基于層次分析法的沖擊礦壓防治方案的研究

祁海澤

(西山煤電股份公司鎮城底礦，山西 古交 030203)

沖擊礦壓是煤礦井下常見災害之一，沖擊礦壓造成了煤礦生產停滯、人員傷亡及經濟損失。因此，對于沖擊礦壓防治的研究尤為重要。目前，針對沖擊礦壓的防治措施國內外學者進行了大量的研究，并且取得了一定的成果。從誘發沖擊地壓條件出發，并從煤巖體應力分布角度總結出戰略性防御和主動解危兩個方面的解決方案但沒有對這兩種防治措施作出恰當地評價，本文為彌補這方面的空白，通過篩選防治指標建立了沖擊礦壓防治方案的模型，對防治方案作出了合理地評價。

1 沖擊礦壓的影響因素

沖擊礦壓的發生是由多種復雜因素導致的，大致概括為地質方面和開采方面。地質方面包括開采深度、礦井頂底板特性、地質構造因素;開采技術方面包括采煤方法、煤柱狀況、采掘順序、頂板控制、放炮等。

1)開采深度的增大導致巖體積聚的彈性勢能增加，沖擊礦壓發生的必要條件是積聚足夠彈性勢能。根據彈性勢能理論，對于采掘深度為H且無采動影響的煤層，此時煤體所受三向應力為:

計算壓縮體積造成的彈性勢能為:

式中:

UV—體變彈性勢能;

E—壓縮彈性模量;

μ—泊松比;

γ—煤體容重。

同理可得，形狀改變造成的彈性勢能為:

當煤層開采擾動后，巷道及工作面圍巖應力進行重新分布。從式(3)、(4)中得出，彈性勢能與開采深度H成正相關的關系。因此，沖擊礦壓的發生一般都會有一個臨界深度。超過臨界深度煤層就會發生沖擊礦壓;未超過臨界深度的煤層，因煤體應力沒有達到破壞條件，不會發生沖擊礦壓。不同的煤層臨界深度也不同，重力型沖擊礦壓的臨界深度比構造型沖擊礦壓的臨界深度大。

2)礦井頂底板特性是沖擊礦壓發生與否的重要因素，根據大量實踐經驗，礦井頂底板巖性越堅硬發生沖擊礦壓的概率越大。

3)不同的地質構造影響著沖擊礦壓，斷層、褶曲、底板突起下陷、煤層分岔等構造帶會形成構造應力場，從而引發沖擊礦壓。尤其在背斜、向斜的軸部會積聚大量的彈性勢能，成為沖擊礦壓最可能發生區。

4)沖擊礦壓同樣受開采技術的影響。不同的采煤方法產生的礦山壓力分布規律也不同;煤柱的孤島形和半島形容易造成集中應力的迭加，對下部煤層形成沖擊;采掘順序影響著礦山壓力的分布;放炮使煤層中的應力重新分布，改變煤體狀態引起沖擊礦壓。

2 沖擊礦壓防治措施評價方法

基于上述對沖擊礦壓影響因素的分析，提出沖擊礦壓的預防及治理措施。

沖擊礦壓危險等級的預測預報，即在未發生沖擊礦壓時，對沖擊礦壓的地點和位置進行預測，對沖擊礦壓發生的強度大小進行預報。目前，沖擊礦壓危險等級的預測預報主要有采礦方法(包括了綜合指數法、數值模擬法、鉆屑法等)和采礦地球物理方法(包括微震法、聲發射法、電磁輻射法、振動法等)。

沖擊礦壓的治理措施包括戰略性防御和主動解危。戰略性防御是指在煤礦的初期設計中，選用合理的開采方法、開采程序及采煤工藝;主動解危主要有卸壓爆破、煤層注水、鉆孔卸壓、定向裂縫法等方法。

2.1 沖擊礦壓防治的層次分析模型

針對沖擊礦壓的影響因素，查閱文獻并結合現場實踐，從而概括、篩選出一套沖擊礦壓防治的指標體系。以沖擊礦壓危險等級的預測預報和沖擊礦壓的治理措施為評價單元。建立了沖擊礦壓防治的層次分析模型，見圖1，其中A為目標層，Bi、Bij為準則層，C為方案層。

圖1 沖擊礦壓防治的層次分析模型圖

2.2 層次單排序

建立沖擊礦壓防治方案的指標體系，還要對評價指標進行賦權。層次分析法通過賦權將復雜問題層次化，將定性問題定量化。

2.2.1 構造兩兩成對比較的判斷矩陣

構造判斷矩陣A=(aij)n×n，判斷矩陣比較標度及含義，見表1。

第二步，計算Mi的n次方根:

第三步，向量歸一化處理:

表1 判斷矩陣的比較標度及其含義表

則，W=(W1，W2，…，Wn)T為所求特征向量。

2.2.3 評價矩陣的一致性檢驗

第一步，計算出判斷矩陣A=(aij)n×n的最大特征根:

2.2.2 計算各指標的權重

第一步，計算判斷矩陣A=(aij)n×n各行乘積:

式中:(AW)i—向量AW的第i個元素。

第二步，計算一致性指標:

式中:n—判斷矩陣的階數。

第三步，計算一致性比率:

式中:RI—為隨機一致性指標。

當CR＜0.10時，該單層次判斷矩陣具有滿意的一致性。否則就要重新調整判斷矩陣，直到滿足CR＜0.10條件為止。

2.3 總層次排序

多層次評價模型是由多個單層次模型組成。層次總排序是在層次單排序的基礎上，自上而下逐層進行，直到最底層。計算公式如下:

第一步，層次總排序的權值:

式中:ai—上一層元素Ai的權值。

第二步，層次總排序的一致性指標:

第三步，層次總排序的隨機一致性指標:

第四步，層次總排序的隨機一致性比指標:

同樣，當CR＜0.10時，多層次判斷矩陣具有滿意的一致性。

3 實例分析

運用層次分析法對沖擊礦壓防治的方案進行比較選擇。

3.1 層次單排序

依據沖擊礦壓防治方案的層次評價模型，通過對各個評價指標進行比較確定權重，從而構造出A層次的判斷矩陣。運用式(5)、(6)、(7)計算，得權值系數向量W。

W=(W1，W2，W3，W4)T=(0.467，0.278，0.16，0.095)T

由 CR=0.011 ＜0.1 得判斷矩陣 A=(aij)n×n滿足一致性要求。

同理，通過構造B層次的判斷矩陣得出B層次的單排序，進而得到B層次的總排序，見表2。

表2 B層次總排序表

3.2 C層次總排序

根據表2結果，再對C層次進行總排序，見表3。

表3 C層次總排序表

由表3的權值排序可以得出，沖擊礦壓防治方案中C1，即沖擊礦壓危險等級的預測預報最優。從實際情況來看，沖擊礦壓的防治應以預防為主、治理為輔、防治結合才能使煤礦更加安全高效的生產。驗證了該模型的準確性。

4 結論

1)闡述了沖擊礦壓對煤礦生產、人員及財產的危害，得出沖擊礦壓的防治刻不容緩。

2)對沖擊礦壓的影響因素進行了分析，為沖擊礦壓防治方案的提出提供了重要依據。

3)提出了沖擊礦壓的防治指標體系，基于層次分析法，建立了沖擊礦壓防治方案的模型，并用實例驗證了模型的準確性。

4)沖擊礦壓的防治應以預防為主、防治結合才能最大程度地創造更多的社會效益和經濟效益。

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