抚顺西露天矿开采影响下的近矿城区安全评价

靳 鹏，申 力，韩晓极，赵岳然，郭 霁

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

抚顺西露天矿区地质环境的复杂性、开采活动的多样性，加上百年来持续性和特殊时期掠夺式采矿工程活动，造成了矿区环境地质灾害的频发性和持续性，又因为矿区位置为“城市依煤而建，矿在城中”的特殊性，使得资源开采引起一系列灾害对近矿城区居民、企业产生极大影响。

对于采矿引起的相关安全问题的评价，有关学者进行了大量的研究。何满潮[1]建立难度系数和危险性指数作为深部工程难易程度的评价指标；荆全忠[2]等基于层次分析法对于煤矿的安全生产能力建立了评价指标体系；杨力[3]等人基于层次分析法、熵权法、模糊综合评价法建立了煤矿应急救援能力评价模型；刘亚静[4]等人基于层次分析法建立了煤矿安全综合评价模型。但对于开采导致近矿城区的安全研究相对较少，为此，针对抚顺西露天矿资源开采影响下的近矿城区市民安居和工程建设运营安全及稳定性的安全评价，利用DPSR（驱动力-压力-状态-响应）模型建立起的指标体系，能够更直接对于影响因素进行分类，明确驱动因素与压力、状态、响应因素之间的相互作用和联系[5-7]；又由于影响近矿城区安全因素的复杂性, 许多影响因素在识别中只能表达为模糊关系, 采用基于层次分析法的模糊综合评价方法对研究区域进行安全综合分析[8-9]。

1 西露天矿近矿城区安全评价指标体系

PSR（压力-状态-响应）模型以因果关系为基础，常用于研究环境问题的框架体系；“压力”即人类活动对其研究区内的影响，“状态”指环境在此压力下所处的状况，“响应”指人类在面对所处状态的对应措施，而DPSR 模型是在此模型基础上增加引入影响该系统压力的“驱动力”。

引入DPSR（驱动力-压力-状态-响应）模型进行指标体系的构建，对近矿城区安全系统中的驱动力系统、压力系统、状态系统、响应系统进行分析，即：驱动力指标主要考虑研究区内自然环境的不利因素和人类开采行为产生的不利因素作为引发安全问题的驱动力；压力指标考虑在驱动因素的影响下，矿区自然环境、工程地质环境、水文地质环境所处的压力状态；状态指标指研究区内发生的状况，如滑坡、泥石流、地裂缝等地质灾害的发生和灾害影响程度；响应指标表示人面对安全问题时充分发挥主观能动性而采取的有效应对措施。

根据指标选取的科学性、可比性、易测性的原则，在DPSR 框架模型下进行指标的选取，经过讨论咨询构建了安全评价指标体系，近矿城区安全评价指标体系见表1。

表1 近矿城区安全评价指标体系Table 1 Safety evaluation index system of urban area near mine

2 层次分析-模糊综合评价的原理和方法

2.1 层次分析法确定指标权重

2.1.1 建立判断矩阵

将影响因素分解为不同的层次，并且构建的层次结构模型。将同一层次的因素对于上一层次某一准则的重要性两两比较，引用数字1～9 及其倒数作为标度，得到相对重要程度的比较标度，以此来建立判断矩阵，得到判断矩阵A 为：

式中：aij为要素Ai与要素Aj比较的相对重要性的比值。

3）计算判断矩阵的一致性指标CI，并找出相应平均随机一致性指标RI，得出一致性比例CR，当CR＜0.1 时，认为计算结果具有满意的一致性，否则需要对A 进行修正。

式中：λmax为判断矩阵A 的最大特征值；n 为判断矩阵阶数。

4）从最高层（总目标）开始，逐层向下将由各个元素的相对权重计算出它们相对于总目标的相对重要性的权值，总目标本身的绝对权重为1，其下面每一层元素的相对权重乘以所针对的上一层准则的绝对权重，即得到各元素的绝对权。

2.2 模糊综合评价

模糊综合评价是一种基于模糊数学的综合评价方法，根据模糊数学的隶属度理论将定性评价转化为定量评价，可以对多种因素制约的目标做出一个总体的评价[10-11]。

1）建立综合评价的因素集U。综合评价的因素集U 是以影响评价对象的多级因素所组成的多级集合，U=｛uA1、uA2、uA3、uA4｝，UAi=｛…、uBi、…｝，UBi=｛…、uCi、…｝，其中：uAi、uBi、uCi分别为系统层、要素层、指标层的因素。

2）构建评价集V。对抚顺西露天矿近矿城区的安全性结果分为很好、较好、一般、较差、很差5 级评价等级，记为V=（v1、v2、v3、v4、v5），采用满分十分制，安全性评价等级表见表2。

生态高敏感区具生态难恢复、对人类干扰敏感等特点，可采用山地式生态网络构建模式，为林业型农村。生态高敏感区一般为耕地面积小，山林面积大，居民点零散和人口稀少的区域，以林业发展及旅游业发展为主。在土地规划过程中需考虑农民生计转移带来农村人口减少的问题，可通过土地整治规划实现建设用地的集约利用。此外，生态高敏感区具有大面积的山林，因此可以建设旅游林村，在生态保护区、草地、园地面积不减少的前提下，规划建设与景区风景相协调的建筑形态等，大力发展旅游业。

表2 安全性评价等级表Table 2 Safety evaluation grade table

3）建立评价矩阵R。如，对于要素层因素集UBi中的各因素进行单因素评价，建立的模糊关系矩阵RBi为：

式中：m 为UBi下一层集指标个数；rij为相对于评价因素。

4）确定评价因素的权重。求得各级因素的绝对权重Wi和相对权重wi。

5）多层次模糊综合评价。先通过指标层权重对要素层进行一级模糊综合评价，UBi的综合评价结果为BB，由一级模糊评价结果BB为行，得到系统层二级模糊矩阵，同理求得UAi的综合评价结果BA，直至求得指标体系最高层模糊评价结果B。

6）确定评价等级。根据构造的评价集V 和量化值S，确定其评级值F=B·S，计算结果按照最大隶属度原则评定近矿城区的安全性。

3 西露天矿近矿城区安全评价结果

由于系统层中驱动力、压力、状态、响应系统在对城市安全评价时极具模糊性，其重要性在两两比较时难以判断，且在要素层因素的数量不超过9 个，所以对层次分析法加以改进，直接以要素层的因素对目标层的重要性进行两两比较，构建判断矩阵，得出判断矩阵的特征向量和特征值，并进行一致性检验，用同样方法可算得全部因素相对权重wi和绝对权重W，并进行一致性检验，得到各层因素的权重见表1，指标层因素重要程度如图1。

图1 指标层各因素重要程度Fig.1 Importance of index layer factors

可知在系统层中状态系统对近矿城区安全性影响的重要程度最大，很大程度上代表着区域内的安全状态。指标层中开采强度、滑坡灾害、地裂缝灾害、不稳定斜坡、灾害测监测能力和灾害治理能力指标对安全的影响程度较大。

西露天矿开采有百年的历史，根据姬智[12]在抚顺煤炭工业发展下的城市演变研究将抚顺市煤炭开发划分为起步、帝国主义侵占、曲折发展、预转型发展和产业转型5 个时期，结合现有资料分析划分出4 个时间段进行安全评价：①生产阶段：1960—1980年；②稳产阶段：1980—2000 年）；③预转型阶段：2000—2010 年；④转型阶段：2010—2020 年。邀请专家结合西露天矿掌握资料对各指标安全性进行打分，并进行模糊综合评价。评价结果中不同阶段要素层安全性隶属度如图2。

图2 各阶段要素层因子隶属度分布Fig.2 Distribution of membership degree of factor layer in each stage

1）1960—1980 年阶段综合评价结果。驱动力系统安全性评判：FA1=BA1S=6.141；压力系统安全性综合评判：FA2=BA2S=6.960；状态系统安全性评判：FA3=BA3S=6.110；响应系统安全性评判：FA4=BA4S=5.341；综合评价结果为F=BS=WRS=6.003。

2）1980—2000 年阶段综合评价结果。驱动力系统安全性评判：FA1=BA1S=6.666；压力系统安全性综合评判：FA2=BA2S= 6.701；状态系统安全性评判：FA3=BA3S=5.740；响应系统安全性评判：FA4=BA4S=6.485；综合评价结果为F=BS=WRS=6.314。

3）2000—2010 年阶段综合评价结果。驱动力系统安全性评判：FA1=BA1S=6.889；压力系统安全性综合评判：FA2=BA2S= 6.808；状态系统安全性评判：FA3=BA3S=6.058；响应系统安全性评判：FA4=BA4S=7.124；综合评价结果为F=BS=WRS=6.662。

4）2010—2020 年阶段综合评价结果。驱动力系统安全性评判：FA1=BA1S=7.262，压力系统安全性评判：FA2=BA2S=7.004,状态系统安全性评判：FA3=BA3S=5.352，响应系统安全性评判：FA4=BA4S=7.644，综合评价结果为F=BS=WRS=6.689。

安全评价指数如图3。

图3 安全评价指数Fig.3 Safety evaluation index

由图3 可见，整体综合安全性在逐步提高后趋于平稳的状态。在1960—1980 年时间段安全性最差，处于一般安全状态，接近较差安全状态，其中响应系统的安全性评分处于较不安全状态，压力系统接近较安全状态；在1980—2000 年时间段整体安全性综合评分略有提高，处于一般安全状态，其中状态系统安全性较差；在2000—2010 年时间段整体处于一般安全状态，其中响应系统安全状态有明显提高，处于较安全状态；在2010—2020 年时间段整体处于一般安全状态，状态系统安全性下降，处于较差安全状态，但整体处于历史最高安全水平。

4 结 语

1）根据DPSR 框架模型从影响近矿城市安全的驱动力、压力、状态、响应进行系统分析，建立起以近矿城区安全性评价为目标，系统层、要素层、指标层的3 级评价指标体系模型。

2）根据实际评价中的问题，基于改进层次分析法，确定了各级指标相对权重和绝对权重。其中系统层中状态因素的安全评价影响比重最大，其权重为0.334；指标层的因素对安全影响较大的有开采强度、滑坡灾害、地裂缝灾害、不稳定斜坡、灾害测监测能力和灾害治理能力。

3）模糊综合评价得到不同时间段近矿城区安全性评价结果，近矿城区整体安全性指数逐步提高。响应系统安全性提升较大，从安全状态较差到目前处于安全状态较好，说明现阶段对灾害防治、环境治理和生态修复的能力和投入对于城区安全有积极影响。但是现阶段由于地裂缝、不稳定斜坡等灾害对研究区域影响范围扩大和程度加深，使得状态系统安全性处于历史最低水平，状态系统处于较差的安全状态。未来提升研究区域内整体安全性，应继续保持和加强灾害监测、灾害防治、应急管理、生态修复等措施的投入和能力，使响应系统安全状态继续提升，同时也会约束状态系统的安全性继续恶化。