷第6期 韩亚等模糊综合评价在河南城郊煤矿地面塌陷危险性评价中的应用 X 1 X - C, c2 -Q c.-x C3 - c2 ro M3W X - c2 C3 - C2 X M C\ C. X c2 C2 x C3 X W C2 C. X c2 X M C3 式中，Mi代表评价指标对应于C］、C2、C3所规 定的那一级标准的隶属度;X代表评价指标的实测 图1评价单元划分图 / 2 8 6 7 h 891011 / 12131415 16 17\ / 18 192021222324、 2526 27 2829303132 33/ 3 35363738394041 42 43 \ 1 44 454647484950515253 54 ] 5556575859606162636465 / 66676869707172737475 76 / 77 7879808182 83 8485 86 值；c1ac2,c3分别代表某指标各标准值。 1 1.4模糊评价模型的建立 根据隶属函数公式求得模糊关系矩阵R。矩阵 中的行代表评价因子对3个分类等级的隶属度，矩 阵中的列代表评价因子对每一级的隶属度。 根据层次分析法计算出最终权重矩阵即为A 人人1/12人人13 [ala2a3ttta9 ] ,R [ala2a3ttta9 ] ,R 二 R222R23 ，则模糊评价模型矩 _人1出2瞪3 阵为仏二4・R。 2研究区地面塌陷危险性评价 2.1评价单元的划分 城郊煤矿位于永城市中部面积约为103k m2 ,本 次划分采用正方形网格单元划分法，以l k mx l k m 为一单元格，不足l k m的单元格按照就近原则归入 邻近单元,共划分86个评价单元图1。 2.2评价结果 以第22个评价单元为例,进行模糊综合评判。 第22号单元为第四系覆盖层,岩土体为坚硬碎屑岩 类，地下水富水强度中等至强，单元内发育断裂5 条,地质构造复杂，属于黄河冲积平原，年降雨量 831mm,煤层开采厚度6m,煤层开采深度514m,复 采一次，煤的开采基本按有关规程开采。 将各指标的实测值代入隶属函数公式求得每个 因子的隶属度,进而得到判断矩阵r22 0 00.20.8 0.50.50 100 001 100 010 001 010 00.50.5 由表6可知各评价因子的权重矩阵A 0. 02, 0. 02,0. 04,0. 07,0. 10,0.21,0. 12,0. 07,0. 35,可 计算出22号单元的隶属度为B 0. 157,0. 470, 0.373。根据最大隶属度原则，该评价单元属于地 面塌陷危险性中等区。 B A R22 0. 02,0. 02,0. 04,0. 07,0. 10, 0.21,0. 12,0. 07,0. 35 00.20.8 0.50.50 100 001 100 010 001 010 00.50.5 二0. 157,0. 470,0. 373 1311 矿 产 勘 查 2020 年 表7 地面塌陷危险性评价 单元隶属度危险性单元隶属度危险性 10. 396,0.526,0.079 中等 440. 377,0.481,0.142 中等 20. 216,0.610,0. 175 中等 450. 228,0. 360,0. 412 大 30.570,0.331,0.099 小 460.202,0.350,0.447 大 40.652,0.282,0.065 小 470.377,0.405,0. 218 中等 50. 353,0.477,0.169 中等 480.159,0.350,0.491 大 60.272,0. 546,0. 182 中等 490.403,0.315,0.282 小 70. 305,0.477,0. 218 中等 500.312,0. 387,0. 301 中等 80.208,0.513,0.278 中等 510. 135,0.445,0. 421 中等 9X0.139,0.200,0.661 大 520. 486,0.304,0. 210 小 100.117,0.478,0. 405 中等 530.437,0.374,0. 189 小 110.490,0. 200,0.310 小 540. 399,0.412,0. 189 中等 120.313,0. 377,0.310 中等 550.349,0.390,0.261 中等 130.139,0.410,0.452 大 560.412,0.431,0.157 中等 140.466,0. 325,0.209 小 570.524,0.329,0.147 小 150. 385,0.426,0. 189 中等 580.406,0.439,0.155 中等 160.477,0.329,0. 194 小 590. 481,0. 372,0. 147 小 170. 340,0.367,0.292 中等 600.406,0.450,0. 145 中等 180.152,0.455,0. 393 中等 610. 124,0.377,0. 500 大 190.264,0.241,0.618 中等 620. 160,0. 398,0. 442 大 200.483,0.356,0.161 小 630.426,0. 377,0. 198 小 210. 321,0.433,0.246 中等 640. 174,0.384,0. 442 大 220.157,0.470,0. 373 中等 650.321,0.502,0. 177 中等 230. 485,0. 262,0.252 小 660.601,0.326,0.073 小 240. 302,0.425,0.273 中等 670.606,0. 321,0.073 小 250. 351,0.363,0.287 中等 680.353,0.502,0.145 中等 260. 321,0.433,0.246 中等 690.562,0.358,0.080 小 270.055,0.419,0.526 大 700.226,0.379,0. 395 大 280. 220,0.513,0.266 中等 710. 549,0. 366,0. 085 小 290. 257,0.501,0.243 中等 720.077,0.426,0.497 大 300.160,0.493,0. 347 中等 730. 069,0.402,0.529 大 310.220,0. 549,0.230 中等 740.336,0.486,0.178 中等 320. 329,0.465,0.207 中等 750.301,0.533,0.166 中等 330. 330,0.484,0.186 中等 760. 219,0. 357,0. 424 大 340.153,0.344,0.502 大 770. 332,0.488,0. 180 中等 350. 178,0. 324,0.498 大 780. 297,0. 530,0. 173 中等 360. 117,0.397,0. 486 大 790.339,0.531,0. 131 中等 370. 129,0.420,0.451 大 800.374,0.505,0. 121 中等 380.178,0.351,0.471 大 810.475,0.428,0.097 小 390. 359,0.416,0.225 中等 820. 335,0. 544,0. 121 中等 400. 570,0. 360,0.070 小 830.474,0. 392,0. 133 小 410. 466,0.392,0. 142 小 840.397,0.467,0.136 中等 420. 362,0.415,0.223 中等 850. 214,0.370,0.415 大 430.188,0.380,0.433 大 860.354,0.464,0. 181 中等 1312 第11卷第6期 韩亚等模糊综合评价在河南城郊煤矿地面塌陷危险性评价中的应用 同理,按照上述步骤对剩余85个单元进行计 算,所得结果如表7所示。 根据模糊综合评价法对矿区划分的86个单元 进行综合模糊评价，可以得出地面塌陷危险性小区 有21个评价单元，危险性中等区有45个评价单元, 危险性大区有20个评价单元。 3结论 1 根据城郊煤矿地面塌陷的影响因素，采用 模糊综合评价对研究区地面塌陷危险性进行评价, 评价时考虑各种影响因素及其相互联系，采用层次 分析法确定单因素权重值。 2 评价结果将研究区分为3个等级区，危险 性小区所占面积为25. 15 k n ,危险性中等区所占 面积为53.5 k n ,危险性大区所占面积为24. 35 k m2o 3 研究表明，基于模糊综合评价所建立的评 价模型能较好地应用于城郊煤矿地面塌陷危险性评 价中，该评价方法是实用和有效的。 参考文献参考文献 卜华,孙英波，王学森.2008.山东省巨野煤田采空区塌陷预测与治理 规划[J ].中国地质灾害与防治学报,194 37-41. 陈国玉，王钢城,庄树裕，张小平.2009.模糊综合评判法在定日县泥 石流危险性评价中的应用[J ].中国水运下半月，9 11 163- 164. 陈云超，杨平庆.201模糊综合评判在山区公路边坡稳定性分析中 的应用[J ].水利与建筑工程学报,166202-206,229. 付雁鹏.1986.模糊数学在水质评价中的应用[M ].武汉华中工学院 出版社,45-60. 江越潇,牛俊强，于瑶，范威，苏呈.201模糊综合评价在武汉市中深 层地热勘探风险评价中的应用[J ].资源环境与工程,324 590 -594. 林才秀.2018.模糊综合评判法在宁德城市地下空间适宜性评价中的 应用[J ].福建地质,374 319-328, 罗东海.2015.模糊评判法在煤矿采空区稳定性评价中的应用[J ].水 土保持通报,351 176-180,186. 马晓艳，田宇，王寅冬.2010.煤矿地下开采引发地面塌陷的危险性评 估[J ].山西建筑,3612 120-121. 彭有宝，张宇翔，康凯.201浅层采空区塌陷危险性评价方法研究 [J ].岩土工程技术,326 282-287. 于大鹏,覃秋雅，马秉智，毛伟.2010.矿山采空区地面塌陷危险性预 测[J ].工矿自动化,363 78-81. 张长敏.2010.煤矿采空塌陷特征与危险性预测研究一以北京西山地 区为例[J ].国际地震动态, 3 ； ；44-45. 章才光.2014.综述煤矿采空区地面塌陷的防治措施[J ].能源与节能， 461-62,101. 郑国明，梁合诚，龙翔，赖晶星.2009.浅析矿山地质环境综合评价[J ]. 安全与环境工程,165 42-44,61. Application of fuzzy comprehensive uation in risk assessment of suburban mine ground subsidence, Henan HAN Yab2, MU Nish a3, XU Feif ei3, WANG Yo n gh u i24 1. Henan Institute of Geological Sciences, Zhengzhou 450000 ； 2. Henan Urban Geological Engineering Research Center, Zhengzhou 450000； 3. No A Institute of Geological Henan Bureau of Geo -exploration Mineral Development, Zhengzhou 450000； 4. Henan Institute of Geological Survey, Zhengzhou 450000 Abst ra c t In t h is pa per, n in e f a c t o rs, wh ic h a f f ec t t h e su bsiden c e o f su bsu rf a c e c o l l a pse, a re o bt a in ed f ro m t h e t wo ma in f a c t o rs o f geo l o gic a l en v iro n men t a n d min in g en gin eerin g a c t iv it ies. Th e f u zzy c o mpreh en siv e ev a l u a t io n met h o d is u sed t o ev a l u a t e t h e gro u n d c o l l a pse risk o f su bu rba n c o a l min e, det ermin e t h e membersh ip f u n c t io n a n d c o n st ru c t a f u zzy ev a l u a t io n ma t rix, a n d t h e weigh t o f ev a l u a t io n f a c t o r is det ermin ed by a n a l yt ic h iera rc h y pro c ess. Th e risk a ssessmen t mo del is est a bl ish ed, a n d t h e min in g a rea is div ided in t o t h ree t ypes l a rge risk , mediu m risk a n d l o w risk . Th is met h o d o bjec t iv el y empo wers peo pl e a n d redu c es su bjec t iv e c rit ic ism. St u dies h a v e sh o wn t h a t t h e ev a l u a t io n mo del c a n be a ppl ied t o t h e risk a ssessmen t o f gro u n d su bsiden c e in su bu rba n c o a l min es. Th e ev a l u a t io n met h o d is pra c t ic a l a n d ef f ec t iv e. Key wo rds Su bu rba n min e, gro u n d c o l l a pse, f u zzy c o mpreh en siv e ev a l u a t io n, a n a l yt ic h iera rc h y pro c ess, risk a ssessmen t 1313