基于層次分析法的水文地質(zhì)對(duì)礦產(chǎn)勘查影響分析

左 龍 侯 輝

（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第七地質(zhì)大隊(duì)，河北 三河 065201）

0 引言

水文地質(zhì)狀況是否良好，對(duì)礦山開采與礦產(chǎn)資源勘查有較大的影響，對(duì)礦山工程開發(fā)的安全具有重要意義。科學(xué)合理的水文地質(zhì)分析結(jié)果對(duì)礦產(chǎn)勘查工作起重要的作用。通常情況下，礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)分析主要包括礦區(qū)內(nèi)地形地貌、地下水以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，通過科學(xué)的分析方法，確定礦區(qū)內(nèi)地下水資源的性質(zhì)，為后續(xù)的礦產(chǎn)勘查工作提供參考?，F(xiàn)階段，傳統(tǒng)的水文地質(zhì)分析方法在研究中仍然不夠完善，主要體現(xiàn)在水文地質(zhì)參數(shù)設(shè)置不夠合理，且地下水流向與水文特點(diǎn)不夠明確，無法對(duì)礦區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境對(duì)礦產(chǎn)勘查的影響進(jìn)行準(zhǔn)確地分析與預(yù)測，降低了礦產(chǎn)勘查與開采工作的安全性，嚴(yán)重情況下，對(duì)相關(guān)勘查人員與開采人員的生命安全造成威脅。層次分析法能夠解決這一問題，采用定量分析的方法建立結(jié)構(gòu)分析模型，結(jié)合特征值分析原理，獲取最終的分析結(jié)果。

基于此，該文以某地區(qū)X礦山為例，引入層次分析法，提出了基于層次分析法的水文地質(zhì)對(duì)礦產(chǎn)勘查影響分析，為提升礦產(chǎn)勘查工作的安全性做出貢獻(xiàn)。

1 研究區(qū)概況

該文以某地區(qū)X礦山為研究對(duì)象，該礦山所處地區(qū)的地形主要為山地、丘陵與盆地，整體地勢較低，含有較多的過渡地帶。礦山研究區(qū)內(nèi)山脈的走向大部分為南西走向，其中，礦區(qū)最高海拔為1642 m，最低海拔為360 m，礦區(qū)內(nèi)流域較豐富，各類河流總共包括45條，均呈樹枝狀形式分布在整個(gè)礦山研究區(qū)內(nèi)。礦山研究區(qū)中水資源總量約為18.6億m，其中，能夠開發(fā)利用的水力資源為12.5萬kW。礦山所在地區(qū)的氣候?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，全年降雨量充沛，氣候變化較小，整體氣候溫和。當(dāng)前，X礦山中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的礦產(chǎn)資源高達(dá)20余種，主要包括鋁土礦、水泥用灰?guī)r、硫鐵礦、石灰?guī)r以及玻璃用砂巖等，其中，金屬礦以鋁土礦為主，能源礦以煤礦為主。礦山研究區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)災(zāi)害分布情況，見表1。

如表1所示，在X礦山研究區(qū)中，有多處水文地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害，以塌陷坑、泥石流、滑坡與崩塌為主，礦山生態(tài)環(huán)境存在輕度破壞情況，對(duì)礦產(chǎn)勘查及開采有一定的影響，接下來，在上述研究區(qū)概況分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合層次分析法，全方位地分析礦山研究區(qū)水文地質(zhì)對(duì)礦產(chǎn)勘查的影響，分析方法及過程如下所述。

表1 X礦山研究區(qū)水文地質(zhì)災(zāi)害分布情況

2 水文地質(zhì)對(duì)礦產(chǎn)勘查影響分析方法及過程

2.1 礦山水文地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

根據(jù)上述選取的某地區(qū)X礦山研究區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境及存在的地質(zhì)災(zāi)害分布情況，接下來，針對(duì)該礦山研究區(qū)，建立礦山水文地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，獲取對(duì)礦產(chǎn)勘查具有影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)。首先分析礦產(chǎn)勘查過程中可能出現(xiàn)的水文地質(zhì)環(huán)境變化，針對(duì)有負(fù)面影響的水文地質(zhì)因素制定相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在建立礦山水文地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，綜合考慮各項(xiàng)影響因素，包括水文地質(zhì)環(huán)境因素、水文地質(zhì)災(zāi)害因素、礦山勘查經(jīng)濟(jì)因素以及相應(yīng)的社會(huì)因素，按照層次分布的方式，建立水文地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立流程如圖1所示。

如圖1所示，首先，結(jié)合層次分析法，將礦山研究區(qū)的礦業(yè)活動(dòng)劃分為礦產(chǎn)勘查生態(tài)效應(yīng)與礦產(chǎn)勘查環(huán)境影響兩個(gè)部分；結(jié)合兩個(gè)礦業(yè)活動(dòng)的變化情況，分析礦山研究區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)環(huán)境問題；基于GIS礦山地質(zhì)系統(tǒng)，分析礦山研究區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的環(huán)境效應(yīng)變化；根據(jù)礦區(qū)內(nèi)礦種特性的不同，獲取礦區(qū)內(nèi)各個(gè)區(qū)域的水文地質(zhì)作用模式；結(jié)合上述分析結(jié)果，建立礦山水文地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表2。

圖1 X礦山水文地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立流程

表2為該文建立的X礦山研究區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)體系內(nèi)對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)與評(píng)價(jià)指標(biāo)，獲取對(duì)礦產(chǎn)勘查具有影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)?；趯哟畏治龇?，選取部分評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)處理，包括良好、一般以及差3個(gè)指標(biāo)等級(jí)。首先，對(duì)礦山研究區(qū)的地形地貌分級(jí)來說，主要根據(jù)地形地貌的坡度特征進(jìn)行分級(jí)，當(dāng)?shù)匦蔚孛驳钠露仍?°~30°時(shí)，表明地形地貌指標(biāo)等級(jí)為良好；地形地貌坡度較大，在30°~50°時(shí)，表示地形地貌指標(biāo)等級(jí)為一般；地形地貌坡度較復(fù)雜，大于50°時(shí)，表示地形地貌指標(biāo)等級(jí)為較差。針對(duì)年降雨量來說，當(dāng)年降雨量小于400 mm時(shí)，降雨量指標(biāo)等級(jí)為良好；在400 mm~800 mm時(shí)，降雨量指標(biāo)等級(jí)為一般；大于800 mm時(shí)，降雨量指標(biāo)等級(jí)為較差。植被覆蓋度大于80%時(shí)，礦區(qū)內(nèi)植被覆蓋指標(biāo)等級(jí)為良好；在30%~80%時(shí)，植被覆蓋指標(biāo)等級(jí)為一般；小于30%時(shí)，植被覆蓋指標(biāo)等級(jí)為較差。通過對(duì)礦山研究區(qū)內(nèi)部分水文地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)處理，結(jié)合分級(jí)結(jié)果，進(jìn)一步掌握其對(duì)礦產(chǎn)勘查的影響，為后續(xù)的影響分析提供保障。

表2 X礦山水文地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 基于層次分析法的水文地質(zhì)因子判斷矩陣構(gòu)造

在上述礦山水文地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立完畢后，獲取到對(duì)礦產(chǎn)勘查具有影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，引入層次分析法，構(gòu)造礦產(chǎn)研究區(qū)水文地質(zhì)因子判斷矩陣，得出水文地質(zhì)因子對(duì)礦產(chǎn)勘查的影響。首先，根據(jù)礦山研究區(qū)水文地質(zhì)因素之間的相互關(guān)聯(lián)及隸屬關(guān)系，通過評(píng)價(jià)分析的方式，將各個(gè)水文地質(zhì)影響因素進(jìn)行層次聚集組合，生成聚集組合后，將組合中各項(xiàng)水文地質(zhì)要素進(jìn)行分解，形成多層次多要素的結(jié)構(gòu)分析模型，如圖2所示。

圖2 X礦山研究區(qū)水文地質(zhì)層次結(jié)構(gòu)分析模型

在結(jié)構(gòu)分析模型中，選取水文地質(zhì)評(píng)價(jià)因子，根據(jù)礦山研究區(qū)內(nèi)部的地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)災(zāi)害分布特征及地質(zhì)整體構(gòu)造，獲取影響礦產(chǎn)勘查強(qiáng)度的各項(xiàng)水文地質(zhì)評(píng)價(jià)因子，針對(duì)水文地質(zhì)因子，逐個(gè)進(jìn)行分析，得出水文地質(zhì)因子對(duì)礦產(chǎn)勘查易發(fā)性影響結(jié)果。礦山研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)礦產(chǎn)勘查工作具有一定的影響，通常情況下，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造出現(xiàn)異常，會(huì)引發(fā)礦區(qū)內(nèi)出現(xiàn)地裂縫及巖體崩塌，降低巖石土體的完整性，對(duì)礦產(chǎn)勘查工作具有較大的安全隱患。綜合考慮礦山研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)原理，將礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)因子進(jìn)行層次劃分，以層次結(jié)構(gòu)中最高目標(biāo)層為模型運(yùn)轉(zhuǎn)的核心?；诘V產(chǎn)勘查的相關(guān)要求規(guī)范，利用層次分析方法，構(gòu)造水文地質(zhì)因子判斷矩陣，計(jì)算水文地質(zhì)因子的權(quán)值，如公式（1）所示。

式中：L為水文地質(zhì)因子權(quán)值；u為水文地質(zhì)因子矩陣最大特征根；為礦山研究區(qū)礦產(chǎn)勘查階數(shù)。結(jié)合一致性檢驗(yàn)的原理，衡量判斷矩陣的結(jié)果，獲取水文地質(zhì)判斷矩陣的綜合指標(biāo)，計(jì)算公式如下。

式中：為礦山研究區(qū)水文地質(zhì)因子判斷矩陣的一致性指標(biāo)；為判斷矩陣中影響礦產(chǎn)勘查的最大特征值；為判斷矩陣中影響礦產(chǎn)勘查的矩陣階數(shù)；為判斷矩陣的一致性指標(biāo)；為判斷矩陣的平均隨機(jī)指標(biāo)系數(shù)。結(jié)合矩陣隸屬度函數(shù)，分析判斷矩陣中水文地質(zhì)因子各等級(jí)的隸屬度，得出礦山研究區(qū)水文地質(zhì)對(duì)礦產(chǎn)勘查的矩陣。

式中：γ表示判斷矩陣中第個(gè)水文地質(zhì)因子關(guān)于第個(gè)等級(jí)的隸屬度。根據(jù)水文地質(zhì)因子判斷矩陣的計(jì)算結(jié)果與各等級(jí)地質(zhì)因子隸屬度，判斷水文地質(zhì)對(duì)礦產(chǎn)勘查的影響，當(dāng)≤0.1時(shí)，則表明水文地質(zhì)因子判斷矩陣具有較高的一致性，水文地質(zhì)對(duì)礦產(chǎn)勘查的影響較小。

2.3 分析礦山研究區(qū)單元內(nèi)部一致性

在上述基于層次分析法構(gòu)造水文地質(zhì)因子判斷矩陣結(jié)束后，接下來，根據(jù)礦山水文地質(zhì)因子的動(dòng)態(tài)變化，分析礦山研究區(qū)單元內(nèi)部一致性。首先，劃分礦山研究區(qū)的單元結(jié)構(gòu)，在各個(gè)單元結(jié)構(gòu)中輸入內(nèi)部一致性參數(shù)，選取單元內(nèi)部格網(wǎng)，設(shè)置格網(wǎng)的大小，保證各個(gè)格網(wǎng)內(nèi)具有一定數(shù)量的礦山水文地質(zhì)數(shù)據(jù)與相關(guān)信息?；诟鱾€(gè)格網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的差異性，計(jì)算礦山研究區(qū)單元標(biāo)準(zhǔn)差，如公式（5）所示。

3 結(jié)果分析

在上述分析方法及分析過程設(shè)計(jì)結(jié)束后，采用MATLAB分析軟件，分析水文地質(zhì)因子對(duì)礦產(chǎn)勘查影響的權(quán)重結(jié)果，根據(jù)權(quán)重異常值及分析結(jié)果，得出最終的水文地質(zhì)對(duì)礦產(chǎn)勘查影響分析結(jié)果，水文地質(zhì)因子權(quán)重分析結(jié)果，見表3。

根據(jù)表3的分析結(jié)果可知，X礦山研究區(qū)內(nèi)無嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)問題，礦區(qū)為地質(zhì)災(zāi)害不易發(fā)區(qū)，根據(jù)權(quán)重分析結(jié)果可知，礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好，其水位埋深、地下水質(zhì)量分區(qū)以及礦區(qū)巖體的富水性對(duì)礦產(chǎn)勘查均具有一定的影響，當(dāng)水文地質(zhì)條件較差時(shí)，不利于礦產(chǎn)勘查工作順利進(jìn)行，且在勘查過程中礦山存在塌陷坑、滑坡、泥石流等安全隱患，降低了礦產(chǎn)勘查的安全性。

表3 水文地質(zhì)因子權(quán)重分析結(jié)果

4 結(jié)語

綜上所述，為了研究水文地質(zhì)對(duì)礦產(chǎn)勘查的影響，該文以某地區(qū)X礦山為研究對(duì)象，引入層次分析法，開展了基于層次分析法的水文地質(zhì)對(duì)礦產(chǎn)勘查影響分析。通過該文的研究，得出了水文地質(zhì)影響指標(biāo)與評(píng)價(jià)因子，獲取了礦山地區(qū)水文地質(zhì)災(zāi)害特征，體現(xiàn)了礦山研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境，根據(jù)水文地質(zhì)影響分析結(jié)果，制定相應(yīng)的礦產(chǎn)勘查應(yīng)對(duì)措施，使礦產(chǎn)勘查工作的安全性得到了顯著提升，對(duì)礦山開采工程的順利進(jìn)行具有重要意義。