煤礦沖擊礦壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法探究

樊智林

(同煤集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037003)

0 引言

在煤礦生產(chǎn)中，會(huì)遇到巖體能量猛然釋放導(dǎo)致煤巖失穩(wěn)沖擊的情況，這就是沖擊礦壓現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)各種理論的研究發(fā)現(xiàn)，沖擊礦壓發(fā)生的核心都是煤層應(yīng)力狀態(tài)的改變，其中煤層地質(zhì)條件和煤炭開(kāi)采技術(shù)是影響應(yīng)力的主要因素。因此，如果能夠建立評(píng)價(jià)體系，通過(guò)對(duì)主要因素的分析，對(duì)不同區(qū)域的沖擊礦壓進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而劃分不同危險(xiǎn)性等級(jí)，采取有針對(duì)性的措施，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的作用。

當(dāng)然，煤礦沖擊礦壓是一個(gè)多因素耦合的復(fù)雜過(guò)程。評(píng)價(jià)體系的建立需要能夠?qū)Σ煌蛩剡M(jìn)行研究，并采取科學(xué)、客觀的方式進(jìn)行定量計(jì)算，才能得到比較可靠的結(jié)果。因此，選擇層次分析法進(jìn)行研究。

1 煤礦沖擊礦壓的影響因素與評(píng)價(jià)體系

1.1 煤層地質(zhì)條件

煤層地質(zhì)條件是煤巖應(yīng)力產(chǎn)生的基礎(chǔ)，決定了整個(gè)區(qū)域的應(yīng)力大小。主要因素包括開(kāi)采深度、斷層、煤層傾角、煤層厚度劇烈變化等。其中，經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬可知，開(kāi)采深度與沖擊礦壓產(chǎn)生的概率大小在一定深度范圍內(nèi)成正比關(guān)系，煤層厚度劇烈變化會(huì)導(dǎo)致沖擊礦壓的發(fā)生，傾角的大小會(huì)影響煤體應(yīng)力集中的情況，斷層則破壞了煤巖的連續(xù)性，會(huì)導(dǎo)致沖擊礦壓發(fā)生次數(shù)增加。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)資料的查閱，建立了煤層地質(zhì)條件的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1 影響煤礦沖擊礦壓各因素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 煤炭開(kāi)采技術(shù)條件

靜態(tài)開(kāi)采技術(shù)條件：對(duì)采煤工作面而言，靜態(tài)開(kāi)采技術(shù)條件主要是指回采巷轉(zhuǎn)彎和停采線。轉(zhuǎn)彎次數(shù)多的話，會(huì)導(dǎo)致回采至該區(qū)域時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，增大了發(fā)生沖擊礦壓的危險(xiǎn)性。而工作面回采接近停采線的時(shí)候，停采線附近煤體由下山和采空區(qū)，形成了一個(gè)大煤柱，使得上覆巖層很大一部分重量轉(zhuǎn)移到了停采線煤柱上，產(chǎn)生應(yīng)力集中，增加了沖擊發(fā)生的可能性。其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

動(dòng)態(tài)開(kāi)采技術(shù)條件：對(duì)采煤工作面而言，動(dòng)態(tài)開(kāi)采技術(shù)條件是指老頂初次來(lái)壓、工作面見(jiàn)方等會(huì)給開(kāi)采帶來(lái)沖擊載荷的因素。頂板破裂會(huì)產(chǎn)生沖擊載荷，頂板懸露面積較大同樣會(huì)造成應(yīng)力集中導(dǎo)致沖擊發(fā)生。其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

1.3 煤礦沖擊礦壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系

在AHP分析中，所有評(píng)價(jià)的影響因素都是通過(guò)具體的指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)的。根據(jù)前文分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際并通過(guò)與一線技術(shù)人員、管理人員的交流和溝通，構(gòu)建了煤礦沖擊礦壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，如圖1所示。

圖1 評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)示意圖

2 煤礦巷道穩(wěn)定性的AHP分析

2.1 判斷矩陣的建立

在AHP分析法中，判斷矩陣的建立是通過(guò)對(duì)各個(gè)指標(biāo)相互比較而得到量化標(biāo)度。其原理如下，如果X因素與其下層因素Y1、Y2……Yn有關(guān)聯(lián)，則其判斷矩陣如式(1)所示

(1)

在式(1)中，xij的取值是通過(guò)Yi(i=1，2，3，…，n)和Yj(j=1，2，3，…，n)相對(duì)重要性度量值而確定的。度量標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2，其中度量標(biāo)準(zhǔn)為2，4，6，8時(shí)，說(shuō)明度量標(biāo)準(zhǔn)介于表2中2個(gè)相鄰度量等級(jí)之間。

表2 度量標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)式(1)對(duì)圖1的評(píng)價(jià)體系構(gòu)造A-B層、B-C層的判斷矩陣分別為

2.2 權(quán)重計(jì)算及一致性檢驗(yàn)

單層次排序與總排序計(jì)算：

H=(h1,h2,…,hn)T

(2)

H也是XH=λmaxH最大特征根λmax對(duì)應(yīng)的特征向量。由此求得

(3)

根據(jù)式(2)和式(3)求得判斷矩陣A所對(duì)應(yīng)的特征向量(即權(quán)重值)和λmax為：HA=[b1，b2，b3]T=[0.593 6，0.249 3，0.157 1]T，λmaxA=3.053 6。同理，可以求得B1～B3所對(duì)應(yīng)的特征向量(即單層排序)和特征值。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

最底層各影響因素C1，C2，…，C22對(duì)最高層因素A的影響權(quán)重向量為

Q=[q1,q2,…,q8]T

(4)

qk=ckbl

(5)

k=1，2時(shí)，l=1；k=3，4時(shí)，l=2；k=5，…，8時(shí)，l=3。

式中：Q—因素C1，C2，…，C8對(duì)A層影響的權(quán)重向量；qk—C層因素對(duì)A層影響的權(quán)重值；ck—C層因素對(duì)B層影響的權(quán)重值；bl—B層因素對(duì)A層影響的權(quán)重值。

所以，由式(4)和式(5)求得C層各因素對(duì)A層的權(quán)重向量(即層次總排序)，將權(quán)重值填入表3。

表3 煤礦沖擊礦壓危險(xiǎn)分析數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

一致性檢驗(yàn)：

CR=CI/RI

(6)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(7)

式中：CR—判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率，如果CR<0.10，層次單排序結(jié)果就有滿意的一致性，否則需要重新取值；CI—判斷矩陣的一致性指標(biāo)；RI—平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值見(jiàn)表4。

表4 平均隨機(jī)一致性取值

由式(6)和式(7)求得所有判斷矩陣的CR均<0.10，說(shuō)明結(jié)果均具有滿意的一致性。

總排序的隨機(jī)一致性比率：

(8)

由式(8)求得CRs<0.10，層次總排序結(jié)果通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

2.3 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)前文所述的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以某巷道為例，進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)分結(jié)果計(jì)入表3。綜合評(píng)價(jià)計(jì)算如下式

(9)

式中：F—評(píng)價(jià)得分；P—因素C1，C2，…，C8的現(xiàn)場(chǎng)打分結(jié)果矩陣；pk—現(xiàn)場(chǎng)打分結(jié)果。

綜合評(píng)價(jià)體系中，滿分為5分，則2分以下可評(píng)為危險(xiǎn)，2～4分評(píng)為中等，4分以上評(píng)為安全。根據(jù)(9)式可計(jì)算出評(píng)價(jià)得分F=2.12，因此該區(qū)域沖擊礦壓危險(xiǎn)等級(jí)為中等。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)影響煤礦沖擊礦壓的因素進(jìn)行分析，基于層次分析法建立了煤礦沖擊礦壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系。體系的建立既有利于煤炭安全開(kāi)采，也有利于煤礦的安全管理。通過(guò)權(quán)重分析，結(jié)合打分可以對(duì)某區(qū)域進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。計(jì)算結(jié)果證明，這一方法能夠客觀、科學(xué)地判斷區(qū)域沖擊礦壓危險(xiǎn)性。

(2)文中是采用層次分析法對(duì)煤礦沖擊礦壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的初步研究，在體系建立、判斷矩陣的構(gòu)建以及評(píng)分等方面雖仍有不足，但初步研究可以說(shuō)明，該方法具有一定的科學(xué)性和實(shí)踐性，具有一定的實(shí)踐價(jià)值，可以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行更加深入的研究。