唐山礦沖擊地壓影響因素的主控性指標(biāo)

王明強(qiáng)，王永建，張 強(qiáng)，卞躍躍，師皓宇，張 超，王崇智

（1. 開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 唐山礦業(yè)分公司，河北 唐山 063012；2. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601； 3. 大屯煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 建設(shè)管理部，江蘇 徐州 221600；4. 中國(guó)地質(zhì)博物館 地球編輯部，北京 100034）

0 引言

隨著采深的增加，沖擊地壓災(zāi)害已逐漸成為中國(guó)煤礦生產(chǎn)的重要威脅之一[1].近幾年，中國(guó)發(fā)生了多起沖擊地壓事故[2-3]，如：2017年沈陽(yáng)焦煤股份有限公司紅陽(yáng)三礦“11·11”沖擊地壓事故，造成10人死亡，1人輕傷；2018年山東龍鄆煤業(yè)有限公司“10·20”沖擊地壓事故造成21人死亡，4人受傷；2019年吉林龍家堡礦業(yè)公司“6·9”沖擊地壓事故，造成9人死亡，12人受傷；2019年開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司“8·2”沖擊地壓事故，造成7人死亡，5人受傷.沖擊地壓發(fā)生機(jī)理研究較多，諸如剛度理論、強(qiáng)度理論、能量理論、三準(zhǔn)則理論、“三因素”理論等[4-6]，以及基于蝶形塑性區(qū)理論的“蝶型沖擊三準(zhǔn)則”等[7]，這些理論在沖擊地壓的防控方面起到了重要的指導(dǎo)作用.但工作面在回采或掘進(jìn)往往處于動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，采場(chǎng)周?chē)簬r體的應(yīng)力、應(yīng)變及其能量的變化是極其復(fù)雜的力學(xué)物理過(guò)程[8]，單一理論所包含的信息量較少，不能全面綜合地反映沖擊地壓的危險(xiǎn)性，要找到具有普適性的防沖措施具有極高的技術(shù)難度.煤礦生產(chǎn)致災(zāi)影響因素的分析方法很多，如灰色評(píng)價(jià)模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊分析等，層次分析法（AHP）可以綜合多個(gè)影響因素的層次及其權(quán)重，并通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行定性和定量分析的決策.本文根據(jù)唐山礦“8·2”沖擊地壓事故的調(diào)查研究結(jié)果，綜合考慮包括地質(zhì)條件、回采過(guò)程和巷道支護(hù)在內(nèi)多種影響因素，應(yīng)用層次分析法得出影響沖擊地壓發(fā)生的主控性指標(biāo)[2]，為沖擊災(zāi)害防控提供參考.

1 沖擊地壓影響因素分析

唐山礦“8·2”沖擊地壓事故區(qū)為5煤層，其煤層、頂板具有沖擊傾向性；井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力高，事故區(qū)域東南部1.8 km左右為邊界“V”斷層屬新世紀(jì)活化斷層；事故區(qū)域周邊煤層群開(kāi)采后形成了“半島”形煤柱；事故巷道與采動(dòng)應(yīng)力疊加.根據(jù)蝶形塑性區(qū)理論[9-10]，沖擊地壓往往源于巷道周邊巖體瞬間出現(xiàn)大范圍的塑性破壞，而蝶形塑性區(qū)的形成需要具備以下條件[11]：① 巷道圍巖處于高偏應(yīng)力環(huán)境；② 最大主應(yīng)力大于巖體單軸抗壓強(qiáng)度；③ 存在孔洞或軟弱巖體.因此從地質(zhì)力學(xué)條件、開(kāi)采工藝工程和支護(hù)參數(shù)等3個(gè)方面予以論述.

（1）地質(zhì)力學(xué)條件

地質(zhì)力學(xué)條件一般包括煤層厚度、基本頂分類(lèi)、直接頂分級(jí)、水平應(yīng)力、煤體強(qiáng)度、直接頂強(qiáng)度、埋藏深度7個(gè)指標(biāo).煤巖體的垂直應(yīng)力與采深呈正相關(guān)，其積聚的應(yīng)變能隨之增大，在一定外部因素的誘發(fā)下煤巖體出現(xiàn)大范圍的塑性破壞時(shí)，就可能瞬間釋放巨大能量產(chǎn)生沖擊地壓.而構(gòu)造環(huán)境可致使局部區(qū)域出現(xiàn)偏應(yīng)力[12]，唐山礦井田煤系地層構(gòu)造較為發(fā)育，斷層、褶皺等構(gòu)造與沖擊地壓的發(fā)生具有明顯相關(guān)性.水平應(yīng)力則是偏應(yīng)力環(huán)境的主要指標(biāo)，高偏應(yīng)力環(huán)境是巷道圍巖塑性區(qū)大范圍擴(kuò)展的重要力學(xué)條件之一，需要重點(diǎn)關(guān)注水平應(yīng)力的變化.

（2）回采工藝過(guò)程

回采工藝過(guò)程主要包括推進(jìn)速度、工作面布置、實(shí)際采高和采空區(qū)處理.研究表明回采工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性與工作面推采速度具有一定的相關(guān)性[13]，不均勻的開(kāi)采速度可能導(dǎo)致煤層應(yīng)變能在局部集中，也易誘發(fā)沖擊地壓；工作面布置的合理性可有效預(yù)防沖擊地壓事故，如回采巷道盡量布置在低壓區(qū)、避免孤島工作面等，防止煤體形成偏應(yīng)力環(huán)境，出現(xiàn)大范圍的塑性破壞，形成沖擊效應(yīng)[14]；采高則對(duì)前方煤壁的應(yīng)力峰值和超前影響范圍具有較大影響；通過(guò)采空區(qū)的處理方式可控制來(lái)壓步距和應(yīng)力集中.

（3）巷道支護(hù)

巷道支護(hù)則可局部改善圍巖的力學(xué)環(huán)境，如支護(hù)強(qiáng)度的提高，可控制頂板和兩幫的變形，進(jìn)而影響局部應(yīng)力場(chǎng)的變化. 錨桿支護(hù)對(duì)沖擊地壓巷道變形的本質(zhì)作用是保持圍巖完整性，在圍巖中形成支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)，降低應(yīng)力集中系數(shù)，改善巷道圍巖應(yīng)力分布，充分發(fā)揮圍巖的抗沖擊能力.考查錨桿支護(hù)效果比較重要的指標(biāo)就是支護(hù)強(qiáng)度、錨固力和頂板離層，因此在巷道支護(hù)方面選用這3個(gè)指標(biāo)作為研究對(duì)象.

2 AHP的基本模型

2.1 建立判斷矩陣

AHP需要對(duì)沖擊地壓影響因素的重要性給出的專(zhuān)業(yè)判斷，可通過(guò)判斷矩陣A表示，具體形式見(jiàn)表1.

表1 判斷矩陣 Tab. 1 form of judgment matrix

表1中aij=1/aji，判斷矩陣中元素aij為要素Ai對(duì)Aj的相對(duì)重要程度，主要是通過(guò)1～9標(biāo)度方法來(lái)量化要素重要性，aij值越大，表明Ai相對(duì)于A(yíng)j越重要.

表1中數(shù)據(jù)計(jì)算規(guī)則如下.

（1）計(jì)算判斷矩陣每一行元素的乘積

（2）計(jì)算Mi的n次方根為

則所求的特征向量為

（4）計(jì)算判斷矩陣的最大特征根為

式中，（AW）i為向量AW的第i個(gè)元素.

2.2 層次總排序

層次總排序需要從上到下逐層進(jìn)行.假定上一層次所有元素A1，A2，…，An的層次總排序已完成，得到的權(quán)值分別為a1，a2，…，an，ai對(duì)應(yīng)的本層次元素Ai單排序的結(jié)果為：（pi1，pi2，…，pim）T.若pij與ai無(wú)聯(lián)系，則pij=0，于是有層次總排序.根據(jù)該矩陣，假定因素Ai與下一層次因素p1，p2，…，pn有聯(lián)系，則判斷矩陣形式見(jiàn)表2.

表2 層次總排序 Tab. 2 total ranking of levels

2.3 一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣的一致性評(píng)價(jià)需要計(jì)算其檢驗(yàn)量.

式中，IC為ai對(duì)應(yīng)的Ai層次中判斷矩陣一致性指標(biāo)；n為矩陣階數(shù)；IR為與ai對(duì)應(yīng)的Ai層次中判斷矩陣的隨機(jī)一致性指標(biāo)，IR值見(jiàn)表3.

表3 判斷矩陣的IR值 Tab.3 IR value of judgment matrix

將表3數(shù)據(jù)代入

式中，RC為層次總排序隨機(jī)一致性比例；當(dāng)RC＜0.1時(shí)，表明層次總排序計(jì)算結(jié)果具有較好一致性，反之要重新確定判斷矩陣，直到構(gòu)建的判斷矩陣符合要求.

3 沖擊地壓主控性指標(biāo)排序

影響沖擊地壓發(fā)生的因素很多，通過(guò)對(duì)唐山礦深入調(diào)研分析，依據(jù)重要性、獨(dú)立性、可分性、易獲取性和明確性等原則，選取包括地質(zhì)力學(xué)影響因素、回采工藝過(guò)程以及巷道支護(hù)等共14個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)煤礦沖擊地壓發(fā)生的影響程度[15]，設(shè)計(jì)遞階層次結(jié)構(gòu)，見(jiàn)表4.

表4 影響因素的遞階層次結(jié)構(gòu) Tab. 4 hierarchical structure of influencing factors

（l）建立遞階層次結(jié)構(gòu)

按照沖擊地壓主控性指標(biāo)之間的關(guān)系，最頂層A為沖擊地壓主控性指標(biāo)；中間層Ai為地質(zhì)力學(xué)因素、回采工藝過(guò)程、巷道支護(hù)；最低層P為具體的影響指標(biāo).

（2）構(gòu)造兩兩比較矩陣

各因素根據(jù)專(zhuān)家判定重要程度得到判斷矩陣，見(jiàn)表5～表8.

表5 A-Ai判斷矩陣 Tab. 5 A-Ai judgment matrix

表8 A3-P判斷矩陣 Tab. 8 A3-P judgment matrix

對(duì)判斷矩陣A-A1，將數(shù)據(jù)代入式（1）～式（3）可得W1=（0.585，0.289，0.126）T，由式（4）～式（6）可得λ1max= 3.08，I1C= 0.04，由表3和式（7）可得= 0.58，= 0.07 ＜ 0.1；經(jīng)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)可知，A具有一致性.

表6 A1-P判斷矩陣 Tab. 6 A1-P judgment matrix

對(duì)判斷矩陣Al-P，將數(shù)據(jù)代入式（1）～式（3）可得W2=（0.114，0.228，0.057，0.038，0.038，0.480，0.044）T，由式（4）～式（6）可得λ2max= 7.111，= 0.018，由表3和式（7）可得= 1.32，= 0.014 ＜ 0.1，經(jīng)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)可知，A1具有一致性.

表7 A2-P判斷矩陣 Tab. 7 A2-P judgment matrix

對(duì)判斷矩陣A2-P，將數(shù)據(jù)代入式（1）～式（3）可得：W3=（0.272，0.426 0.235，0.067）T，由式（4）～式（6）可得λ3max= 4.16，I3C= 0.0052，由表3和式（7）可得= 0.90，= 0.06 ＜ 0.1，經(jīng)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)可知，A2具有一致性.

對(duì)判斷矩陣A3-P，將數(shù)據(jù)代入式（1）～式（3）可得W4=（0.582，0.309，0.109）T，由式（4）～式（6）可得λ4max= 3.004，I4C= 0.0018，由表3和式（7）可得= 0.58，= 0.003 ＜ 0.1；經(jīng)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)可知，A3具有一致性.

（3）層次總排序

將以上結(jié)果按照表2所示方法計(jì)算，可以獲得表9的層次總排序結(jié)果.

表9 層次總排序結(jié)果 Tab. 9 level total ranking results

根據(jù)層次總排序結(jié)果，沖擊地壓影響因素的主控性指標(biāo)的總排序?yàn)椋核綉?yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、工作面布置、推進(jìn)速度、支護(hù)強(qiáng)度、埋藏深度、實(shí)際采高、錨固力、煤體強(qiáng)度、煤層厚度、基本頂分類(lèi)、直接頂分級(jí)、采空區(qū)處理、頂板離層.

以上14個(gè)因素權(quán)值總和為1，其中水平應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、工作面布置、推進(jìn)速度的權(quán)值和為0.619，在影響控頂效果的各因素中權(quán)重較大，可以認(rèn)為是影響唐山“8·2”礦沖擊地壓發(fā)生的主控性指標(biāo).在回采過(guò)程中，應(yīng)同時(shí)考慮支護(hù)強(qiáng)度、埋藏深度、煤層厚度和錨固力等指標(biāo).

4 結(jié)論

（1）以唐山礦實(shí)際情況為工程背景，運(yùn)用層次分析法將定性方法與定量方法有機(jī)地結(jié)合，計(jì)算結(jié)果較為符合實(shí)際情況，分析結(jié)果對(duì)唐山礦以后在防沖工作中對(duì)重點(diǎn)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)與應(yīng)用提供了依據(jù).

（2）經(jīng)對(duì)埋藏深度等14個(gè)參數(shù)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，結(jié)果顯示水平應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、工作面布置和推進(jìn)速度對(duì)沖擊地壓的發(fā)生影響較大，4個(gè)指標(biāo)的權(quán)重和為0.619.