摘要:在对河北省主要的关闭煤矿实地调查和遥感影像解译基础上,将关闭煤矿的地质环境影响评价指标体系划分为3个要素和11个指标,利用模糊综合评价方法建立了关闭煤矿的地质环境影响评价模型,采用改良指数标度的层次分析法确定各权重。评价结果显示,在118处较大规模的关闭煤矿中,36处煤矿地质环境影响程度为严重和较严重状态,82处为轻微和较轻状态。严重、较严重的煤矿主要分布在蔚县矿区、宣下矿区、邯郸矿区。地质环境问题主要影响因子为土地资源压占、含水层破坏、地面塌陷和地裂缝等。

关键词:河北省;关闭煤矿;地质环境影响评价;改进指数标度;层次分析法;模糊综合评价

河北省是我国重要的煤炭基地,煤炭资源长期大规模开采不仅导致多地煤炭资源枯竭,也造成了矿山及其周边地区地质环境的破坏。针对煤矿开采带来的各种问题,国家曾出台《煤炭工业发展“十二五冶规划》《煤炭工业发展“十三五冶规划》《加强矿产资源开发管控十条措施》等多项政策措施,大力化解煤炭过剩产能、淘汰落后产能,以促进煤炭行业健康可持续发展。据河北省能源局煤炭处数据显示,“十二五冶期间,河北省淘汰落后产能煤矿237处,淘汰落后产能1650万t。2016—2018年,河北省共化解过剩产能111处,其中关闭煤矿104处,缩减产能7处,压减产能共计3801万t;2019—2020年,河北省计划关闭煤矿33处,缩减产能5处,缩减产能共计1630万t。煤矿的大量关闭使之前煤矿生产活动所遗留的地质灾害、资源损毁等地质环境问题日益凸显,引起了学者们的广泛关注[1-3]。由于关闭煤矿地质环境问题的复杂性和多样性,合理评价地质环境影响程度仍有较大难度。近年来一些新的方法应用于矿山地质环境影响评价,如模糊综合评价法[4-7]、层次分析法[8-12]、SVM算法[13-14]、集对分析[15-16]等。矿山地质环境影响评价涉及的影响因素众多,由于各影响因素分级的模糊性和部分因素的难定量化,选择适合的评价方法,构建适合的评价指标体系是关键。本研究在对河北省关闭煤矿实际调查的基础上,结合当地矿山地质环境问题特征,探索适合的地质环境评价方法,开展关闭煤矿的地质环境影响评价,为关闭煤矿的地质环境治理、生态修复及资源再利用提供依据。

1河北省关闭煤矿地质环境问题

2019—2020年,课题组对河北省主要矿区193个关闭煤矿开展了地质环境问题调查,通过资料收集、遥感解译和实地调查的方式,基本查明了研究区内关闭煤矿的主要地质环境问题,问题主要表现为地面塌陷、地裂缝、矸石山(堆)、土地资源压占与破坏、地形地貌景观破坏、含水层破坏、地表水和土壤污染。据调查统计,河北省全省较大规模采空塌陷区150处,面积约32877km2;塌陷(群)坑145处,面积约215km2;地裂(群)缝134处;矸石山(堆)49处;各类地质环境问题共占用和破坏土地3178km2;地形地貌景观破坏36055km2;地下水均衡受到严重破坏,导致部分矿区地下水水位下降,地表水、地下水均受到不同程度的污染;部分矿区土壤受到重金属污染。

2评价指标

河北省关闭煤矿分布在山区、丘陵及平原地区,地形地貌条件复杂,地质环境问题的表现形式多样,在参照DD2014—05《矿山地质环境调查评价规范》[17]的基础上,考虑到河北省关闭煤矿的实际情况,将整个系统分为3个要素层和11个指标层,具体见图1。

3评价方法与模型

关闭煤矿的地质环境影响评价是一个复杂的模糊的系统。模糊综合评价能够同时兼顾这种复杂性和模糊性,对模糊特征对象具有较好的评判效果[18]。因此,采用模糊综合评价法,将整个系统分为目标层、要素层和指标层,构建模糊综合评价模型[19]。

31模糊综合评价方法与模型

311要素集、指标集与评价集

要素集K为:K={K1,K2,K3}(1)式中:K1为地质环境背景要素;K2为资源损毁要素;K3为地质灾害要素。指标集K1(K2、K3依此类推):K1={k1,k2,k3}(2)式中k1、k2、k3为各个评价指标。评价集E为:E={e1,e2,e3,e4}(3)式中:e1为轻微;e2为较轻;e3为较严重;e4为严重。

312隶属度函数

依据本次评价因子特征,对于完全定量化指标,参考文献[20]选择连续线性函数形式构造隶属度函数,对于地形地貌、地表水污染、土壤污染及含水层破坏等不能量化的指标,在实际调查的基础上采用单项条件满足即认为该等级隶属度为1,并且上一等级优先的方法确定隶属度。

313综合评判

利用隶属度函数得到各指标的隶属度,从而得到隶属度矩阵K1,K2,K3,例如地质环境背景矩阵K1,余下的隶属度函数矩阵依此类推。K1=k11…k14左左k31…kéëêêêêùûúúúú34(4)根据指标权重,构建指标层权重集W1、W2、W3。利用隶属度矩阵和权重集求得各要素的评判结果Y1、Y2、Y3:Yi=Wi·Ki={yi1,yi2,yi3,yi4},i=1,2,3(5)根据上述结果构建要素层隶属度矩阵Y:Y=Y1Y2Yéëêêêêùûúúúú3(6)利用要素层的权值集P与隶属度函数矩阵Y,得到调查区关闭煤矿地质环境的模糊综合评判的结果:E=P·Y={e1,e2,e3,e4}(7)e1、e2、e3、e4中计算结果最大的元素所对应的等级即是关闭煤矿地质环境影响评价的等级。

32权重确定方法

在矿山地质环境影响评价中,层次分析法常用的标度为1~9标度,但是传统的1~9标度有许多缺陷:其一是1~9标度排序权值较粗,与人的判断差别较大;其二是判断矩阵一致性与思维一致性矛盾[21-22]。骆正清等[23]对几种标度的研究对比得出1~9标度法权重拟合性最差,而指数标度的拟合性最好,且适用于多准则下的排序问题。因此,本次关闭煤矿的地质环境影响评价选择改进指数标度的层次分析法确定权重。利用韦伯-费希纳定律,建立权重标度通式[24]:U=an=13161n(8)式中:n为0,1,2,…,8的重要性程度等级;a为待定参数。通过a8=9计算得到a=13161,从而得到改进的权重标度[25],见表1。根据38位专家打分,整理并计算得到调查区地质环境影响评价要素层和各类指标的权重,结果见表2。

4结果与分析

河北省关闭煤矿众多,本次对118处规模较大、井田边界较清晰的关闭煤矿开展了地质环境影响评价,具体结果见表3。由表3评价结果显示,关闭煤矿的地质环境问题总体较轻,但仍有部分地区的地质环境存在较大问题。其中地质环境问题为轻微、较轻的关闭煤矿占总数的6949%左右,较严重地区约占678%,严重地区约占2373%。28处评价结果为严重的煤矿分别为峰峰矿区的峰峰四矿、王凤煤矿,邯郸矿区的亨健煤矿、聚隆煤矿、陶一煤矿,邢台矿区的章村煤矿三井,井陉矿区的井陉一矿,开滦矿区的赵各庄煤矿、荆各庄煤矿,兴隆矿区的凯兴二井、汪庄煤矿,宣下矿区的艾家沟煤矿、怀来煤矿、鸡鸣驿煤矿、水窑沟煤矿、宣东二井、宣东一井,蔚县矿区的百安一矿、成尚荣煤矿、康河煤矿、崔家寨煤矿、滑嘴煤矿、孟家堡煤矿、南留庄煤矿、水东煤矿、水西煤矿、西细庄煤矿、玉峰山井煤矿。8处评价结果为较严重的煤矿为峰峰矿区的通顺煤矿,邯郸矿区的康城煤矿,开滦矿区的林南仓煤矿,宣下矿区的兴隆山煤矿,蔚县矿区的百安矿业、东升矿业、蔚西煤矿、郑沟湾煤矿。这些煤矿在土地资源压占、含水层破坏、地形地貌景观破坏、地面塌陷和地裂缝等方面仍存在较大问题。

5结论

在河北省主要矿区关闭煤矿地质环境问题调查的基础上,建立了由地质环境背景、资源损毁、地质灾害3个要素层,以及地形地貌、年平均降水量、植被覆盖度、土地资源压占、含水层破坏、地表水污染、土壤污染、地形地貌景观破坏、地面塌陷、地裂缝、矸石山(崩塌)11个指标层构成的评价指标体系,采取改良指数标度的层次分析法确定权重。根据矿山地质环境的多样性、多层次性和复杂性的特点,采用模糊综合评价方法对河北省关闭煤矿进行地质环境影响评价,评价结果表明调查区118个规模较大的关闭煤矿中,3051%的关闭煤矿处于严重和较严重状态。这些煤矿主要分布在蔚县矿区、宣下矿区、邯郸矿区,主要问题包括土地资源压占、地形地貌景观破坏、地面塌陷和地裂缝等方面。建议尽快开展关闭煤矿的地质环境治理与生态修复工作,并在此基础上开展关闭煤矿的土地、地下水、煤层气等资源的调查评价及再利用。

作者:顾一芳 冯启言 孟磊 陈中山 单位:中国矿业大学江苏省老工业基地资源利用与生态修复协同创新中心 中国矿业大学环境与测绘学院 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心 河北省煤田地质局物测地质队