基于模糊綜合評判的沖擊地壓危險性分區(qū)預(yù)評價技術(shù)研究*

尹永明，張興凱，周建新，姜秀慧，溫經(jīng)林

(1. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012；2. 北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

0　引言

沖擊地壓是我國煤礦最為嚴(yán)重的動力災(zāi)害之一，近年來隨著礦井開采深度不斷增加和開采強度的不斷加大，沖擊地壓礦井越來越多，嚴(yán)重制約了礦山安全生產(chǎn)[1-2]，沖擊地壓危險性評價作為沖擊地壓防治的基礎(chǔ)工作，我國修訂后的《煤礦安全規(guī)程》在沖擊地壓防治章節(jié)明確要求“開采具有沖擊傾向性的煤層，必須進行沖擊危險性評價”。針對采煤工作面，如能在工作面開采前進行沖擊地壓危險性評價，即實現(xiàn)“采前”評價，將有利于提前采取針對性的解危措施，對工作面沖擊地壓防治具有重要的指導(dǎo)作用。目前，常用的沖擊地壓危險性評價方法多采用經(jīng)驗類比分析法和現(xiàn)場實測法[3-4]。經(jīng)驗類比分析法是將具有相似地質(zhì)開采條件的采煤區(qū)域與已發(fā)生沖擊地壓的區(qū)域進行對比分析，判斷發(fā)生沖擊地壓的可能性，屬于“采前”評價；現(xiàn)場實測法主要是通過現(xiàn)場布置測點，監(jiān)測工作面開采過程中參量變化，綜合評價沖擊地壓發(fā)生的危險性，主要有鉆屑法、應(yīng)力測定法[5]、電磁輻射監(jiān)測法[6]、地音監(jiān)測法[7]等，多屬于“采中”評價。經(jīng)驗類比分析法往往只關(guān)注了需評價采煤區(qū)域與已發(fā)生沖擊地壓區(qū)域兩者之間的相似因素，而忽視了需評價采煤區(qū)域與之不同的其他影響因素，且經(jīng)驗類比分析法一般將各影響因素作為一個獨立的個體進行分析，而未考慮各因素之間的相互關(guān)系，因此，經(jīng)驗類比分析法具有一定的片面性且受評價人主觀性影響較大。現(xiàn)場實測法通過現(xiàn)場布點監(jiān)測反映沖擊地壓危險性的參量變化，評價結(jié)果更具客觀性，實現(xiàn)了沖擊地壓危險性“精準(zhǔn)”評價，但是現(xiàn)場實測法屬于“采中”評價，相較于經(jīng)驗類比分析法這一“采前”評價方法，在時間上具有滯后性，無法有效指導(dǎo)工作面開采前期沖擊地壓預(yù)防工作。根據(jù)沖擊地壓機理，沖擊地壓是應(yīng)力作用下煤巖體突然破壞的結(jié)果[8-10]，沖擊地壓的根本控制因素是“應(yīng)力”，而煤巖體所處應(yīng)力環(huán)境受地質(zhì)、開采條件等因素綜合影響，且工作面不同區(qū)域應(yīng)力影響因素賦存特征不同，因此，本文應(yīng)用模糊綜合評價法[11]，模擬工作面開采過程，對工作面開采過程中不同區(qū)域煤體應(yīng)力影響因素進行綜合分析，評判沖擊危險性，從而實現(xiàn)了采煤工作面沖擊危險性分區(qū)預(yù)評價。該方法屬于“采前”評價，同時該方法實現(xiàn)了沖擊地壓影響因素定量化，減少了主觀性影響，評價結(jié)果更“精準(zhǔn)”，利于根據(jù)評價結(jié)果提前采取針對性的解危措施。該評價方法在山東某煤礦3105工作面進行了應(yīng)用，評價結(jié)果較好的反映了工作面沖擊地壓危險區(qū)域分布情況，與現(xiàn)場實際基本吻合，有利的指導(dǎo)了該工作面沖擊地壓防治工作。

1　模糊綜合評價模型建立步驟

模糊綜合評價是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，首先考慮與被評價事物相關(guān)的各個因素，對其進行綜合評價，然后對這些因素進行綜合分析，得出綜合評價結(jié)果。主要包括以下步驟：

1)建立影響因素集。用U表示：U={U1,U2,...,Um}，其中，Um代表第m個影響因素，m表示影響因素的個數(shù)。

2)建立評語集，既危險性評價等級。用V表示:V={V1,V2,...,Vn}，其中Vn表示第n個評價結(jié)果，n表示總的評價結(jié)果個數(shù)。

3)確定單因素權(quán)重向量W。單因素權(quán)重向量的大小反映了沖擊地壓各影響因素對沖擊地壓危險性影響程度的大小。

4)構(gòu)造關(guān)系模糊矩R。一個具體的模糊對象，首先確定合理的隸屬函數(shù)，然后應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法進行定量分析。

5)模糊綜合評價。對各影響因素進行綜合分析，得出綜合評價結(jié)果。

2　沖擊地壓危險性模糊綜合評價模型的建立

2.1　建立沖擊地壓影響因素集

遵循重要性、獨立性和普遍性原則等，結(jié)合該煤礦地質(zhì)開采條件，根據(jù)專家及現(xiàn)場技術(shù)人員經(jīng)驗，確定7個應(yīng)力影響因素，分別為煤巖沖擊傾向性、開采深度、煤巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)、煤柱影響和工作面開采方式，建立模糊綜合評價模型。具體見表1所示。

表1　影響因素等級

1)煤巖沖擊傾向性。根據(jù)GB/T 25217.2-2010《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法第2部分：煤的沖擊傾向性分類及指數(shù)的測定方法》，煤的沖擊傾向性的強弱，一般根據(jù)測定的4個指數(shù)進行綜合衡量。沖擊能量指數(shù)KE、彈性能量指數(shù)WET、動態(tài)破壞時間DT和單軸抗壓強度Rc4個指標(biāo)進行評價。

2)開采深度。開采深度主要影響原巖應(yīng)力的大小。一般情況下，開采深度越大，煤巖體內(nèi)應(yīng)力水平越高，煤巖體積聚的彈性能越大。

3)煤巖結(jié)構(gòu)。煤巖結(jié)構(gòu)是指其運動對采場礦山壓力顯現(xiàn)產(chǎn)生明顯影響的煤(巖)層或巖層組[12-13]。這些巖層(組)一般為相對厚而硬的巖層，易于積聚高彈性能，是誘發(fā)沖擊地壓的關(guān)鍵巖層，低(淺)位堅硬巖層也是發(fā)生沖擊地壓的必要條件。

4)地質(zhì)構(gòu)造。褶曲、斷層、煤層相變帶等地質(zhì)構(gòu)造帶附近，一方面較大的殘余應(yīng)力的存在使這些區(qū)域成為構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)，是沖擊地壓易發(fā)區(qū)。

5)覆巖空間結(jié)構(gòu)[14]。覆巖空間結(jié)構(gòu)在形成過程中產(chǎn)生頂?shù)装宓钠屏选⑾鲁痢⑿D(zhuǎn)等運動，成為動載荷“力源”，從而可能誘發(fā)沖擊型突出。其對回采工作面的影響主要發(fā)生在以下幾個階段：工作面初次來壓階段、周期來壓階段、工作面見方階段等。根據(jù)以上各階段可劃分受覆巖空間結(jié)構(gòu)影響的沖擊地壓危險區(qū)。

6)煤柱。煤柱因受多個采空區(qū)方向引起的支承壓力的疊加影響而存在應(yīng)力集中區(qū)，煤柱本身已可能誘發(fā)沖擊型突出，同時上層煤柱可能會對下層傳遞集中應(yīng)力，使下層也容易發(fā)生沖擊地壓。煤柱賦存特征包括煤柱寬度、周圍采空區(qū)分布情況等的不同使受煤柱影響的沖擊地壓危險性不同。

7)開采速度。工作面開采速度越快，對煤巖層擾動越大，也更易形成應(yīng)力集中區(qū)。

2.2　建立沖擊地壓危險性評價等級

沖擊地壓是應(yīng)力作用下煤巖體突然破壞的結(jié)果，本文根據(jù)各影響因素作用下待評價區(qū)域煤巖體應(yīng)力集中程度的大小劃分沖擊地壓危險性等級，煤巖體應(yīng)力集中程度越高，沖擊地壓危險性也相對越大，將沖擊地壓危險性分為3個等級，即無危險性、中度危險性和高度危險性，分別用Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ表示。

2.3　確定單因素權(quán)重向量

在進行綜合評價前，應(yīng)確定各個因素權(quán)重。為保證確定的結(jié)果能夠真實反映實際情況，采用層次分析法(AHP法)[15]。根據(jù)騰東礦區(qū)地質(zhì)開采條件，向具有現(xiàn)場經(jīng)驗的技術(shù)人員和專家發(fā)放1-9標(biāo)度法調(diào)查表，根據(jù)打分結(jié)果確定各個因素的影響程度，進而構(gòu)造判斷矩陣，求得各因素權(quán)重。根據(jù)一致性檢驗結(jié)果，確定沖擊地壓影響因素權(quán)重集，見表2所示，其中：

W=[0.255,0.131,0.161,0.161,0.122,0.095,0.075]

2.4　構(gòu)造關(guān)系模糊矩陣

在模糊數(shù)學(xué)中，以隸屬度來描述事物重的模糊界限的。從表1可以看到，所取因素指標(biāo)有2種，定量指標(biāo)和定性指標(biāo)。根據(jù)確定隸屬函數(shù)的原則，對表1中的定量指標(biāo)的隸屬度，通過對各評價指標(biāo)值進行統(tǒng)計分析，選取的各評價指標(biāo)對沖擊地壓發(fā)生危險性3級劃分的隸屬函數(shù)為嶺形模糊分布，標(biāo)準(zhǔn)方程如下：

(1)

式中:u1(xi)，u2(xi)，u3(xi)均為指標(biāo)對3個級別沖擊型突出危險性的隸屬度；xi為第i個因素的指標(biāo)值；ai，bi，ci為第i個因素指標(biāo)的分界值。

對表1中的定性指標(biāo)可按一定準(zhǔn)則作數(shù)量化處理。本文采用分級法來評定其模糊矩陣Ri。即將各因素按其對發(fā)生沖擊地壓危險的影響程度分成3個等級:嚴(yán)重影響(0.8)、中度影響(0.6)、無影響(0.3)，并按賦值標(biāo)準(zhǔn)給出評定值。再采用梯形隸屬函數(shù)，構(gòu)建隸屬函數(shù)如下：

(2)

根據(jù)上面隸屬函數(shù)求解公式計算可得到評價對象所決定的因素集U中的每一個因素Ui對評價結(jié)果V上的模糊子集為Ri=[ri1,ri2,ri3]。

U中各個元素對V的模糊子集可以組成關(guān)系模糊矩陣R。

2.5　模糊綜合評價

將關(guān)系模糊矩陣R與通過 AHP法計算得到的權(quán)重矩陣W按加權(quán)平均算法合成，得到綜合評價集B，再按最大隸屬度原則，即可對某采煤工作面沖擊地壓危險性進行模糊綜合評價。

B=W·R=[b1,b2,b3]

(3)

由此得到評價集V的模糊子集B，分向量值最高者在V評價集中所屬的位置即為所求的評價級別。

根據(jù)采煤工作面地質(zhì)開采條件，應(yīng)用上述模糊綜合評價模型，對工作面進行模擬開采劃分危險區(qū)域，并對沖擊地壓危險程度進行等級劃分，根據(jù)劃分等級指導(dǎo)沖擊地壓防治工作，提高了礦山生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟效益。

3　工程實例

山東某煤礦3105工作面屬于深井厚煤層綜放工作面，工作面回采的3下煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，賦存穩(wěn)定，傾角6.5～13°，平均8°，屬近水平煤層，煤厚3.5～7.2 m，平均4.9 m，煤層硬度相對較大，普氏系數(shù)f為2.2～2.5，煤層密度1.50 t/m3。工作面走向長度1 200 m，傾斜長度110 m，平均采深940 m，采用全部垮落法管理頂板，下部相鄰3107工作面采空區(qū)。區(qū)段上平巷為膠帶巷，下平巷為軌道巷。工作面斷層發(fā)育，對回采工作面有較大影響。直接頂為厚5.01 m細(xì)粒砂巖，距煤層上方46 m處、70 m處、86 m處分別有一層厚14 m中粒砂巖、厚16 m粗粒砂巖和厚67 m礫巖層。經(jīng)沖擊傾向性鑒定，該3下煤層屬于Ⅲ類，為具有強沖擊傾向性的煤層。

以對工作面初次來壓階段沖擊地壓危險性進行評價為例。應(yīng)用礦山壓力與巖層運動理論計算得到工作面初次來壓步距為40～50 m。該階段沖擊地壓危險性各項評價因素的指標(biāo)見表2。

根據(jù)式(1)，式(2)及表2可得相應(yīng)的子集等級模糊關(guān)系矩陣R。

表2　3105工作面初次來壓階段沖擊地壓危險性評價因素指標(biāo)

按式(3)進行模糊綜合評價并作歸一化處理，得模糊綜合評價結(jié)果：

B=W·R=(0.1320.0370.831)

按最大隸屬度原則可知，工作面初次來壓階段發(fā)生沖擊地壓危險性級別為高度危險性，結(jié)合工程現(xiàn)場經(jīng)驗及實際情況，并考慮一定的安全系數(shù)，將距開切眼0～90 m范圍內(nèi)劃定為初次來壓階段沖擊地壓高度危險區(qū)。

同理對3105工作面不同位置發(fā)生沖擊地壓危險性進行模糊評價。評價結(jié)果如表3，其中高度危險區(qū)7個，中度危險區(qū)4個，分別用紅色、黃色表示，如圖1所示。經(jīng)鉆屑法檢驗，評價結(jié)果與現(xiàn)場實際基本相符，說明本文建立的沖擊地壓模糊綜合評價模型在煤礦沖擊地壓危險性分區(qū)預(yù)測預(yù)報方面具有準(zhǔn)確、可靠的特性。

表3　3105工作面沖擊型煤與瓦斯突出危險區(qū)劃分

注：①危險區(qū)位置范圍為距開切眼距離；②模糊綜合評價得到工作面初次來壓階段、“見方”階段及斷層區(qū)域均為高度危險區(qū)。

圖1　3105工作面沖擊地壓危險區(qū)示意Fig.1　The danger zone of rockburst on LW 3105

4　結(jié)論

1)建立了沖擊地壓危險性模糊綜合評價模型，模擬工作面開采過程，對工作面開采過程中不同區(qū)域煤體應(yīng)力影響因素進行綜合分析，評判沖擊危險性，實現(xiàn)了采煤工作面沖擊危險性分區(qū)預(yù)評價，按危險程度對采煤工作面沖擊地壓危險區(qū)域進行了劃分。

2)確定評價因素指標(biāo)及其權(quán)重是進行沖擊地壓危險性分區(qū)評價的關(guān)鍵。根據(jù)專家經(jīng)驗及試驗研究，確定了7個主要影響因素，能夠充分反映工作面沖擊地壓危險區(qū)域應(yīng)力環(huán)境。

3)采用該評價方法對山東某煤礦3105工作面進行沖擊地壓危險性分區(qū)評價，得到7個沖擊地壓高度危險區(qū)，4個中度危險區(qū)，評價結(jié)果與現(xiàn)場實際基本吻合，表明該模型是合理可行的。

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