三下 开采综合评价体系研究.pdf

第3 4 卷第1 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．1 2 0 0 5 年1 月 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yJ a n ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 1 0 0 9 7 0 5 下’’开采综合评价体系研究 连达军1 ’2 ，汪云甲2 1 ．苏州科技学院城市与环境学系，江苏苏州2 1 5 0 1 1 ；2 ．中国矿业大学环测学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要为了保证对“三下”压煤的持续有效开采，尽可能降低其对地表设施和生态环境的影响，理 顺矿政关系，从技术、经济、资源、社会各角度出发，采用工程经济学、开采沉陷学、模糊数学、运筹 学、信息论、系统论等多学科理论方法，定性定量相结合、宏观微观相结合、技术经济相结合、理论 实证相结合，对“三下”开采进行评价，建立起了“三下”开采综合评价体系．本文的研究成果将对 “三下”开采决策和国家制定相关“三下”开采政策提供理论依据和实践指导． 关键词“三下”开采；技术评价；经济评价；社会评价；回收难度；生态环境；综合评价体系 中图分类号T D8 2 3 ．8 3文献标识码A C o m p r e h e n s i v eE v a l u a t i o nS y s t e mo fC o a lM i n i n g L I A ND a j u n l ”．W A N Gr u n j i a 2 1 ．D e p a r t m e n to fC i t ya n dE n v i r o n m e n t ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo fS u z h o u ，S u z h o u ， J i a n g s u2 15 0 11 ，C h i n a ；2 。S c h o o lo fE n v i r o n m e n ta n dS p a t i a lI n f o r m a t i o n ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆．T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt Oe n s u r et h es u s t a i n a b l ea n de f f e c t i v ec o a lm i n i n gu n d e rb u i l d i n g s ，r a i l w a y sa n d w a t e r b o d i e s t h r e e u n d e r g r o u n dm i n i n g a n dr e d u c et h ei n f l u e n c eo nt h eg r o u n de s t a b l i s h m e n t a n dt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t s ，f r o mt h ev i e wo ft e c h n o l o g y ，e c o n o m i c s ，r e s o u r c e sa n ds o c i e t y ， t h e t h r e e u n d e r g r o u n dm i n i n gw a s e v a l u a t e da n dt h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i n gs y s t e mw a s c o n s t r u c t e d ．T h ee v a l u a t i o no ft h et h r e e u n d e r g r o u n dm i n i n gW a sc a r r i e do u ti nt h ec o m b i n a t i o no f q u a l i t a t i v ew i t hq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，m a c r ow i t hm i c r od i s c u s s i o n ，t h et e c h n i c a la n dt h ee c o n o m i c a n a l y s i sa n dt h e o r yw i t hp r a c t i c e ．S u c hs u b j e c t sa se n g i n e e r i n ge c o n o m y ，s c i e n c eo fm i n i n g s u b s i d e n c e ，f u z z ym a t h ，o p e r a t i o n a lr e s e a r c h ，t h e o r yo fi n f o r m a t i o na n dt h e o r yo fs y s t e mw e r e a d o p t e d ．T h er e s u l t sc a np r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dp r a c t i c a lg u i d a n c ef o rt h ed e c i s i o n m a k i n g a n dr e l a t e dp o l i c ya b o u tt h r e e - u n d e r g r o u n dm i n i n g ． K e yw o r d s t h r e e u n d e r g r o u n dm i n i n g ，t e c h n i c a l e v a l u a t i o n ，e c o n o m i ce v a l u a t i o n ，s o c i a l e v a l u a t i o n ，r e c o v e r yd i f f i c u l t ，e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i n gs y s t e m 水体下、建筑物下、交通要道下赋存的煤炭资 源称为“三下”压煤，对其开采相应被称为“三下”开 采．“三下”开采将引起煤层上下及周围岩体的应力 变化、位移乃至变形，随着回采面积的扩大，这种影 响将波及其范围内的上下煤层、井巷、隔水层，地表 设施、水系以及采区地表周围生态环境都会受到不 同程度的影响和破坏．而“三下”开采的目的在于既 保护地面设施、地下水体不被破坏，同时又尽可能 实现多出煤、降成本、高效率、保安全[ 1 。2 ] ，因此在 “三下”开采之前对其进行技术可行性、经济合理 性、回收难度与风险以及开采后对社会环境等方面 影响的评价尤其重要．研究表明，“三下”开采综合 评价体系可概括为图1 所示形式． 收稿日期2 0 0 4 ～0 3 2 2 基金项目国家社会科学基金项目 0 1 B J Y 0 4 1 作者简介连达军 1 9 7 2 一 ，男，山西省屯留县人，讲师，博士研究生，从事资源评价，G I S 及测绘工程等方面的研究 万方数据 9 8中国矿业大学学报第3 4 卷 。三下”开采综合评价体系 技术评价lf 回收难度评价lI 经济评价fI 社会评价 引㈢阐吲国㈢㈢图引国吲目罔图国餍 1“三下”开采技术评价 在“三下”开采项目的可行性研究中，采矿权人 可能就采煤方法及回采方向、煤柱位置与尺寸、开 采速度等内容提出多种方案，对于地面设施则有迁 移、原地重建、基础与结构的加固和各种抗变形措 施，因此，进行“三下”开采技术评价十分重要[ 3 ] ． “三下”开采技术评价指的是开采技术的先进性、适 用性、安全可靠性与目标可达性，该项评价主要解 决以下问题技术方案与开采沉陷规律是否协调； 在本矿区目前生产条件下是否能够实现；对地面村 庄城镇、交通要道、水体及文物保护对象是否产生 影响；设计技术是否考虑到国内外较成熟的预计方 法和工艺技术．有关该项内容，目前我国已经积累 了丰硕的研究成果与经验，此处不再赘述． 2 “三下”开采回收难度评价 “三下”开采回收难度是对“三下”煤炭资源复 杂状况的综合测度，为国家制定的一些旨在提高资 源回收利用水平的相关政策 如“三下”煤炭资源补 偿费减免政策 提供理论与方法依据．用于该项评 价的方法主要有灰色关联法、模糊综合评价法和神 经元网络法等，在这些方法中，关于回收难度影响 因素的选取、影响因素权重确定方法以及隶属函数 的构建过程等环节至关重要． 2 ．1“三下”开采回收难度影响因素的选取 “三下”煤炭资源回收难度系数不仅与采动影 响的特征与程度有关，而且还受地表与压煤区众多 式‘4 | ． r 一地质构造条件 J 水文地质条件 厂资源条件一淼比 1 煤层稳定性 端鬻l厂建筑物下采叫羹燃纂等级 t 下。l广三惹萋蓑质 ；粟存刮铁路下开采_ 1 地F 潜水位 L ⋯开j 戮一 L 防水煤岩柱质鼍评价 图2回收难度影响因素构成图 F i g ．2 T h er e l a t e df a c t o r si n f l u e n c i n g c o a lr e s o u r c er e c o v e r y 2 ．2 影响因素权重分析 为确定各影响因素的权重，首先以专家调查的 形式对各影响因素的优先性进行了调查．对于不同 的专家排序结果采用B o r d a 数法进行意见融合可 形成一致的排序结果 表1 ． 表1系数影响因素经意见集中后的排序结果 T a b l e1T h eO r d e ro fU n a n i m o u sR e i a t e dF a c t o r so fC o e f f i c i e n t 注由于采煤方法是可以选择的，理论上对于某一特定资源条件在某矿区一定存在与之匹配的效益及回收程度较高的开采方法，而其 它影响因素却是难以改变的，因而在进行建筑物下煤炭资源回收难易程度评价时可以不考虑采煤方法的影响． 然后根据公式 1 构造意见融合后的模糊互补 判断矩阵P lP 。J 。。， 砖一手 研，谚 一q ／O 气 1 最后按照式 2 所示的方根法计算各影响因素的权 重和归一化后的权重瓦 f”厂_ jA 一√珥E p㈤ l 五一A ／壹m 按照上述方法对建筑物下煤炭资源回收难度 各影响因素权重值的计算结果依次为0 ．3 0 8 ， 万方数据 第1 期 连达军等“三下”开采综合评价体系研究 0 ．2 2 4 ，0 ．1 5 ’7 ，0 ．1 0 8 ，0 ．0 7 4 ，0 ．0 5 l ，0 ．0 3 5 ，0 ．0 2 5 ， 0 ．0 1 8 ，经计算其判断矩阵的相对不相容度C R 一 0 ．0 2 0 ．1 ，因此认为回收难度影响因素的判断矩 阵和确定的权值具有满意的一致性． 2 ．3 隶属函数的构建 对回收难度进行测度前，必须确定各因素指标 对回收难度各等级的隶属度．对于可以定量表达的 因素“。，U 。，U 。其隶属函数可以如图3 所示的自化 函数表示，该类函数具有两个显著特征一是凡属 于聚类分级区间的白化数 即隶属函数值 均保持 等值；二是充分考虑到相邻和交叉类的影响[ 5 ] ．各 分级区间端点d i 的确定方法见[ 4 ] ；对于定性描述 的因素如U 。，“。，可先行量化，然后按照上述方法确 定其相应隶属度；其余诸因素则可选用以下特征函 数作为其相应隶属度的表达式， 肛，c z ，一{ z xf f 每u U ∽i i , i 1 ，3 ，5 ，7 ；J ．一1 ，2 ，3 ，4 3 式中u u 系指元素材i 属于回收难度第 等级的特 征含义． 1 q 1 ，O d I 吐d 3 比 c j ” 1 ．0 l 嵋 1 ．0 d t 哎吒吐 b d l 吐d 3 吒 d 图3 白化函数不意图 F i g ．3 ．T h ew h i t ef u n c t i o n 由影响因素的权重和所确定的隶属度按照灰 色关联、模糊聚类等算法进行合成即可测算具体 “三下”开采案例的回收难度等级以及其量化值． 3 “三下”开采经济评价 “三下”开采经济评价就是评价对该部分资源 的开采能否产生效益，其核心内容是“三下”开采费 用效益分析，可分为企业财务评价与国民经济评价 两个层次．由于费用效益分析所采用的数据大部分 来自预测和估算，因而都有不同程度的不确定性， 因此，“三下”开采经济评价还应包括不确定性分 析． 3 ．1“三下”开采费用效益分析 当前比较有代表性的“三下”开采费用效益计 算方法主要有总基法和差额法两大类，前者把进行 “三下”开采和不进行“三下”开采看作是两个互斥 的方案，用总量指标比较这两个方案的净现值，如 增量分析法和费用效益分析法；后者则通过计算不 进行“三下”开采与进行“三下”开采在费用和效益 上的差额以获得“三下”开采的经济效益值，如采与 不采比较法．综合考虑各种因素方法，进行“三下” 开采费用效益分析时应着重解决以下几个问题1 进行“三下”开采投资项目比选时，应统一时间起算 点，否则项目间将失去可比性；2 由于开采不同阶 段的煤炭所需付出的代价不一样，因而有必要将开 拓煤量、准备煤量和回采煤量分别进行评价；3 应 合理考虑煤炭资源资产的价值，以减少开采优劣等 资源问的收益差别并促进资源的充分利用；4 合 理选取贴现率，由于煤炭产品价格偏低，其行业平 均利润率远远低于社会平均利润率，此时若仍采用 社会平均贴现率就夸大了煤炭企业的盈利水平，不 利于煤炭资源保护． 3 ．2 “三下”开采投资项目不确定性分析 “三下”开采投资项目不确定性分析包括盈亏 平衡分析、因素敏感性分析、“三下”概率风险分析 和风险决策等内容．图4 所示为兖州矿区某矿村庄 下开采采区净现值的因素敏感分析图，图中实线表 示单因素敏感分析结果，虚线则表示售价和成本同 时变动时净现值的变动情况．可以看出，在同样的 ， 变动率下，煤炭售价的变动对净现值的影响最大， 投资变动的影响次之，开采成本变动的影响最小； 由于售价与开采成本同时同向变动时，相当于减小 了售价的敏感度，因而图4 中虚线的斜率变小了． 由此可见保障煤炭质量、提高煤炭售价和严格控制 投资是提高该采区“三下”资源开采经济效益的重 要途径． 投跫 4 矗 形脚 E 本＼3 0 0 0 ～、、途巡 2 0 - 1 5 _ 1 0 ，拨≮沁。。 ／，／ ＼变化萃． ／- ；y 。1 0 0 0 ／ 一2 0 0 0 术 ％ 图4 兖州矿区某矿村庄下开采采区净现值的 因素敏感性分析图 F i g ．4 T h ef a c t o r s ’s e n s i t i v i t ya n a l y s i so ft h en e t p r e s e n tv a l u ei nY a n z h o uc o a la r e au n d e rv i l l a g e s 万方数据 1 0 0中国矿业大学学报第3 4 卷 在进行“三下”开采方案风险决策时，按照传统 的风险决策原则 如最大期望值原则、最小风险度 原则 经常会出现不一致的决策结果，而基于熵理 论与理想点法原理的“三下”开采风险决策方法可 以很好地解决这个问题．若“三下”开采风险决策有 ，z 个指标，优个待选方案，x 谴为指标i 在方案k 中的 值，则其决策过程如下1 计算x 强与其理想值之 间的贴近度d 引对收益性指标d 壤一 羔怎j 型丛黑，对损害性指标d 抽一 ．m a x X ， 一r a i n { X 接 ’”。“。““⋯’ “ 旦等≤L 羔．2 指标i 在评价决策中重要 m a x X 罐} 一r a i n { X ，≈} ‘纠坩～阻⋯y u 一。虎 性的熵值为万。一上l n m 考l n 孝 ，式中i 一 ∑出；若也一o ，则规定6 警1 1 n zo．3指标ddik i 的 评价权值为W 一 1 一再， ／ 咒一∑瓦 ，且满足 l 一1 0 ≤W ；≤1 ，∑W ， 1 ．4 计算各方案与理想方案 的距离d t { ∑叫i d 。一d i d2 } 2 ，其中di s u p { d 拈 一1 ，s u p { 如 为指标i 对不同方案取值 l ≤ ≤m1 ≤ ≤” 的上确界限引．按照理想点法原理，D 。小的待选方 案优于D 。大的方案，据此可对所有方案排序，从 而选出最优方案． 表2 所示为待选“三下”方案开采风险决策计 算表，表中以净现值N P V 的期望值E N P V 、方 差甜P 矿和风险度仃Ⅳ尸矿作为考察指标，显然方案二为 最优方案，方案四次之。方案三为最劣方案． 1 安 8 ＼ 榴 擎 兜 表2 基于熵一理想点法的铁路煤柱开采风险决策 T a b i e2T h er i s kd e c i s i oo fc o a lp i l I a r sm i n i n g u n d e rr a i lw a yb a s e do ne n t r o p y ＆．i d e a lp o i n tm e t h o d 6 N P v O ．0 0 9 l 0 1 ．0 0 9 0 ．0 4 6 0 ．5 6 1 F N P V l 0 0 ．8 5 7 1 ．8 5 7 0 ．6 2 8 0 ．2 1 8 D { 0 ．9 2 5 1 ．2 0 6 1 ．0 0 5 V 1 ．7 0 2 1 方案二 方案三 方案四 d H W i 1 0 0 ．7 8 4 1 ．7 8 4 0 ．6 2 4 0 ．2 2 1 4 “三下”开采社会评价 “三下”开采社会评价内容包括资源的合理利 用程度；对环境 主要是耕地 和生态的影响；“三 下”开采国民经济评价中的外部效果 如创汇或节 汇效果 也应包含在其社会评价中． 4 ．1“三下”资源合理利用程度分析 “三下”资源合理利用程度应根据企业在支付 了地面赔偿费用及资源价值实现后所得的最大净 收益来确定．企业如果为追求高采出率而多支付了 地面赔偿费用，则不会获得最大净收益；反之，如果 企业还没有达到净收益的最大值，则可增大采出 率，去追求更多的经济利益．可见，资源合理利用程 度就是在可采储量x 一定，采出率k 为多少时，开 发收益 全面考虑环境损失与资源价值后的收益 最大的数学解答[ 8 ] ． 假设企业收益为Z ，吨煤价格为P ，吨煤成本 为C 。 忌x ，需支付的环境损失值是D k X ，资源自 身价值为E k X ，则 Z P k X G 忌X 志X 一 D 志X 一E 是X ． 4 因此，“三下”开采资源合理利用程度可归结为 求a z ／a k 0 的解．图5 所示为据上述公式由实际 2 ．5 1 R2 ．0 迪 ＼1 ．5 猫 魁1 ．0 兜o5 0 采出率／％ 采出率／％ a 综放技术条件下 b 离层注浆条件下 图5 北屯村村庄下下煤炭资源开采Z 一 曲线图 F i g ．5 T h eZ 一 c u r v e so fc o a lm i n i n gu n d e rB e i t u nv i l l a g e 资料确定的兖州南屯矿北屯采区村庄下煤炭资源 开采在综放技术和离层注浆条件下的净收益Z 一采 出率k 曲线图．由图5 可得相应的资源合理利用程 度分别为6 1 ％和7 5 ％． 4 ．2 “三下”开采对生态环境的影响评估 由“三下”开采引起的地表塌陷、裂缝等地质灾 害对矿区生态环境的影响十分严重，当地表移动和 变形值超过其临界值，造成地面设施、自然景观等 0 5 0 5 O 5 2 1 1 0 圯 万方数据 第1 期连达军等“三下”开采综合评价体系研究1 0 1 的不同程度破坏，严重时将失去其使用价值；由于 生态环境的破坏缘于“三下”开采造成的地表移动 与变形，应用中可以地表移动与变形各指标值的函 数y 作为各“三下”开采类型生态环境影响系数 V f w ，I ，U ，￡，K ， 5 式中Ⅳ为地表下沉值，m m ；I 为地表倾斜值， m m ；U 为地表水平移动值，N I T I ；￡为地表水平变形 值，m m ／m ；K 为地表曲率值，1 0 ～／m ．各指标值可 以通过矿山开采沉陷预计或实测取得，函数厂形 式可根据“三下”开采生态环境影响评估的目的而 选取特征函数法、模糊评判法、灰色关联法等不同 的方法和表达式．表3 表示按照上述方法确定的 “三下”开采造成的民房损害赔偿准则． 表3 “三下”开采民房损害程度分类分级表 T a b l e3T h ed a m a g ed e g r e ec l a s s i f i c a t i o no fv i i l a g e r s ’ h o u s ei n f lu e n c e db yT h r e e u n d e r g r o u n dm i n i n g 5 应用与分析 “三下”开采综合评价体系是在“三下”开采之 前进行的技术可行性、经济合理性、回收难度与风 险情况以及开采后对社会环境等方面影响的定量 评价，利用该评价体系既可以对“三下”煤炭资源及 其开采进行综合评价，也可以根据需要进行单项评 价．利用文中介绍的方法，我们分别以平顶山、徐州 和兖州的一些“三下”开采采区进行了评价，如对鲍 店矿五采区村庄下压煤的资源回收难度评价等级 为“难”，经分析，该采区虽然地质条件简单、建筑物 的保护等级不高，但采深与采厚的比值较小且采厚 较大，以上两方面的相互影响才造成了上述结果， 若采取小采高、分层开采的方法将有利于该采区资 源回收．另外，对平顶山某铁路下煤柱开采的经济 评价结果、兖州南屯矿北屯采区村庄下煤炭资源的 合理利用程度分析结果分别如图4 ，5 和表2 所示． 实例分析结果表明该综合评价体系方法实用 简便，可有效地应用于“三下”开采技术与经济决 策、资源管理与“三下”资源补偿费的准确测算等各 个方面，与此同时也反映出以下问题首先，在某些 矿山，难以获得准确的技术与图纸资料；其次，对目 前许多企业，内部核算与对外公开财务资料不一 致；第三，“三下”煤炭资源条件本身极其复杂、“三 下”开采技术呈多样化和动态变化的特点．这就要 求应用该评价体系时必须综合考虑各方面因素，定 时定量定性分析，才能得出更为合理精确的评价结 果． 参考文献 [ 1 ]汪云甲，汪应宏，连达军．“三下”开采资源补偿费减征 的模型与方法研究[ J ] ．自然资源学报，2 0 0 2 5 6 1 6 6 2 1 ． W a n gYJ ，W a n gYH ，L i a nDJ ．As t u d yo nm o d e l a n dm e t h o df o r r e d u c i n g r e s o u r c e sc o m p e n s a t i o n c o l l e c t i o ni nt h r e eu n d e r g r o u n dm i n e r a lr e s o u r c e s e x p l o i t a t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fN a t u r a lR e s o u r c e s ，2 0 0 2 5 6 16 6 2 1 ． [ 2 ]蔡宝金．浅谈“三下”采煤技术[ J ] ．煤炭技术，2 0 0 3 6 4 6 - 4 8 ． a iBJ ．D i s c u s so ft h et h r e e u n d e r g r o u n dm i n i n g t e c h n o l o g y l , J ] ．C o a lT e c h n o l o g y ，2 0 0 3 6 4 6 4 8 ． [ 3 ] 陈于恒，孙建明，章毛平．“三下”采煤优化决策系统的 探讨F j ] ．技术经济，1 9 9 1 1 2 5 6 5 7 ． C h e nYH ，S u nJM ，Z h a n gMP ．T h ed i s c u s so ft h e o p t i m i z i n gd e c i s i o ns y s t e m o f t h r e e u n d e r g r o u n d m i n i n g l , J ] ．T e c h n o l o g yE c o n o m i c s ，1 9 9 1 1 2 5 6 5 7 ． [ 4 ] 连达军，汪云甲．建筑物下煤炭资源回收难易程度模 糊综合评价[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 2 ，3 1 6 5 9 l 一5 9 3 ． L i a nDJ ，W a n gYJ ．F u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n o f d i f f i c u l t yd e g r e eo fc o a lr e s o u r c er e c o v e r y u n d e r b u i l d i n g s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆． T e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ，3 1 6 5 9 1 5 9 3 ． I - 5 ] 陈顺良．基于梯形灰类白化函数的聚类分析F J ] ．矿冶 工程，2 0 0 0 3 8 1 1 ． C h e nSL ．C l u s t e ra n a l y s i sb a s e do nt r a p e z o i d a lg r e y c l u s t e r ’Sw h i t ef u n c t i o n l , J ] ．M i n i n ga n dM e t a l l u r g i c a l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 3 8 - 1 1 ． [ 6 ]陈于恒，孙建明．矿产经济学[ M ] ．徐州中国矿业大 学出版社，1 9 8 9 ． [ 7 ] 宋光兴，钱鑫，刘怀．基于熵技术的矿产资源开发 利用评价方法研究[ J ] ．中国矿业，2 0 0 0 ，9 3 2 62 7 ． S o n gGX ，Q i a nX ，L i uH ．A ne n t r o p yt e c h n o l o g y b a s e de v a l u a t i o nm e t h o do ft h ec o m p r e h e n s i v e e x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o no fm i n e r a lr e s o u r c e s [ J ] ． C h i n aM i n i n gM a g a z i n e ，2 0 0 0 ，9 3 2 6 2 7 ． [ 8 ] 赵经彻，何满潮．建筑物下煤炭资源可持续开采战略 [ M ] ．徐州中国矿业大学出版社，1 9 9 7 ． 责任编辑陈其泰 万方数据