充填開采控制地表沉陷可靠性模糊綜合評判

史俊偉，陳章良，孫玉峰，徐　丞

（1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.山東工商學(xué)院管理科學(xué)與工程學(xué)院，山東 煙臺 264005）

充填開采控制地表沉陷可靠性模糊綜合評判

史俊偉1，2，陳章良2，孫玉峰2，徐丞2

（1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.山東工商學(xué)院管理科學(xué)與工程學(xué)院，山東 煙臺 264005）

針對充填開采影響因素的復(fù)雜性和模糊性，為了更加合理客觀的評價充填開采控制地表沉陷可靠性，采用AHP-模糊綜合評判法建立評價模型。結(jié)合某煤礦膏體充填開采工程實踐，選取4個方面的20個因素作為評價指標(biāo)，利用AHP法確定各因素的權(quán)重，通過三角形隸屬函數(shù)建立模糊評判矩陣，根據(jù)隸屬度原則劃分可靠性等級。結(jié)果表明，充填開采控制地表沉陷的可靠性綜合評價等級為“良好”，充填體的強度、充填體欠接頂量和充填體的密實程度是影響充填可靠性的三個主要因素，可適當(dāng)提高水泥摻量和充填料漿濃度及優(yōu)化充填工藝來提高其可靠性，評判結(jié)果符合礦井實際情況。改善影響充填可靠性的三個主要因素亦可運用在鎢礦山開采中，對鎢礦山的安全生產(chǎn)有一定的借鑒作用。

安全評價；充填開采；地表沉陷；AHP；模糊綜合評判

0　引言

充填開采能夠很好地控制地表沉陷，解決“三下”（建筑物下、水體下、鐵路下）開采帶來的一系列難題[1]。因此，對充填開采控制地表沉陷可靠性進行評判顯得尤為重要。對地下礦山開采安全評價方法有很多，主要有風(fēng)險度量理論[2]、應(yīng)用數(shù)值模擬[3]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]等，由于充填開采的復(fù)雜性和各因素之間界限的模糊性，顯然用常規(guī)的評價方法不能對其全面評價。

相關(guān)學(xué)者通過研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，通過加密超深孔探測、3D激光探測設(shè)備等方法對某鎢礦山采空區(qū)的探測，有助于對有地表沉陷趨勢的采空區(qū)提前進行安全防護，建立地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。重視邊坡治理與監(jiān)控，對采空區(qū)進行充填時首要考慮的因素是充填體的強度、充填體欠接頂量和充填體的密實程度[5]。

采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）確定各因素間的層次關(guān)系和權(quán)重，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建模糊評判模型，以某煤礦膏體充填開采為工程實踐，對充填開采控制地表沉陷可靠性進行評價。

1　模糊綜合評判法概述

模糊綜合評判便是將層次分析法（AHP）和模糊分析法有效結(jié)合起來，對多因素多層次問題進行客觀合理的評價，利用層次分析法確定各影響因素之間的遞階層次問題和權(quán)重Wi，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建模糊綜合評判模型，利用三角形隸屬度函數(shù)獲得模糊評判矩陣Ri，則評判對象的綜合評判結(jié)果B=WiRi。模糊綜合評價模型及其評價流程如圖1[6]。

圖1　AHP-模糊綜合評判法流程Fig.1　Flow chartofAHPand fuzzycomprehensiveevaluationmethod

1.1構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型

針對評價的問題的目標(biāo)和性質(zhì)，將評價的對象分解為各種指標(biāo)，根據(jù)各指標(biāo)間的各種隸屬關(guān)系和關(guān)聯(lián)度將指標(biāo)通過不同層次聚集組合，從而建立一個多層次階梯式的結(jié)構(gòu)模型。

（3）各層次判斷矩陣的一致性檢驗。一致性檢驗主要是針對當(dāng)某一指標(biāo)的相對重要性出現(xiàn)前后不一致時，為了保證結(jié)果的可靠性，必須對結(jié)果進行一致性檢驗。具體步驟如下：

表1　1-9標(biāo)度表Tab.1　1-9 Scale

表2　平均隨機一致性指標(biāo)Tab.2　Average random consistency index

1.2構(gòu)建模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型

通過以上分析，當(dāng)判斷矩陣的一致性可以接受時，構(gòu)建模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型，具體如下：

（1）確定評價因素集。通過建立評價指標(biāo)體系，確定被評價對象的因素集合為：（l=1，2，…，n）。為了對多級模型評價，可將一級指標(biāo)繼續(xù)劃分，按照屬性的類別將因素集U劃分為N個子集，每個子集的因素記為1，2，…，n）。

（2）建立評語集。評語集是對評價對象可能出現(xiàn)的各種可能結(jié)果進行集合，組成一個評價等級論域，可以用表示，其中組成評語集的每個元素VP可以針對不同的實際情況，采用不同的評語、數(shù)字或者等級來表示。

（3）確定評價指標(biāo)的隸屬度。確定評價指標(biāo)對評語集的隸屬度是建立模糊綜合評價矩陣R的前提。由于影響充填開采控制地表的可靠性程度的各個評價指標(biāo)難以做到定量化，因此采用模糊統(tǒng)計法來確定評價指標(biāo)的隸屬度[9]。模糊統(tǒng)計法就是通過運用德爾菲法，邀請相關(guān)的專家按照已經(jīng)給定的評語集V給各個評價指標(biāo)劃分等級，再根據(jù)專家組投票統(tǒng)計各個評價指標(biāo)U1屬于各個評價等級vp的頻數(shù)。設(shè)專家組總?cè)藬?shù)為N，對第i指標(biāo)投j級別的人數(shù)為nij，其隸屬度為rij=nij/N。這樣就可以根據(jù)隸屬度rij確定評價矩陣Ri。

（4）模糊綜合評判。由前面已經(jīng)確定的指標(biāo)相對于評語集的隸屬度，根據(jù)指標(biāo)判斷矩陣Ai和評價矩陣Ri進行綜合評價，其中，模糊矩陣的合成算子采用加權(quán)平均型算法（·，⊕）[10]。最終對準則層的各指標(biāo)Uij進行模糊綜合評價得出模糊綜合評判集B為：B=A·R=（b1，b2，…，bp）。

（5）評價結(jié)果的處理。如果綜合評判結(jié)果最終以隸屬度矩陣的形式出現(xiàn)，對評價結(jié)果的表征不太直觀、形象。因此，在實際應(yīng)用的過程中，往往通過對評語集進行等級加權(quán)向量，即設(shè)立相應(yīng)的比較參數(shù)，從而使得分散的元素值變成一個直觀比較的綜合值。

2　實例分析

選取某煤礦2301膏體充填工作面進行研究。該煤礦村莊下壓煤問題十分突出，可采儲量中村莊下壓煤量高達80%，達到7 900余萬t。為了解決該煤礦不遷村開采難題，最大限度地控制地表沉陷，減少對生態(tài)環(huán)境的破壞，在2300采區(qū)嘗試采用膏體充填開采。充填首試2301工作面，工作面傾向長度90m，走向長度為960m，上下兩條順槽寬度均為4m。采煤機截深0.8m，如果工作面日進尺4.0m，則煤炭產(chǎn)量1 280 t/d，若年工作日300 d，年產(chǎn)量38萬t/a，要求充填系統(tǒng)能力150m3/h。充填材料選用破碎煤矸石、粉煤灰、膠結(jié)料和水。充填工藝可以劃分為矸石破碎、配比攪拌、管道泵送、構(gòu)筑充填體4個基本環(huán)節(jié)。針對圖2所建立的評價指標(biāo)評判體系，通過采用多級模糊綜合評判方法對充填開采控制地表沉陷的可靠性程度進行模糊綜合評判。

圖2　充填開采控制地表沉陷的可靠性評價指標(biāo)體系Fig.2　Evaluation index system of backfillm ining controlling surface subsidence

2.1評價指標(biāo)體系的建立

結(jié)合該煤礦2301膏體充填工作面所開展的充填工作，利用層次分析法（AHP）相關(guān)理論，將充填開采控制地表沉陷的可靠性程度評價體系分解成目標(biāo)層、準則層和指標(biāo)層三個層次。目標(biāo)層為綜合描述充填開采控制地表沉陷的可靠性程度，它是分析問題的預(yù)定目標(biāo)。準則層是組成目標(biāo)層的幾個重要組成部分（一般3個以上），而指標(biāo)層是能夠反映準則層的具體影響因素。通過層次的劃分將復(fù)雜的問題結(jié)構(gòu)化、條理化、邏輯化和系統(tǒng)化。根據(jù)該煤礦2301工作面的充填開采實踐經(jīng)驗，將充填開采控制地表沉陷的可靠性程度這一目標(biāo)層劃分為4個主要因素指標(biāo)綜合評價，而準則層每個因素指標(biāo)分解為若干因素指標(biāo)綜合評價。根據(jù)前面模糊綜合評判理論，采用二級模糊綜合評判方法來實現(xiàn)，根據(jù)實踐經(jīng)驗和相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準規(guī)范，由專家對指標(biāo)層各因素進行量化。按照科學(xué)合理且具有可操作性的要求，根據(jù)該煤礦充填實踐經(jīng)驗，選取4個方面的20個指標(biāo)來對充填開采控制地表沉陷的可靠性程度進行綜合評判，得到如圖2所示的3層模糊綜合評判指標(biāo)體系。

（1）地質(zhì)采礦條件：厚表土層、煤巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、類型、關(guān)鍵層位置等地質(zhì)條件是影響覆巖運動的內(nèi)在因素；而充填順序，充填工藝，采、充工作面位置，間隔時間和回采速度等采礦條件在一定程度上是影響上覆巖層運動的外在因素。

（2）采場頂?shù)装逡平核窃诿簩踊夭蛇^程中，液壓支架支撐作用下，回采空間受采動影響，圍巖出現(xiàn)變形移動，頂板下沉量與底板鼓起量之和。主要包括：充填體欠接頂，充填前圍巖變形，充填前底板底鼓和充填前頂板下沉等指標(biāo)。

（3）充填體自身壓縮：充填體材料和力學(xué)性能會直接影響充填體自身壓縮量，進而影響地表沉陷。充填體的材料性能主要體現(xiàn)在充填材料的可泵性上，即充填材料在管道泵送過程中的穩(wěn)定性、可塑性和流動性，主要包括充填體泌水率、充填體的密實程度、顆粒級配等指標(biāo)；充填體的力學(xué)性能主要包括充填體的強度、泊松比、彈性模量等指標(biāo)。

（4）頂?shù)装搴透∶簤嚎s：充填工作面頂板在采動過程中，頂?shù)装搴透∶涸谥Ъ苤瘟Φ淖饔孟?，局部出現(xiàn)破碎或者冒落且出現(xiàn)松動，這樣在充填工作結(jié)束后，頂?shù)装搴透∶涸诔涮铙w的壓力或者上覆巖層作用下會產(chǎn)生壓縮。主要包括：頂?shù)装鍘r石結(jié)構(gòu)，頂?shù)装鍘r石碎脹性，頂?shù)装鍘r石強度，浮煤的孔隙程度，浮煤的壓縮應(yīng)變，浮煤的壓實程度等指標(biāo)。

2.2評語等級論域的確定

根據(jù)充填開采控制地表沉陷的可靠性程度，結(jié)合模糊綜合評判方法在相同領(lǐng)域的應(yīng)用情況，最終確定采用5個評價等級，即{好，良好，一般，較差，很差}，根據(jù)這5個評價等級，最終評價結(jié)果也相應(yīng)地分為5個等級。評語集臨界值得設(shè)立以及對應(yīng)的等級描述見表3。

表3　評價語的等級劃分Tab.3　Hierarchy of evaluated language

2.3評價指標(biāo)權(quán)重的確定

通過對充填開采控制地表沉陷影響因素的分析，綜合考慮相關(guān)專家的建議，對準則層內(nèi)的4個因素U1~U4，按照AHP法應(yīng)用步驟，對照表1的要求進行兩兩比較，從而構(gòu)造判斷矩陣A1，見表4。

表4　評價指標(biāo)權(quán)重的確定Tab.4　W eighing valuesof assessm ent indexes

利用方根法對判斷矩陣A1的λmax及其特征向量進行計算，可以得到其特征向量值：λmax=（0.512/ 0.121+1.265/0.313+2.122/0.498+0.296/0.068）/4= 4.222，并將其對應(yīng)的特征向量進行歸一化處理，得到權(quán)重向量W1=（0.121 0.313 0.498 0.068）。對判斷矩陣A1的一致性檢驗，計算偏差一致性指標(biāo)CR=（4.222-4）/（4-1）=0.074，由表2查得平均隨機一致性指標(biāo)RI為0.89，所以CR=CI/RI=0.074/0.89= 0.083＜0.1，滿足一致性檢驗。因此，可知判斷矩陣A1及其指標(biāo)權(quán)重W1是符合要求的。同理可以求出其他各指標(biāo)層的權(quán)重向量Wij，見表5。

表5　評判體系各指標(biāo)層的權(quán)重Tab.5　W eightof each index layer

2.4模糊評判矩陣的構(gòu)建

通過運用德爾菲法，邀請該煤礦充填開采相關(guān)負責(zé)人及采礦工程、安全工程等方面的9位專家（其中教授1人，副教授4人，講師、工程師4人）組成咨詢小組，針對充填開采控制地表沉陷的可靠性程度評價指標(biāo)，根據(jù)表3給出的可靠性程度等級劃分標(biāo)準，結(jié)合該煤礦2301工作面充填開采實踐，對各項指標(biāo)進行評判打分，利用三角隸屬度函數(shù)得到模糊評價矩陣R1~R4。

3　模糊綜合評判

3.1一級模糊綜合評判

采用有序加權(quán)平均算子，對所有因素權(quán)重大小均衡兼顧，對于礦井充填開采控制地表沉陷的可靠性程度進行模糊綜合評判，地質(zhì)采礦條件因素指標(biāo)的評判結(jié)果為B1，同理，可求得其他影響礦井充填開采效果因素的評判結(jié)果向量Bi。

3.2二級模糊綜合評判

在前面一級評判的基礎(chǔ)上建立二級模糊綜合評判，二級模糊關(guān)系矩陣R為：

則礦井充填開采控制地表沉陷的可靠性模糊綜合評判結(jié)果為：Bi=Ai×Ri=[0.290 0.447 0.170 0.040 0.011]。

根據(jù)前面評價語等級量化值表3，取C=（10，30，50，70，90），各數(shù)值為可靠性等級評級臨界值的中值，則充填開采控制地表的可靠性程度綜合評價結(jié)果為E=BCT。根據(jù)E值，對照表3便可判斷出最終評價結(jié)果所屬的可靠性等級。

E=90×0.290+70×0.477+50×0.170+30×0.040+10× 0.011=67.2

因此，礦井充填開采控制地表沉陷的可靠性綜合評價等級為“良好”。

4　結(jié)論

（1）采用層次分析法（AHP）來確定指標(biāo)權(quán)重，使權(quán)重確定更具客觀性。而且4個判斷矩陣均以較小的值通過了一致性檢驗，保證了權(quán)重值對充填開采控制地表沉陷的可靠性評價結(jié)果的精確度。

（2）通過計算，得出礦井充填開采控制地表沉陷的可靠性綜合評價等級為“良好”。從分析過程可以看出，準則層指標(biāo)所占權(quán)重值由充填體自身壓縮、采場頂?shù)装逡平?、地質(zhì)采礦條件到頂?shù)装搴透∶簤嚎s依次遞減，且充填體自身壓縮和地質(zhì)采礦條件這兩個指標(biāo)權(quán)重占比達到70%以上，說明它們是影響礦井充填開采控制地表沉陷可靠性的關(guān)鍵因素。因此，在地質(zhì)采礦條件一定時，如何提高充填體自身的抗壓縮性是今后充填開采研究的重點。

（3）指標(biāo)層的權(quán)重排序前三位依次是：充填體的強度、充填體欠接頂量和充填體的密實程度。因此，在充填開采設(shè)計時可以通過對充填工藝及充填材料配比進行優(yōu)化，適當(dāng)提高水泥摻量和充填料漿濃度，并實時對充填各參數(shù)進行監(jiān)測監(jiān)控來提高充填體穩(wěn)定性。

（4）采取有效的充填技術(shù)對鎢礦井的安全生產(chǎn)具有一定的借鑒意義，落實安全措施，確保地上地下人員的安全，對于有地表沉陷、壩體沉降、存在水平位移等危險的鎢礦區(qū)積極采取充填措施，避免災(zāi)害的發(fā)生。采用本方法評價鎢礦山的充填系統(tǒng)也具有參考意義。

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Fuzzy Com prehensive Evaluation of Back fill M ining Controlling Surface Subsidence

SHIJun-wei1,2,CHEN Zhang-liang2,SUNYu-feng2,XUCheng2

(1.SchoolofManagementScienceand Engineering,Shandong InstituteofBusinessand Technology,Yantai 264005,Shandong,China;2.ShandongUniversity ofScienceand Technology Graduate School,Qingdao 266590,Shandong,China)

In order to evaluate the reliability of backfill mining controlling surface subsidence reasonably and objectively,AHP-fuzzy comprehensive evaluationmethod is established according to complex and fuzzy influence factors of backfillmining.Based on the engineering practices of paste-back fillmining in Daizhuang coalmine, firstly,twenty factors are selected as evaluation indexes;secondly,AHPmethod is used to determine theweight of each factor;thirdly,fuzzy evaluation matrix is established through triangular membership functions;finally, reliability levelsare divided according to themembership degree principle.The results show that the comprehensive evaluation grade of backfill mining controlling surface subsidence is“good”.Strength,owe top quantity and compaction rate of filling body are three main factors that influence the reliability,which can be improved by increasing the cement dosage and slurry concentration or optimizing the filling process.As can be seen,the evaluation resultconforms to themine'sactualsituation.

safety evaluation;backfillmining;surface subsidence;analytic hierarchy process;fuzzy comprehensive evaluation

10.3969/j.issn.1009－0622.2015.04.004

X926；TD823.7

A

2015-05-19

山東工商學(xué)院青年基金立項項目（2013QN001）；山東省高等學(xué)校人文社科計劃項目（J15WB32）

史俊偉（1987-），男，山西府谷人，博士研究生，主要從事礦山災(zāi)害預(yù)防與控制及安全生產(chǎn)管理等教學(xué)與科研工作。

陳章良（1973-），男，四川綿陽人，副教授，主要從事安全評價等工作。