煤礦沖擊礦壓危險性評價方法探究

樊智林

(同煤集團四臺礦，山西 大同 037003)

0 引言

在煤礦生產中，會遇到巖體能量猛然釋放導致煤巖失穩沖擊的情況，這就是沖擊礦壓現象。經過各種理論的研究發現，沖擊礦壓發生的核心都是煤層應力狀態的改變，其中煤層地質條件和煤炭開采技術是影響應力的主要因素。因此，如果能夠建立評價體系，通過對主要因素的分析，對不同區域的沖擊礦壓進行評價，從而劃分不同危險性等級，采取有針對性的措施，對煤礦的安全生產具有重要的作用。

當然，煤礦沖擊礦壓是一個多因素耦合的復雜過程。評價體系的建立需要能夠對不同因素進行研究，并采取科學、客觀的方式進行定量計算，才能得到比較可靠的結果。因此，選擇層次分析法進行研究。

1 煤礦沖擊礦壓的影響因素與評價體系

1.1 煤層地質條件

煤層地質條件是煤巖應力產生的基礎，決定了整個區域的應力大小。主要因素包括開采深度、斷層、煤層傾角、煤層厚度劇烈變化等。其中，經過大量的現場測試和數值模擬可知，開采深度與沖擊礦壓產生的概率大小在一定深度范圍內成正比關系，煤層厚度劇烈變化會導致沖擊礦壓的發生，傾角的大小會影響煤體應力集中的情況，斷層則破壞了煤巖的連續性，會導致沖擊礦壓發生次數增加。通過對文獻資料的查閱，建立了煤層地質條件的評價標準，見表1。

表1 影響煤礦沖擊礦壓各因素的評價標準

1.2 煤炭開采技術條件

靜態開采技術條件：對采煤工作面而言，靜態開采技術條件主要是指回采巷轉彎和停采線。轉彎次數多的話，會導致回采至該區域時出現應力集中現象，增大了發生沖擊礦壓的危險性。而工作面回采接近停采線的時候，停采線附近煤體由下山和采空區，形成了一個大煤柱，使得上覆巖層很大一部分重量轉移到了停采線煤柱上，產生應力集中，增加了沖擊發生的可能性。其評價標準見表1。

動態開采技術條件：對采煤工作面而言，動態開采技術條件是指老頂初次來壓、工作面見方等會給開采帶來沖擊載荷的因素。頂板破裂會產生沖擊載荷，頂板懸露面積較大同樣會造成應力集中導致沖擊發生。其評價標準見表1。

1.3 煤礦沖擊礦壓危險性評價體系

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。根據前文分析，結合現場實際并通過與一線技術人員、管理人員的交流和溝通，構建了煤礦沖擊礦壓危險性評價體系，如圖1所示。

圖1 評價體系結構示意圖

2 煤礦巷道穩定性的AHP分析

2.1 判斷矩陣的建立

在AHP分析法中，判斷矩陣的建立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

(1)

在式(1)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2，其中度量標準為2，4，6，8時，說明度量標準介于表2中2個相鄰度量等級之間。

表2 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

2.2 權重計算及一致性檢驗

單層次排序與總排序計算：

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]T=[0.593 6，0.249 3，0.157 1]T，λmaxA=3.053 6。同理，可以求得B1～B3所對應的特征向量(即單層排序)和特征值。計算結果見表3。

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,…,q8]T

(4)

qk=ckbl

(5)

k=1，2時，l=1；k=3，4時，l=2；k=5，…，8時，l=3。

式中：Q—因素C1，C2，…，C8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—C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(4)和式(5)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3。

表3 煤礦沖擊礦壓危險分析數據計算結果

一致性檢驗：

CR=CI/RI

(6)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(7)

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4。

表4 平均隨機一致性取值

由式(6)和式(7)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。

總排序的隨機一致性比率：

(8)

由式(8)求得CRs<0.10，層次總排序結果通過一致性檢驗。

2.3 綜合評價

根據前文所述的評價標準，以某巷道為例，進行評價，評分結果計入表3。綜合評價計算如下式

(9)

式中：F—評價得分；P—因素C1，C2，…，C8的現場打分結果矩陣；pk—現場打分結果。

綜合評價體系中，滿分為5分，則2分以下可評為危險，2～4分評為中等，4分以上評為安全。根據(9)式可計算出評價得分F=2.12，因此該區域沖擊礦壓危險等級為中等。

3 結論

(1)通過對影響煤礦沖擊礦壓的因素進行分析，基于層次分析法建立了煤礦沖擊礦壓危險性評價體系。體系的建立既有利于煤炭安全開采，也有利于煤礦的安全管理。通過權重分析，結合打分可以對某區域進行綜合評價。計算結果證明，這一方法能夠客觀、科學地判斷區域沖擊礦壓危險性。

(2)文中是采用層次分析法對煤礦沖擊礦壓危險性評價的初步研究，在體系建立、判斷矩陣的構建以及評分等方面雖仍有不足，但初步研究可以說明，該方法具有一定的科學性和實踐性，具有一定的實踐價值，可以此為基礎，進行更加深入的研究。