集成AHP/熵權(quán)法的煤炭資源開發(fā)利用綜合評價：以潞寧煤業(yè)公司為例

杜建磊，申宇鵬，李 楊，王 江

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點實驗室，北京 100083)

山西省作為我國傳統(tǒng)煤炭產(chǎn)區(qū)，為我國工業(yè)發(fā)展提供了能源支撐。由于歷史原因，山西省內(nèi)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(guān)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(dǎo)省內(nèi)小煤礦可持續(xù)發(fā)展。本文基于此背景開展對潞寧煤業(yè)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(nèi)學(xué)者進行了積極探索。王志民[2]從地質(zhì)條件、安全及開采技術(shù)條件、資源環(huán)境條件、社會經(jīng)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(fā)展基礎(chǔ)、競爭能力、發(fā)展?jié)摿Αf(xié)調(diào)發(fā)展能力4個方面對縣域礦產(chǎn)資源綜合評價進行研究；張金鎖等[4]基于模糊屬度函數(shù)評價方法對煤炭資源安全綠色高效開發(fā)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(biāo)權(quán)重，與AHP法相比增加了指標(biāo)權(quán)重客觀性。本文通過對潞寧煤業(yè)公司的現(xiàn)場調(diào)研以及查閱文獻法，構(gòu)建煤炭資源綜合評價指標(biāo)體系，運用AHP計算評價指標(biāo)權(quán)重，并根據(jù)熵權(quán)法對指標(biāo)權(quán)重進行修正，得到綜合權(quán)重，對煤炭資源進行綜合評價，為潞寧煤業(yè)公司煤炭資源建設(shè)提出針對性建議，并為煤炭資源綜合評價指標(biāo)體系提供技術(shù)參考。

1 構(gòu)建煤炭資源綜合評價指標(biāo)體系

通過對煤炭資源綜合評價目標(biāo)問題分析，結(jié)合文獻研究法以及對潞寧煤業(yè)公司煤炭資源的現(xiàn)場調(diào)研，最終確定了煤炭資源綜合評價指標(biāo)體系，該體系包括目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B、要素層C、控制層D。其中，目標(biāo)層為煤炭資源綜合評價；準(zhǔn)則層包括資源條件、安全及開采技術(shù)條件、環(huán)境條件、開采經(jīng)濟效益4個方面[2]；要素層包括9項指標(biāo)，指標(biāo)層包括24項指標(biāo)，煤炭資源綜合評價指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 煤炭資源綜合評價指標(biāo)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(biāo)權(quán)重

層次分析法(AHP)的核心是指標(biāo)權(quán)重的確定，各指標(biāo)之間的互相重要程度以權(quán)重的形式體現(xiàn)出來，權(quán)重是指標(biāo)對比、權(quán)衡后的綜合顯示數(shù)據(jù)。AHP計算各指標(biāo)權(quán)重方法的如下所述。

1) 構(gòu)造判斷矩陣。根據(jù)煤炭資源綜合評價指標(biāo)體系，將準(zhǔn)則層B、要素層C、控制層D中的指標(biāo)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(yè)大學(xué)(北京)，職稱：教授，研究領(lǐng)域：礦井開拓及優(yōu)化設(shè)計、礦山安全與災(zāi)害防治等)根據(jù)1～9標(biāo)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(biāo)賦值滿足bij=1，bji=1/bij(i，j=1，2，3，…，n)，完成構(gòu)造判斷矩陣A。

2) 計算各指標(biāo)權(quán)重及一致性檢驗。計算各判斷矩陣的最大特征根λmax以及權(quán)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(jù)式(1)求出各指標(biāo)權(quán)向量W，利用式(2)得到最大特征根λmax，根據(jù)式(3)對W進行標(biāo)準(zhǔn)化處理得w，即各評價指標(biāo)權(quán)重。為驗證得到的權(quán)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(nèi)，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(biāo)(取值為：n=1、RI=0；n=2、RI=0；n=3、RI=0.52；n=4、RI=0.89)。

以構(gòu)造的判斷矩陣A為例求解權(quán)重w，見式(5)。

(5)

在得到權(quán)重w的同時，依據(jù)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(jù)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(jīng)計算各判斷矩陣均符合一致性檢驗。最后將各級指標(biāo)權(quán)重依次相乘，得到控制層相對于目標(biāo)層的權(quán)重，計算結(jié)果見表1。

2.2 熵權(quán)法計算指標(biāo)權(quán)重

熵作為熱力學(xué)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(tǒng)無序程度的度量，即熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法[8]；通過計算得到的客觀熵權(quán)并不反映評價指標(biāo)在煤炭資源綜合評價中的重要程度，而是各個評價指標(biāo)在煤炭資源評價上優(yōu)差程度。運用熵權(quán)法計算各評價指標(biāo)權(quán)重方法如下所述。

1) 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)建立的煤炭資源綜合評價指標(biāo)體系，可知要素層的指標(biāo)集V={v1，v2，…，vn}是由n個評價指標(biāo)組成的集合；研究區(qū)域U={u1，u2，…，um}是由m個研究區(qū)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(quán)法的使用，根據(jù)式(7)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣P=(pij)m×n[8]。

(7)

2) 計算第j個指標(biāo)信息熵和熵權(quán)。根據(jù)式(8)可計算第j個指標(biāo)的信息熵Hj。

(8)

根據(jù)計算得到的各指標(biāo)信息熵按照式(9)轉(zhuǎn)化為熵權(quán)wj。

(9)

以要素層煤炭資源C1為例，見式(10)。

(10)

得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣P1，依據(jù)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(jù)式(9)可得wj=(0.020 8，0.027 4，0.060 1)，所有控制層評價指標(biāo)計算結(jié)果見表1。

2.3 確定指標(biāo)綜合權(quán)重

將運用AHP得到的指標(biāo)權(quán)重與熵權(quán)法得到的指標(biāo)熵權(quán)相結(jié)合，按照式(10)得到考慮主客觀因素之后指標(biāo)權(quán)重，其中，α為主客觀偏好系數(shù)，當(dāng)α=0為熵權(quán)法權(quán)重、α=1為層次分析法權(quán)重，關(guān)于α取值的合理性，結(jié)合本文實際情況，α取值為0.5。計算的指標(biāo)綜合權(quán)重見表1。

(i=j=1，2，…，n，0≤α≤1)

(10)

2.4 煤炭資源評價標(biāo)準(zhǔn)及隸屬度值

根據(jù)已建立的煤炭資源綜合評價指標(biāo)體系，以及現(xiàn)場調(diào)研，得到潞寧煤業(yè)公司各分公司評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，見表2，其中，量化指標(biāo)由現(xiàn)場調(diào)研直接給出，非量化指標(biāo)由現(xiàn)場實際情況給以確定。根據(jù)煤炭資源綜合評價指標(biāo)的特點，結(jié)合研究區(qū)實際情況將評價指標(biāo)分為4個等級，即s1、s2、s3、s4。同時根據(jù)對潞寧煤業(yè)公司各分公司的調(diào)研結(jié)果，最終確定了煤炭資源評價標(biāo)準(zhǔn)及評價指標(biāo)隸屬度值,見表3。

2.5 計算評估結(jié)果

將表3中評價指標(biāo)隸屬度值與對應(yīng)的評價指標(biāo)綜合權(quán)重相乘，得出潞寧煤業(yè)公司各分公司評價指標(biāo)分值，再把各評價指標(biāo)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(yè)公司各分公司煤炭資源特點，還計算了一級指標(biāo)(準(zhǔn)則層)各個指標(biāo)得分值，計算結(jié)果見表4。

表1 煤炭資源綜合評價指標(biāo)權(quán)重Table 1 Coal resources comprehensive evaluation index weight

表2 潞寧煤業(yè)公司各分公司煤礦評價指標(biāo)數(shù)據(jù)Table 2 Coal mine evaluation index data of each branch of Luning Coal Industry Group

表3 煤炭資源評價標(biāo)準(zhǔn)及評價指標(biāo)隸屬度值Table 3 Coal resources evaluation standard and evaluation index membership value

表4 潞寧煤業(yè)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(jù)潞寧煤業(yè)公司各分公司的煤炭資源綜合評價得分結(jié)果，大漢溝煤業(yè)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(yè)、靜安煤業(yè)、忻豐煤業(yè)煤炭資源綜合評價等級為中。經(jīng)對各分公司平均計算，得出潞寧煤業(yè)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(biāo)平均分分析可知，潞寧煤業(yè)公司煤炭資源整體偏差，且在資源條件、安全及開采技術(shù)條件、環(huán)境條件、開采經(jīng)濟效益4個方面存在嚴(yán)重的不平衡。

3 結(jié)論與對策建議

通過文獻研究法，以及對潞寧煤業(yè)公司煤炭資源的現(xiàn)場調(diào)研，從資源條件、安全及開采技術(shù)條件、環(huán)境條件、開采經(jīng)濟效益4個方面，建立了煤炭資源綜合評價指標(biāo)體系?；贏HP計算各級指標(biāo)的權(quán)重，并引進熵權(quán)法對評價指標(biāo)進行了權(quán)重修正，得到綜合權(quán)重。依據(jù)劃分的煤炭資源評價標(biāo)準(zhǔn)，確定各評價指標(biāo)的隸屬度值，計算得到評估結(jié)果，可知潞寧煤業(yè)公司煤炭資源整體偏差。根據(jù)評估結(jié)果分析，現(xiàn)對潞寧煤業(yè)公司存在的問題提出如下建議，為潞寧煤業(yè)公司提高綜合競爭力、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)參考。

1) 在資源條件方面，煤炭資源量是決定礦井生產(chǎn)能力的重要因素之一，是評價礦井是否具備可持續(xù)發(fā)展的重要因素。根據(jù)分析可知，潞寧煤業(yè)公司各分公司資源條件差，現(xiàn)保留可采儲量少，但其主采煤層穩(wěn)定性好，煤質(zhì)優(yōu)良，考慮到潞寧煤業(yè)公司的遠(yuǎn)景發(fā)展，直接關(guān)閉必然造成資源浪費。在國家政策允許范圍內(nèi)，提議集團公司聯(lián)合周圍國企及當(dāng)?shù)卣阎車鷼堄嗟V權(quán)劃分到潞寧煤業(yè)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(yè)；②陽泉煤業(yè)天安煤礦、霍州煤電汾源煤業(yè)并入前文明煤業(yè)；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(yè)；④正暉煤業(yè)昌盛煤礦并入忻豐煤業(yè)；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(yè)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(yè)公司設(shè)計可采儲量，創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟效益。

2) 在安全及開采技術(shù)條件方面，安全及開采一直是煤礦生產(chǎn)過程中的核心問題。根據(jù)分析可知，潞寧煤業(yè)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(xiàn)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(xiàn)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(zhì)雷達對巷道兩幫及頂?shù)装暹M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(cè)向?qū)嶓w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(huán)境條件方面，綠色礦山已成為礦業(yè)發(fā)展的共識。根據(jù)分析可知，潞寧煤業(yè)公司各分公司環(huán)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(chǎn)成本，在采用時要綜合考慮；②在煤場對煤堆加蓋防塵網(wǎng)，同時在煤場四周建高5～7 m防塵網(wǎng)圍欄，可以達到明顯降低煤塵的效果；③潞寧煤業(yè)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(yōu)化地表生態(tài)環(huán)境，亦可解決水資源流失嚴(yán)重問題。

4) 在開采經(jīng)濟效益方面，根據(jù)分析可知，潞寧煤業(yè)公司各分公司開采經(jīng)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(chǎn)能力，以及年產(chǎn)量，可在一定范圍內(nèi)提高各分公司年利潤，但不能簡單地以提高煤炭產(chǎn)量為標(biāo)準(zhǔn)；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(tǒng)設(shè)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。