基于層次分析法的礦井瓦斯抽采基礎(chǔ)條件達標評價

于寶種，錢恒峰

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.中煤能源新疆鴻新煤業(yè)有限公司，新疆 昌吉 831200)

我國礦井瓦斯災(zāi)害嚴重，但經(jīng)過眾多學(xué)者、工程技術(shù)人員幾十年研究及應(yīng)用，獲得了許多行之有效的瓦斯災(zāi)害治理方法，其中,煤層瓦斯抽采技術(shù)是解決礦井瓦斯災(zāi)害治理的關(guān)鍵技術(shù)之一。瓦斯抽采是一個龐大的系統(tǒng)工程，涉及到瓦斯抽采裝備、技術(shù)以及管理等各方面，要實現(xiàn)對礦井瓦斯的高效抽采，不僅要有良好的施工工藝及施工裝備，而且還要有行之有效的管理技術(shù)和方式。2011年，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局聯(lián)合國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局、國家煤礦安全監(jiān)察局印發(fā)了《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》，該規(guī)定重點從落實責(zé)任、規(guī)劃、計劃、抽采系統(tǒng)建設(shè)及抽采達標管理方面提出了具體要求，在大方向上對瓦斯抽采達標提出了要求，但因理解程度不同，在執(zhí)行過程中還是存在很多差異，瓦斯抽采達標評價概念也較為模糊，執(zhí)行過程存在困難。

隨著現(xiàn)代科學(xué)，特別是應(yīng)用數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)的發(fā)展，學(xué)者們針對煤礦領(lǐng)域的不確定問題引入了定量的計算方法。其中，層次分析法在瓦斯突出危險性預(yù)測[1-3]、瓦斯爆炸危險性分析[4-5]、煤層頂?shù)装逋凰ｋU性[6-7]、礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化評價[8-9]以及瓦斯抽采達標評價[10-12]等方面得到了廣泛應(yīng)用。李延輝等[10]建立了瓦斯抽采系統(tǒng)可靠性及安全性建立評價指標，并分析了瓦斯抽采系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。申健等[12]以抽采系統(tǒng)可靠性、抽采完善性以及抽采效果達標程度為指標體系，建立層次分析法和模糊綜合評價模型，并進行了應(yīng)用。按照《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》對礦井瓦斯抽采達標評判可分為基礎(chǔ)條件達標評判和抽采效果評判，本文主要針對基礎(chǔ)條件評判建立指標體系，采用層次分析方法計算獲得權(quán)重，并進行應(yīng)用。

1 層次分析評價方法

層次分析法是針對一個難以確定復(fù)雜決策的問題，對其影響因素及內(nèi)在聯(lián)系進行分析，構(gòu)架一個層次結(jié)構(gòu)矩陣，然后根據(jù)比較少的定量信息，把決策的思維問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)計算。 該方法具有簡潔實用、系統(tǒng)以及所需定量數(shù)據(jù)少的優(yōu)點。應(yīng)用方法按照建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造比較判別矩陣、單準則下層次排序及一致性檢驗三個步驟實施，具體過程如下所述。

1) 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)。所謂的層次結(jié)構(gòu)是指層次分析將決策目標、考慮的因素和決策對象，根據(jù)問題規(guī)模的大小和復(fù)雜程度，可以將層次分析中準則分為準則層和子準則層，在模型中將目標、評價準則和決策對象匯出用線段連接的層次結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。各層次目標、因素、對象用數(shù)學(xué)語言統(tǒng)一稱作為元素。在構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)中需要注意3個問題：①從上到下順序具有支配關(guān)系，同一層次與不相鄰元素之間不存在支配關(guān)系；②整個結(jié)構(gòu)不受層次影響；③最高層只有一個元素，每個元素支配元素一般不超過9個。

圖1 典型層次結(jié)構(gòu)矩陣Fig.1 Typical hierarchical structure matrix

2) 構(gòu)造判別矩陣。在確定各層不同因素相對于上一層各因素的重要性權(quán)數(shù)時，通常使用兩兩比較的方法。當(dāng)以上一層次某個因素作為比較準則時，可以用一個比較Aij來表示下一層中第i個因素與第j個因素的相對重要性。常用的是以9標度法表示Aij，即取值為整數(shù)1～9及其倒數(shù)，取值原則見表1。將層次結(jié)構(gòu)圖中同一層次元素通過互相比較，確定首采層選擇評價指標下一層各因素對上一層的影響的權(quán)重，將定性的判斷定量化，即構(gòu)造因素判斷矩陣，由Aij構(gòu)成判別矩陣為A，見式(1)。

表1 9標度法取值原則Table 1 Value principle of 9 scale method

(1)

3) 計算對目標的權(quán)向量及一致性檢驗。通過計算各因素判別矩陣的最大特征值及特征向量，可得出每個層次內(nèi)部的排序數(shù)值，以此類推獲得指標層對于目標層的重要性數(shù)據(jù)序列，從而獲得最終權(quán)重計算結(jié)果。將因素判斷矩陣A中特征值對應(yīng)特征向量進行歸一化處理，即得出n個因素在目標層中所占的比重。針對矩陣A做如下處理。

①將判斷矩陣A進行列向量歸一化得式(2)。

(2)

(3)

W=(w1,w2,…,wn)T

(4)

④再按照式(5)求得矩陣A的最大特征值。

(5)

式中：λ為矩陣A的最大特征值；W為影響因素權(quán)重向量。

當(dāng)數(shù)據(jù)過多時，常因為考慮不周全導(dǎo)致實際情況與計算得出結(jié)果大相徑庭，因此，為了保證分析結(jié)果可靠，必須對最大特征值進行一致性分析。判別矩陣A一致性接近的程度定義見式(6)，并引入一致性比例CR(式(7))，不同階數(shù)平均隨機一致性指標RI見表2。

表2 不同階數(shù)平均隨機一致性指標Table 2 Average random consistency index ofdifferent orders

CI=(λ-n)/(n-1)

(6)

CR=CI/RI

(7)

式中：CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標；CR為一致性比例；n為元素個數(shù)。

通過式(6)和式(7)計算得到CR，當(dāng)CR<0.1時，認為A有滿意的一致性，此時取A最大特征值對應(yīng)的歸一化特征向量為各個影響因素對目標的權(quán)向量，可通過權(quán)向分量的大小完成對因素重要程度的排序，否則就需要對判斷矩陣進行適當(dāng)修正。

2 抽采基礎(chǔ)條件達標評價模型

2.1 瓦斯抽采基礎(chǔ)條件達標指標體系

在建立瓦斯抽采達標基礎(chǔ)條件評價指標體系過程中首先是需要盡量考慮全面、系統(tǒng)；其次是建立的評價指標基礎(chǔ)數(shù)據(jù)易獲取，同時容易被評價企業(yè)理解和接受，可操作性強；再次是評價指標建立應(yīng)該盡量采用定量指標，若需采用定性評價方法則宜采取定量為主，定性為輔的指標；最后是能夠合理、客觀地反應(yīng)應(yīng)用礦井抽采達標情況[11]。

礦井瓦斯抽采基礎(chǔ)條件達標不僅要求抽采系統(tǒng)能滿足要求，還要求抽采設(shè)計及相應(yīng)管措施能夠滿足相關(guān)規(guī)定、規(guī)范要求，依據(jù)《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》形成多層次瓦斯抽采基礎(chǔ)條件達標指標體系見表3。由表3可知，該指標體系主要分為：抽采系統(tǒng)運行措施、抽采系統(tǒng)運行記錄、抽采總體規(guī)劃、抽采年度規(guī)劃、抽采試驗、抽采工藝方案設(shè)計、抽采施工管控、抽采竣工驗收以及系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施9個方面，其中各個指標下又包含3～9個不同的二級指標。

表3 煤礦瓦斯抽采基礎(chǔ)條件評價體系Table 3 Evaluation system of basic conditions for gas drainage in coal mine

2.2 評價指標權(quán)重計算

判斷矩陣根據(jù)從事瓦斯抽采研究的人員提出，由式(2)～式(5)計算各層指標權(quán)值，需要說明的是，進行抽采基礎(chǔ)條件評價指標時認為礦井的瓦斯抽采泵站基本已符合要求，暫不設(shè)置“一票否決”制，各指標的權(quán)重計算結(jié)果見表4。由表4可知，B評價指標的矩陣最大特征值為9.789 4，隨機一致性比值為0.079 6<0.1，具有滿意的一致性，采用同樣的方法計算C1～C9評價指標的權(quán)重。根據(jù)一致性檢驗要求，各矩陣具有滿意的一致性，即可認為采用該矩陣算出權(quán)重是可用的，根據(jù)計算結(jié)果可以對各影響指標進行重要性排序。

表4 B評價指標權(quán)重計算結(jié)果Table 4 Weight calculation results of B evaluation index

2.3 評價模型

在瓦斯抽采達標評價過程中，針對每一個因素實行專家評分，假設(shè)專家針對一級指標Bi下的二級指標Cij的打分為uij。采用式(8)計算礦井瓦斯抽采基礎(chǔ)條件得分，如果是由多個專家組成，則對專家打分進行平均之后再帶入式(8)。

(8)

式中：F為礦井抽采基礎(chǔ)條件的達標值；Bi為礦井一級指標的權(quán)值；Cij為礦井二級指標的權(quán)值；uij為專家評分數(shù)。

根據(jù)人的語言區(qū)分功能，最終將評價結(jié)果分為五類，即：優(yōu)秀(90≤F≤100)，良好(80≤F<90)，一般(70≤F<80)，合格(60≤F<70)，不合格(F<60)。

3 模型應(yīng)用及分析

3.1 礦井基本情況

礦井為急傾斜開采礦井，設(shè)計生產(chǎn)能力為5.0 Mt/a，2017年該礦井相對瓦斯涌出量為19.99 m3/t，絕對瓦斯涌出量為57.38 m3/min，礦井屬于高瓦斯礦井。礦井配備高低負壓抽采系統(tǒng)各兩套，一套使用，一套備用，其中高負壓抽采泵型號為2BEY-72，電機功率800 kW，額定抽采量為500 m3/min，低負壓抽采泵型號為2BEC72，電機功率560 kW，額定抽采量為450 m3/min。瓦斯抽采系統(tǒng)主管路鋪設(shè)兩條Φ630 mm鐵管，干管路為Φ355 mm鋼絲骨架PE管，分支管路Φ200～355 mm鋼絲骨架PE管。2017年進行工作面瓦斯抽采達標評價時，評價工作面已抽采180 d，支管瓦斯?jié)舛葹?%左右，抽采負壓22～26 kPa；高負壓抽采主管路的瓦斯?jié)舛葹?5%左右，抽采負壓28～32 kPa，低負壓抽采管路瓦斯抽采濃度為6%左右，抽采負壓5～10 kPa。

3.2 礦井瓦斯抽采基礎(chǔ)條件達標評價

礦井抽采基礎(chǔ)條件達標評價采用安全評價方法，由進行評價的5名人員對抽采基礎(chǔ)條件打分，再平均，處理結(jié)果見表5。

表5 專家評分匯總表Table 5 Summary table of expert score

3.3 評價結(jié)果分析

礦井瓦斯涌出主要來源于本煤層及采空區(qū)瓦斯涌出，礦井采用回采區(qū)域預(yù)抽及頂板高位鉆孔抽采相結(jié)合的方式進行瓦斯抽采，在瓦斯抽采達標評價過程中，抽采系統(tǒng)評價占總評價權(quán)重的32%，其次是抽采試驗占總評價權(quán)重的21.8%，因此在進行對抽采達標進行評價時對次兩項指標應(yīng)著重采取強力措施以達到評價要求。經(jīng)現(xiàn)場實際測定，煤層殘余瓦斯含量為2.66 m3/t，煤的可解吸瓦斯含量為1.71 m3/t，經(jīng)計算的工作面回采期間回風(fēng)流風(fēng)速為0.85 m/s，瓦斯?jié)舛葹?.6%，滿足《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》的要求，因此待評價工作面瓦斯抽采效果達標。

通過本評價模型還可得出：礦井的瓦斯抽采基礎(chǔ)條件分值為86.107 6，屬于良好級別，但是從得分較低的抽采施工管理、抽采試驗以及采掘接替得分情況看，其礦井可能存在采掘接替緊張，人才儲備不足，特別是專業(yè)的瓦斯抽采分析研究人員，在開展瓦斯抽采研究方面還有待進一步提高，符合該礦井的實際情況。

4 結(jié) 論

1) 通過對抽采達標評價規(guī)范，結(jié)合礦井瓦斯抽采基礎(chǔ)條件要求，建立了瓦斯抽采基礎(chǔ)條件達標評價的層次模型，為定量分析礦井的瓦斯抽采基礎(chǔ)條件達標評價提供參考，通過一致性檢驗確定指標體系具有可行性。

2) 采用建立的瓦斯抽采基礎(chǔ)條件達標模型對某礦瓦斯抽采基礎(chǔ)條件進行了評價，得到了符合礦井實際情況的評價結(jié)果。