河南省煤矿城市地下空间开发适宜性评价.pdf
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1、石贝凝,向 中 林.河 南 省 煤 矿 城 市 地 下 空 间 开 发 适 宜 性 评 价 J.矿 业 科 学 学 报,2023,8(5):714-724.DOI:10.19606/ki.jmst.2023.05.013Shi Beining,Xiang Zhonglin.Suitability evaluation of underground space development in coal mining cities in Henan provinceJ.Journal of MiningScience and Technology,2023,8(5):714-724.DOI:10.1
2、9606/ki.jmst.2023.05.013河南省煤矿城市地下空间开发适宜性评价石贝凝,向中林河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454000收稿日期:2023-02-20 修回日期:2023-03-30基金项目:河南省自然科技项目(2019-379)作者简介:石贝凝(1997),女,甘肃正宁人,硕士研究生,主要从事煤矿城市地下空间开发利用及评价方面的研究工作。Tel:15538986608,E-mail:1693099468 通信作者:向中林(1976),男,湖南汨罗人,博士,副教授,硕士生导师,主要从事矿产资源勘查评价与开发和 GIS 开发及 3S 技术地学应用等方面的教学与研究工作。
3、Tel:13839191817,E-mail:xiangzhonglin 摘 要:为保证煤矿关闭后遗留地下空间的合理利用、避免资源浪费,本文以河南省空间资源量超过 10 000 m3的典型煤矿城市(郑州市、平顶山市、三门峡市和洛阳市)为例,对煤矿地下空间开发利用适宜性展开研究,利用层次分析法建立了有关煤矿城市地下空间开发利用适宜性评价体系。该评价体系包括安全性、稳定性、空间资源量、空间环境、经济性等 5 大类以及相应的 20小项评价指标。最后根据所建评价体系、结合专家打分法,得出河南省 4 个典型煤矿城市开发适宜度由高到低依次为:郑州市 25.59、平顶山市 23.21、三门峡市 8.86 和
4、洛阳市 8.56。论文采用城市之间横向对比的思路,为河南全省乃至全国各煤矿城市地下空间适宜性评价提供参考。关键词:煤矿城市;地下空间开发;适宜性评价;评价指标中图分类号:P 618.11 文献标志码:A文章编号:2096-2193(2023)05-0714-11Suitability evaluation of underground space developmentin coal mining cities in Henan provinceShi Beining,Xiang ZhonglinSchool of Resources and Environment,Henan Polytec
5、hnic University,Jiaozuo Henan 454000,ChinaAbstract:This study proposes to evaluate the suitability of underground space development and utiliza-tion in coal mining cities,with the aim to promote reasonable utilization of underground space leftbehind after the closure of coal mines and avoid resource
6、 waste.Specifically,it takes typical coal miningcities in Henan province(Zhengzhou,Pingdingshan,Sanmenxia,and Luoyang)with spatial resources ex-ceeding 10000 m3as examples for analysis,with the Analytic Hierarchy Process adopted to establish anevaluation system for the suitability of underground spa
7、ce development and utilization in coal mining cit-ies.The evaluation system includes five major categories:safety factor,stability factor,spatial resourcequantity,spatial environmental factor,and economic factor,coupled with 20 corresponding secondary in-dicators.Based on the aforementioned evaluati
8、on system and expert scoring method,the suitability fordevelopment of four typical coal mining cities in Henan province was ranked in a descending order ofscores:Zhengzhou scored 25.59,Pingdingshan 23.21,Sanmenxia 8.86,and Luoyang 8.56.By conduc-ting cross comparisons between cities,this study provi
9、des reference for the suitability evaluation of un-第 8 卷 第 5 期2023 年 10 月矿 业 科 学 学 报JOURNAL OF MINING SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.8 No.5Oct.2023derground space in various coal mining cities both within Henan province and across the country.Key words:coal mining cities;underground space development;sui
10、tability evaluation;evaluation indi-cators 煤炭作为化石能源具有不可再生性,煤炭资源的常年开采导致大量煤矿因资源枯竭而关停。中国工程院重点咨询项目“我国煤炭资源高效回收及节能战略研究”研究结果表明,预计到 2030 年,我国关闭/废弃矿井数量将达到 15 000 处1。河南省人民政府报告显示,20062021 年河南省累计关闭煤矿 487 座。煤矿废弃和关闭后会遗留的大量地下空间资源以及地下空间可能赋存的煤炭(保留)、煤层气、矿井水、地热等矿产资源2-3,将这些资源合理利用、变废为宝,不仅能够提高社会经济效益,而且能够避免遗留资源引发的后续安全问题和社
11、会损失。地下空间在煤矿开采过程中发挥了重要作用,在煤矿关闭后也是最为稳定且易开发的资源,具有开发成本低、回报高、易实现的优势4-5。随着城市地质调查的开展,国内外学者对城市地下空间的开发适宜性从评价指标到综合评价方法开展了大量研究工作6-8。王红杰等9建立了以空间资源量、稳定性、安全性、空间环境、经济性 5 大类以及相应的容积、地质构造、围岩性质、巷道支护形式、埋深、地面沉降、瓦斯、煤尘爆炸性、水文地质类型、巷道完好状况、风速、基本费用等 20 小项的评价指标体系,利用层次分析和模糊数学理论对萍乡市白源煤矿地下空间开发适宜性进行评价。韩运等10考虑资源、技术、安全和社会 4 个层面以及可利用空
12、间容量、井下开采深度、巷道支护修复难度、煤层稳定程度、矿井瓦斯状况、水文地质类型、煤的自燃倾向性、地区发展水平等 13 个指标,运用层次分析法和专家打分法对山西省白家庄煤矿地下空间资源开发适应性开展评价。但这些研究主要针对具体煤矿,而城市煤矿众多、条件各异,因此需要对以城市为单位的煤矿地下空间开展适宜性评价,筛选有利的城市开展典型煤矿城市地下空间示范应用,确定有效的评价指标和评价方法。结合河南省典型城市的不同特征,对城市的煤矿地下空间适宜性进行综合评价。将煤矿废弃和关闭后形成的井筒、巷道、硐室和采空区等大量地下空间归为井巷地下空间和采空区地下空间两类。根据相关设计院、科研院所、生产煤矿处调研和
13、搜集的典型煤矿数据,河南省登记各类煤矿 263 个,其中具有采矿规模的煤矿 148 个,采用井巷地下空间量估算方法11,统计得出河南省煤矿井巷可利用地下空间(井筒、井底车场、大巷、主要硐室等)总计 5 265.97 万 m3,采用采空区地下空间量估算方法得出河南省煤矿采空区可利用地下空间为123 060.83 万 m3,地下空间可利用资源总量共计128 326.80 万 m3。其中可利用空间 10 000 万 m3以上的城市有郑州、平顶山、三门峡和洛阳 4 个城市。基于已确定的煤矿城市地下空间资源量,采用层次分析法和专家打分法,结合安全、稳定、经济、环境等因素,形成一套有效的煤矿城市地下空间开
14、发适宜性评价体系,对该 4 个城市的煤矿地下空间开发适宜度进行评价。1 评价因素煤矿地下空间开发利用的适宜性评价涉及水文地质、构造地质、煤层稳定性、煤层温度、区位等诸多因素,根据调研资料与实际情况,确定安全性、稳定性、空间资源量、空间环境和经济性为评价因素9。(1)安全性。在所有评价因素中,安全性因素是最重要的,具有一票否定权。煤矿开采过程中存在瓦斯爆炸和突水两大主要灾害,瓦斯等级、煤尘爆炸性和最大涌水量是评判矿井安全性的重要指标,水文地质条件是简单、中等还是复杂,也密切关系煤矿的安全性。此外,煤矿在开采完后通常形成大量的采空区,部分采空区可以改建为地下污水处理场,但大多数采空区因为矿柱压入底
15、板和底鼓、矿柱破坏、顶板坍塌等造成塌陷,形成大面积的沉陷区,因此沉陷区面积也是评价安全性因素的一个十分重要的条件9。(2)稳定性。稳定性和安全性一样,在煤矿城市的开发利用中占有十分重要的位置,煤层稳定性、煤层倾角、沉降系数大小、构造地质条件和工程地质条件等都对煤矿稳定性有较大的影响。稳定性较高的煤矿地下空间开发适宜性较高。因此,稳定性因素在评价开发利用适宜度时占有相对重要的地位。(3)空间资源量。估算煤矿地下空间资源量(井巷和采空区可利用空间量),对河南省各城市煤矿地下空间进行初步统计,根据空间资源保有储715第 5 期石贝凝等:河南省煤矿城市地下空间开发适宜性评价量来分析可利用的适宜性,也是
16、评价不可或缺的一项。煤矿地下空间保有资源储量越大,其利用潜力越大。(4)空间环境。温度高低、潮湿程度、水质好坏等空间环境因素对煤矿地下空间的再利用都有影响。煤矿地下空间具有基本无辐射、恒温恒湿、受外界影响小、冬暖夏凉等优点,可用于建设地下农场。此外,一些矿井靠近国家重点保护资源区域、文化遗产保护区,需要考虑在二次开发利用时避开这些重点保护区。(5)经济性。煤矿一般位于距离城市较远的郊区地带,废弃矿井在二次利用时要考虑交通的便利性和与人的交互性。人流量和区位便捷在衡量废弃矿井利用的经济效益中占有重要比重。煤层空间埋深表示矿井开采的最大深度,也是矿井地下空间再利用时的最大程度,距离地面越深,利用难
17、度系数越大,所需成本更多。充足和优质的水源为矿井二次利用提供了较大的优势,煤矿的开发利用适宜性越高,提供的经济价值也更大。2 评价方法2.1 层次分析法层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是一种对较为复杂和模糊的问题做出决策的简易方法12。它将与决策有关的定性与定量因素合理地结合起来,按照递阶层次结构将各因素指标从低到高依次分解为指标方案层、准则层和目标层,并确定各指标相对于上一层的权重系数13,最终得出有关决策,其适用于一些难以完全定量分析的问题。2.1.1 建立层次分析结构模型建立模型就是对需要解决的问题建立一个合理的层次结构。通常情况下,将针对问题分
18、解的不同因素按照它们之间的关系分为目标层(A层)、准则层(B 层)和方案层(C 层)(图 1),其中目标层是指决策的目的、要解决的问题;准则层是考虑的因素、决策的准则;方案层是决策时的备选方案。2.1.2 构造比较判断矩阵首先选取一个上层的因素,其次对其有影响的下层因素两两作对比,以判断各个下层因素的重要程度,最后以比较结果构成判断矩阵,这是层次分析法运用过程中的关键步骤。根据相关学者研究结果14-15,1 9 标度法更适用于不需要较精确权图 1 层次结构示意图Fig.1 Hierarchy diagram值计算但需要对各比较因素进行排序计算的问题。其利用 1 9 之间的 9 个数(还有倒数)
19、作为评价元素,来标度各因素之间的相对重要性,即比较某一层的 n 个因素 a1,a2,an。针对上一层的同一个因素 A 的影响力,可以从 a1,a2,an中取任意 ai和 aj,并对它们对于 A的重要性进行比较,详见表 1。最后比较的结果形成判断矩阵。表 1 1 9 标度法中的标度值含义Table 1 1 9 Definition of scale values in scale method标度含义1 两个元素相比,同样重要3 两个元素相比,前者比后者稍重要5 两个元素相比,前者比后者明显重要7 两个元素相比,前者比后者强烈重要9 两个元素相比,前者比后者极端重要2,4,6,8 表示上述相邻判
20、断的中间值倒数 若元素 ai与元素 aj的重要性之比为 aij,那么元素 aj与 ai元素的重要性之比为 aji=1/aij2.1.3 计算权重值并检验一致性用来计算权重的方法有多种,其中,运用方根法求权重值是 AHP 中较为简便且被广为应用的一种方法。该方法涉及一致性检验。一致性检验是尽可能地以客观描述来代替人们利用 AHP 的主观性,这要求客观成分必须足够合理。一致性检验有以下 3 个步骤:(1)计算一致性指标(CI):CI=(max-n)/(n-1)(1)式中,max为最大特征根;n 为备选方案个数(矩阵的阶数)。(2)找出相应的平均随机一致性指标(RI)。RI 值往往要通过查表获得,本
21、文采用 1 阶 15 阶平均随机一致性指标(表 2)。716矿 业 科 学 学 报第 8 卷表 2 1 15 阶平均随机一致性指标Table 2 Average random consistency index of order 1 15n123456789101112131415RI 值000.520.891.121.261.361.411.461.491.521.541.561.581.59 (3)计算一致性比例(CR):CR=CI/RI(2)在一般情况下,如果 CR0.1,就认为判断矩阵符合一致性;若 CR0.1 时,就认为判断矩阵不符合一致性,需要进行调整和修正。2.1.4 总体的一致
22、性检验层次总排序随机一致性比率为CR=b1CI1+b2CI2+bnCInb1RI1+b2RI2+bnRIn(3)式中,b 为准则层各因素的权重。若 CR0.1,就认为判断矩阵通过总排序一致性检验。2.2 专家打分法专家打分法是指通过匿名方式征询有关专家的意见,对专家意见进行统计、处理、分析和归纳,客观地综合多数专家经验与主观判断,对大量难以进行定量分析的因素做出合理估算,经过多轮意见征询、反馈和调整后得出最终结果的方法。该方法具有简洁便利、直观性强、计算方法简单等优点16-18。不同煤矿有不同的条件类型,如地质构造条件存在简单、中等和复杂之分,不同条件参数对整体评价的贡献不同,其所得评价结果也
23、有所不同。评价过程中,从勘察单位、煤矿、政府管理部门以及高校邀请专家共7 名,通过专家打分获得典型煤矿城市的二级指标分值,即按照有利于空间利用的条件划分出3、5、7、10 得分,具体专家打分法中的得分值含义见表3。表 3 1 10 专家打分法中的得分值含义Table 3 1 10 Definition of score values inexpert scoring method得分含义3极不适宜于地下空间开发利用5不适宜于地下空间开发利用7较适宜于地下空间开发利用10适宜于地下空间开发利用本文利用层次分析法对影响河南省煤矿二次开发利用适宜性的主要因素建立递阶层次指标体系,求得低层各指标相对高
24、层指标重要程度的权值,根据各指标的评判等级标准,通过专家打分法对其进行赋值,结合调研的实际情况进行加权计算,将定性问题定量化、抽象问题具体化、复杂问题简单化,最终得出河南省典型煤矿城市的适宜开发度。3 评价过程3.1 建立评价指标体系利用层次分析法建立的煤矿城市地下空间开发适宜性评价层次结构模型如图 2 所示。该评价体系中,方案层(二级指标)为准则层(一级指标)影响因素,准则层(一级指标)为目标层的影响因素;下一层指标影响上一层指标,上一层指标又反过来约束下一层指标;各指标间存在独立性的同时,也具有一定的联系。A目标层;B准则层;C方案层图 2 煤矿城市地下空间开发适宜性评价层次结构模型Fig
25、.2 Hierarchy model for evaluating suitability of underground space development in coal mining cities 评价指标体系的建立要以评判目标的特征为依据,在符合客观事实的前提下,遵循准确性、系统性和普遍适用性等原则。基于大量参考资料以及河南省现有关停煤矿各项指标调查结果,建立了以717第 5 期石贝凝等:河南省煤矿城市地下空间开发适宜性评价安全性、稳定性、空间资源量、空间环境和经济性 5大项为主要评价因素,以采空区空间、井巷空间、保有资源储量、构造地质条件、煤层稳定程度、工程地质条件、煤层倾角、下沉系数
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