一种煤矿区地质环境承载能力评价方法

一种煤矿区地质环境承载能力评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及煤矿区评估领域，具体设及一种煤矿区地质环境承载能力评价方法。
【背景技术】
[0002] 地下开采后耕地的损害程度，取决于地表沉陷程度、耕地利用现状、植被覆盖类 型、煤矿区地貌及区域水文地质等多种因素。开采沉陷造成了耕地的垂直下沉和变形，由此 而引起耕地质量退化；农田小气候的变化，地表自然生态系统被破坏。
[0003] 在东部高潜水位地区，地表沉陷造成农田局部凹陷，产生小部分地区排泄不畅，农 田条件恶化，由于地表沉陷使得地下水位超出地表，使得大面积的农田沼泽化，成为永久积 水区，正常的农田系统完全消亡。在西部干旱、半干旱的山区，人口稀少，采煤沉陷多表现为 下沉盆地、塌陷及地裂缝，由于该些地区多为荒山秀岭，比较干旱，地形起伏较大，所W-般 不容易产生积水，开采沉陷对耕地的影响主要为地表倾斜和拉伸变形，地貌上基本无明显 变化，局部填平补齐后即可耕种。
[0004] 开采对地下水产生的损害主要为水质污染和水位变化两个方面。在我国东部平原 地区，煤矿区潜水位较高，采煤引起地面沉陷，使得地下水位超出地表，大片的农田沼泽化， 形成永久积水区。该类地区W山东究州为典型代表。在我国西部的大部分煤矿区，气候干 旱，地下水资源稀少，采煤沉陷多表现为下沉盆地、塌陷及地裂缝，该类破坏发生后对地形 地貌影响不大，但是耕地的拉伸变形破坏使±壤的蒸发量增大，耕地持水力下降，裂隙的增 多造成降雨或灌概时±壤养分的淋溶和±壤侵蚀加剧。地下开采形成的导水裂隙带向地表 延伸，破坏了地下隔水层的结构，使地下水位降低、植物长势变差，甚至导致耕地沙化。由此 可见，无论地下水位上升还是下降，都会对当地生态环境产生影响。
[0005] 对于西北缺水矿区，人们更注重开采是否会引起地下水资源流失，主要判据就是 开采造成的导水裂隙带是否会切穿隔水层。目前，一般采用《煤矿设计手册》中推荐的公式 预计冒落带和导水裂隙带的最大高度。根据计算结果，结合水文地质条件，对煤层开采可能 导致浅层水疏干的现象做出正确预测，从而制定合理的开采方法。

【发明内容】

[0006] 为解决上述问题，本发明提供了一种煤矿区地质环境承载能力评价方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0008]-种煤矿区地质环境承载能力评价方法，包括如下步骤：
[0009]S1、建立层次分析的结构模型；
[0010]S11、将地质环境承载能力分为
[0011] 目标层A，把地质环境承载能力作为研究目标
[0012] 准则层B，地质环境承载能力的控制因素地质环境抗扰动能力B1和限制地表移动 变形的自然生态条件B2作为评价的准则；
[0013] 指标层C，根据评价准则地质环境抗扰动能力细分为如下8个具体评价指标，分别 为覆岩厚度Cl、覆岩综合普氏硬度C2、±岩比C3、关键层影响系数C4、地层倾角C5、构造界 面影响指数C6、构造应力影响指数C7、覆岩还水性C8;自然环境承受能力根据±地利用类 型不同，分为保护用地C9、工民业用地CIO、农林牧渔业用地C11和荒宪±地C12;
[0014]S12、构造判断矩阵；
[0015] 将W上一层次的元素作为准则，对其有支配关系的下一层元素两两比较，按其相 对重要性赋予1-9的比例标度，建立判断矩阵；
[0016]S13、计算指标权重：
[0017] 根据判断矩阵计算对于上一层某因素而言，本层次与之有联系的因素的重要性次 序的权值，相当于解决如AWmaxw=A的特征根问题，所得到的W经正规化后作为本层 元素的排序权重；
[0018]S14、一致性检验；首先计算判断矩阵的一致性指标；其次查表得到平均随机一致 性指标；最后计算一致性比例，当一致性比例小于0. 1时，判断矩阵A具有满意的一致性，否 则重新打分，直至一致性检验通过；
[0019]S15、多层次综合权重及总排序：
[0020] 把层次单排序的计算结果进行组合，并进行总的判断一致性检验；
[0021]S2、计算综合指数，计算公式为：
[0022]
[0023] 式中如-评价指标的取值或称指标值；wi-权重值；
[0024]S3、评价结论。
[00巧]其中，所述权重指标的计算公式为：
[0028] 其中，一致性指标的计算公式为：
[0029]
[0030] 式中，n为判断矩阵的阶数，当C具有完全一致性时CI= 0,Amsy-n愈大，一致性 愈差。
[0031] 其中，所述一致性比例的计算公式为：
[0032]C.R=CI/RI
[0033] 本发明具有W下有益效果：
[0034] 根据现行的建构筑物、±体、水体的损害等级标准，结合西北地区的实际情况，制 订了地质环境承载能力的评价等级和标准。将地质环境承载能力分为强、较强、弱、较弱四 级。初步形成了 "建立核屯、指标体系-定性指标定量化-评价模型分析-确定权重-评价 结果确定"地质环境承载能力评价工作流程。采用层次分析法，结合本部口专家意见确定各 评价指标的权重，应用综合指数模型对铜川东坡矿区和硫横沟矿区进行地质环境承载能力 评价，取得良好效果。评级结果表明；东坡井田地质环境承载能力为弱，硫横沟矿区地质环 境承载能力较强，评价结果与矿区实际相符。
【附图说明】
[00巧]图1本发明实施例中地质环境承载能力层次分析结构模型。
[0036] 图2为本发明实施例中地质环境承载能力评价流程图。
【具体实施方式】
[0037] 为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，W下结合实施例对本发明进行进一步 详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并不用于限定本发 明。
[0038]如图1所示，本发明实施例提供了一种煤矿区地质环境承载能力评价方法，其特 征在于，包括如下步骤：
[0039] S1、建立层次分析的结构模型；
[0040] S11、将地质环境承载能力分为
[0041] 目标层A，把地质环境承载能力作为研究目标
[0042] 准则层B，地质环境承载能力的控制因素地质环境抗扰动能力B1和限制地表移动 变形的自然生态条件B2作为评价的准则；
[0043] 指标层C，根据评价准则地质环境抗扰动能力细分为如下8个具体评价指标，分别 为覆岩厚度C1、覆岩综合普氏硬度C2、±岩比C3、关键层影响系数C4、地层倾角C5、构造界 面影响指数C6、构造应力影响指数C7、覆岩还水性C8 ;自然环境承受能力根据±地利用类 型不同，分为保护用地C9、工民业用地CIO、农林牧渔业用地C11和荒宪±地C12 ;
[0044] S12、构造判断矩阵；
[0045] 将W上一层次的元素作为准则，对其有支配关系的下一层元素两两比较，按其相 对重要性赋予1-9的比例标度，见表1，建立判断矩阵；
[0046] 表1因素间相对重要性的标度值。
[0047]
[0048] 所建立的判断矩阵如：
[0049]
[0050] 构造判断矩阵的过程主要凭借专家的经验两两比较，为了克服该种主观的性，将 请几位专家各自构造的判断矩阵，使用层次分析的群决策，将每位专家构造的判断矩阵集 中得到综合判断矩阵讨论修改，直至所有专家对综合判断矩阵没有意见为止。
[0051]S13、计算指标权重；
[0052] 根据判断矩阵计算对于上一层某因素而言，本层次与之有联系的因素的重要性次 序的权值，相当于解决如AWmaxw=A的特征根问题，所得到的W经正规化后作为本层 元素的排序权重；
[0053]S14、一致性检验；首先计算判断矩阵的一致性指标；其次其次查表得到平均随机 一致性指标RI，平均随机一致性指标是多次500次W上重复进行随机判断矩阵特征值的 计算之后取算数平均数得到的，见表2 ;最后计算一致性比例C.R=CI/RI，当CI/RI< 0. 1 时，判断矩阵A具有满意的一致性，否则重新打分，直至一致性检验通过。
[0054] 表2平均随机一致性指标数RI。
[0055]S15、多层次综合权重及总排序；
[0056] 把层次单排序的计算结果进行组合，并进行总的判断一致性检验；
[0057]
S2、 计算综 合指数， 计算公
[005引 式为；
[0059]
[0060] 式中；pi-评价指标的取值或称指标值；wi-权重值；
[0061]S3、评价结论
[0062] 根据表1中对评价指标的的取值，通过上述公式计算得到PI值，对照表3中的地 质环境承载能力等级表，就可W得到待评区的地质环境承载能力等级。
[0063] 表3地质环境承载能力综合指数法评价等级
[0064]
[0065] 如图2所示，煤矿区地质环境承载能力取决于地质环境本身的抗扰动能力W及研 究区生态环境对开采扰动的承受能力。因此对煤矿区地质环境承载能力的评价，可分为地 质环境本身的抗扰动能力评价和生态环境对开采扰动的承受能力评价。
[006引实例1;东坡井田
[0067] 东坡井田位于渭北煤田西部-铜川矿区的东部。根据钻孔、巷道揭露，区内发育的 地层有：中奥陶统、上石炭统、二叠系、新近系、第四系。区内主要含煤地层为上石炭统，中奥 陶统为煤系基底。局部地区可见少量基岩出露，其余地区全被第四系覆盖。煤系基底一一 中奥陶统平凉组〇2p，W薄层状灰岩为主，夹泥灰岩或中厚层状灰岩，下部含较多的黑色板 状娃质薄层或条带，局部见有豹斑构造或夹有碱屑灰岩。主要含煤岩系一一上石炭统太原 组C3t，岩性W砂质泥岩、粉砂岩、砂岩和粘±岩为主，夹煤层及薄层灰岩，属海 陆交互相沉 积。总厚4. 18~94. 54m，一般15~25m。含煤2~16层，其中5#煤层为全区主要可采煤 层。煤系上覆地层，主要有二叠系、新近系和第四系。下二叠统包括山西组Pis和下石盒子 组Plx，岩性W砂岩、粉砂岩、泥岩为主，厚度30~90m。山西组底部为厚层状中粒砂岩K4标 志层，是本区主采煤层5#煤的老顶。新近系R上部为红色粘±，下部为栋黄色砂岩，厚0~ 30m，本区内多缺失。全区普遍分布的是第四系黄±，厚度60~120m不等。
[0068] ①地质环境抗扰动能力评价
[0069] 根据煤矿区地质环境承载能力评价工作流程图2和地质环境承载能力量化评价 表表4,
[0070] 表4,地质环境抗扰动能力评价量化表。
[0071]
[0072] 首先分别从构造介质、构造形态、构造界面、构造应力和水文地质等方面对研究区 地质环境本身的抗扰动能力进行评价。构造介质；东坡井田区域遍布第四系黄上，厚度平 均103m，基岩平均厚度77m，则±岩比为1. 33。根据地质勘探资料计算，覆岩普氏综合硬度 为2. 63,由综合柱状图可W看出覆岩中上部的二叠系上石盒子组中粒砂岩34. 7米和二叠 系下石盒子组娃质胶结中粒砂岩8. 6米为两个关键层，根据表4给各项打分为：
[0073] 表5评价指标及取值。
[0074]
[00巧]构造形态；井田地层主要为单斜地层，倾角平均7°，煤层倾角平均6°。根据表4 给构形态打分为；〇分。
[0076] 构造界面：区域内小型断层、层滑及權皱构造较为发育，在开采工作面内最常见的 是断距在1. 5~5.Om的小断层。北东走向的断层占绝对优势，而且，在所有已经揭露的断 层中，几乎无一例外的都是正断层。小断层的分布具有密集成带的特点。例如，在508工作 面，小断层的密度达到了 60条/km2 ;在634、632工作面小断层的密度达到全井田最高-124 条/km2。除此之外，节理、裂隙也都十分发育。给构造界面打分为；-1分。
[0077] 构造应力；新生代W来，渭北煤田位于汾渭裂陷系北缘，受北西-南东向拉张应力 作用，属伸展构造体制。因此，东坡井田构造应力为拉张应力打分为；-2分。
[0078] 水文地质；东坡井田范围内水文地质条件简单，无老空水及小畜积水影响，矿井 水主要来源于基岩含水层，正常涌水为275m3/d，上覆岩层含水性均为弱含水层，其厚度为 50-100m。由此给覆岩含水性打分为；1分。
[0079] ②自然生态承受能力评价
[0080] 东坡井田地处渭北旱源，井田范围内没有需要特别保护的目标，塌陷区多为山岭 荒地和少量农田，据此给自然生态承受能力打分为；3分。
[0081] ⑨权重确定
[0082] 构造如下判断矩阵：
[0083]
[0084] 通过运算，各指标权重wi= 0. 8022, 0. 1978,C.I= 0, 一致性检验通过。
[0085]
[0086]通过运算，各指标权重wi= 0. 0658,0. 0746,0. 0746,0. 1169,0. 1058,0. 1539， 0. 2296,0. 1788。C.I= 0. 0069 < 0. 1，一致性检验通过。
[0087]
[0088]通过运算，各指标权重wi= 0. 4256,0. 1837,0. 1232,0. 0762,0. 1912。C.I= 0. 0068 < 0. 1，一致性检验通过。
[0089]最后，层次总排序结果wi= 0. 0528,0. 0598,0. 0598,0. 0938,0. 0849,0. 1235， 0. 1842,0. 1435,0. 0842,0. 0363,0. 0244,0. 0151,0. 0378。
[0090] 综合指数法评价
[0091]
[0092] 地质环境承载能力综合得分为1. 3,据表3可知，东坡井田范围内的地质环境承载 能力弱。
[0093] 分析其原因，首先东坡井田范围内，松散层覆盖层较厚，无抗变形能力只增加了覆 岩载荷，而基岩比较薄，综合硬度相对小，从而覆岩的支撑力较小；其次小断层比较发育，破 坏了覆岩的完整性，降低了基岩的支撑力；再次井田处于拉张应力场中，拉张力抵消因重力 作用在岩体中产生的侧向挤压应力，相当于减小了夹持力。因此在采动扰动下，覆岩易破 断，产生地质环境损害。
[0094] 实例2;硫横沟矿区
[0095] 硫横沟矿区位于准南煤田西部，主要含煤地层为保罗系中统西山畜组J2x，主采 其中的"大槽煤"。基岩覆盖层直接裸露地表，仅有很薄的表上层，覆岩厚度180m;覆岩综合 普氏硬度为3. 14 ;覆岩下部和上部各发育一个关键层。矿区构造形态为宽缓向斜的一翼。 覆岩连续性好，除一条低角度逆断层外，未见其它断层，节理也不发育。从区域大地构造背 景和矿区地质构造特征的分析可知，硫横沟矿区受到比较强烈的水平挤压构造应力作用。 矿区位于干旱缺水地区，覆岩含水性弱。矿区地表大部分属于荒山秀岭，人烟稀少，地表所 允许的下沉值很大，地表产生的裂缝和沉陷对生态环境影响并不明显。
[0096] ①评价指标选取和取值
[0097] 结合矿区的地质资料，选取覆岩厚度、覆岩普氏综合硬度、关键层、±岩比，构造界 面影响系数、构造应力影响系数、覆岩含水性及地表±地利用类型系数等9个评价指标，见 表6所示；
[0098] 表6评价指标及取值
[0099]
[0100] ②权重确定
[0101] 采用层次分析法确定各评价指标的权重为：
[0102] wi= 0. 055,0. 065,0. 066,0. 086,0. 111,0. 142,0. 202,0. 105,0. 168,C.I=
[0104] 0. 0098 < 0. 1，一致性检验通过。[0103] ⑨评价结果
[0105]
[0106] 根据表3可知，硫横沟矿区地质环境承载能力较强。硫横沟矿区范围内，基岩裸 露，覆岩中存在两个关键层，大大增强了覆岩对上部的托板作用；矿区内处于强烈的挤压应 力场中，断层节理均不发育，更提高了覆岩的整体强度；地表为荒山秀岭，无需要保护的建 构筑物，对采动产生的影响承受能力较强因此，可W说明评价结果与矿区实际情况非常吻 么 口 〇
[0107] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W作出若干改进和润饰，该些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种煤矿区地质环境承载能力评价方法，其特征在于，包括如下步骤： Sl、建立层次分析的结构模型： Sl 1、将地质环境承载能力分为 目标层（A)，把地质环境承载能力作为研宄目标 准则层（B)，地质环境承载能力的控制因素地质环境抗扰动能力（BI)和限制地表移动 变形的自然生态条件（B2)作为评价的准则； 指标层（C)，根据评价准则地质环境抗扰动能力细分为如下8个具体评价指标，分别 为覆岩厚度（Cl)、覆岩综合普氏硬度（C2)、土岩比（C3)、关键层影响系数（C4)、地层倾角 (C5)、构造界面影响指数（C6)、构造应力影响指数（C7)、覆岩还水性（C8);自然环境承受能 力根据土地利用类型不同，分为保护用地（C9)、工民业用地（ClO)、农林牧渔业用地（Cll) 和荒宪土地（Cl2); 512、 构造判断矩阵； 将以上一层次的元素作为准则，对其有支配关系的下一层元素两两比较，按其相对重 要性赋予1-9的比例标度，建立判断矩阵； 513、 计算指标权重： 根据判断矩阵计算对于上一层某因素而言，本层次与之有联系的因素的重要性次序的 权值，相当于解决如A w max W = λ的特征根问题，所得到的w经正规化后作为本层元素 的排序权重； 514、 一致性检验：首先计算判断矩阵的一致性指标；其次查表得到平均随机一致性指 标；最后计算一致性比例，当一致性比例小于〇. 1时，判断矩阵A具有满意的一致性，否则重 新打分，直至一致性检验通过； 515、 多层次综合权重及总排序： 把层次单排序的计算结果进行组合，并进行总的判断一致性检验； S?、i+笪综合指教.i+笪公式为.式中：pi-评价指标的取值（或称指标值）权重值； S3、评价结论。2. 根据权利要求1所述的一种煤矿区地质环境承载能力评价方法，其特征在于，所述 指标权重的计算公式为：3. 根据权利要求1所述的一种煤矿区地质环境承载能力评价方法，其特征在于，所述 一致性指标的计算公式为：式中，η为判断矩阵的阶数，当C具有完全一致性时CI = 0, λ max-n愈大，一致性愈差。4. 根据权利要求1所述的一种煤矿区地质环境承载能力评价方法，其特征在于，所述 一致性比例的计算公式为： C. R = CI/RI〇
【专利摘要】本发明公开了一种煤矿区地质环境承载能力评价方法，包括如下步骤：S1、建立层次分析的结构模型：将地质环境承载能力分为目标层A，准则层B和指标层C；构造判断矩阵；计算指标权重：一致性检验：多层次综合权重及总排序：S2、计算综合指数，S3、评价结论。本发明根据现行的建构筑物、土体、水体的损害等级标准，结合西北地区的实际情况，制订了地质环境承载能力的评价等级和标准。将地质环境承载能力分为强、较强、弱、较弱四级。初步形成了“建立核心指标体系—定性指标定量化—评价模型分析—确定权重—评价结果确定”地质环境承载能力评价工作流程。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN104881571
【申请号】CN201510228013
【发明人】孙学阳, 夏玉成
【申请人】西安科技大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月29日