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河南省煤矿城市地下空间开发适宜性评价

石贝凝 向中林

石贝凝, 向中林. 河南省煤矿城市地下空间开发适宜性评价[J]. 矿业科学学报, 2023, 8(5): 714-724. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.013
引用本文: 石贝凝, 向中林. 河南省煤矿城市地下空间开发适宜性评价[J]. 矿业科学学报, 2023, 8(5): 714-724. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.013
Shi Beining, Xiang Zhonglin. Suitability evaluation of underground space development in coal mining cities in Henan province[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2023, 8(5): 714-724. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.013
Citation: Shi Beining, Xiang Zhonglin. Suitability evaluation of underground space development in coal mining cities in Henan province[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2023, 8(5): 714-724. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.013

河南省煤矿城市地下空间开发适宜性评价

doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.013
基金项目: 

河南省自然科技项目 2019-379

详细信息
    作者简介:

    石贝凝(1997—),女,甘肃正宁人,硕士研究生,主要从事煤矿城市地下空间开发利用及评价方面的研究工作。Tel:15538986608,E-mail:1693099468@qq.com

    通讯作者:

    向中林(1976—),男,湖南汨罗人,博士,副教授,硕士生导师,主要从事矿产资源勘查评价与开发和GIS开发及3S技术地学应用等方面的教学与研究工作。Tel:13839191817,E-mail:xiangzhonglin@hpu.edu.cn

  • 中图分类号: P618.11

Suitability evaluation of underground space development in coal mining cities in Henan province

  • 摘要: 为保证煤矿关闭后遗留地下空间的合理利用、避免资源浪费,本文以河南省空间资源量超过10 000 m3的典型煤矿城市(郑州市、平顶山市、三门峡市和洛阳市)为例,对煤矿地下空间开发利用适宜性展开研究,利用层次分析法建立了有关煤矿城市地下空间开发利用适宜性评价体系。该评价体系包括安全性、稳定性、空间资源量、空间环境、经济性等5大类以及相应的20小项评价指标。最后根据所建评价体系、结合专家打分法,得出河南省4个典型煤矿城市开发适宜度由高到低依次为:郑州市25.59、平顶山市23.21、三门峡市8.86和洛阳市8.56。论文采用城市之间横向对比的思路,为河南全省乃至全国各煤矿城市地下空间适宜性评价提供参考。
  • 图  1  层次结构示意图

    Figure  1.  Hierarchy diagram

    图  2  煤矿城市地下空间开发适宜性评价层次结构模型

    A—目标层;B—准则层;C—方案层

    Figure  2.  Hierarchy model for evaluating suitability of underground space development in coal mining cities

    表  1  1~9标度法中的标度值含义

    Table  1.   1~9 Definition of scale values in scale method

    标度 含义
    1 两个元素相比,同样重要
    3 两个元素相比,前者比后者稍重要
    5 两个元素相比,前者比后者明显重要
    7 两个元素相比,前者比后者强烈重要
    9 两个元素相比,前者比后者极端重要
    2,4,6,8 表示上述相邻判断的中间值
    倒数 若元素ai与元素aj的重要性之比为aij,那么元素ajai元素的重要性之比为aji=1/aij
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    表  2  1~15阶平均随机一致性指标

    Table  2.   Average random consistency index of order 1~15

    n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
    RI值 0 0 0.52 0.89 1.12 1.26 1.36 1.41 1.46 1.49 1.52 1.54 1.56 1.58 1.59
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    表  3  1~10专家打分法中的得分值含义

    Table  3.   1~10 Definition of score values in expert scoring method

    得分 含义
    3 极不适宜于地下空间开发利用
    5 不适宜于地下空间开发利用
    7 较适宜于地下空间开发利用
    10 适宜于地下空间开发利用
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    表  4  煤矿城市地下空间开发适宜性评价指标及分级标准

    Table  4.   Evaluation indicators and grading rubric for the suitability of underground space development in coal mining cities

    影响因素 评价指标 指标分级
    适宜 较适宜 不适宜 极不适宜
    安全性 瓦斯等级 低瓦斯矿井,CH4
    体积分数
    小于0.05%
    高瓦斯矿井,CH4
    体积分数
    小于0.5%
    煤与瓦斯突出矿井,
    CH4体积分数
    小于1%
    煤尘爆炸危险性 无爆炸性、煤尘浓度不超标 有爆炸性、未发生过煤尘爆炸、煤尘浓度不超标
    水文地质条件 简单 中等 复杂
    最大涌水量/(m3·d-1) <7 200 7 200~28 800 28 800~72 000 >72 000
    沉陷区面积/亩 定量指标,以单位城市沉陷区面积与总体沉陷区面积比值确定相应等级
    稳定性 构造地质条件 简单 中等 复杂
    煤层稳定程度 稳定 较稳定 不稳定 极不稳定
    工程地质条件 简单 中等 较差 复杂
    煤层倾角/(°) <8 8~25 25~45 >45
    下沉系数 <0.80 0.80~0.90 >0.90
    空间资源量 采空区空间/万m3 定量指标,以单位城市资源量与总体资源量比值确定相应等级
    井巷空间/万m3
    保有资源储量/万t
    空间环境 年均地温/℃ 15~20 2~15,20~30 <2,>30
    年均降雨量/mm >800 400~800 200~400 200
    水质pH值 中性,6.5~8.0 偏酸/碱性,5.5~6.5或8.0~9.0 酸性,>5.5
    保护区 无生态保护区、无文物保护区 附近有生态保护区、文物保护区 生态敏感区、文物保护区
    经济性 煤矿区位 距市中心不超过50 km且空间资源量大于25万m3 距市中心不超过50 km且空间资源量4~25万m3 距市中心超过50 km或空间资源
    量小于4万m3
    煤层空间埋深/m <200 200~800 >800
    正常涌水量/(m3·d-1) <4 320 4 320~14 400 14 400~28 800 >28 800
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    表  5  B层对A层的判断矩阵

    Table  5.   Judgment matrix of layer B for layer A

    A(煤矿城市地下空间适宜性开发评价) B1(安全性因素) B2(稳定性因素) B3(空间资源量) B4(空间环境因素) B5(经济性因素) 权重
    B1(安全性因素) 1 3 3 4 5 0.456
    B2(稳定性因素) 1/3 1 1 2 3 0.185
    B3(空间资源量) 1/3 1 1 2 3 0.185
    B4(空间环境因素) 1/4 1/2 1/2 1 2 0.108
    B5(经济性因素) 1/5 1/3 1/3 1/2 1 0.067
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    表  6  C层对B1因素判断矩阵

    Table  6.   Judgment matrix of layer C for B1 factor

    B1(安全性因素) C11(瓦斯等级) C12(煤尘爆炸性) C13(水文地质条件) C14(最大涌水量) C15(沉陷区面积) 权重
    C11(瓦斯等级) 1 2 3 2 4 0.381
    C12(煤尘爆炸危险性) 1/2 1 2 1 2 0.202
    C13(水文地质条件) 1/3 1/2 1 1/2 2 0.126
    C14(最大涌水量) 1/2 1 2 1 2 0.202
    C15(沉陷区面积) 1/4 1/2 1/2 1/2 1 0.089
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    表  7  C层对B2因素判断矩阵

    Table  7.   Judgment matrix of layer C for B2 factor

    B2(稳定性因素) C21(地质构造条件) C22(煤层稳定程度) C23(工程地质条件) C24(煤层倾角) C25(下沉系数) 权重
    C21(地质构造条件) 1 3 2 4 3 0.402
    C22(煤层稳定程度) 1/3 1 2 2 1 0.191
    C23(工程地质条件) 1/2 1/2 1 2 2 0.181
    C24(煤层倾角) 1/4 1/2 1/2 1 1/2 0.086
    C25(下沉系数) 1/3 1 1/2 2 1 0.141
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    表  8  C层对B3因素判断矩阵

    Table  8.   Judgment matrix of layer C for B3 factor

    B3(空间资源量) C31(采空区空间) C32(井巷空间) C33(保有资源储量) 权重
    C31(采空区空间) 1 1/2 2 0.297
    C32(井巷空间) 2 1 3 0.539
    C33(保有资源储量) 1/2 1/3 1 0.164
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    表  9  C层对B4因素判断矩阵

    Table  9.   Judgment matrix of layer C for B4 factor

    B4(空间环境因素) C41(年均地温) C42(年均降雨量) C43(水质) C44(保护区) 权重
    C41(年均地温) 1 2 4 1/2 0.267
    C42(年均降雨量) 1/2 1 2 1/4 0.133
    C43(水质) 1/4 1/2 1 1/8 0.067
    C44(保护区) 2 4 8 1 0.533
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    表  10  C层对B5因素判断矩阵

    Table  10.   Judgment matrix of layer C for B5 factor

    B5(经济性因素) C51(煤矿区位) C52(煤层空间埋深) C53(正常涌水量) 权重
    C51(煤矿区位) 1 3 5 0.633
    C52(煤层空间埋深) 1/3 1 3 0.260
    C53(正常涌水量) 1/5 1/3 1 0.106
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    表  11  计算权重值并检验一致性过程

    Table  11.   Procedure of calculating weight value and checking consistency

    层对应因素 最大特征值λmax CI值 RI值 CR值
    B层对A层 5.109 0.027 1.12 0.024
    C层对B1 5.052 0.013 1.12 0.012
    C层对B2 5.223 0.056 1.12 0.050
    C层对B3 3.008 0.004 0.58 0.007
    C层对B4 4.000 0.000 0.9 0.000
    C层对B5 3.071 0.036 0.58 0.062
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    表  12  煤矿城市地下空间开发适宜性评价指标权重

    Table  12.   Weight of evaluation indicators for suitability of underground space development in coal mining cities

    准则层 指标层 对目标权重 排序
    名称 权重 名称 权重
    安全性 0.456 瓦斯等级 0.381 0.173 7 1
    煤尘爆炸危险性 0.202 0.092 1 4
    水文地质条件 0.126 0.057 5 7
    最大涌水量 0.202 0.092 1 3
    沉陷区面积 0.089 0.040 6 10
    稳定性 0.185 地质构造条件 0.402 0.074 4 5
    煤层稳定程度 0.191 0.035 3 11
    工程地质条件 0.181 0.033 5 12
    煤层倾角 0.086 0.015 9 17
    下沉系数 0.141 0.026 1 15
    空间资源量 0.185 采空区空间 0.297 0.054 9 8
    井巷空间 0.539 0.099 7 2
    保有资源储量 0.164 0.030 3 13
    空间环境 0.108 年均地温 0.267 0.028 8 14
    年均降雨量 0.133 0.014 4 18
    水质 0.067 0.007 2 19
    保护区 0.533 0.057 6 6
    经济性 0.067 煤矿区位 0.633 0.042 4 9
    煤层空间埋深 0.260 0.017 4 16
    正常涌水量 0.106 0.007 1 20
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    表  13  河南省典型煤矿城市(郑州)开发适宜性评价

    Table  13.   Evaluation on the development suitability of typical coal Mining Cities in Zhengzhou, Henan province

    一级指标 二级指标 二级指标评级得分 二级指标加权得分 二级指标总得分
    名称 权重 名称 权重 等级分类/
    指标单位
    原始数据 总数量 归一化权值 专家打分 加权得分 合计
    安全性 0.456 瓦斯等级 0.381 低瓦斯 18 44 0.409 10.0 4.091 7.818 2.98
    高瓦斯 17 0.386 7.0 2.705
    瓦斯突出 9 0.205 5.0 1.023
    煤尘爆炸危险性 0.202 无爆炸危险 18 42 0.429 10.0 4.286 8.286 1.67
    有爆炸危险 24 0.571 7.0 4.000
    水文地质条件 0.126 简单 4 28 0.143 10.0 1.429 7.071 0.89 6.95
    中等 19 0.679 7.0 4.750
    复杂 5 0.179 5.0 0.893
    单日最大涌水量 0.202 <7 200 m3 5 7 0.714 10.0 7.143 9.143 1.85
    7 200~28 800 m3 2 0.286 7.0 2.000
    28 800~72 000 m3 0 0.000 5.0 0.000
    >72 000 m3 0 0.000 3.0 0.000
    沉陷区面积 0.089 140 444.78 283 763.09 0.495 10.0 4.949 4.949 0.44
    稳定性 0.185 煤层稳定性 0.191 稳定 0 48 0.000 10.0 0.000 6.917 1.32
    较稳定 47 0.979 7.0 6.854
    不稳定 0 0.000 5.0 0.000
    极不稳定 1 0.021 3.0 0.063
    构造地质条件 0.402 简单 9 48 0.188 10.0 1.875 7.438 2.99
    中等 36 0.750 7.0 5.250
    复杂 3 0.063 5.0 0.313
    工程地质条件 0.181 简单 4 40 0.100 10.0 1.000 6.950 1.26 7.58
    中等 31 0.775 7.0 5.425
    较差 3 0.775 5.0 0.375
    复杂 2 0.050 3.0 0.105
    煤层倾角 0.086 <8° 3 15 0.200 10.0 2.000 6.933 0.60
    8°~25° 7 0.467 7.0 3.267
    25°~45° 5 0.333 5.0 1.667
    >45° 0 0.000 3.0 0.000
    下沉系数 0.141 <0.8 0.77 10.0 10.000 1.41
    0.8~0.9 7.0
    >0.9 5.0
    空间资源量 0.185 井巷空间 0.539 万m3 1 631.84 3 681.54 0.443 10.0 4.432 4.432 2.39 3.82
    采空区空间 0.297 万m3 22 851.28 86 444.86 0.264 10.0 2.643 2.643 0.79
    保有资源储量 0.164 万t 823 112.05 2 075 663.53 0.397 10.0 3.966 3.966 0.65
    空间环境 0.108 年均地温/℃ 0.267 15~20 20.69 10.0 7.000 1.87 8.80
    2~15,20~-30 7.0
    <2,>30 5.0
    年均降水量 0.133 >800 mm 10.0 7.000 0.93
    400~800 mm 625.7 7.0
    200~400 mm 5.0
    <200 mm 3.0
    8.80
    水质pH值 0.067 6.5~8.0 6.85 10.0 10.000 0.67
    5.5~6.5,8.0~9.0 7.0
    ≤5.5 5.0
    保护区 0.533 10.0 10.000 5.33
    经济性 0.067 煤矿区位 0.633 适宜(距市中心不超过50 km且空间资源量大于
    25万m3)
    22 52 0.423 10.0 4.231
    较适宜(距市中心不超过50 km且空间资源量4~25万m3) 0 0.000 7.0 0.000 7.115 4.50
    不适宜(距市中心超过50 km或空间资源量小于4万m3) 31 0.596 5.0 2.981 7.11
    煤层空间埋深 0.26 <200 m 22 51 0.098 10.0 0.980
    200~800 m 0 0.314 7.0 2.196 6.118 1.59
    >800 m 30 0.588 5.0 2.941
    日涌水量 0.106 <4 320 m3 4 18 0.167 10.0 1.667 6.167 0.65
    4 320~14 400 m3 2 0.278 7.0 1.944
    14 400~28 800 m3 0 0.444 5.0 2.222
    >28 800 m3 0 0.111 3.0 0.333
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    表  14  典型煤矿城市最终得分排名

    Table  14.   Ranking of final scores of typical coal mining cities

    所在市 总得分 空间资源量权重得分 最终得分 排名
    郑州 6.70 3.82 25.59 1
    平顶山 6.65 3.49 23.21 2
    三门峡 6.61 1.34 8.86 3
    洛阳 6.39 1.34 8.56 4
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-20
  • 修回日期:  2023-03-30
  • 刊出日期:  2023-10-31

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