厚煤層殘煤復(fù)采區(qū)掘進(jìn)大巷安全影響因素分析及評價

李 達(dá)

(霍州煤電集團(tuán)河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 044000)

隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，原有殘煤資源越來越受到重視[1-5]，殘煤復(fù)采中由于圍巖破碎，需要重點(diǎn)關(guān)注巷道的安全性，且在巷道安全性影響指標(biāo)中，殘煤復(fù)采中涉及到的影響指標(biāo)較多。當(dāng)前已有學(xué)者針對巷道掘進(jìn)過程中不同災(zāi)害發(fā)生的安全性問題開展評價研究，巷道安全評價[6-9]指通過定性或定量的方法，根據(jù)已經(jīng)掌握的安全資料，對影響巷道安全的危險有害因素進(jìn)行識別并對巷道安全性進(jìn)行科學(xué)評價。戴林超[10]以掘進(jìn)中頂板事故安全評價為出發(fā)點(diǎn)，以管理因素、自然因素及技術(shù)因素為影響巷道穩(wěn)定性的主要指標(biāo)建立了巷道安全性評價指標(biāo)體系；牟玉峰[11]對巷道的掘進(jìn)速度開展了相關(guān)研究，基于層次分析法確定了影響巷道掘進(jìn)效率的主要影響因素。王文杰[12]等采用層次分析法對S1210工作面巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行了評價，對影響巷道穩(wěn)定性的主控因素開展分析及重要性排序，最終給出了以重要性為依據(jù)的控制措施。單仁亮等[13]基于巖巷掘進(jìn)的典型特征，選取了影響巖巷穩(wěn)定性的主控因素，建立了巖巷掘進(jìn)評價模型。嚴(yán)紅等[14]針對特大斷面巷道穩(wěn)定性開展研究，評價了特大斷面巷道的穩(wěn)定性。雖然根據(jù)不同的掘進(jìn)巷道地質(zhì)條件、不同的評價指標(biāo)建立的評價體系對巷道掘進(jìn)中的安全性進(jìn)行評價的方法已被廣泛應(yīng)用[15-20]。但當(dāng)前大部分掘進(jìn)巷道安全評價研究是針對未采動煤層巷道，而殘煤復(fù)采中涉及到的空頂距、相鄰區(qū)段殘余采動影響等影響因素未見相關(guān)研究，因此需要針對殘煤復(fù)采掘進(jìn)巷道安全性評價開展進(jìn)一步研究。

1 工程地質(zhì)條件

霍州煤電集團(tuán)河津騰暉煤業(yè)當(dāng)前擬對2號煤層進(jìn)行復(fù)采，由于采掘工藝落后，原有小窯對2號煤層造成較嚴(yán)重的破壞。井田內(nèi)2號煤層采空區(qū)7處，采空區(qū)面積1155883 m2。當(dāng)前擬開展三采區(qū)復(fù)采工作，以往采空區(qū)的老空水、頂板、瓦斯等災(zāi)害影響嚴(yán)重，給復(fù)采期間的巷道掘進(jìn)帶來了極大的安全風(fēng)險和技術(shù)挑戰(zhàn)，當(dāng)前采空區(qū)下方巷道掘進(jìn)采用架棚支護(hù)與錨網(wǎng)索復(fù)合支護(hù)的形式，掘進(jìn)進(jìn)度緩慢，為確保采掘接續(xù)并保證回采安全，對當(dāng)前支護(hù)形式下掘進(jìn)巷道的安全性開展評價。

2 復(fù)采大巷安全評價方法

2.1 指標(biāo)選取

三采區(qū)大巷掘進(jìn)區(qū)域?qū)儆?號煤層區(qū)域，2號煤層的厚度為5.15 m，原有小窯開采中，對上方2～3 m厚的煤層進(jìn)行了開采，在三采區(qū)大巷掘進(jìn)的過程中部分區(qū)域未受到小窯開采的影響，因此掘進(jìn)過程中選取沿巷道頂板掘進(jìn)，當(dāng)掘進(jìn)至采空區(qū)時巷道進(jìn)入已垮落采空區(qū)，掘進(jìn)巷道部分區(qū)域在煤層中，部分區(qū)域在采空區(qū)中，頂板圍巖較破碎，因此在評價指標(biāo)選取中，除了借鑒常規(guī)巷道圍巖穩(wěn)定性評價指標(biāo)外，還要考慮相鄰區(qū)段殘余采動影響，同時為了實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，需要對空頂距指標(biāo)進(jìn)行分析。

復(fù)采巷道分析中，巷道圍巖發(fā)生過一次破壞，因此在穩(wěn)定性分析中，應(yīng)重點(diǎn)考慮巷道的圍巖強(qiáng)度；同時巷道的穩(wěn)定性與開挖斷面的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，巷道斷面越大、跨距越大對應(yīng)的穩(wěn)定性越差，影響的主要指標(biāo)包括巷道的高度及寬度。巷道圍巖穩(wěn)定除了與自身強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)特征相關(guān)外還與巷道的受載條件相關(guān)，因此在穩(wěn)定性分析中需要確定巷道的埋深及受到的最大水平應(yīng)力值；當(dāng)前研究巷道處于復(fù)采區(qū)域，受原有的已采采空區(qū)的影響較大，復(fù)采區(qū)域受到較大的區(qū)段殘余應(yīng)力影響，同時復(fù)采區(qū)域掘進(jìn)時頂板圍巖較為松散需要重點(diǎn)考慮掘進(jìn)的合理空頂距以確保掘進(jìn)安全。因此在復(fù)采區(qū)域掘進(jìn)安全評價中，選取了上述10個指標(biāo)進(jìn)行評價，具體指標(biāo)見表1。

表1 評價指標(biāo)及等級劃分

2.2 安全因子

基于上述10個指標(biāo)值，可以獲取不同指標(biāo)對巷道穩(wěn)定性影響的權(quán)重值。為給出巷道的安全性評價分級，引入復(fù)采區(qū)域掘進(jìn)巷道安全因子AQ，安全因子綜合考慮了各指標(biāo)對巷道穩(wěn)定性的作用，即安全影響因子為當(dāng)前巷道掘進(jìn)對應(yīng)的影響因素的權(quán)重加和。

2.3 評價因素權(quán)重的確定

層次分析法能夠較為客觀科學(xué)地給出評價因素的權(quán)重，本次評價分析中，基于選取的巷道穩(wěn)定性影響因素及其常規(guī)的取值范圍，將評價體系劃分為兩個層次進(jìn)行分析，最終給出了不同巷道穩(wěn)定性影響因素的影響因子權(quán)重。

依據(jù)層次分析法確定指標(biāo)的過程，將指標(biāo)相對重要性的值劃分為1～9九個級別，見表2，并建立比較值表(見表3)，或?qū)懗膳袛嗑仃囆问?。由?可以看出以下重要特點(diǎn)：表3中對角線上的值反映各指標(biāo)對于自身的重要程度，因此值均為1；對角線兩側(cè)的值相乘的乘積為1，若aij=3，則對角線另一側(cè)的值一定是aji=1/3；矩陣具有一致性。

表2 指標(biāo)相對重要度比較法則

表3 比較值表

通過單層次排序法來計(jì)算判斷矩陣的特征根和特征向量，即積合法，具體計(jì)算方法如下：

1)把表3中元素作歸一化處理，得到矩陣aij，將其作為判斷矩陣，其元素的一般項(xiàng)為：

2)把列歸一化后的判斷矩陣按行相加：

即W=[w1，w2，…，wn]T為所求的特征向量。

4)計(jì)算判斷矩陣的最大特征根：

(i=1，2，…，n)(4)

設(shè)巷道穩(wěn)定性影響因素對應(yīng)的權(quán)重因子向量為A：

A=(a1，a2，a3，……，an)

式中，ai為第i個指標(biāo)ui相對評價目標(biāo)的權(quán)重值，表示的是評價因素ui影響評價目標(biāo)的重要程度，以及在所有評價指標(biāo)中的地位輕重，依據(jù)權(quán)重對指標(biāo)進(jìn)行排序。通常計(jì)算得到的ai≥0，且∑ai=1。

2.4 巷道穩(wěn)定性影響因素權(quán)值確定

采用問卷調(diào)查形式，根據(jù)10名相關(guān)專家對巷道穩(wěn)定性的影響打分，建立了判斷矩陣，具體見表4。

表4 騰輝煤業(yè)巷道穩(wěn)定性的評價指標(biāo)與權(quán)值分配

2.5 安全因子確定及巷道穩(wěn)定性分級

將上述指標(biāo)層進(jìn)一步分級，得到各評價指標(biāo)等級劃分類別之間相互重要性，構(gòu)成判斷矩陣。按照上述計(jì)算原理計(jì)算指標(biāo)判斷矩陣的特征向量，再根據(jù)式(5)計(jì)算安全影響因子AQ：

AQ=wi×bij(5)

依據(jù)安全影響因子AQ的計(jì)算結(jié)果確定它的最大值和最小值，當(dāng)該影響因素與巷道穩(wěn)定性正相關(guān)時，即該影響因素取值越大巷道越穩(wěn)定時，選取影響因素取值較大時對應(yīng)的影響因子。將各指標(biāo)對應(yīng)巷道較穩(wěn)定時的影響因子進(jìn)行相加即可得到安全影響因子的下限，即AQmin。反之在確定安全影響因子上限時，選取指標(biāo)對應(yīng)的最不利于巷道穩(wěn)定時的安全因子進(jìn)行加和，得到AQmax。安全因子值越小巷道越穩(wěn)定，越安全。

求解矩陣的特征向量，見表5，得到各指標(biāo)對巷道安全性影響因子，見表6。

表5 評價指標(biāo)等級劃分與判斷矩陣

表6 特征向量(權(quán)重)wi及影響因子AQ

由表6可知：頂板圍巖強(qiáng)度中選取6～10對應(yīng)的影響因子確定安全影響因子下限。當(dāng)該影響因素與巷道穩(wěn)定性負(fù)相關(guān)時，即該影響因素取值越小巷道越穩(wěn)定時，選取影響因素取值較小時對應(yīng)的影響因子；空頂距中選取0～3對應(yīng)的影響因子確定安全影響因子下限。將各指標(biāo)對應(yīng)巷道較穩(wěn)定時的影響因子進(jìn)行相加即可得到安全影響因子的下限；選取指標(biāo)對應(yīng)的最不利于巷道穩(wěn)定時的安全因子進(jìn)行加和，得到安全影響因子上限。

經(jīng)過計(jì)算，依據(jù)安全影響因子定義，分別計(jì)算安全影響因子的最大值及最小值，得到AQmin=0.07484，AQmax=0.67952，取整得到區(qū)間(0.075，0.680)，上述安全影響因子區(qū)間范圍包含不同安全等級，因此將影響因子區(qū)間進(jìn)行均分獲取安全分級，具體見表7。

表7 復(fù)采巷道快速掘進(jìn)安全分級

3 騰輝煤業(yè)復(fù)采大巷安全等級評價

根據(jù)騰輝煤業(yè)三采區(qū)大巷掘進(jìn)面實(shí)際地質(zhì)條件及開采條件，由于在采空區(qū)下方掘進(jìn)，頂板圍巖強(qiáng)度等級劃分在2～4 MPa之間。當(dāng)前空頂距等級劃分在3～6 m之間，兩幫圍巖強(qiáng)度等級劃分在2～3 MPa之間，巷道埋深等級劃分在300～600 m之間，巷道寬度等級劃分在5～7 m之間，底板圍巖強(qiáng)度等級劃分在6～10 MPa之間，巷道高度等級劃分在4～6 m之間，水無影響，由于鄰近采區(qū)已采空最大水平應(yīng)力影響一般，相鄰區(qū)段殘余采動影響較強(qiáng)烈。依據(jù)上述條件確定其安全影響因子AQ為0.398，因此騰輝煤業(yè)三采區(qū)頂板安全等級為“相對安全”，主要原因在于巷道斷面較大，且巷道上部為采空區(qū)，殘余采動影響程度較大。

基于給定的安全等級評價結(jié)果可知，在進(jìn)行巷道掘進(jìn)支護(hù)過程中，重點(diǎn)要加強(qiáng)破碎巖體的控制，在當(dāng)前的圍巖強(qiáng)度、巷道寬度及埋深條件下，選取空頂距在3～6 m之間時是相對安全的，但要進(jìn)一步提高安全性，需要通過調(diào)整殘余采動影響實(shí)現(xiàn)，改善殘余采動影響可以通過圍巖注漿及增加架棚密度的方法實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 論

1)基于復(fù)采區(qū)巷道快速掘進(jìn)的工藝特征，確定了巷道安全性評價的主要指標(biāo)，基于復(fù)采巷道的掘進(jìn)特征，引入了空頂距和相鄰采區(qū)殘余采動影響指標(biāo)。

2)采用層次分析法建立了安全因子分析模型，計(jì)算指標(biāo)值在不同區(qū)間的安全因子，進(jìn)行安全因子等級劃分。

3)綜合各指標(biāo)權(quán)重，得到上述影響因素下的影響因子AQ最大值為0.6795，最小值為0.0748，并將其劃分為5個等級，給出不同等級對應(yīng)的影響因子值，結(jié)合騰輝煤業(yè)三采區(qū)大巷地質(zhì)條件及采掘工藝，最終確定當(dāng)前掘進(jìn)巷道的安全等級為“相對安全”。