基于層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)的煤層透氣性效果評(píng)價(jià)

郝 旭

(中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院,山西 晉中 030600)

瓦斯抽采是維護(hù)礦井安全、預(yù)防瓦斯災(zāi)害最根本有效的技術(shù)措施。影響瓦斯抽采的兩個(gè)主要因素包括:一是鉆孔抽采工藝，但是僅僅改進(jìn)抽采工藝對(duì)抽采效果的提高并不明顯;二是煤層透氣性，增加煤層透氣性對(duì)瓦斯流動(dòng)影響較為明顯,可通過(guò)增大煤層透氣性來(lái)提高瓦斯抽采效果[1]。我國(guó)研究人員通過(guò)對(duì)低透氣性煤層及具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)煤層的瓦斯抽采技術(shù)效果進(jìn)行研究和試驗(yàn)后,提出了關(guān)于增大低透氣性煤層瓦斯抽采流量的方法和技術(shù)措施[2],例如水力壓裂煤體致裂增透技術(shù)[3]、水力割縫增透技術(shù)[4]、高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫技術(shù)[5]、深孔松動(dòng)爆破技術(shù)[6]和深孔聚能爆破增透技術(shù)[7]等。

目前評(píng)價(jià)礦井煤層透氣性的方法有層次分析法、灰色綜合評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、多元統(tǒng)計(jì)法，以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法等[8]。礦井瓦斯抽采具有模糊性大、不確定性因素多且動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn),可應(yīng)用層次分析和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)煤層透氣性進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種將模糊綜合評(píng)價(jià)法和層次分析法相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法,是一種定性與定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)模型。該方法先用層次分析法將評(píng)價(jià)因素集分成合理的若干層,確定各層評(píng)價(jià)因素的權(quán)重集,然后利用模糊數(shù)學(xué)原理將底層的各評(píng)價(jià)因素定量化,通過(guò)逐層的模糊合成,最終確定目標(biāo)層的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。兩種方法相互融合相互補(bǔ)充,使目標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果具有更高的可靠性[9]。本文就是利用層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)多個(gè)瓦斯抽采指標(biāo)進(jìn)行定性定量分析，并建立了相應(yīng)的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型。

1 瓦斯抽采指標(biāo)體系的選取

煤層透氣性是由多種因素決定的。一是地質(zhì)因素,如煤層瓦斯壓力、煤層瓦斯含量、煤層透氣性等;二是鉆孔本身因素,如鉆孔的角度、孔深、孔徑、鉆場(chǎng)間距等;三是抽采因素,如封孔長(zhǎng)度、抽采負(fù)壓、抽采時(shí)間、抽采半徑等[10]。在這些因素中,有些指標(biāo)是很明確的,但有些指標(biāo)是模糊不清的,要想提高抽采率,就需要考慮到每個(gè)指標(biāo)的影響和作用范圍,從而綜合考慮所有指標(biāo)以期達(dá)到最優(yōu)。

本文從上述三方面因素來(lái)分析影響煤層透氣性的指標(biāo),按照層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)抽采指標(biāo)進(jìn)行分層與評(píng)價(jià)[11]。礦井瓦斯抽采指標(biāo)的影響因素主要包括瓦斯原始賦存參數(shù)、鉆孔布置參數(shù)和抽采參數(shù)三大方面:瓦斯原始賦存參數(shù)的影響因素主要有瓦斯壓力、瓦斯含量和透氣性系數(shù);鉆孔布置參數(shù)的影響因素主要有鉆孔的角度、鉆孔孔徑、鉆孔孔深、鉆孔間距、封孔方法及長(zhǎng)度;抽采參數(shù)的影響因素主要有抽采負(fù)壓、抽采時(shí)間、抽采半徑。

2 層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)構(gòu)造指標(biāo)體系模型矩陣

2.1 瓦斯抽采指標(biāo)權(quán)值計(jì)算

2.1.1抽采指標(biāo)體系第一層次評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值

設(shè)瓦斯原始賦存參數(shù)A1,瓦斯抽采鉆孔布置參數(shù)A2,瓦斯抽采參數(shù)影響因素A3,根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)度取值進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性評(píng)價(jià),指標(biāo)權(quán)值計(jì)算如下:

2)利用和積法計(jì)算最大特征根λmax。

a.用和積法計(jì)算權(quán)值,首先按列歸一化得:

然后再按行相加得和向量:

將得到的和向量歸一化即得權(quán)值向量:

b.求最大特征根

λmax=[0.51/0.49+0.955/0.31+0.6/0.2]/3

=3.074.

3)進(jìn)行一次性校驗(yàn):

由平均隨機(jī)一致性評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算表可知當(dāng)n=3時(shí),IR=0.52,則:

所以判斷矩陣的結(jié)果是可以接受的,求得的權(quán)值是可以使用的。

通過(guò)以上計(jì)算,歸納計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 抽采指標(biāo)體系第一層次評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值Table 1 Level 1 evaluation index weights of the drainage index system

2.1.2抽采指標(biāo)體系第二層次評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值

瓦斯原始賦存參數(shù)、瓦斯鉆孔布置參數(shù)和瓦斯抽采參數(shù)影響因素的第二層次評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算如下。

1)瓦斯原始賦存參數(shù)指標(biāo)權(quán)值的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 瓦斯原始賦存參數(shù)指標(biāo)權(quán)值Table 2 Index weights of gas original occurrence parameters

2)瓦斯鉆孔布置參數(shù)指標(biāo)權(quán)值的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 瓦斯鉆孔布置參數(shù)指標(biāo)權(quán)值

3)瓦斯抽采參數(shù)影響因素指標(biāo)權(quán)值的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 瓦斯抽采參數(shù)影響因素指標(biāo)權(quán)值Table 4 Index weights of influencing factors of gas drainage parameters

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系模型

1)利用模糊綜合方法定性評(píng)價(jià)部分因素。

以抽采參數(shù)影響因素為例,首先確定抽采參數(shù)影響因素集U={抽采負(fù)壓(u1),抽采時(shí)間(u2),抽采半徑(u3)};其次確立評(píng)價(jià)抽采參數(shù)影響因素的評(píng)語(yǔ)集{重要(v1),比較重要(v2),不太重要(v3),不重要(v4)}。

2)確定模糊綜合評(píng)價(jià)的隸屬度。

將指標(biāo)分值的取值范圍定為[0,1],評(píng)價(jià)結(jié)果屬于哪份隸屬度可以采用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)確定。對(duì)瓦斯原始賦存參數(shù)A1進(jìn)行模糊化,結(jié)果如表5所示。

表5 專(zhuān)家評(píng)價(jià)表Table 5 Expert evaluation

由上表得出其模糊評(píng)價(jià)并進(jìn)行歸一化得:

3)確定模糊綜合評(píng)價(jià)的隸屬函數(shù)。

同樣以影響瓦斯抽采參數(shù)的因素為例,可以首先將0和1兩個(gè)值模糊化,應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析。利用專(zhuān)家所打分?jǐn)?shù)的頻數(shù)與相對(duì)應(yīng)的分值相乘,進(jìn)行歸一化。

3 應(yīng)用實(shí)例

本報(bào)告選用山西某煤礦3號(hào)煤層+470 m水平開(kāi)采范圍作為瓦斯抽采指標(biāo)體系綜合評(píng)價(jià)的應(yīng)用實(shí)例。根據(jù)本文應(yīng)用層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)方法提出的瓦斯抽采指標(biāo)體系模型進(jìn)行分析和試驗(yàn),主要是從瓦斯賦存參數(shù)A1、鉆孔布置參數(shù)A2及抽采參數(shù)A3三方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

本煤層厚度的范圍為5.30～7.15 m。預(yù)測(cè)瓦斯絕對(duì)涌出量為297.98 m3/min,相對(duì)涌出量為23.60 m3/t,屬于高瓦斯礦井。煤層的透氣性系數(shù)為0.060 5～0.120 9 m2/(MPa2·d),瓦斯壓力為0.05～0.17 MPa。運(yùn)用多級(jí)孔板流量計(jì)依次對(duì)各試驗(yàn)抽采孔和對(duì)比試驗(yàn)孔的瓦斯流量進(jìn)行共20 d的測(cè)定。

3.1 綜合評(píng)價(jià)瓦斯抽采指標(biāo)體系

山西某煤礦抽采系統(tǒng)指標(biāo)賦值情況,如表6所示。

表6 山西某煤礦瓦斯抽采指標(biāo)體系賦值表Table 6 Assignment table for gas drainage index system in one mine in Shanxi

3.2 瓦斯抽采指標(biāo)體系的模糊綜合評(píng)價(jià)

3.2.1模糊綜合評(píng)價(jià)檢查表

挑選20名人員(10名安全評(píng)價(jià)專(zhuān)家、5名煤礦安全管理人員和5名礦井施工人員)對(duì)山西某煤礦瓦斯抽采指標(biāo)體系按照評(píng)價(jià)檢查表進(jìn)行打分,打分給出的綜合判定結(jié)果如表7所示。

表7 山西某煤礦瓦斯抽采指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)表

3.2.2模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算

1)瓦斯賦存參數(shù)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)。

單因素評(píng)價(jià)矩陣瓦斯壓力R11=[0.2 0.5 0.3 0],瓦斯含量R12=[0.1 0.3 0.6 0],透氣性系數(shù)R13=[0 0.3 0.6 0.1].

B1=A11×R11+A12×R12+A13×R13=0.23×[0.2 0.5 0.3 0]+0.47×[0.1 0.3 0.6 0]+0.30×[0 0.3 0.6 0.1]=(0.093 0.346 0.531 0.030).

2)鉆孔布置參數(shù)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)。

單項(xiàng)評(píng)價(jià)矩陣B2=A2×R2=(0.476 0.260 0.054 0).

3)瓦斯抽采參數(shù)指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)。

單項(xiàng)評(píng)價(jià)矩陣B3=A3×R3=(0.871 0.076 0.053 0).

4)整理總評(píng)價(jià)矩陣。

即模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)上述結(jié)果可以得出,煤礦瓦斯抽采指標(biāo)體系整體屬于重要的結(jié)論。

3.3 瓦斯抽采參數(shù)指標(biāo)的重要度計(jì)算

瓦斯賦存參數(shù)重要度計(jì)算:

A1=(0.3×1,1.1×0.8,1.5×0.6,0)=

(0.3,0.88,0.9,0).

進(jìn)行歸一化得A1=(0.144,0.423,0.433,0),

B1=A1×R1=(0.360 2,0.401 1,0.386 7).

因此,瓦斯壓力、瓦斯含量、透氣性系數(shù)三個(gè)指數(shù)的隸屬值分別為0.360 2,0.401 1,0.386 7。然后分別乘以權(quán)重得出結(jié)果為B1′=(0.108 06,0.160 44,0.116 01).

同理B2′=(0.079 4,0.054 6,0.135 2,0.088 1,0.097 5);B3′=(0.086 97,0.077 11,0.130 79).

因此,得出了瓦斯抽采指標(biāo)體系的優(yōu)選重要度,如表8所示。

表8 瓦斯抽采指標(biāo)體系重要度Table 8 Importance of gas drainage index system

從結(jié)果得到瓦斯抽采指標(biāo)重要度的順序?yàn)?瓦斯含量>鉆孔孔深>抽采半徑>透氣性系數(shù)>瓦斯壓力>封孔方法及長(zhǎng)度>鉆孔間距>抽采負(fù)壓>鉆孔孔徑>抽采時(shí)間>鉆孔角度。這一結(jié)果將為以后現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯抽采工作提供參考和依據(jù)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)礦井瓦斯抽采和煤層透氣性的影響因素進(jìn)行分析和優(yōu)選,建立了比較全面的瓦斯抽采指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)模型,同時(shí)在山西某煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)研究得出以下結(jié)論:

1)增加煤層透氣性可以很好地提高瓦斯抽采效果,確定了瓦斯抽采指標(biāo)體系包含瓦斯原始賦存、鉆孔布置和抽采參數(shù)等三方面因素。

2)采用層次分析-模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)建立的瓦斯抽采指標(biāo)體系進(jìn)行了定性-定量-定性的分析。層次分析法得到了瓦斯抽采指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)值,并通過(guò)了一致性檢驗(yàn)。模糊綜合評(píng)價(jià)法通過(guò)建立因素集和評(píng)價(jià)矩陣,得到了評(píng)價(jià)的隸屬度和重要度,得出了瓦斯抽采指標(biāo)體系整體屬于重要的結(jié)論。

3)通過(guò)山西某煤礦瓦斯抽采的具體試驗(yàn),對(duì)建立的瓦斯抽采指標(biāo)體系優(yōu)選模型進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),得到了瓦斯抽采指標(biāo)重要度的順序,驗(yàn)證了礦井瓦斯抽采指標(biāo)體系優(yōu)選的合理性,研究結(jié)果為今后現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯抽采工作提供了參考依據(jù)。