基于多指标的广西铝土矿储备矿产地开采优势评价

刘得辉 ，王永志 ,，梁标志 ，霍雨佳 ，高旭 ，孟祥卉

（1.吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130026；2.吉林大学综合信息矿产预测研究所，吉林 长春 130026；3.广西壮族自治区地质调查院，广西 南宁 530023）

国家经济发展离不开矿产资源的支撑[1]，各种矿产资源的有效利用与合理开采对我国经济发展至关重要[2]，战略性矿产资源更具有难以替代的作用。美国、日本等发达国家已建立较完善的矿产资源战略储备评价体系[3]。我国也陆续开展了战略性矿产资源综合利用探索研究[4-5]，矿产储备的战略定位和意义逐渐清晰[6]，可根据急缺矿种及国际形势进行全面储备研究[7]。

为保证社会经济可持续发展，有效应对突发事件，保障经济及国防安全，制定国家矿产资源战略储备迫在眉睫[8]。国务院批复的《矿产地储备工程实施方案》通过确立储备目标靶区、明确储备方式，旨在形成全国矿产地储备规划布局[9]。中国地质调查局实施的“全国战略性矿产资源储备调查与评价”项目，探索了国家层面的矿产资源储备规划方法。2017-2020年已完成新疆、西藏、内蒙古、甘肃、广西、江西等13个省(自治区)的战略性矿产资源储备调查与评价工作，初步建立符合我国基本国情的战略性矿产资源储备体系。

矿产地储备作为战略储备的一种形式，可以保证矿产资源的持续供应[10]、稳定和调节市场平衡、抗御金融风险[11]，还能保障国家安全和国民经济的可持续发展[3,6,12]。储备矿产地的规模、布局和结构随着国内外经济政治局势、矿产资源形势以及地理位置等因素的变化而调整[13]。在矿产资源供应平衡或资源利用格局发生变化时，应有序对储备的矿产地开发使用，但当前仍采用传统的定性方法决定对某个矿产地进行开发利用，尚无定量化的储备矿产地开采适用评价方法。本文基于多指标决策(MCDM)框架[14-16]，利用层次分析法(AHP)创建储备矿产地开采评价体系，采用ArcGIS软件的空间分析与挖掘方法，加权叠加分析研究区内各铝土矿储备矿产地的开采优势度，为矿产资源开发利用提供科学依据，对实现矿产资源的可持续发展及提高矿产资源经济效益具有重要作用。

1 研究区及数据集

1.1 研究区概况

广西铝土矿主要分布于桂西、桂西南和桂中地区，桂西-黔西南-滇东南北部(右江地槽)成矿带及湘中-桂中北成矿带，矿床类型主要为风化堆积型及沉积型。矿产资源开发时间较晚，上世纪70年代才在已查明资源储量的平果县那豆等地开始小型铝矿山开采，每年出口熟铝矾土矿石3～5万t，部分留作金刚砂等磨料加工的原材料，矿产资源的有效利用较低。广西铝土矿自80年代才作为提炼金属才取得大规模的显著开发和利用。

空间区域选择南宁市的宾阳县、横县，贵港市的港北区、港南区、覃塘区，来宾市的兴宾区、武宣县，共计7个相邻的市级空间区域作为研究区。区内分布8个铝土矿储备矿产地（图1a）。

图1 研究区及路网缓冲区分布Fig.1 Distribution of the study area and the road network buffer zone

根据广西省铝土矿的成矿特征，该矿种的储备矿产地优选标准是具有中型及以上资源储量的铝土矿的矿床。通过系统分析广西铝土矿勘查成果，初步筛选出大圩、六相、校椅、石塘、云表-长寨、石牙、稔竹-王灵、三里-大岭等8个铝土矿储备矿产地，累计查明(保有)铝土矿资源量共约3.04亿t[17]。

1.2 数据集

研究使用的储备矿产地、矿业权等数据取自中国地质调查项目“全国战略性矿产资源储备调查与评价”的广西壮族自治区成果数据(梁标志等，2021)。将MapGIS格式原始文件转为对应ArcGIS文件；人口、GDP数据从2021年广西壮族自治区统计年鉴及区域统计年鉴获取，并计算研究区各县域的人均GDP；路网数据从OpenStreetMap官网(https://www.openstreetmap.org)下载，并计算研究区路网密度；广西壮族自治区30 m分辨率数字高程模型(DEM)数据取自地球系统科学数据共享网(http://www.geodata.cn)；坡度由广西壮族自治区30 m分辨率DEM计算得到；土地利用类型来自ESRI用深度学习从10 m哨兵影像数据的提取(https://esri.maps.arcgis.com)。

2 评价方法及体系

2.1 评价方法

采用层次分析法(AHP)和GIS空间分析(SA)进行综合评价，AHP主要将目标分解为多指标的定性和定量分析，SA对地理空间目标进行形态结构分类后，对目标空间关系和行为进行描述，为进一步空间决策提供服务的功能体系。AHP和GIS空间分析相结合广泛应用于选址决策、适宜性综合评价、地质灾害分析等领域，用于矿产资源开采优势评价将为开采优势度提供量化决策依据。

矿产资源开采活动处于不断发展的动态过程[18]，不同条件下矿产开采优势差异较大，单一因素分析难以客观判断矿产地的开采优势情况，多种指标综合评价矿产资源开采优势度将更为科学[2,19]。以研究区的交通运输及供电条件、社会经济及资源状况、地形条件、土地条件和矿床开采技术条件及地质特征等建立评价体系，结合禁采区、开采成本、矿政管理等多种因素，综合考虑各铝土矿的储备矿产地整体开采优势。根据各评价因子对储备矿产地开采优势的影响程度划分不同等级，各等级开采优势的贡献度具有一定差异性（如禁采区内评价因子的储备优势为0）。结合各因素对实际矿产资源开采的影响程度及价值，利用AHP法对所有评价准则进行两两重要性对比，建立比较矩阵，经矩阵运算求得准则权重[20]；采用GIS空间分析加权叠加多个评价指标，计算得到各储备矿产地的开采优势度。

2.2 构建评价体系

2.2.1 评价因素

(1)交通运输与供电

路网因素作为矿产资源开采优势评价的重要指标之一，是矿产品、原材料等运输通道，以铁路、高速公路以及一级公路、二级公路等为主。交通便利区域将有助于矿产资源的运输，依路网数据计算路网密度(图1b)，路网密度越大，交通优势越高，运输能力越强[21]，利于降低矿产开采成本。按铁路、公路的运输影响程度做不同缓冲区，对主要公路分别做1、5、10、15 km的缓冲区(图1c)，铁路则生成5、10、20、35 km的缓冲区(图1d)。根据铁路和公路安全保护条例及矿产资源法规定，将距铁路1 km和高速公路300 m范围划为矿产开采活动禁采区域。在道路禁采区以外，离道路越近其运输能力越强，交通运输优势越高，反之越低。

供电条件对矿产开采有着重要的影响，开采设备运转及企业运营均需要电力支持。充足供电是矿产资源顺利开采的保障。反之，将一定程度上限制矿产开采。本研究区各储备矿产地供电条件充足。

(2)地形

地形因素主要包括高程(图2a)和坡度(图2b)。不同地形环境对开采活动的影响程度不同。地形坡度越大，矿产开采诱发山体滑坡和矿山坍塌等地质灾害的可能性越高，生态环境越容易遭到破坏，矿产开采的安全风险越高。同时，随露天开采的剥采比增高，引发灾害风险较大；在坡度较小且开采有利区，其风险系数较低。坡度、剥采比等相同条件下，海拔越高对开采设备和开采技术要求更高，费用将越大，可能降低矿产开采经济效益。

图2 DEM及坡度分布Fig.2 DEM and slope distribution

(3)土地

土地因素主要包括土地利用类型、水系、建筑用地等。矿产资源开采活动对周围环境具有一定程度影响和破坏，为保证生态环境稳定以及安全，将部分土地区域划为禁采区；距铁路1 km和高速公路及一级公路300 m范围内划为道路禁采区；将河流和水库划为水系禁采区；将以上区域构成矿产开采的禁采区(图3b)。建筑用地属于禁采区域(图3a)，特别是城镇地区因开采活动会对人群日常生活影响较大，故其开采优势最低；未利用裸地基本无植被覆盖，开采影响较小，开采优势最高；草地、灌木等次之。因开采活动需要大量水资源支持，故开采区离地表水系越近对矿产开采越有利。

图3 土地利用及禁采区分布Fig.3 Distribution of land use and prohibited mining areas

(4)社会经济与资源储量

经济条件主要包括人均GDP(图4a)和矿产资源储量(图4b)。人均GDP越高的矿产资源开采优势相对较高。矿产资源储量是开采优势评价的最重要指标，资源储量越大其开采经济价值越大，矿产地开采的优势越大。单位面积内矿产资源储量越多其资源集中度越高，越有利于矿产开采，故采用矿产资源集中度作为一个主要的评价指标：

图4 人均GDP及矿产资源储量分布Fig.4 Distribution of per capita GDP and mineral resources reserves

式中：ci表 示第i个铝土矿各储备矿产地矿产资源集中度，Ri表示第i个铝土矿储备矿产地资源储量，Si表示第i个铝土矿储备矿产地面积。

(5)矿床开采技术条件

矿床开采技术条件对矿产资源开采优势评价影响较大，不同地质条件下开采技术复杂程度不同，主要由水文地质、工程地质和环境地质共同决定矿床开采技术条件类型。研究区内所有矿床的水文地质和工程地质均为简单类型，因此开采技术条件类型主要由环境地质问题决定，除宾阳县稔竹-王灵矿区三水铝土矿环境地质为简单类型外，其余环境地质均为中等类型，研究区内8个储备矿产地的开采技术条件类型见表1。

表1 矿床开采技术条件与地质特征Table 1 Technical conditions and geological characteristics of deposit mining

(6)矿床地质特征

矿床规模：研究区内除贵港市三里-大岭三水铝土矿为中型矿床外，其余均为超大型矿床(表1)；成矿时代：贵港市大圩三水铝土矿成矿时代为中上(新)太古界(代)，横县石塘矿区三水铝土矿和横县云表-长寨矿区三水铝土矿成矿时代为泥盆系，横县校椅矿区三水铝土矿、来宾市石牙矿区三水铝土矿、横县六相矿区三水铝土矿、宾阳县稔竹-王灵矿区三水铝土矿和贵港市三里-大岭三水铝土矿成矿时代均为第四纪(系)；矿床成因：所有储备矿产地均为风化矿床，埋藏较浅，矿山生产成本低且经济效益好；开采类型：各矿区均为露天开采(表1)。因此地形、水系、固定建筑物和路网等对矿产开采的影响较大。

(7)矿政管理

国家对矿产资源勘查实行统一的登记制度，勘查矿产资源必须依法登记，由自然资源部及各省矿产部门管理。研究区内存在采矿权和/或探矿权，表明该区域的矿产资源丰富，故矿政数据亦作为优势评价的重要指标之一。

2.2.2 确定评价因子体系

为保证评价结果的客观性和科学性，结合广西壮族自治区铝土矿储备矿产地所处地理位置和矿产资源开采条件等特点，选取了供电条件、资源储量、坡度、水文地质环境等14个评价因子作为研究区铝土矿储备矿产地开采优势评价因子(表2)，并确定其评价体系和流程(图5)。

表2 储备矿产地开采优势评价体系Table 2 Evaluation system of mining advantage in reserve mineral fields

图5 开采优势评价流程Fig.5 Flow chart of mining advantage evaluation

2.2.3 评价因子权重及分级

通过层次分析法(AHP)确定各评价因子的权重值[14,22-24]。由中国地质调查局和广西地调部门的地质、矿产等领域的专家，根据各评价指标对矿产开采活动影响及开采社会经济效益和应对突发紧急状况等程度，对其进行综合打分评价。根据各专家对各评价因素重要性的打分结果[25]，统计各因素的确切指标数值，建立层次结构并构造判断矩阵[23](表3)。根据特征向量计算得到最大特征值为5.122，一致性指标CI=0.031。依据CI进行一致性检验，得到一致性系数CR=0.027(<小于0.1)，说明判断矩阵一致性较好[14,24]，权重分配合理。通过层次单元排序及一致性检验、总层次排序及一致性检验，计算出各因子的二级指标层权重(表4)。

表3 一级指标判断矩阵Table 3 Judgment matrix of primary indicators

表4 二级评价指标层权重Table 4 Weights of secondary evaluation index layers

2.2.4 开采优势评价指标分级

根据评价因子对储备矿产地开采优势的影响程度进行等级划分。评价因子的分级和量化参考地质专家建议和国内外相关研究成果[14]，各开采优势评价指标层划分为不同等级(表5)。

表5 储备矿产地开采优势评价指标分级Table 5 Grading of evaluation indicators for mining advantages of reserve mineral fields

3 储备矿产地开采优势结果分析

研究区铝土矿储备矿产地的开采优势评价主要通过对多个评价因子的综合计算，即对各评价指标要素进行加权叠加分析[14]：

S表示储备矿产地开采优势初步综合得分，Wi表示第i个因素的综合权重，Ai表 示第i个因素的分级分值，n表示参评因子数。

通过对各评价因素的分析，结合道路水系等禁采区、资源储量及矿业权等进行空间分析，计算得到各铝土矿储备矿产地的开采优势量化结果。因某个储备矿产地各因素对开采活动影响具有一定差异性，将导致同一储备矿产地的不同区域可能出现不同的开采优势度(图6a)。为了获取每个储备矿产地整体开采优势结果，利用公式(2)和(3)对不同综合得分栅格进行计算，可获得整体开采优势度结果。稔竹-王灵矿区三水铝土矿(图6b)的初步综合得分别为6、7、8，栅格数分别为40、151、6，栅格总数为197，经公式(3)、(4)计算得到开采优势度初步评价结果H为4.78107(表6)。

表6 储备矿产地开采优势评价结果Table 6 Evaluation results of mining advantages of reserve ore producing area

图6 储备矿产地初步评价综合得分栅格分布Fig.6 Raster distribution of comprehensive score for preliminary evaluation of reserve mineral fields

式中：hi表示第i个铝土矿储备矿产地开采初步优势结果，Nis表示第i个铝土矿储备矿产地初步评价综合得分为S的栅格数，Mi表示第i个铝土矿储备矿产地栅格总数，Si表示第i个铝土矿储备矿产地开采优势初步综合得分，n表示储备矿产地个数。

利用公式(4)计算得到最终开采优势度(表6)，式中赋权重W1=0.7、W2=0.2、W3=0.1，目的是控制各因子结果的范围大小，不影响评价结果的优势关系。在表6中H表示矿产初步开采优势度；C表示矿产资源集中度，集中度越高开采优势越高；D表示铝土矿储备矿产地完整性。储备矿产地被禁采区分割为不同大小的地区，被划分的越分散其完整性越低，越不利于矿产资源开采，增加了开采成本(将提高管理成本、运输费用等)，从而一定程度上会降低矿产资源的利用效益等。

R表示铝土矿储备矿产地开采优势度，Hi表示第i个铝土矿储备矿产地初步评价优势结果，Ci表示第i个铝土矿储备矿产地矿产资源集中度，Di表示第i个铝土矿储备矿产地分散度，ni表示第i个铝土矿储备矿产地被路网等划分成多个小区域的个数。

根据以上方法，计算得到研究区铝土矿储备矿产地的开采优势结果（图7）。开采优势度值域为0.3922～4.0328，校椅矿区三水铝土矿开采优势度最高(4.0328)，第二为大圩三水铝土矿开采优势度(4.61867)，三里-大岭三水铝土矿开采优势度(0.3299)最低。由表6可知，研究区开采优势度H的范围为3.86442～4.8111；矿产资源集中度C的取值范围为2.7777～17.0179；储备矿产地整体性D的值域为0.01～0.1。

图7 开采优势度分布Fig.7 Mining dominance distribution

道路和水系等禁采区对储备矿产地的完整性影响较大。宾阳县稔竹-王灵矿区三水铝土矿储备矿产地(图6b)初步评价结果为4.78107，其开采优势较大，但由于被禁采区分割为多个面积不等的区域，计算后完整性较低(0.01)，一定程度上增加开采成本，故其最终开采优势度较低(仅0.444)。矿产资源集中度对最终评价影响较大，对最终评价结果影响明显。贵港市三里-大岭三水铝土矿其初步评价结果(4.70603)和完整性(0.03)都为中等，由于其矿产资源集中度最低(仅2.7777)，最终开采优势结果亦最低(仅0.3922)。

对计算结果分析可知，8个储备矿产地的开采优势度整体相差较小，但与实际开采及利用吻合度较高。石塘矿区三水铝土矿的初步评价结果最低(3.86442)，分析可知主要原因是受资源储量、地形、路网等因素影响导致。石塘矿区三水铝土矿储备矿产地位于山地区域，坡度大多在20～30°之间，路网密度低，距离铁路和主要道路较远，交通运输能力弱，且资源储量低，小于2384万 t，导致其初步评价结果最低。结合其储备矿产地的完整性(0.1)和资源集中度(7.7965)计算得到最终开采优势度结果为3.0129，排在第三位。

4 结 论

(1)根据广西铝土矿时空分布与成矿规律，构建依据交通、地形、矿床地质特征和矿产资源储量等14个评价因子的指标体系和模型，建立了一套多方面多角度的快速定量化评价储备矿产地开采优势方法。

(2)利用AHP确定各评价指标的权重，采用加权叠加模型计算获得各储备矿产地的开采优势度，评价结果与实际情况总体吻合效果好，证明该量化评价方法可行且具有较高的可信度，在应对突发状况时可根据其评价结果和需求程度进行有序开采，有益于战略性矿产资源的高效利用。

(3)此研究为广西壮族自治区铝土矿储备矿产地未来开采提供科学支撑，为该地区矿产资源开发利用规划、统筹地方经济发展提供决策依据，同时也为其他矿产资源开采提供了一定参考价值，将有助于提高矿产资源的经济效益。