礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估技術(shù)研究

張秀琴

（甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730020）

1 礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估方法

1.1 評(píng)價(jià)因子選取與確定

根據(jù)礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害形成的機(jī)理和特點(diǎn)，結(jié)合礦區(qū)水工環(huán)地質(zhì)特征以及自然地理，選取與礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害密切相關(guān)的地下水水位、地下水水量、地下水水壓共三個(gè)因素，作為礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)環(huán)境控制因素[1]。①地下水水位。地下水水位礦山水工環(huán)地質(zhì)特征的基本信息，受礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)的干擾，礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力的平衡遭到破壞，在新的應(yīng)力平衡過程中，采空區(qū)由于局部受力不均勻使圍巖巖體發(fā)生變形直至斷裂，進(jìn)而形成導(dǎo)水裂隙帶，地下水水位上升，并通過巖石縫隙噴涌而出，從而引發(fā)礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害[2]；②地下水水量。由于淺層地下水系統(tǒng)具有修復(fù)性特征，當(dāng)含水層平衡狀態(tài)被打破后，淺層地下水系統(tǒng)會(huì)通過將含水層中的水資源排泄的形式保持這種平衡狀態(tài)，以此形成泥石流等水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害，所以礦山地下水水量的變化對(duì)于預(yù)測(cè)分析礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害具有決定性作用；③地下水水壓。含水層是淺層地下水資源的匯集區(qū)域，隨著礦產(chǎn)資源開采對(duì)隔水層和底板的破壞，含水層也會(huì)隨著發(fā)生上下移動(dòng)，并且含水層內(nèi)水資源會(huì)通過巖石縫隙向上涌動(dòng)，在礦產(chǎn)資源開采后形成大規(guī)模的采空區(qū)后，含水層內(nèi)水壓與采空區(qū)壓力無法形成抗衡，使含水層內(nèi)水資源大量噴涌而出，容易形成嚴(yán)重的水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害。綜上，此次選取地下水水位、地下水水量、地下水水壓作為礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)價(jià)因子。

1.2 建立礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估矩陣

以上選取的三個(gè)評(píng)價(jià)因子，由于該三個(gè)原始數(shù)據(jù)的測(cè)量尺度有所不同，并且無法準(zhǔn)確的確定各個(gè)評(píng)價(jià)因子是如何引發(fā)礦上水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害的，所引發(fā)的礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害也是不同的，所以為了綜合地下水水位、地下水水量、地下水水壓數(shù)據(jù)信息，使最終的評(píng)估結(jié)果更加合理化和具體化，選用信息量法對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，并建立相應(yīng)的評(píng)估矩陣。將信息量法應(yīng)用到礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估中，其主要是參照已經(jīng)發(fā)生的礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域信息，將各個(gè)影響礦山水工環(huán)地質(zhì)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)因子的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為反應(yīng)礦山水工環(huán)地質(zhì)穩(wěn)定性的信息量制，根據(jù)信息量的大小來評(píng)估各個(gè)水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)級(jí)因子與礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的關(guān)聯(lián)程度，這樣可以忽略評(píng)價(jià)變量的順序性、間距性以及比率性問題，將所有的評(píng)價(jià)因子都作為分類型數(shù)據(jù)使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量尺度的統(tǒng)一。根據(jù)評(píng)價(jià)因子建立了礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估矩陣，其公式如下：

矩陣（1）中，C表示評(píng)價(jià)因子的特征向量，A表示評(píng)價(jià)因子。在礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估技術(shù)中，為了使決策分析定量化，形成上述模糊分析矩陣，按照模糊分析標(biāo)度原則，采用1-9的比率標(biāo)度進(jìn)行兩兩分析指標(biāo)的對(duì)比，以此建立礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估矩陣。

1.3 實(shí)現(xiàn)礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估

當(dāng)建立完評(píng)估矩陣后，需要建立一個(gè)礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)語集，并對(duì)矩陣進(jìn)行求解，輸出與矩陣解相近的評(píng)價(jià)語。評(píng)價(jià)語集需要根據(jù)一定的評(píng)價(jià)規(guī)則對(duì)礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害給出總結(jié)性的評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合評(píng)價(jià)因子的權(quán)值建立礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語集，如下所示：

在公式（2）中，V表示評(píng)語集，v1表示礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，v2表示礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，以此類推，vn表示礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)最低的等級(jí)。對(duì)于矩陣的求解采用粒子群方法，粒子群方法是一種智能求解方法，具有通用性強(qiáng)、編碼簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，并且具有較高的收斂速度，粒子群方法對(duì)于礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估矩陣求解更具有優(yōu)勢(shì)，并且粒子群方法求解完矩陣后會(huì)自動(dòng)選取與矩陣值相近的評(píng)語，以此實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估。

2 實(shí)驗(yàn)

此次針對(duì)礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的問題，設(shè)計(jì)了一種礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估方法，為了證明該方法能更好的滿足礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估需求，將其與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)了一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。此次實(shí)驗(yàn)選取某礦區(qū)作為評(píng)估對(duì)象，使用兩種評(píng)估方法對(duì)礦區(qū)水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估，共評(píng)估8次，檢驗(yàn)此次設(shè)計(jì)的礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估方法的評(píng)估誤差。下圖為兩種方法的評(píng)估誤差率對(duì)比圖。

從圖1可以看出，此次設(shè)計(jì)的方法評(píng)估誤差率為5.6%，而傳統(tǒng)方法平均誤差率為19.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于此次設(shè)計(jì)的方法。所以實(shí)驗(yàn)證明了礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估方法具有較低的評(píng)估誤差率。

圖1 評(píng)估誤差對(duì)比圖

3 結(jié)語

此次針對(duì)礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的問題，設(shè)計(jì)了一種礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估技術(shù)，該技術(shù)具有相對(duì)完整的評(píng)估機(jī)制，能夠結(jié)合礦山水工環(huán)地質(zhì)特征準(zhǔn)確的評(píng)估出水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防策略的制定提供依據(jù)。