采空区地面塌陷危险性评价方法研究

胡庆金，徐睿卿，王 冲，邓 勇，石 瑞，李瑞松

（西安科技大学，陕西西安710600）

1 概述

当前评价采空区地面塌陷危险性的方法有很多种，其中单因子评价法[2]与综合因子评价法[1]较为常见。在构建评价模型过程中涉及到多种指标，结构内容相对复杂。在实际应用中如果仅用单因子评价法进行危险性评价就会出现考虑不全面、数据不精确的问题。因此为了保障良好的评价效果，现通常采用多指标综合评价方法评估。层次分析法（AHP）在对采空区的数据处理和评价模型过程中是一种普遍性和通用性的方法，其优点是具有系统性、简洁实用、所需定量信息较少。而通过对大量数据进行分析计算，聚类方法得到的分析模型直观，结论简单易懂。另外模糊综合评价、未确知数学理论、神经网络和GIS等方法也是采空区进行数据处理和建立评价模型的重要评价方法。

2 层次分析法

层次分析法（Analytic Hierarchy Process）被用来确定评价权重，属于模糊综合评价。AHP将定性分析与定量计算相结合，从而对一个复杂课题中的元素建立层次关系，并根据各因子的相对重要性予以定量表示，最终基于该量化结果来解决和分析问题。AHP通过数学原理，实现了主观向客观的转化，从而在最大程度上保证结果的客观性。AHP是一种效率较高的，用来分析各种因素相互作用的现实问题的技术。AHP在数据处理过程中确定权重的过程如图1所示。

图1 AHP确定权重

丁丽（2016 年），王和平（2017 年）都是单一通过AHP确定评价因子权重，然后对地面塌陷地区进行危险性评价。吴丽清（2017年）[3]将AHP确定的权重与信息量法确定的信息量进行结合，得到各值的综合信息量,从而评估武汉地区岩溶地面塌陷危险区。刘攀（2017 年）则使用了AHP 和熵权法结合对因子进行组合赋权，计算得到各因子的权重，然后用可拓学理论和粗糙集理论对所有采空区进行危险线性分级。张必昌（2019年）[4]考虑到AHP方法通过专家评判确定影响因子权重具有一定的主观性，所以他采用粗糙集理论来构造数据驱动的目标属性集成权重,并利用线性加权将主、客观权重进行组合,进而得出一种主、客观性同时兼顾的权重计算方法，更客观地对采空区危险性进行评估，从而提升了该项目结果的准确度。

AHP 将抽象过程具体化,并用数学知识和技巧为分析、计算提供定量依据。在面临复杂问题决策时,涉及大量相关因素,数据收集量大,尤其一些因素无法或不能定量化时,AHP能够充分利用人的知识与经验,将问题简化,具有较强的适用性。

3 模糊综合评价方法

模糊综合评价方法基于模糊数学理论，对影响系统的多种因素进行评价。基于已有指标体系，通过计算确定各指标体系的权重，建立对应专家打分表，利用隶属度方法对相关打分结果进行处理，实现从定性到定量的转化。得出最后评价结果。模糊综合评价对于复杂事物的分层辨析结果更准确，即使各因素的权重差异不大，也可以准确地确定权重，明确各因素在评价过程中的重要程度，因此复杂事物借助多层次分析能获得良好效果。其模型工作流程如图2所示。

图2 模糊综合评价工作流程图

李沛（2016年）[5]选取12项相对重要的因素作为评价因子，运用AHP 确定各因子的权重，用四逻辑分析法确定隶属函数，建立模糊综合评价模型，将胶东地区131 个采空区的情况集中评估。任建波（2017 年）通过模糊数学理论加AHP 得出非岩溶环境下地面塌陷的诱因,研讨了在非岩溶环境下城市区域的塌陷危险性评价方式,从而得到详细的评价方法,危险程度矩阵是通过将权重矩阵与隶属度矩阵结合计算而来的。杨荣康（2017年）分别选取了6个一级评估因子和15个二级评估因子,建立了两级评价方法体系用于岩溶塌陷危险性评估。王磊（2019 年）、韩亚（2020 年）[6]都是直接使用AHP 得到指标的权重，求出隶属度进行综合评价，再用模糊综合评价法对危险等级进行划分。

4 未确知数学理论方法

确知信息与数学处理理论是1990年由王光首次发表的。它被定义为与随机信息、灰度信息和模糊信息不同的新的“不确定”信息。在此基础上，刘开第等人提出了未确知数学理论且运用到其他学科中。未确知测度评价模型的应用与研究成果最多。未确知数学理论不但可以处理评价模型中涉及元素的不确定性，而且还能对其进行定量分析，从而评估采空区危险性。其工作流程图如图3所示。

图3 未确知数学理论工作流程图

张迎新(2009年)将信息熵和未确知测度理论结合，用得到的评价模型,进行定性、定量分析。通过实际案例得出,此模型能基本完成评价采空区火焰自燃危险性的任务。该研究对煤矿业控制煤炭自燃、降低火险提供了重要的数据。宫凤强（2008 年）、吴和平（2014年）、李小刚（2020 年）[7]都是在确定了影响因素的情况下,采用信息熵理论计算指标权重和综合测度,引入置信度识别准则进行等级判定,建立了基于确知理论的采空区地面塌陷危险性评价模型。其中，在确定权重时，李小刚则是运用改进的AHP和熵权法相结合。

5 神经网络评价方法

人工神经网络是由仿照人类神经元细胞类似的程序神经元组成的网络。通过输入信息建立神经元，借助规则要求等处理目标，包括记忆、存储、计算、分析等智能过程，这样大规模的组织处理可以很好地明确输入信息与输出信息之间的联系，并不断修正使得输出结果与实际结果误差减小，安全评价效果更有效。这种评价法注重量化研究，较好地模拟了专家的安全评价过程，实际应用效果较好。其模型图如图4所示。

图4 神经网络模型图

图4 中从上到下分别是输入、隐藏层输出、最终输出、期望输出向量，其中帮助隐层神经元引入阈值，帮助输出神经元引入阈值。BP 神经网络在电脑运算过程中，每次都需要使用到上次的运算结果，因此在权值的调整和选取上需要极其谨慎，前一层的局部梯度是后一层局部梯度的加权和。

冯岩（2013年）优化BP神经网络评价方法，首先使用主成分分析法对数据进行预处理，之后使用BP神经网络进行训练预测的过程中，神经网络学习的步骤大幅度减少，训练所需的时间缩短。该算法下进行的模型建立预测输出与实际输出之间的相对误差控制在很低的范围内，预测结果更为准确。李孜军（2015年）[8]提出基于AGA-BP神经网络算法，即使用自适应遗传算法对BP神经网络需要的权值和阈值进行进化选取，尝试寻找数据的最优解。该算法使训练结果的预测精度比其他智能算法更高。庄育龙(2019 年)使用来自于开源项目 Keras 的改进 CNN 模型，与 GLM 和 CART 两种方法进行对比，选择三种地形数据进行测试对比，结果可以直观地看出CNN 模型的精准度远远超过其他两种方法，更加客观、合理。

6 基于GIS的评价方法

GIS 技术是获得、解决、管理方法和分析自然地理空间数据的关键工具，在技术方面是处理空间难题的专用工具；在作用方面具备空间数据的获取、存储、显示、编写、解决、分析、输出和运用等功能；总体来说是使用空间思维、数据和分析将客观世界表现出来的方法。其工作流程如图5所示。

图5 GIS工作流程图

蒋小珍（2003 年)使用 GIS 软件决策中的AHP 模块构建模型，构建各个层次中因素的判断矩阵，通过判断矩阵来计算各元素的相对权值。对中国地质灾害当中的风险性评价提供科学依据。刘江龙（2007年）将信息量法数学模型与GIS 技术结合，使用GIS 技术的分析能力和空间数据库管理能力，准确客观地进行地面塌陷灾害危险性评价。毛伟（2014 年）利用AHP 构建判断模型计算元素权值，最终使用GIS 技术的叠加分析功能产生综合结果，建立灾害评价模型。钟宇（2015年）采用基于模糊算法与GIS技术结合的方法，对塌陷因素进行精准预测，使数据结构偏向客观性，同时利用GIS 技术分析处理与建立可视化模型。林新红（2017年）、应智超（2020 年）[9]均运用GIS 技术进行地质灾害方面的危险性评价。其中应智超还在易发性方面做出评价。将信息量法与GIS技术结合应用于采空区地面塌陷危险性评价中，充分发挥出信息量法的客观准确性。

根据相关文献可以归纳出各类评价模型如表1 的优缺点。

表1 模型优缺点

7 结语

综上所述，采空区地面塌陷危险性评价研究领域的不足之处大致如下：

（1）相关概念不统一。由于不同的研究人员对采空区地面塌陷相关概念有不同的理解，所以出现了很多意思相近的概念，比如危险性（程度）、稳定性（程度）、易发性（程度）、易损性（度）、风险性（度）等，以致出现了稳定性分区图、危险性分区图、易发性分区图、风险性分区图等。

（2）数据选取不够充足。首先是，绝大部分研究人员选取的数据都是采空区范围内的数据，并没有对采空区附近范围的数据进行收集。然而，只有单一的采空区数据，无法和其他数据进行对比处理，计算所得结果并不是十分准确，说服力也不是很强。其次是，由于采空区的内部状况和当地气温变化等外界因素的干扰，对于采空区的数据收集带来了巨大的误差，数据收集受到阻碍，从而所得的结果也会有误差。

（3）选取的影响因素不够全面。采空区稳定性的影响因素从大的方面可以分为地质因素、水文因素、环境因素、开采因素四方面，而细分，则可分为覆岩结构稳定性、覆岩层厚度、地质构造、岩石质量指标、年降水量、地下水含量、地形地貌、第四系覆岩层厚度、停采时间、采煤层数、采深采厚比、采空面积、顶板岩性、顶板厚度、顶板抗压（拉）强度、顶板抗剪断强度、坡度角、植被覆盖情况、天气情况、矿柱尺寸和布置等。但研究人员们选取影响因子建立采空区稳定性评价体系时，并没有考虑到全面性，而是从这些影响因素中选取若干个作为影响因子，进行危险性评价，从而所得的结果与真实结果会有偏差，不能够精确地展示出采空区危险区域分级图。

（4）评价模型存在不足。从国内相关文献来看，关于采空区地面塌陷危险性评价工作，基本都体现在危险性、易发性、地面稳定性评价中[]。虽然，危险性评价的研究已经获得大量成果，相关评价方法和文献也有很多；但是，涉及承灾体易损性评价和地面塌陷经济损失的研究工作并不是很多。然而，只从地面塌陷危险性评价或易损性评价进行地面塌陷防治方案制定无异于杯水车薪，因为地面塌陷承灾体的承灾能力及灾害的社会影响也决定了采空区地面塌陷的危害大小。而对采空区地面塌陷的评价中，危险性评价居多，易损性评价和塌陷经济损失评价很少；因此，应该重视采空区地面塌陷承灾体易损性评价和塌陷经济损失评价，让评价模型更加完善。