建筑垃圾-粗粉煤灰充填材料环境友好性评价研究

刘 音，吴海凤，李 浩，王 凯，闫汝瑜

（山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

煤矿膏体充填作为1 种绿色开采技术，能够有效解决地表沉陷和“三下”压煤问题[1-3]，但是煤矿充填膏体对环境的影响也不容小觑。为了实现煤炭资源开发与生态环境保护协调发展，利用建筑垃圾-粗粉煤灰进行矿山充填开采[4-5]，从源头上解决了建筑垃圾和粉煤灰及其衍生出的污染物污染环境的问题，对煤矿的发展有重要意义[6]。目前对煤矿膏体充填材料的研究主要集中在充填材料的性能研究[7-10]，在充填材料对环境影响综合评价方面研究较少。为了更客观地反映建筑垃圾-粗粉煤灰充填材料对环境的影响，采用物元分析评价方法对其进行综合评价，该方法是解决不相容问题[11-13]的简便方法，具有快速、直观等特点[14-15]。

目前, 一些专家对物元分析法也进行了相关的应用与研究。蔡文教授[16]于20 世纪80 年代初提出物元分析,以物元为基本元并建立物元模型，应用物元变换法，化矛盾问题为相容问题；张小虎等[17]运用物元分析法结合嫡值理论，从宏观角度对黑龙江省土地生态安全程度进行评价；张虹波等[18]采用物元分析法和可拓理论构建了区域土地资源生态安全评价的综合评判模型[19]，并以宁夏南部彭阳县为例进行了实证研究；卢金发等[20]首先运用模糊关联法估算出生态安全关联度，进而计算了锡林浩特市各样地地块生态安全指数，进行全部地块生态安全等级评定。Hsu 等人[21]使用基于层次分析法模型的安全管理指数评估了沿海航运中产品油轮的安全系数[22-23]。但是这些成果大部分是针对土地安全评价以及海上安全进行研究的，针对充填材料对环境的影响进行评价的鲜有报道。为此构建了评价环境友好性的物元分析法数学模型和环境友好性综合评价体系，主要构建物元矩阵、隶属程度的关联函数，以隶属程度的不同取值范围作为环境评价标准，对建筑垃圾-粗粉煤灰充填材料对环境的影响进行等级划分，通过试验对建筑垃圾-粗粉煤灰对环境友好性进行等级判定，用物元分析法来评价建筑垃圾粗粉煤灰对环境友好性对环境的保护有重要意义。

1 构建物元分析模型

1.1 “物元R”的定义

事物Q、事物Q 的特征H、关于特征值H 的量值c 共同组成物元R，其基本形式表示为：

1.2 n 维物元矩阵

用事物 Q 的特征 H1、H2、…、Hn，及与其所对应的量值 c1、c2、…、cn来描述 1 个事物，则事物 Q的 n维物元矩阵可表示为：

1.3 节域对象物元矩阵

若G 用来表示标准事物与可转化为标准事物2种物质所组成的节域对象，cρi=[aρi,bρi] 表示节域对象关于特征Hi的量值范围，因此节域对象物元矩阵可表示为：

1.4 经典域对象物元矩阵

经典域对象物元矩阵可表示为：

式中：Gk为标准对象，其对应的量值范围为cki=[aki,bki]，（cki=⊂aρi（k=1，2，3…，m；i=1，2，3…，n；m＜n））。

1.5 关联函数的建立

1.5.1 关联函数模的定义及点到区间的距离

令有界区间xr=［a，b］的模[24-25]定义为：某点x 到区间xr=［a，b］的距离 S 为：

1.5.2 关联函数

xr=［a，b］，x1=［c，d］，且xr⊂x1，则关联函数 K：

式中：λi为权重系数。

1.5.3 评价标准

由隶属程度的关联函数Kai可知，可根据Kai取值范围的不同作为评价环境友好性的标准。

1）当Kai＜-1 时，表示该评价材料不符合某一等级，且 Kai越小，离某一等级就越远。

2）当-1≤Kai＜0 时，表示该评价材料不符合某一等级的标准，但具有转化为某一级标准的条件。

3）当 0≤Kai＜1 时，表示该评价材料符合某一等级的标准，且Kai值越大表示对某一等级的隶属程度越高。

2 环境友好性的综合评价体系的建立

2.1 综合评价指标

单方充填材料的耗能F1、单方充填材料粉煤灰和建筑垃圾所占的比重F2、单方充填材料的环保费用F3为其综合评价指标。

2.2 综合评价物元

建筑垃圾粗粉煤灰充填体环境友好性综合评价物元为：

2.3 确定充填材料的基本单元

关于影响环境友好性等级的因素分级标准见表1。

表1 影响因素分级标准Table 1 Grad standard of influence factors

根据影响环境友好性等级的因素分级标准确定描述各个等级的基本单元为：

根据各个等级的基本单元得到充填材料全体的基本单元，可以表示为：

2.3.1 各等级的耗能界定值的确定

由于目前国内外缺少充填材料环境友好性评价标准以及环境友好性基础数据，因此高度友好型、较友好型、友好型、不友好型等级的耗能界定值可参照目前国内最高水平（4 000 t/d 及4 000 t/d 以上）、较高水平（2 000～4 000 t/d）、中等水平（1 000～2 000 t/d）及低水平（1 000 t/d 以下）的水泥厂和混凝土公司生产1 m3混凝土的耗能大小来确定。

友好和不友好的界定值可依据GB/T 50378—2006 绿色建筑评价标准中的在同类建筑材料质量中废弃物生产建筑材料所占比例不低于30%的相关要求来界定。环保费用参照绿色高性能充填材料试验研究中对环保费用的界定[25]。

2.3.2 评价体系的结果分析

根据目前情况得到的单个参数对强度等级为C20 的混凝土的友好性等级的分类标准见表2。

表2 C20 混凝土的友好性等级的分级标准Table 2 Grad standard of friendliness level of C20 concrete

通过建立的建筑垃圾充填体环境友好性综合评价体系可以看出，要提高建筑垃圾粗粉煤灰充填材料的环境友好性，就是要在保证充填材料有足够的充填能力下，尽量减少单方充填材料的耗能、增加充填材料中建筑垃圾和粉煤灰所占的比重和减少环保费用。

3 环境友好性等级的判定

利用建立的综合评价体系对本试验用建筑垃圾粗粉煤灰充填材料进行环境友好性综合评价，通过综合评价指标的确定以判定其环境友好性等级。

3.1 试验材料

取方圆50～100 km2的平均值75 km2范围内的0.9 t 单方建筑垃圾充填体建筑垃圾和 0.35 t 粉煤灰、0.1 t 外加剂，并重卡运输。

3.2 综合评价指标的确定

式中：F1为单方建筑垃圾充填材料的能耗；E为单方充填材料建筑垃圾用量；T 为单位建筑垃圾运输能耗；Y为单方充填材料粉煤灰用量；U为单位粉煤灰生产和运输能耗；I为单方充填材料外加剂用量；为P 生产单位外加剂能耗。

式中：F2为单方充填材料建筑垃圾比重；E 为单方充填材料建筑垃圾用量；A 为单方充填材料质量。

式中：F3为环保费用；D 为建筑垃圾环保费用；Z为粉煤灰环保费用；V 为外加剂环保费用。

3.3 关联度的确定

在建筑垃圾充填体的环境友好性的评价中权重系数λF1=λF2=λF3=1/3 起着重要作用，因此这3 个权重系数必不可少。

根据式（6）计算出影响建筑垃圾充填体环境友好性的 3 个因素对各等级的关联度（表3）。

表3 各因素关联度Table 3 Association degree of all factors

3.4 隶属程度的确定

根据式（7）可以得出试验用建筑垃圾充填体对于各个等级的隶属程度（表4）。

表4 充填体隶属度Table 4 Membership of filling body

从表4 看出，该试验用的建筑垃圾充填体属于较友好性充填材料，表明该建筑垃圾充填材料不仅能满足井下充填需要，而且对环境友好，具有很高的实际应用价值和发展前景。

4 结 论

1）建筑垃圾粗粉煤面料不仅可以对粉煤灰及建筑垃圾进行最大限度的利用，而且可以有效降低其对环境的影响。

2）构建了环境友好性的综合评价体系，将物元分析法运用到建筑垃圾-粗粉煤灰充填材料环境友好性综合评价中，使构建的物元分析模型更具有普遍性，计算更加方便快捷，结果清晰明了。

3）在保证充填材料的充填性能情况下，尽量减少单方充填材料耗能、增加充填材料中建筑垃圾和粉煤灰所占比重，并减少环保费用，才能有效提高建筑垃圾粗粉煤灰充填材料的环境友好性。