杜建磊，申宇鵬，李 楊，王 江

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)共伴生能源精準(zhǔn)開(kāi)采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

山西省作為我國(guó)傳統(tǒng)煤炭產(chǎn)區(qū)，為我國(guó)工業(yè)發(fā)展提供了能源支撐。由于歷史原因，山西省內(nèi)多個(gè)煤田均分布有不同程度的小煤礦，機(jī)械化程度低，安全條件差，直接將小煤礦關(guān)閉會(huì)造成大量資源的浪費(fèi)[1]。為此，山西省提出了煤炭資源整合的基本方針，引導(dǎo)省內(nèi)小煤礦可持續(xù)發(fā)展。本文基于此背景開(kāi)展對(duì)潞寧煤業(yè)公司煤炭資源綜合評(píng)價(jià)研究。為研究煤炭資源綜合評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了積極探索。王志民[2]從地質(zhì)條件、安全及開(kāi)采技術(shù)條件、資源環(huán)境條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益條件4個(gè)方面對(duì)煤炭資源綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行研究；薛黎明等[3]基于改進(jìn)的AHP與模糊理論從發(fā)展基礎(chǔ)、競(jìng)爭(zhēng)能力、發(fā)展?jié)摿?、協(xié)調(diào)發(fā)展能力4個(gè)方面對(duì)縣域礦產(chǎn)資源綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行研究；張金鎖等[4]基于模糊屬度函數(shù)評(píng)價(jià)方法對(duì)煤炭資源安全綠色高效開(kāi)發(fā)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)研究。目前在對(duì)煤炭資源綜合評(píng)價(jià)研究中普遍采用改進(jìn)AHP確定指標(biāo)權(quán)重，與AHP法相比增加了指標(biāo)權(quán)重客觀性。本文通過(guò)對(duì)潞寧煤業(yè)公司的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及查閱文獻(xiàn)法，構(gòu)建煤炭資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用AHP計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，并根據(jù)熵權(quán)法對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行修正，得到綜合權(quán)重，對(duì)煤炭資源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為潞寧煤業(yè)公司煤炭資源建設(shè)提出針對(duì)性建議，并為煤炭資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系提供技術(shù)參考。

1 構(gòu)建煤炭資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

通過(guò)對(duì)煤炭資源綜合評(píng)價(jià)目標(biāo)問(wèn)題分析，結(jié)合文獻(xiàn)研究法以及對(duì)潞寧煤業(yè)公司煤炭資源的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，最終確定了煤炭資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，該體系包括目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B、要素層C、控制層D。其中，目標(biāo)層為煤炭資源綜合評(píng)價(jià)；準(zhǔn)則層包括資源條件、安全及開(kāi)采技術(shù)條件、環(huán)境條件、開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益4個(gè)方面[2]；要素層包括9項(xiàng)指標(biāo)，指標(biāo)層包括24項(xiàng)指標(biāo)，煤炭資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 煤炭資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Coal resources comprehensive evaluation index system

2 煤炭資源綜合評(píng)價(jià)方法

2.1 AHP計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

層次分析法(AHP)的核心是指標(biāo)權(quán)重的確定，各指標(biāo)之間的互相重要程度以權(quán)重的形式體現(xiàn)出來(lái)，權(quán)重是指標(biāo)對(duì)比、權(quán)衡后的綜合顯示數(shù)據(jù)。AHP計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重方法的如下所述。

1) 構(gòu)造判斷矩陣。根據(jù)煤炭資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將準(zhǔn)則層B、要素層C、控制層D中的指標(biāo)按照隸屬范圍進(jìn)行兩兩比較。為避免個(gè)人知識(shí)局限性，邀請(qǐng)專(zhuān)家(單位：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，職稱(chēng)：教授，研究領(lǐng)域：礦井開(kāi)拓及優(yōu)化設(shè)計(jì)、礦山安全與災(zāi)害防治等)根據(jù)1～9標(biāo)度方法(九級(jí)分制)對(duì)判斷矩陣A的元素bij進(jìn)行對(duì)比并賦值[5-7]。且指標(biāo)賦值滿足bij=1，bji=1/bij(i，j=1，2，3，…，n)，完成構(gòu)造判斷矩陣A。

2) 計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重及一致性檢驗(yàn)。計(jì)算各判斷矩陣的最大特征根λmax以及權(quán)向量W，即可得到本層次各因素相對(duì)于上一層次因素的相對(duì)重要性。以判斷矩陣A為例，依據(jù)式(1)求出各指標(biāo)權(quán)向量W，利用式(2)得到最大特征根λmax，根據(jù)式(3)對(duì)W進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得w，即各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。為驗(yàn)證得到的權(quán)向量是否合理，還需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，保證可以在接受范圍之內(nèi)，即式(4)中一致性比率CR<0.1，才能滿足一致性要求。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)(取值為：n=1、RI=0；n=2、RI=0；n=3、RI=0.52；n=4、RI=0.89)。

以構(gòu)造的判斷矩陣A為例求解權(quán)重w，見(jiàn)式(5)。

(5)

在得到權(quán)重w的同時(shí)，依據(jù)式(2)求解出判斷矩陣A的最大特征根λmax=0.25×(5.980 0/1.484 8+4.812 4/1.195 4+3.009 2/0.750 6+3.009 2/0.750 6)=4.017 8，由于n=4，可知RI=0.89，依據(jù)式(4)得到一致性比率CR=0.017 8/(3×0.89)=0.006 7<0.1，滿足要求。采用同樣方法依次得到各判斷矩陣的λmax和w，經(jīng)計(jì)算各判斷矩陣均符合一致性檢驗(yàn)。最后將各級(jí)指標(biāo)權(quán)重依次相乘，得到控制層相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

熵作為熱力學(xué)的一個(gè)概念，最早被SHANNON引入信息論；由信息論基本原理可知，熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的度量，即熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法[8]；通過(guò)計(jì)算得到的客觀熵權(quán)并不反映評(píng)價(jià)指標(biāo)在煤炭資源綜合評(píng)價(jià)中的重要程度，而是各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在煤炭資源評(píng)價(jià)上優(yōu)差程度。運(yùn)用熵權(quán)法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重方法如下所述。

1) 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)建立的煤炭資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，可知要素層的指標(biāo)集V={v1，v2，…，vn}是由n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成的集合；研究區(qū)域U={u1，u2，…，um}是由m個(gè)研究區(qū)域組成的集合，評(píng)判集S={s1，s2，…，ss}是由s種評(píng)價(jià)組成的集合，完成評(píng)價(jià)并形成原始矩陣Y=(Yij)m×n，為保證AHP和熵權(quán)法的使用，根據(jù)式(7)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣P=(pij)m×n[8]。

(7)

2) 計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)信息熵和熵權(quán)。根據(jù)式(8)可計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的信息熵Hj。

(8)

根據(jù)計(jì)算得到的各指標(biāo)信息熵按照式(9)轉(zhuǎn)化為熵權(quán)wj。

(9)

以要素層煤炭資源C1為例，見(jiàn)式(10)。

(10)

得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣P1，依據(jù)式(8)得到Hj=(0.997 8，0.997 1，0.993 5)。 在得到所有信息熵后，依據(jù)式(9)可得wj=(0.020 8，0.027 4，0.060 1)，所有控制層評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

2.3 確定指標(biāo)綜合權(quán)重

將運(yùn)用AHP得到的指標(biāo)權(quán)重與熵權(quán)法得到的指標(biāo)熵權(quán)相結(jié)合，按照式(10)得到考慮主客觀因素之后指標(biāo)權(quán)重，其中，α為主客觀偏好系數(shù)，當(dāng)α=0為熵權(quán)法權(quán)重、α=1為層次分析法權(quán)重，關(guān)于α取值的合理性，結(jié)合本文實(shí)際情況，α取值為0.5。計(jì)算的指標(biāo)綜合權(quán)重見(jiàn)表1。

(i=j=1，2，…，n，0≤α≤1)

(10)

2.4 煤炭資源評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及隸屬度值

根據(jù)已建立的煤炭資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，得到潞寧煤業(yè)公司各分公司評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2，其中，量化指標(biāo)由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研直接給出，非量化指標(biāo)由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況給以確定。根據(jù)煤炭資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的特點(diǎn)，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為4個(gè)等級(jí)，即s1、s2、s3、s4。同時(shí)根據(jù)對(duì)潞寧煤業(yè)公司各分公司的調(diào)研結(jié)果，最終確定了煤炭資源評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度值,見(jiàn)表3。

2.5 計(jì)算評(píng)估結(jié)果

將表3中評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度值與對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重相乘，得出潞寧煤業(yè)公司各分公司評(píng)價(jià)指標(biāo)分值，再把各評(píng)價(jià)指標(biāo)分值相加，得到被評(píng)價(jià)單位評(píng)分成績(jī)，成績(jī)?cè)礁?，煤炭資源綜合條件越好。為了進(jìn)一步分析潞寧煤業(yè)公司各分公司煤炭資源特點(diǎn)，還計(jì)算了一級(jí)指標(biāo)(準(zhǔn)則層)各個(gè)指標(biāo)得分值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表1 煤炭資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 1 Coal resources comprehensive evaluation index weight

表2 潞寧煤業(yè)公司各分公司煤礦評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)Table 2 Coal mine evaluation index data of each branch of Luning Coal Industry Group

表3 煤炭資源評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度值Table 3 Coal resources evaluation standard and evaluation index membership value

表4 潞寧煤業(yè)公司各分公司煤炭資源綜合評(píng)價(jià)得分Table 4 Comprehensive evaluation score of coal resourcesof each branch of Luning Coal Industry Group

根據(jù)潞寧煤業(yè)公司各分公司的煤炭資源綜合評(píng)價(jià)得分結(jié)果，大漢溝煤業(yè)煤炭資源綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為良，但得分較低，屬于低水平的良，前文明煤業(yè)、靜安煤業(yè)、忻豐煤業(yè)煤炭資源綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為中。經(jīng)對(duì)各分公司平均計(jì)算，得出潞寧煤業(yè)公司煤炭資源綜合評(píng)價(jià)得分平均值為47.805 4，平均分較低，綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為中。從一級(jí)指標(biāo)平均分分析可知，潞寧煤業(yè)公司煤炭資源整體偏差，且在資源條件、安全及開(kāi)采技術(shù)條件、環(huán)境條件、開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益4個(gè)方面存在嚴(yán)重的不平衡。

3 結(jié)論與對(duì)策建議

通過(guò)文獻(xiàn)研究法，以及對(duì)潞寧煤業(yè)公司煤炭資源的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，從資源條件、安全及開(kāi)采技術(shù)條件、環(huán)境條件、開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益4個(gè)方面，建立了煤炭資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系?；贏HP計(jì)算各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，并引進(jìn)熵權(quán)法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了權(quán)重修正，得到綜合權(quán)重。依據(jù)劃分的煤炭資源評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值，計(jì)算得到評(píng)估結(jié)果，可知潞寧煤業(yè)公司煤炭資源整體偏差。根據(jù)評(píng)估結(jié)果分析，現(xiàn)對(duì)潞寧煤業(yè)公司存在的問(wèn)題提出如下建議，為潞寧煤業(yè)公司提高綜合競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)參考。

1) 在資源條件方面，煤炭資源量是決定礦井生產(chǎn)能力的重要因素之一，是評(píng)價(jià)礦井是否具備可持續(xù)發(fā)展的重要因素。根據(jù)分析可知，潞寧煤業(yè)公司各分公司資源條件差，現(xiàn)保留可采儲(chǔ)量少，但其主采煤層穩(wěn)定性好，煤質(zhì)優(yōu)良，考慮到潞寧煤業(yè)公司的遠(yuǎn)景發(fā)展，直接關(guān)閉必然造成資源浪費(fèi)。在國(guó)家政策允許范圍內(nèi)，提議集團(tuán)公司聯(lián)合周?chē)鷩?guó)企及當(dāng)?shù)卣阎車(chē)鷼堄嗟V權(quán)劃分到潞寧煤業(yè)公司及各分公司，具體措施為：①將潞安潞寧煤礦、山西煤運(yùn)煤礦并入大漢溝煤業(yè)；②陽(yáng)泉煤業(yè)天安煤礦、霍州煤電汾源煤業(yè)并入前文明煤業(yè)；③潞安孟家窯煤礦、潞安大木廠煤礦、煤銷(xiāo)三百子礦并入靜安煤業(yè)；④正暉煤業(yè)昌盛煤礦并入忻豐煤業(yè)；⑤將萬(wàn)鑫安平煤礦、石豹溝煤礦、汾西昌達(dá)煤礦、潞安忻峪煤礦合并在一起并入潞寧煤業(yè)公司。以上措施既避免了對(duì)資源開(kāi)采的浪費(fèi)，同時(shí)又增加了潞寧煤業(yè)公司設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量，創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

2) 在安全及開(kāi)采技術(shù)條件方面，安全及開(kāi)采一直是煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的核心問(wèn)題。根據(jù)分析可知，潞寧煤業(yè)公司各分公司瓦斯涌出量較大，一方面是因?yàn)楦鞣止緸橥咚姑旱V，另一方面因各分公司所采資源均為整合資源，整合之前各小礦井管理混亂，造成各分公司在巷道掘進(jìn)與開(kāi)采過(guò)程中存在“小窯”開(kāi)采現(xiàn)象，易造成煤層瓦斯涌出量變大；又因煤層自燃傾向性為自燃、煤塵爆炸性較弱，即在掘進(jìn)與開(kāi)采過(guò)程中易存在瓦斯爆炸現(xiàn)象。具體解決措施為：①在掘進(jìn)過(guò)程中，減慢巷道掘進(jìn)速度，必須先探后掘，加大探測(cè)密度，也可采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)巷道兩幫及頂?shù)装暹M(jìn)行勘探確定“小窯”位置，對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采；②在開(kāi)采過(guò)程中，從巷道兩側(cè)向?qū)嶓w煤打抽放鉆孔對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽出，減少開(kāi)采過(guò)程中瓦斯涌出量。

3) 在環(huán)境條件方面，綠色礦山已成為礦業(yè)發(fā)展的共識(shí)。根據(jù)分析可知，潞寧煤業(yè)公司各分公司環(huán)境條件得分較低，地面沉陷、地面煤塵、水資源保持、植被覆蓋率問(wèn)題較為突出，為解決這些問(wèn)題，具體措施為：①矸石充填可以有效解決地面沉陷，但同時(shí)也增加了生產(chǎn)成本，在采用時(shí)要綜合考慮；②在煤場(chǎng)對(duì)煤堆加蓋防塵網(wǎng)，同時(shí)在煤場(chǎng)四周建高5～7 m防塵網(wǎng)圍欄，可以達(dá)到明顯降低煤塵的效果；③潞寧煤業(yè)公司各分公司所在地附近均有大小不一的山峰，可以在煤礦周?chē)吧椒逯矘?shù)造林，增加植被覆蓋率，優(yōu)化地表生態(tài)環(huán)境，亦可解決水資源流失嚴(yán)重問(wèn)題。

4) 在開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益方面，根據(jù)分析可知，潞寧煤業(yè)公司各分公司開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益得分較低，為提高各分公司年利潤(rùn)，降低資源消耗，可以采取的措施為：①將周邊煤礦并入各分公司，提高各分公司煤炭生產(chǎn)能力，以及年產(chǎn)量，可在一定范圍內(nèi)提高各分公司年利潤(rùn)，但不能簡(jiǎn)單地以提高煤炭產(chǎn)量為標(biāo)準(zhǔn)；②在降低煤炭資源消耗方面，各分公司由于主采煤層均為5#煤層，對(duì)礦井系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可采用相同且先進(jìn)的采煤方法、支護(hù)方法，來(lái)降低物料和水電消耗。