緩傾斜煤層頂煤冒放性評價

秦落銘

(沁和能源集團有限公司永安煤礦，山西 沁水 048200)

煤炭是我國最重要的一次性消費能源，在全國范圍內儲量豐富，地質賦存條件也是各種各樣的。就煤層賦存的厚度、傾角而言，煤厚大于5 m以上的厚煤層占總儲量的45%;緩傾斜煤層占48%，急傾斜煤層占31%［1－2］。而以往開采緩傾斜厚煤層主要采用長壁傾斜分層冒落法和充填法。這些常規的采煤法，在技術經濟合理性方面都存在著不同程度的機械化程度低、煤炭回采率低、安全程度低、經濟效益差等問題。我國在1982年首先在沈陽蒲河礦進行了特厚煤層綜放開采的工業性試驗，取得了成功。至此，綜采放頂煤開采技術開始在我國有條件的地區推廣開來。可以說，綜放開采是厚煤層開采的優化開采技術，提高了煤炭資源的回采率，符合可持續發展的觀點。

頂煤冒放性研究屬于放頂煤開采的核心問題。而放頂煤的冒放性評價屬于非常復雜的問題，其設計的影響因素是多方面的，具有一定的模糊性。因此，利用模糊數學的知識對放頂煤的冒放性評價是合適的。以往采用較多的方法是對各影響因素進行模糊打分［1］，最后得出模糊隸屬度。本文采用的模糊數學則是建立單因素模糊隸屬度函數，結合模糊權向量給出綜合模糊隸屬度，避免了打分過程中的主觀性［3－4］。

1 緩傾斜煤層頂煤冒放性等級的劃分

1．1 頂煤冒放性影響因素的確定

根據我國已有的緩傾斜煤層頂煤冒放性研究分析表明，影響煤與瓦斯突出的主要因素為6個：開采深度、煤層厚度、頂煤的單向抗壓強度、夾矸層厚度、煤體內裂隙的發育程度、直接頂巖層的充填系數等，

1)開采深度。從宏觀上來看，100 m深度以內的煤層，煤壁前方的支撐壓力對頂煤基本無壓力作用，頂煤的冒放性極差，不宜使用放頂煤開采;一般來說，煤層埋深越深，放頂煤的效果越好。

2)煤層厚度。由于放頂煤開采時，底層煤一般是2～3 m，對煤厚要求最小的一次采全高放頂煤開采，其采放比一般是1∶3，因此，放頂煤開采的煤層最小臨界厚度為［2］。

3)頂煤的單向抗壓強度。煤層強度對頂煤的冒放性有直接的影響，一般用普氏系數f來表示煤層的強度大小，而f=RC/10，其中RC為頂煤的單向抗壓強度。一般來說普氏系數越小，頂煤的冒放性越好。

4)夾矸層厚度。煤層中出現夾矸層是很普遍的現象。經過現場觀測證明，0．3 m以下的夾矸層多呈片狀或板狀冒落，對頂煤冒放性影響不大。一般來說，夾矸層越厚，對頂煤的冒放性影響越大。

5)煤體內裂隙的發育程度。煤體內的裂隙包括微觀裂隙和宏觀裂隙，其中微觀裂隙對頂煤冒放性影響不大，宏觀裂隙對頂煤的冒放性影響較大，這是因為宏觀裂隙的存在直接影響導致了煤體強度。根據文獻中提出的裂隙分形特征值ND來表示煤體內裂隙的發育程度。顯然ND越大，頂煤的冒放性越好。

6)直接頂巖層。無論從頂煤的回收效果還是礦壓控制的角度來看，都希望直接頂跨落后能夠充填滿采空區。因此，選用直接頂的充填系數K來衡量直接頂巖層對頂煤冒放性的影響。一般說來，充填系數K越大，頂煤的冒放性越好［1］。

1．2 頂煤冒放性的分類

結合以上6個影響因素和現場的統計資料，將頂煤的冒放性分為以下 5 類，即 V={v1，v2，v3，v4，v5}。

Ⅰ類：冒放性極好。只要選擇合適的支架和開采工藝參數，可獲得很好的技術經濟指標。

Ⅱ類：冒放性好。只要選擇合適的支架和合適的放煤口尺寸和位置，可獲得好的技術經濟指標。

Ⅲ類：冒放性中等。在選擇合理的架型基礎上，采取合理的采煤工藝和參數，可獲得較好的技術經濟指標。

Ⅳ類：冒放性較差。除選擇合理的架型外，必須采取專門的頂煤破碎處理措施，才可獲得較好的技術經濟指標。

Ⅴ類：冒放性差。即使采取了專門的頂煤破碎處理措施，也無法獲得較好的技術經濟指標。

1．3 頂煤冒放性影響因素的取值

為了利用模糊綜合評價模型對頂煤的冒放性分類評價，現根據以上所述和現場的統計資料，將上述6個影響因素具體化，形成單因素模糊評價指標，見表1。

表1 頂煤冒放性模糊分類單因素指標表

2 緩傾斜煤層頂煤冒放性評價模糊綜合評價模型

緩傾斜煤層頂煤冒放性評價是多層次、多目標、多因素控制的復雜模糊系統，對這類系統進行評價具有模糊性。本文運用了最大隸屬度原則和加權平均原則相結合的方法對頂煤冒放性進行了模糊綜合評價。

2．1 建立評價對象的因素集

在模糊綜合評價法中，因素是參與評價的評價指標，而在對頂煤冒放性的定量綜合評價時，需建立評價對象的因素集：U={u1，u2，u3…uj…un}，用其來參與評價n個影響因素的實際測定。

2．2 建立評價對象的標準因素集

在建立評價對象因素集的同時，還存在與各個影響因素相應的頂煤冒放性類別的集合：V={v1，v2，v3…vj…vn}。

2．3 確定評價因素的模糊權向量

通常各因子的重要程度不同，對每個因子賦與一個相應的權重構成權重集。因子的權重值確定方法如下：

式中：ci—因子ui的實測數值;

si—因子ui是頂煤冒放性類別的標準值;

wi—因子ui的權重值。

在模糊綜合評價中，ai本質上是因子ui對評價事物的重要程度，為進行模糊運算，對各因子的權重值進行歸一化運算，得出因子的權重ai：

2．4 確定單因素評價矩陣R進行單因素評價

關于隸屬度的確定，從一個ui出發進行評價，以確定評價對象對評價集元素vj的隸屬度rij(j=1，2，…，m)。ui屬于第j類冒放性情況的隸屬函數為：

上述n項因子指標，分別計算出權重后，組成一個1×n模糊權重集：

式中：rij—因子ui對j類冒放性的隸屬度;

ci—因子ui的實測數值;

si，j—因子 ui第 j類冒放性標準。

對第i個因子ui評價的結果組成單因素模型評價集Ri=(ri1，ri2，…，rim)。根據以上計算過程可得到相應于每個因子的單因素模糊評價集：

若共有n項影響因素m類冒放性，將第i個單因素模糊評價集Ri的隸屬度為行組成單因素評價矩陣，則可寫出下列n×m階的模糊距陣R。

2．5 綜合評價。

單因素模糊評價僅反映一個因子對評價對象的影響，而未反映所有因子的綜合影響，也就不能得出綜合評價的結果。模糊綜合評價考慮所有因子的影響，將模糊權向量A與單因素模糊評價矩陣R復合，得出每個被評價事物的模糊綜合評價向量B。

其中，bj稱為評定指標，它是綜合考慮所有因子的影響時，評價對象對評價集中第j個元素的隸屬程度。顯然R的第i行表示第i個因子影響評定對象時對各個評價元素的隸屬程度，第j行表示第j個因子影響評定對象時對各個評價元素的隸屬程度。因此，每列元素再乘以相應的因子權數，更為合理地反映每個因素的綜合影響［5］。

3 工程實踐應用

為了更好地利用上述模型進行模糊評價分類，本文選取了10組煤層厚度不大于7 m的放頂煤開采案例和10組煤層厚度大于7 m的放頂煤開采案例。此時，表1單因素指標中的煤層厚度一列只需選取前者作為評價標準。表2和表3分別給出相應的案例。

表2 煤厚不大于7 m案例表

表3 煤厚大于7 m案例表

根據表2，最終確定煤層厚度不大于評價對象因素集為：

煤層厚度大于評價對象因素集為：

以序號為10的案例樣本計算為例，根據模型計算得到的各因子的權重為：

其他的各案例樣本，根據上述的模糊綜合評價模型，通過利用matlab［6］編程可以求解得到，各案例相對各分類的綜合隸屬度以及相應的判別級別，見表4。

根據文獻［1］的統計資料可知，上述求解得到的結果與實際情況基本一致。上述10個煤層厚度不大于7 m已知的放頂煤開采案例有8個案例，只要選擇合適的支架和放煤工藝參數，就能獲得較好的放煤效果和技術經濟指標;上述10個煤層厚度大于7 m已知的放頂煤開采案例有6個案例，只要選擇合適的支架和放煤工藝參數，就能獲得較好的放煤效果和技術經濟指標。

表4 評價結果表

4 結論

1)本文給出了一種新的利用模糊數學的知識進行頂煤冒放性評價的技術途徑。在使用模糊綜合評價的模型過程中，沒有了以往需要進行專家打分一項，減少了人為主觀性。

2)通過案例計算，可以看出模型的適用性較好，能夠給出較為準確的預報數據。

3)綜采放頂煤開采技術提高了煤炭的回采率，而研究頂煤的冒放性是決定是否采用放頂煤技術開采的先決條件。因此，頂煤的冒放性研究具有其現實意義與實際背景。

［1］ 宋選民．綜放采場放頂煤冒放性控制理論［M］．北京：煤炭工業出版社，2002：3－10．

［2］ 杜計平，孟憲銳．采礦學［M］．徐州：中國礦業大學出版社，2009：138－140．

［3］ 汪 浩，馬武生．Fuzzy綜合評價模型在京杭大運河揚州段水質評價中的運用［J］．淮海工學院院報，2008，17(4)：57－60．

［4］ 韓中庚，杜劍平．淮河水質污染的綜合評價模型［J］．大學數學，2007，23(4)：133－136．

［5］ 蔣澤軍，王麗芳，高宏賓．模糊數學教程［M］．北京：國防工業出版社，2004：35－37．

［6］ 張志涌，楊祖櫻．MATLAB教程［M］．北京：中國航空航天出版社，2006：55－70．