煤矿充填开采生态保护绩效测度研究

王毅颖，顾 英，刘宇轩，赵家巍，李亚鹏，史艳楠

(1. 河北工程大学，河北省邯郸市，056038；2. 中国矿业大学(北京)，北京市海淀区，100083；3. 冀中能源峰峰集团有限公司，河北省邯郸市，056001；4. 河北省煤炭生态保护开采产业技术研究院，河北省邯郸市，056038)

0 引言

煤炭作为我国主要能源，目前仍有着不可替代的地位[1-3]，但以垮落法进行煤炭开采易造成地面沉陷、水资源流失等问题，不仅对环境造成了破坏，也影响了社会和谐稳定。为了使煤炭行业向安全、绿色、经济的能源产业体系靠近，一种主动保护生态环境、控制上覆岩层移动从而减少地表沉陷的煤矿充填开采方法得到了发展，该方法对生态矿山建设、煤矿安全生产、生态环境治理、废弃物利用等都发挥着积极的作用，符合煤矿生态保护开采和矿山生态文明建设的发展战略。

目前，国内外对煤矿充填开采生态环境保护研究的重点多数落在环境治理的方法和途径，而很少对充填开采环境保护的效果进行系统的评价。在矿山生态环境评价方面，众多学者也进行了诸多研究，如刘英等[4]运用模糊数学与综合评价相结合的方法，建立了安徽五沟煤矿塌陷区地表环境损害综合评价指标体系；张沛沛等[5]利用基于熵权改进的TOPSIS法和障碍度模型，对河南省煤矿区生态环境治理绩效水平进行评价并诊断其障碍因子；李晓静等[6]对西南地区采煤塌陷区土壤水分特征进行了研究。但基于煤矿充填开采对生态环境保护绩效的研究较少，因此，笔者从煤矿生态环境治理实际情况出发，以河北省近年来煤矿充填开采的调查数据为基础，利用多准则系统分析方法(AHP)与模糊综合评价法(FCE)联合的方法，建立了一个科学全面的煤矿充填开采生态环境治理绩效测度体系，量化了环保绩效，为政府出台煤矿产业环保的扶植政策、宏观调控提供了参考和依据，避免政策冗余、资金浪费等弊端，为煤矿企业制定煤矿生态环境保护治理体系提供科学参考和指导作用。

1 充填开采绩效测度指标体系构建

充填开采评价体系建立的目的在于实现系统健康及资源管理的可持续性，基于科学性和可操作性的原则，以河北省邢东矿为例，构建出符合地区特色的煤矿充填开采生态环境保护的绩效测度。采用“需求压力-效果-响应”思想，构建煤炭充填生态环境保护开采绩效测度的指标体系，如图1所示。

图1 河北省煤矿充填开采需求-效果-响应绩效测度框架

图1表明，全部垮落法开采引发矿区生态环境破坏，进而提出了绿色充填开采来保护采场覆岩结构，但会增加该技术应用的经济投入，三者应该处于平衡状态才能取得较好的社会效益及经济效益。人类需求使得煤矿生态系统不断向人类社会输出各类煤炭资源，同时人类社会向煤矿生态系统输入各种污染。煤矿生态系统在上述因素影响下，其结构和功能等表现出相应状态；这些状态被企业、政府、公众等接收并引起他们对此系统投入的资金、技术、制度等方面发生变化。由于人类活动的不断驱使，煤矿生态系统产生新的压力和新的状态，继而产生新的响应，以此循环。笔者将指标体系设立为目标层、准则层[7-9]、评价因素层和指标层4级。在第4级指标层中遵循反映主要矛盾的原则，在保证科学性和可操作性的同时确定了22个指标[10-14]，如图2所示。煤矿开采主要引发矸石排放、地下水流失及污染、地表沉陷等问题。充填开采可以有效避免采矿带来的环境问题，以采场覆岩控制效果为基础，该技术的关键指标分别为充实率、材料强度、地表下沉量等参数。矸石充填绿色处置技术的应用势必会带来投资的增加，如何通过技术改进从而尽量少地增加单位处理成本同时最大限度地响应绿色开采政策法规对矸石充填技术的优惠，有利于加快充填开采技术体系的应用与推广。

图2 煤矿充填开采层次模型结构

2 指标选择与模型构建

2.1 基于AHP方法建立结构层次模型并确定权重

2.1.1 构造判断矩阵

对准则层和因素层分别构造判断矩阵A=(aij)n×n，其中aij为因素i与因素j重要性比较结果[15]，按照因素i比因素j的重要性程度分为8个等级，分别赋值为1～8，按两两比较结果构成的矩阵称作成对比较的判断矩阵。该判断矩阵具有如下性质：

(1)

2.1.2 计算权向量及一致性检验

(1)计算矩阵A的最大特征根，得到判断矩阵A的最大特征值λmax。

(2)计算一致性指标CI：

(2)

式中：n——判断矩阵的阶数。

(3)查随机一致性指标RI数值表得到平均随机一致性指标RI[8]，从而得到判断矩阵A的RI值。

(4)计算随机一致性比率CR：

(3)

(5)按CR的大小判断A是否有满意的一致性，或A是否要调整[16]，CR<0.1时，原始矩阵A的不一致度在允许范围，则通过一致性检验，否则就调整比较矩阵A[17]，直到达到满意的一致性为止。

(6)通过一致性检验后，可用该判断矩阵归一化特征向量W作为权向量[18]，得到判断矩阵A的权向量W。

2.1.3 对因素层进行层次总排序及一致性检验

(4)

式中：a1,a2,…,am——判断矩阵A对应的归一化权向量值；

CI1,CI2,…,CIm——因素层所构成的判断矩阵的CI值；

RI1,RI2,…,RIm——因素层所构成的判断矩阵的RI值。

2.1.4 基于AHP方法建立结构层次模型确定的权重

通过上述步骤可得煤矿绿色开采绩效指标权重总排序，见表1。

2.2 FCE法确定评价因素集与评价等级

2.2.1 确定评价对象的等级域

根据表1，A为充填开采系统绩效测评结果，确定因素层评价的元素集为A={B1,B2,B3,B4,B5}；因素层的评价元素集为B1={C1,C2,C3},B2={C4}，B3={C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11,C12}，B4={C13,C14，C15,C16,C17}，B5={C18,C19,C20,C21,C22}；设置评语集V，将V分为4个等级，V={V1,V2,V3,V4}={优，良，中，差}，设置相对应的分数，优为4分，良为3分，中为2分，差为1分；此时对应V={4,3,2,1}。

表1 煤矿充填开采生态保护绩效指标权重总排序

2.2.2 确定评级对象指标隶属度

以河北省近年来煤矿生态环境治理实际情况作为现实依据，通过专家评价计算出各个指标的隶属度，见表2。

表2 煤矿充填开采生态保护绩效测评隶属

续表2

2.2.3 构建模糊关系矩阵

根据评价等级的隶属度元素可得到模糊关系矩阵R：

同理可得到R2、R3、R4、R5。

2.2.4 模糊综合评价结果

(1)单因素评价。通过层次分析法可得到方案层各个指标的归一化权向量Wi[19],评语集V=(4,3,2,1)。

由单因素模糊评价的法则可知：

根据式(5)计算出的Bi列向量对应各评价等级优良中差的占比；根据式(6)计算出的Pi对应Bi的综合得分；根据最大隶属度原则可确定Bi最终的评价等级[20]。

(2)多因素评价。通过层次分析法可知因素层权向量集合W；评语集V=(4,3,2,1)；同时，由多因素模糊评价法则可知：

其中，R=[B1,B2,B3,B4,B5]T。

(3)绩效测评结果见表3。

表3 煤矿开采生态保护绩效评价

3 总结

(1)通过层次分析法和模糊综合评价法评价了河北省邢东矿充填开采生态环境保护绩效水平。结果表明，河北省邢东矿的生态环境保护开采评价结果为优，其中，矿区生态环境保护、资源压力减缓、成本投入为优；充填效果、地表保护的优化为良。

(2)根据评价结果，对该矿区后续的充填保护开采提出几点建议：需加强对煤矿开采技术的投入；需不断优化充填系统中各项影响因素；在注重经济资源效益的同时，需持续注重矿区生态环境的改善，使煤矿充填开采对促进煤矿生态可持续发展发挥重要作用。

(3)运用层次分析法和模糊综合评价法评价煤矿充填生态保护开采，评价指标的选取和指标权重的确定带有一定主观性，指标量化方法也会影响评价结果。因此，针对煤矿充填的生态环境保护开采的特点选取评价指标以及指标量化标准，会让煤矿充填的生态环境保护开采绩效测评更具科学性和准确性。