生态脆弱区煤-水协调绿色开采度评价指标体系与评价方法

生态脆弱区煤-水协调绿色开采度评价指标体系与评价方法

0煤-水绿色开采评价指标体系中国的“西部省份”分布于水资源的逆分布。绿色开采度是指在煤炭开发过程中通过绿色开采技术对矸石排放、地下水破坏、瓦斯排放、土地破坏等环境负外部效应的减小程度，是对矿井绿色开采程度和实施效果进行定量评价的指标。钱鸣高等依据“安全、绿色、高效、可持续、开放、共享”特征，王旭东由于自然条件、水资源赋存特征、矿区煤层地质系统、开采方式及开采对周边环境扰动程度等诸多因素的复杂性，目前我国尚未形成一套系统的行之有效的煤-水绿色开发评价体系，存在评价指标不完善、考核指标量化程度低，未体现实时跟踪和动态调整功能等。尤其在西北生态脆弱区，如何科学全面的评价煤-水绿色开采度成为亟待解决的问题。基于源头减损及全生命周期理念，从矿井水资源利用、生态环境保护及煤矿安全生产等角度展开研究，探讨构建实时跟踪和动态调整的煤-水协调绿色开采度评价指标体系，为生态脆弱区绿色矿山建设与综合治理提供依据。1绿色煤水布局理论1.1技术体系保护钱鸣高等随着地下水保护意识的加强，对待矿井水逐步由“防治”转变为调整采煤方法控制导水裂隙发育的含水层原位保护技术体系。基于源头减损及全生命周期理念，从开采源头考虑煤共伴生资源与环境的保护与开发，建立“煤矿全生命周期绿色开采”科学开发模式。以煤炭资源与水资源共采为例，开采前（规划设计阶段）识别降水-地表水-地下水-矿井水转化机制，根据采煤驱动下围岩演化规律、裂隙分布规律和渗流场演化特征，研究设计“保水采煤”技术参数与方案1.2开采技术模式2017年，充分考虑煤炭资源的自然禀赋特点，王佟等建立了绿色煤炭资源评价指标体系水资源影响下的煤炭资源开采系统评价重点强调煤炭资源的地质赋存特点、开采规模和经济社会效益3个维度。综合考虑不同区域（矿区）资源环境条件复杂、问题多样，采用的绿色开采技术模式侧重点不同，针对西北生态脆弱区，绿色开采度考核重点在“保水采煤”，考核其“以水定产”的实现程度。构建煤-水绿色开发评价指标与模型时，需体现绿色开发的综合效益，从资源、环境、经济效益等多方面开展全方位评价。1.3煤-水协调开发的评价指标体系煤矿开采造成的采空区及覆岩裂缝导致了矿区水资源量的减少和水质污染（图1）。同时，采煤引起的采场覆岩裂缝及地表破坏引发了水土流失、土壤退化等考虑西北生态脆弱区水资源承载力特征，以维系矿区生态系统稳定为基准，查阅水资源与能源资源开发利用关联研究、水资源及水生态系统等可持续利用评价、煤炭绿色开采技术的文献分析煤炭资源与水资源协调开发，不是几个系统间指标的简单叠加，综合考虑各系统间、各指标间的相互影响方式以及影响程度，把煤-水协调开发当做一个整体，根据系统特点和内在联系，将不同指标之间的联系进行明确分析、量化研究，综合把握指标间的相关性、系统结构搭建。2节点中心度分析引入图论（GraphTheory）与网络分析法（AnalyticNetworkProcess），构建GT-ANP模型。研究各指标间的相互关系，兼顾各因素或相邻层次之间的相互影响，利用“超矩阵”对各相互作用并影响的因素进行综合分析得出其混合权重。综合考虑煤矿开采特点，各指标之间相互影响、相互作用，采用中心性概念来描述判定评价指标体系中的节点重要性，并引入度中心性（DC）、介数中心性（BC）、接近中心性（CC)3个指标作为直接刻画节点中心性的度量指标。1）度中心性。在无向图中，网络中一个节点与所有其他节点相联系的程度用度中心性来表示。节点的度中心性越高，则该节点的重要性越高。考虑到评价指标网络体系结构复杂，采用消除网络规模影响的公式对度中心性进行计算。计算公式（1）如下式中：C′用节点i的度中心性值除以其它C2）介数中心性。介数中心性是指，经过某节点i并且连接节点j与节点k的线路占节点j与k之间线路总数之比。以网络分析角度来看，节点i能够控制节点j与k的交往能力，介数中心性就是以节点i处于节点j和k之间线路上的概率来衡量。计算公式（2）如下式中：C3）接近中心性。接近中心性是指每个节点到其他节点最短路程的平均长度。而一个点的接近中心度，以图中该节点与其他节点的捷径距离之和为衡量依据。计算公式（3）如下式中：C由于上述3个参数重要程度不同，因此需要对这3个参数进行权重分配。首先利用三标度法将3个参数对比，构建判断矩阵见表1。经计算得到一致性比率为0.0219，认为一致性良好，同时得出各参数权重系数分别为W3应用案例3.1矿区地质条件以陕西省榆横矿区北部大海则煤矿为例，如图4所示。大海则煤矿位于毛乌素沙漠南缘，该区气候干燥、少雨多风，生态环境脆弱，植被发育良好，属于沙生植被生态序列。大海则煤矿煤层巨厚，且埋深较浅，层位稳定、倾角接近水平。矿区水文地质条件简单，直接充水含水层为碎屑岩类裂隙孔隙含水层，补给条件差，隔水层稳定性好。围岩基本为陆相碎屑沉积岩，局部地段易产生矿山地质问题。煤矿设计规模15.0Mt，主采2号煤层（埋深547.95～654.95m）厚度6.19m，可采储量78.08Mt。3.2煤-水绿色开采度层大海则煤矿处于规划设计阶段。采用规划设计阶段的评价指标体系进行评价。系统从上到下共4层，A层为目标，即煤-水绿色开采度；B、C、D层分别为准则层（6）、子准则层（17）、指标层（33）。根据指标间内在关系，建立各指标间的关系矩阵，结构如图5所示。3.3评价指标权重不具有共性实现评价结果的量化分析，是学界重视的问题之一。研究规划设计阶段选取的33项评价指标由定量与定性2类构成。选取合理的量化分析方法和建立普适性量化方程是关键环节。定量指标属数值型指标，但由于各煤矿地质条件、管理体制及部分定量指标采用的计量标准不同，使各评价指标的权重不具有可比性。本次查阅现行发布的国家、地方分级标准或文献计算方法将各定量指标划分4个等级。定性指标难以直接用数值描述，为客观、准确的量化定性指标，通过实地调研，综合考虑指标性质、特点、变化规律等进行判断识别，采用模糊语言确定，参考已发布标准或文献将定性指标划分3个等级。通过以上分级量化方法最终获得统一的评价等级（表2）。经量化计算分析，大海则煤矿绿色开采度为0.8389，按照等级划（表2）分属于“优良”，一定程度上实现了煤水共采。大海则煤矿201盘区设计采用一次采全高大采高采煤法，工作面控制采用全垮落法。规划开采过程将煤矸石用于井下废弃联络道的填充与矿区周围土地整平，煤矸石利用率100%。该矿井疏干水高浊、高硬度，规划建设3级处理系统，采用“分级分质+时空协同+智能调配”的综合利用技术4煤-水绿色开采度评价指标体系构建1）煤-水协调是绿色开采研究领域的前沿课题，实现西北生态脆弱区煤-水协调开发，应综合考虑地质、采动、自然资源、生态环境、地质灾害和社会经济等6个系统多影响因子相互作用。2）“煤矿全生命周期”的不同开采阶段，各系统影响程度不同。规划设计阶段，地质、采动系统相对重要；建设生产阶段，采动、矿区灾害影响程度增加；闭坑治理阶段，自然和生态环境系统影响程度较大。因此，构建煤-水绿色开采度评价指标体系应基于“煤矿全生命周期”理论。3）煤-水资源协调开发，应考虑各系统间、各指标间的相互影响方式及影响程