基于層次分析法的頂板卸壓技術方案優(yōu)選

龐立寧，魏 斌

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

在煤礦生產(chǎn)過程中，切頂卸壓技術[1-4]是一種常用的防治頂板災害事故的手段，如沿空留巷切頂卸壓(四明山煤礦、晉華宮煤礦)[5，6]、大變形巷道切頂卸壓(常村煤礦)[7]、切頂卸壓自成巷(檸條塔煤礦、店坪煤礦)[8，9]、神府礦區(qū)堅硬頂板初采強制放頂[10，11]、切頂卸壓防治沖擊地壓(葫蘆素煤礦)[12，13]、動壓巷道切頂卸壓護巷(景福煤礦)[14]；此外，切頂卸壓技術還在近距離煤層房柱采空區(qū)下長壁開采動壓災害防治方面有著良好效果(元寶灣煤礦、石圪臺煤礦)[15，16]。

切頂卸壓技術有很多具體實施方式[17]，如爆破、水力壓裂、CO2爆破[18，19]、產(chǎn)氣劑爆破等；針對某種特定地質(zhì)條件的礦井，往往有很多可供選擇的切頂卸壓技術方案，而如何科學地、有邏輯性地從諸方案中優(yōu)選抉擇是擺在工程技術人員面前的問題，在以往方案抉擇中，往往是定性地分析各備選方案優(yōu)缺點而后確定最終方案，定量研究各因素對切頂卸壓方案抉擇的影響權重的文獻較少。因此，以元寶灣煤礦為例，介紹可實現(xiàn)定量分析的層次分析法[20]在優(yōu)選頂板卸壓技術方案中的應用。

1 工作面開采條件

元寶灣煤礦為兼并重組整合礦，重組整合前采用房柱式開采方式，回采的層位為4#煤層，遺留下很多不規(guī)則的房柱式采空區(qū)，如圖1所示，且4#煤層砂巖頂板比較堅硬，實測單軸抗壓強度可達81.09MPa。6105工作面位于4#煤房柱式老空區(qū)下方，近水平，工作面長度為240m、埋藏深度為180m、推進長度932m、煤厚采高均為3.4m，和上覆房柱采空區(qū)距離為16.6m，6105工作面附近鉆孔柱狀如圖2所示。

備注：(圖中不規(guī)則陰影區(qū)域為上覆未冒采空區(qū))圖1 6105工作面內(nèi)上覆采空區(qū)分布

圖2 6105工作面煤層綜合柱狀

2 4#煤房柱式采空區(qū)頂板處理方案的提出

在6105工作面推進過程中，為了判斷上覆4#煤頂板是否會發(fā)生突然大面積垮落從而對下伏工作面造成動壓沖擊災害，采用3DEC數(shù)值模擬手段進行了分析，發(fā)現(xiàn)：如果不對4#煤房柱采空區(qū)頂板進行切頂卸壓弱化，下伏6#煤工作面回采過程中會受到其大面積突然垮落造成的強動壓危害[15]。

因此需要對4#煤房柱采空區(qū)頂板進行切頂卸壓弱化處理，由于4#煤層內(nèi)原有老巷道附近進行過切頂卸壓，且如今已經(jīng)封閉無法進入，只能通過在6105工作面兩條平巷內(nèi)布置鉆場向上覆4#煤層頂板施工鉆孔。采用的切頂卸壓手段有多種，如定向水力壓裂切頂卸壓、爆破切頂卸壓、二氧化碳爆破切頂卸壓等手段。為了方便起見，選擇定向水力壓裂切頂卸壓和爆破切頂卸壓兩種方案進行分層分析。

2.1 爆破切頂卸壓

根據(jù)元寶灣煤礦實際地質(zhì)條件進行了ANSYS數(shù)值模擬[15]，分析了裝藥不耦合系數(shù)為1.2、1.3、1.5、1.7時炮孔附近的裂隙發(fā)育情況，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)不耦合系數(shù)為1.3時，炮孔附近裂隙發(fā)育情況最好，爆破裂隙區(qū)半徑可達到2.64m，結(jié)合實際施工機具條件，考慮到有一定重疊以增加弱化效果確定爆破孔間距為5m，選用規(guī)格為?50mm×500mm、質(zhì)量1kg/卷的礦用3#粉狀乳化炸藥，鉆孔直徑65mm。經(jīng)計算，鉆孔累計長度5904m。爆破鉆孔布置如圖4所示。

圖3 不同耦合系數(shù)時炮孔附近的裂隙發(fā)育情況

圖4 爆破卸壓鉆孔布置平剖面

2.2 定向水力壓裂切頂卸壓

為了確定水力壓裂擴散半徑，在現(xiàn)場布置了監(jiān)測孔進行了實驗，發(fā)現(xiàn)擴散半徑可達8m，考慮到兩孔間壓裂擴散區(qū)域有部分重疊以增加壓裂效果，確定每組孔間距為15m，根據(jù)擬處理的厚巖層層位及現(xiàn)場施工機具條件確定鉆孔傾角(每組有兩個鉆孔，1#孔傾角為45°、深度45m，2#孔傾角為60°、深度37m)，用開槽鉆在每個鉆孔內(nèi)厚巖層區(qū)域進行切縫開槽，用封隔器進行封孔，實現(xiàn)對厚巖層的分層致裂，定向水力壓裂孔布置如圖5所示。經(jīng)計算，鉆孔累計進尺為2214m。

圖5 6105工作面兩平巷內(nèi)水力壓裂孔布置

3 4#煤房柱式采空區(qū)頂板處理方案的確定

3.1 建立三層次構造模型

方案確定層次結(jié)構如圖6所示，模型分為三層：最高層為要解決的問題和達到的目的，即：從諸多頂板卸壓技術方案中定量選擇一個作為最優(yōu)方案。最低層為根據(jù)現(xiàn)場實際條件擬定的諸多可供選擇的頂板卸壓技術方案。中間層為方案選擇時所需要考慮的因素，如：預計卸壓效果、工程量、方案負面效應、政策傾向等。

圖6 方案確定層次結(jié)構

最高層：第2節(jié)中的方案一爆破切頂卸壓和方案二定向水力壓裂切頂卸壓中確定一個最終方案。

中間層：切頂卸壓效果(爆破優(yōu)于水力壓裂)，工程量(水力壓裂優(yōu)于爆破)，方案負面效應(水力壓裂較爆破更優(yōu))，政策傾向(水力壓裂優(yōu)于爆破)。

最低層：水力壓裂處理4煤頂板、爆破處理4煤頂板。

3.2 構造判斷矩陣

將中間層中列出的各因素對頂板卸壓技術方案確定的重要性進行兩兩比較，相比較的兩因素的重要性不同，判斷矩陣中元素aij的取值不同(取值范圍在1～9之間)，因素i相比于因素j的判斷元素aij和因素j相比于因素i的判斷元素aij互為倒數(shù)。將諸多判斷元素aij構造成判斷矩陣A。矩陣的判斷可以通過專家討論得出，可以使用“德爾菲法”確定各項問題的相對重要程度。

以元寶灣煤礦6105工作面兩平巷處理其上方4#煤頂板的方案確定為例，對中間層中各因素對最優(yōu)方案抉擇的重要性進行比較，構造判斷矩陣A-B，見表1。

表1 判斷矩陣A-B

A代表最高層，即總目標；B代表中間層各因素，B1為切頂卸壓效果，B2為工程量(水力壓裂切頂方案C1較爆破切頂方案C2優(yōu)勢為5904m/2214m=2.67，為方便計算，取值為3)，B3為負面效應，B4為政策傾向。

根據(jù)最低層中水力壓裂技術方案和爆破卸壓技術方案分別對中間層的四個因素的重要性，構建Bi-C矩陣，見表2—表5。C代表最低層中的各方案，C1為水力壓裂技術方案，C2為爆破卸壓技術方案。

表2 判斷矩陣B1-C

表3 判斷矩陣B2-C

表4 判斷矩陣B3-C

表5 判斷矩陣B4-C

3.3 計算各判斷矩陣的檢驗指標

采用求和法，歸一化處理后，求得：

判斷矩陣A-B的特征向量W0=[0.365 0.124 0.278 0.233]T；特征值λ0=4.046：一致性指標CI0=(λ0-n)/(n-1)=0.0153，n=4時，RI為0.89，CR0=CI0/RI=0.0172<0.1，說明一致性可接受。

判斷矩陣B1-C的特征向量W1=[0.333 0.667]T；特征值λ1=2：一致性指標CI1=0，CR1=0，說明一致性可接受。

判斷矩陣B2-C的特征向量W2=[0.750 0.250]T；特征值λ2=2：一致性指標CI2=0，CR2=0，說明一致性可接受。

判斷矩陣B3-C的特征向量W3=[0.750 0.250]T；特征值λ3=2：一致性指標CI3=0，CR3=0，說明一致性可接受。

判斷矩陣B4-C的特征向量W4=[0.667 0.333]T；特征值λ4=2：一致性指標CI4=0，CR4=0，說明一致性可接受。

3.4 層次總排序

獲得同一層次各要素之間的相對重要度之后，計算各級要素對最終卸壓方案確定的綜合重要度。

依據(jù)各方案綜合重要程度的大小，對各方案進行排序，層次總排序見表6。

表6 層次總排序

由表6可以看出，水力壓裂技術方案較爆破切頂技術方案權重更高。因此，6105工作面兩平巷內(nèi)處理上覆4煤老空區(qū)頂板采用方案二即水力壓裂切頂卸壓技術手段。

4 定向水力壓裂切頂方案效果監(jiān)測

為了實時監(jiān)測6105工作面上方4#煤房柱采空區(qū)頂板的垮落情況，實時做出預警，同時作為驗證采用層次分析法優(yōu)選出的定向水力壓裂切頂方案效果的手段之一，在6105工作面運輸平巷、回風平巷、6106輔運平巷和切眼交叉口處共計安裝了7個微震監(jiān)測探頭，探頭布置方案如圖7所示。

圖7 6105工作面微震探頭布置

如圖8所示，對微震系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)6105工作面推進過程中其前方100m范圍內(nèi)微震時間較頻繁，從剖面圖可知，事件主要集中在4#煤房柱采空區(qū)頂板上方0～50m范圍內(nèi)。這在一定程度上說明4#煤房柱式采空區(qū)頂板已經(jīng)超前下伏6105工作面進行了垮落，驗證了針對4#煤房柱采空區(qū)頂板的定向水力壓裂切頂卸壓方案的效果。

注：圖中紅色圓點表示能量>1000J的微震事件，藍色圓點表示能量在100～1000J的微震事件，綠色圓點表示能量<100J的微震事件。黑色粗實線表示工作面推進度為250m位置圖8 6105工作面周圍微震事件分布平剖面圖

同時，在6105工作面推進過程中，對地表沉陷情況也進行了觀測，繪制出了初采期間地表沉降范圍圖，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)地表沉降范圍均超前工作面(5月16日超前工作面30.1m，5月22日超前工作面57.8m，6月1日超前工作面43.8m)，且與超前工作面的水力壓裂切頂卸壓區(qū)域大致吻合，最終6105工作面安全順利的完成了回采，說明針對4#煤頂板的定向水壓致裂技術取得了好的效果。

(不同顏色直線代表推進位置，多段線代表沉降區(qū)域)圖9 初采期間工作面位置及地表沉陷范圍

5 結(jié) 論

1)數(shù)值分析表明：如果不對4#煤房柱采空區(qū)頂板進行切頂卸壓弱化，下伏6#煤工作面回采過程中會受到其大面積突然垮落造成的強動壓危害，因此必須進行弱化處理。

2)針對4#煤頂板的切頂卸壓方案有定向水力壓裂切頂卸壓方案和爆破切頂卸壓方案兩種可供選擇，影響方案確定的因素有：預計卸壓效果、工程量、方案負面效應、政策傾向等。

3)通過建立三層次構造模型、構造判斷矩陣，計算出特征向量和特征值，給出兩方案層次排序權重，發(fā)現(xiàn)定向水力壓裂切頂卸壓方案總權重為0.578，爆破切頂卸壓方案總權重為0.422，因此確定前者為最終方案。

4)6105工作面兩平巷安裝的微震系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和地表沉陷觀測表明采用層次分析法定量選出的定向水力壓裂切頂卸壓方案取得了良好效果，達到了經(jīng)濟實用的目的。