煤礦巷道穩定性評價體系及其分析

杜志強

(大同煤礦集團有限責任公司四老溝煤礦，山西 大同 037003)

0 引言

在煤炭開采過程中，巷道事故是常見事故之一。隨著礦井深度越來越深，受礦山壓力和采動的影響，巷道的穩定性控制越來越困難，巷道穩定性的科學評價對煤礦安全生產有著非常重要的指導意義。本文將層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)應用于巷道安全性分析中，對各類因素進行分析，對其權重進行排序，通過數學模型的分析與處理，對巷道的穩定性進行評價。既能克服憑經驗判斷的弊端，還能結合實際進行有針對性的分析指導。

1 礦井概況

同煤集團某礦井田面積89.51 km2，南北長15.7 km，東西寬5.0～7.4 km，礦井設計能力500 Mt/a，服務年限96.3 a，可采煤層11層。采用斜井、立井混合開拓方式，地質構造簡單，無斷裂構造，無巖漿巖侵入，煤層屬近水平煤層，水文地質條件較簡單，煤層瓦斯含量低，屬易自燃煤層，煤塵具有爆炸危險性。

2 煤礦巷道穩定性評價體系的建立

2.1 評價指標的選擇原則

安全管理系統是綜合性很強的復雜系統，要想對其進行評價，科學、合理的選擇指標是基礎和重點。選擇指標應當符合客觀規律，并通過理性分析，圍繞安全管理工作建立有層次的指標體系。體系應當保證每個因素相對獨立，指標之間互不交叉。

2.2 評價體系的建立

在AHP分析中，所有評價的影響因素都是通過具體的指標來體現的。選擇的指標要通過對評價目標的詳細分析，過濾掉不重要的因素，留下重要指標。選擇的指標根據煤礦安全生產及管理的實際情況，通過與專家、一線技術人員以及管理人員的交流和溝通，結合現場資料分析后，選擇了4個中間層指標和22個因素，構建了評價體系，如圖1所示。

3 煤礦巷道穩定性的AHP分析

3.1 判斷矩陣的建立

在AHP分析法中，建立的判斷矩陣是通過對各個指標相互比較而得到量化標度。其原理如下，如果X因素與其下層因素Y1，Y2，…，Yn有關聯，則其判斷矩陣如式(1)所示。

圖1 評價體系結構示意圖

(1)

式中：xij的取值是通過Yi(i= 1，2，3，…，n)和Yj(j= 1，2，3，…，n)相對重要性度量值而確定的。度量標準見表1所示，其中度量標準為2，4，6，8時，說明度量標準介于表1中兩個相鄰度量等級之間。

表1 度量標準

根據式(1)對圖1的評價體系構造A～B層、B～C層的判斷矩陣分別為

3.2 權重計算及一致性檢驗

權重計算：

H=(h1,h2,…,hn)T

(2)

H也是XH=λmaxH最大特征根λmax對應的特征向量。由此求得

(3)

根據式(2)和式(3)求得判斷矩陣A所對應的特征向量(即權重值)和λmax為：HA=[b1，b2，b3，b4]T=[0.166 7，0.333 2，0.333 2，0.166 7]T，λmaxA= 4.018。同理，可以求得B1～B4所對應的特征向量(即單層排序)和特征值。計算結果見表2。

表2 煤礦巷道穩定性的AHP分析結果

一致性檢驗：

CR=CI/RI

(4)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(5)

式中：CR—判斷矩陣的隨機一致性比率，如果CR<0.10，層次單排序結果就有滿意的一致性，否則需要重新取值；CI—判斷矩陣的一致性指標；RI—平均隨機一致性指標，取值見表3。

表3 平均隨機一致性標準

由式(4)和式(5)求得所有判斷矩陣的CR均<0.10，說明結果均具有滿意的一致性。

3.3 層次總排序及總一致性檢驗

最底層各影響因素C1，C2，…，C22對最高層因素A的影響權重向量為

Q=[q1,q2,…q22]T

(6)

qk=ckbl

(7)

k=1，2，3，…，8時，l=1；k=9，10，…，14時，l=2；k=15，…19時，l=3，k=20，21，22時，l=4。

式中：Q—因素C1，C2，…，C22對A層影響的權重向量；qk—C層因素對A層影響的權重值；ck為—層因素對B層影響的權重值；bl—B層因素對A層影響的權重值。

所以，由式(6)和式(7)式求得C層各因素對A層的權重向量(即層次總排序)，將權重值填入表2。

總排序的隨機一致性比率為

(8)

由式(8)求得CRs<0.10，層次總排序結果通過一致性檢驗。

3.4 巷道穩定性評價

根據煤礦巷道現狀，建立打分參考標準：狀況很好評90～100分、狀況良好評80～89分、狀況較差評70～79分、狀況很差評0～69分，并據此進行現場打分結果填入表2。

綜合評價計算如下式

(9)

式中：F—巷道安全性評價得分；P—因素C1，C2，…，C22的現場打分結果矩陣；pk—現場打分結果。

根據(9)式可得煤礦巷道安全性評價得分F= 85.34。

3.5 評價結果分析

由HA可以看出，在A～B層中，巷道支護與巷道施工權重大于地質條件與巷道監測，因此這兩個方面要更為重要一些。由表2觀察HB1,HB2，HB3和HB4結果可知，在B1-C層中，巖體結構、頂板巖性以及地下水情況所占權重較大；在B2-C層中，支護方式與支護參數所占權重較大；在B3-C層中，施工質量權重最大；在B4-C層中，頂板位移監測權重最大。根據各具體因素對整個巷道安全性的影響權重來看，權重排序前三的是施工工藝、頂板位移監測以及支護參數的選擇。巷道安全評價得分為85.34，表明巷道狀況良好，比較穩定。

通過計算和分析可知，在煤礦的日常生產管理過程中，為了提高巷道穩定性，要注重巷道施工工藝和施工質量，加強對支護的管理與巡檢，還要提高對頂板位移的監測等工作。

4 結論

(1)根據層次分析法(AHP)建立了煤礦巷道安全評價體系，既有利于安全性評價，也有利于煤礦的安全管理。通過權重分析，得出巷道支護與巷道施工權重大于地質條件與巷道監測；在B1-C層中，巖體結構、頂板巖性以及地下水情況所占權重較大；在B2-C層中，支護方式與支護參數所占權重較大；在B3-C層中，施工質量權重最大；在B4-C層中，頂板位移監測權重最大；權重總排序結果顯示權重最高的三項是施工工藝、頂板位移監測以及支護參數的選擇。安全評價得分為85.34，表明巷道狀況良好，比較穩定。

(2)在煤礦的日常生產管理過程中，為了提高巷道穩定性，要注重巷道施工工藝和施工質量，加強對支護的管理與巡檢，還要提高對頂板位移的監測等工作。

(3)本文是AHP在巷道穩定性分析中的應用的初步研究，在體系建立、判斷矩陣的構建上仍有不足。但結果證明，AHP用于巷道穩定性分析具有一定的科學性和實踐性。