撫順西露天礦開采影響下的近礦城區(qū)安全評價(jià)

靳 鵬，申 力，韓曉極，趙岳然，郭 霽

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

撫順西露天礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性、開采活動(dòng)的多樣性，加上百年來持續(xù)性和特殊時(shí)期掠奪式采礦工程活動(dòng)，造成了礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)性和持續(xù)性，又因?yàn)榈V區(qū)位置為“城市依煤而建，礦在城中”的特殊性，使得資源開采引起一系列災(zāi)害對近礦城區(qū)居民、企業(yè)產(chǎn)生極大影響。

對于采礦引起的相關(guān)安全問題的評價(jià)，有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。何滿潮[1]建立難度系數(shù)和危險(xiǎn)性指數(shù)作為深部工程難易程度的評價(jià)指標(biāo)；荊全忠[2]等基于層次分析法對于煤礦的安全生產(chǎn)能力建立了評價(jià)指標(biāo)體系；楊力[3]等人基于層次分析法、熵權(quán)法、模糊綜合評價(jià)法建立了煤礦應(yīng)急救援能力評價(jià)模型；劉亞靜[4]等人基于層次分析法建立了煤礦安全綜合評價(jià)模型。但對于開采導(dǎo)致近礦城區(qū)的安全研究相對較少，為此，針對撫順西露天礦資源開采影響下的近礦城區(qū)市民安居和工程建設(shè)運(yùn)營安全及穩(wěn)定性的安全評價(jià)，利用DPSR（驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-響應(yīng)）模型建立起的指標(biāo)體系，能夠更直接對于影響因素進(jìn)行分類，明確驅(qū)動(dòng)因素與壓力、狀態(tài)、響應(yīng)因素之間的相互作用和聯(lián)系[5-7]；又由于影響近礦城區(qū)安全因素的復(fù)雜性, 許多影響因素在識(shí)別中只能表達(dá)為模糊關(guān)系, 采用基于層次分析法的模糊綜合評價(jià)方法對研究區(qū)域進(jìn)行安全綜合分析[8-9]。

1 西露天礦近礦城區(qū)安全評價(jià)指標(biāo)體系

PSR（壓力-狀態(tài)-響應(yīng)）模型以因果關(guān)系為基礎(chǔ)，常用于研究環(huán)境問題的框架體系；“壓力”即人類活動(dòng)對其研究區(qū)內(nèi)的影響，“狀態(tài)”指環(huán)境在此壓力下所處的狀況，“響應(yīng)”指人類在面對所處狀態(tài)的對應(yīng)措施，而DPSR 模型是在此模型基礎(chǔ)上增加引入影響該系統(tǒng)壓力的“驅(qū)動(dòng)力”。

引入DPSR（驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-響應(yīng)）模型進(jìn)行指標(biāo)體系的構(gòu)建，對近礦城區(qū)安全系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)、狀態(tài)系統(tǒng)、響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，即：驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)主要考慮研究區(qū)內(nèi)自然環(huán)境的不利因素和人類開采行為產(chǎn)生的不利因素作為引發(fā)安全問題的驅(qū)動(dòng)力；壓力指標(biāo)考慮在驅(qū)動(dòng)因素的影響下，礦區(qū)自然環(huán)境、工程地質(zhì)環(huán)境、水文地質(zhì)環(huán)境所處的壓力狀態(tài)；狀態(tài)指標(biāo)指研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的狀況，如滑坡、泥石流、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和災(zāi)害影響程度；響應(yīng)指標(biāo)表示人面對安全問題時(shí)充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性而采取的有效應(yīng)對措施。

根據(jù)指標(biāo)選取的科學(xué)性、可比性、易測性的原則，在DPSR 框架模型下進(jìn)行指標(biāo)的選取，經(jīng)過討論咨詢構(gòu)建了安全評價(jià)指標(biāo)體系，近礦城區(qū)安全評價(jià)指標(biāo)體系見表1。

表1 近礦城區(qū)安全評價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Safety evaluation index system of urban area near mine

2 層次分析-模糊綜合評價(jià)的原理和方法

2.1 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

2.1.1 建立判斷矩陣

將影響因素分解為不同的層次，并且構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)模型。將同一層次的因素對于上一層次某一準(zhǔn)則的重要性兩兩比較，引用數(shù)字1～9 及其倒數(shù)作為標(biāo)度，得到相對重要程度的比較標(biāo)度，以此來建立判斷矩陣，得到判斷矩陣A 為：

式中：aij為要素Ai與要素Aj比較的相對重要性的比值。

3）計(jì)算判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI，并找出相應(yīng)平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，得出一致性比例CR，當(dāng)CR＜0.1 時(shí)，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果具有滿意的一致性，否則需要對A 進(jìn)行修正。

式中：λmax為判斷矩陣A 的最大特征值；n 為判斷矩陣階數(shù)。

4）從最高層（總目標(biāo)）開始，逐層向下將由各個(gè)元素的相對權(quán)重計(jì)算出它們相對于總目標(biāo)的相對重要性的權(quán)值，總目標(biāo)本身的絕對權(quán)重為1，其下面每一層元素的相對權(quán)重乘以所針對的上一層準(zhǔn)則的絕對權(quán)重，即得到各元素的絕對權(quán)。

2.2 模糊綜合評價(jià)

模糊綜合評價(jià)是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評價(jià)方法，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論將定性評價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評價(jià)，可以對多種因素制約的目標(biāo)做出一個(gè)總體的評價(jià)[10-11]。

1）建立綜合評價(jià)的因素集U。綜合評價(jià)的因素集U 是以影響評價(jià)對象的多級(jí)因素所組成的多級(jí)集合，U=｛uA1、uA2、uA3、uA4｝，UAi=｛…、uBi、…｝，UBi=｛…、uCi、…｝，其中：uAi、uBi、uCi分別為系統(tǒng)層、要素層、指標(biāo)層的因素。

2）構(gòu)建評價(jià)集V。對撫順西露天礦近礦城區(qū)的安全性結(jié)果分為很好、較好、一般、較差、很差5 級(jí)評價(jià)等級(jí)，記為V=（v1、v2、v3、v4、v5），采用滿分十分制，安全性評價(jià)等級(jí)表見表2。

生態(tài)高敏感區(qū)具生態(tài)難恢復(fù)、對人類干擾敏感等特點(diǎn)，可采用山地式生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模式，為林業(yè)型農(nóng)村。生態(tài)高敏感區(qū)一般為耕地面積小，山林面積大，居民點(diǎn)零散和人口稀少的區(qū)域，以林業(yè)發(fā)展及旅游業(yè)發(fā)展為主。在土地規(guī)劃過程中需考慮農(nóng)民生計(jì)轉(zhuǎn)移帶來農(nóng)村人口減少的問題，可通過土地整治規(guī)劃實(shí)現(xiàn)建設(shè)用地的集約利用。此外，生態(tài)高敏感區(qū)具有大面積的山林，因此可以建設(shè)旅游林村，在生態(tài)保護(hù)區(qū)、草地、園地面積不減少的前提下，規(guī)劃建設(shè)與景區(qū)風(fēng)景相協(xié)調(diào)的建筑形態(tài)等，大力發(fā)展旅游業(yè)。

表2 安全性評價(jià)等級(jí)表Table 2 Safety evaluation grade table

3）建立評價(jià)矩陣R。如，對于要素層因素集UBi中的各因素進(jìn)行單因素評價(jià)，建立的模糊關(guān)系矩陣RBi為：

式中：m 為UBi下一層集指標(biāo)個(gè)數(shù)；rij為相對于評價(jià)因素。

4）確定評價(jià)因素的權(quán)重。求得各級(jí)因素的絕對權(quán)重Wi和相對權(quán)重wi。

5）多層次模糊綜合評價(jià)。先通過指標(biāo)層權(quán)重對要素層進(jìn)行一級(jí)模糊綜合評價(jià)，UBi的綜合評價(jià)結(jié)果為BB，由一級(jí)模糊評價(jià)結(jié)果BB為行，得到系統(tǒng)層二級(jí)模糊矩陣，同理求得UAi的綜合評價(jià)結(jié)果BA，直至求得指標(biāo)體系最高層模糊評價(jià)結(jié)果B。

6）確定評價(jià)等級(jí)。根據(jù)構(gòu)造的評價(jià)集V 和量化值S，確定其評級(jí)值F=B·S，計(jì)算結(jié)果按照最大隸屬度原則評定近礦城區(qū)的安全性。

3 西露天礦近礦城區(qū)安全評價(jià)結(jié)果

由于系統(tǒng)層中驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、響應(yīng)系統(tǒng)在對城市安全評價(jià)時(shí)極具模糊性，其重要性在兩兩比較時(shí)難以判斷，且在要素層因素的數(shù)量不超過9 個(gè)，所以對層次分析法加以改進(jìn)，直接以要素層的因素對目標(biāo)層的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣，得出判斷矩陣的特征向量和特征值，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，用同樣方法可算得全部因素相對權(quán)重wi和絕對權(quán)重W，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到各層因素的權(quán)重見表1，指標(biāo)層因素重要程度如圖1。

圖1 指標(biāo)層各因素重要程度Fig.1 Importance of index layer factors

可知在系統(tǒng)層中狀態(tài)系統(tǒng)對近礦城區(qū)安全性影響的重要程度最大，很大程度上代表著區(qū)域內(nèi)的安全狀態(tài)。指標(biāo)層中開采強(qiáng)度、滑坡災(zāi)害、地裂縫災(zāi)害、不穩(wěn)定斜坡、災(zāi)害測監(jiān)測能力和災(zāi)害治理能力指標(biāo)對安全的影響程度較大。

西露天礦開采有百年的歷史，根據(jù)姬智[12]在撫順煤炭工業(yè)發(fā)展下的城市演變研究將撫順市煤炭開發(fā)劃分為起步、帝國主義侵占、曲折發(fā)展、預(yù)轉(zhuǎn)型發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型5 個(gè)時(shí)期，結(jié)合現(xiàn)有資料分析劃分出4 個(gè)時(shí)間段進(jìn)行安全評價(jià)：①生產(chǎn)階段：1960—1980年；②穩(wěn)產(chǎn)階段：1980—2000 年）；③預(yù)轉(zhuǎn)型階段：2000—2010 年；④轉(zhuǎn)型階段：2010—2020 年。邀請專家結(jié)合西露天礦掌握資料對各指標(biāo)安全性進(jìn)行打分，并進(jìn)行模糊綜合評價(jià)。評價(jià)結(jié)果中不同階段要素層安全性隸屬度如圖2。

圖2 各階段要素層因子隸屬度分布Fig.2 Distribution of membership degree of factor layer in each stage

1）1960—1980 年階段綜合評價(jià)結(jié)果。驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)安全性評判：FA1=BA1S=6.141；壓力系統(tǒng)安全性綜合評判：FA2=BA2S=6.960；狀態(tài)系統(tǒng)安全性評判：FA3=BA3S=6.110；響應(yīng)系統(tǒng)安全性評判：FA4=BA4S=5.341；綜合評價(jià)結(jié)果為F=BS=WRS=6.003。

2）1980—2000 年階段綜合評價(jià)結(jié)果。驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)安全性評判：FA1=BA1S=6.666；壓力系統(tǒng)安全性綜合評判：FA2=BA2S= 6.701；狀態(tài)系統(tǒng)安全性評判：FA3=BA3S=5.740；響應(yīng)系統(tǒng)安全性評判：FA4=BA4S=6.485；綜合評價(jià)結(jié)果為F=BS=WRS=6.314。

3）2000—2010 年階段綜合評價(jià)結(jié)果。驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)安全性評判：FA1=BA1S=6.889；壓力系統(tǒng)安全性綜合評判：FA2=BA2S= 6.808；狀態(tài)系統(tǒng)安全性評判：FA3=BA3S=6.058；響應(yīng)系統(tǒng)安全性評判：FA4=BA4S=7.124；綜合評價(jià)結(jié)果為F=BS=WRS=6.662。

4）2010—2020 年階段綜合評價(jià)結(jié)果。驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)安全性評判：FA1=BA1S=7.262，壓力系統(tǒng)安全性評判：FA2=BA2S=7.004,狀態(tài)系統(tǒng)安全性評判：FA3=BA3S=5.352，響應(yīng)系統(tǒng)安全性評判：FA4=BA4S=7.644，綜合評價(jià)結(jié)果為F=BS=WRS=6.689。

安全評價(jià)指數(shù)如圖3。

圖3 安全評價(jià)指數(shù)Fig.3 Safety evaluation index

由圖3 可見，整體綜合安全性在逐步提高后趨于平穩(wěn)的狀態(tài)。在1960—1980 年時(shí)間段安全性最差，處于一般安全狀態(tài)，接近較差安全狀態(tài)，其中響應(yīng)系統(tǒng)的安全性評分處于較不安全狀態(tài)，壓力系統(tǒng)接近較安全狀態(tài)；在1980—2000 年時(shí)間段整體安全性綜合評分略有提高，處于一般安全狀態(tài)，其中狀態(tài)系統(tǒng)安全性較差；在2000—2010 年時(shí)間段整體處于一般安全狀態(tài)，其中響應(yīng)系統(tǒng)安全狀態(tài)有明顯提高，處于較安全狀態(tài)；在2010—2020 年時(shí)間段整體處于一般安全狀態(tài)，狀態(tài)系統(tǒng)安全性下降，處于較差安全狀態(tài)，但整體處于歷史最高安全水平。

4 結(jié) 語

1）根據(jù)DPSR 框架模型從影響近礦城市安全的驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，建立起以近礦城區(qū)安全性評價(jià)為目標(biāo)，系統(tǒng)層、要素層、指標(biāo)層的3 級(jí)評價(jià)指標(biāo)體系模型。

2）根據(jù)實(shí)際評價(jià)中的問題，基于改進(jìn)層次分析法，確定了各級(jí)指標(biāo)相對權(quán)重和絕對權(quán)重。其中系統(tǒng)層中狀態(tài)因素的安全評價(jià)影響比重最大，其權(quán)重為0.334；指標(biāo)層的因素對安全影響較大的有開采強(qiáng)度、滑坡災(zāi)害、地裂縫災(zāi)害、不穩(wěn)定斜坡、災(zāi)害測監(jiān)測能力和災(zāi)害治理能力。

3）模糊綜合評價(jià)得到不同時(shí)間段近礦城區(qū)安全性評價(jià)結(jié)果，近礦城區(qū)整體安全性指數(shù)逐步提高。響應(yīng)系統(tǒng)安全性提升較大，從安全狀態(tài)較差到目前處于安全狀態(tài)較好，說明現(xiàn)階段對災(zāi)害防治、環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)的能力和投入對于城區(qū)安全有積極影響。但是現(xiàn)階段由于地裂縫、不穩(wěn)定斜坡等災(zāi)害對研究區(qū)域影響范圍擴(kuò)大和程度加深，使得狀態(tài)系統(tǒng)安全性處于歷史最低水平，狀態(tài)系統(tǒng)處于較差的安全狀態(tài)。未來提升研究區(qū)域內(nèi)整體安全性，應(yīng)繼續(xù)保持和加強(qiáng)災(zāi)害監(jiān)測、災(zāi)害防治、應(yīng)急管理、生態(tài)修復(fù)等措施的投入和能力，使響應(yīng)系統(tǒng)安全狀態(tài)繼續(xù)提升，同時(shí)也會(huì)約束狀態(tài)系統(tǒng)的安全性繼續(xù)惡化。