基于模糊綜合評價的回采巷道支護參數設計

李 強

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司 ，山西 晉城 048000）

0 引 言

隨著我國煤礦巷道支護技術的不斷改革和發展，錨桿支護已然成為我國煤礦井下巷道的主要支護手段，這主要是由于采用錨桿支護具有支護效果好、安全度高、支護成本低、工人勞動強度低等優勢[1]。錨桿支護技術的關鍵在于巷道支護參數的確定，然而支護參數的確定又取決于巷道圍巖狀況。巷道圍巖穩定性評價是對巷道圍巖質量和穩定狀態進行分析的一種簡單且有效的方法，對巷道圍巖錯綜復雜的內在關系以一種抽象、概括的圍巖分類形式來表示。相對于理論計算[2]和數值計算[3]的方法，綜合評價考慮的因素更多，分析過程更加靈活。特別是巷道圍巖穩定性分析這類同時具有不確定性、隨機性和模糊性的問題，理論計算和數值計算的方法很難得到理想的結果，而模糊數學理論恰好是為解決這類問題而發展的。將模糊數學理論運用到巷道圍巖穩定性綜合評價中，能夠很好地解決影響因素多，模糊性強的巷道圍巖穩定性分類問題。所以本文提出模糊綜合評價法對巷道圍巖穩定性進行分類，并根據分類結果提出對應的指標參數設計。

2 模糊綜合評價方法

模糊綜合評價法就是應用模糊變換原理和最大隸屬度原則，綜合考慮各個重要影響因素（指標）基礎上，對系統總體所做評價[4]。其兩個重要概念就是指標集和評語集，指標集指所考慮的影響因素的集合；評語集指將指標劃分等級評判標準的集合。模糊數學綜合評價就是通過計算各指標對評語等級的隸屬度，再結合每個指標的重要程度，以加權求和的方法得到評價對象的綜合隸屬度，從而確定最終等級。其中隸屬度表示分類對象屬于該類別中的程度，是模糊數學的精髓。

設指標集為 U=｛u1,u2,…,um｝，評語集合為 V=｛v1,v2,…，vn｝，則指標 ui對抉擇等級 vj的隸屬度 rij，其是通過隸屬函數計算得到，這里選擇梯型分布函數[5]的隸屬度計算方法，這樣指標ui的單因素評價集ri，即ri是抉擇評語集合V上的模糊子集，ri={ri1,ri2,…,rin}。這樣，綜合m個指標的評價集就得到一個總的評價矩陣R。

R表示指標集合U到抉擇評語集合V的一個模糊關系。于是，綜合考慮個指標的貢重要程度得到模糊綜合分類模型為：

其中W=(w1,w2,…,wm)T(wi=1)為指標權向量，表示指標的相對重要性；bj（j=1,2,…,n）為評價對象對等vj的隸屬度，按照最大隸屬度原則，將評價對象歸屬到數值最大的bj所對應的等級vj。

3 基于模糊綜合評價支護設計

3.1 工程背景簡介

山西蘭花科創玉溪煤礦1302工作面位于玉溪井田南部，東西走向，大采高綜采工藝回采3#煤層。3#煤層位于山西組下部，緩傾斜煤層，傾角小于8°；埋深大約在500m～600m范圍，厚度在5.12～7.20m范圍，平均5.85m，純煤厚度4.62m～7.00m，平均5.71m，結構簡單，全區穩定可采。煤層底板向上0.95m處有一平均厚度為0.28m的較穩定泥巖或炭質泥巖夾矸層，除這一較穩定夾矸層外，3#煤層內還有其他零星夾矸。3#煤層底板均為泥巖，下距15#可采煤層82.80m～84.54m，平均84.34m。工作面煤層及頂底板巖性描述見圖1。

圖1 工作面柱狀圖

3.2 模糊綜合評價結果

依據《緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩定行分類方案》，選擇巷道頂板強度（σt）、煤層強度（σc）、底板強度（σb）、巷道埋深（H）、巖體完整性指數（D）、直接頂厚度與采高的比值（N）和護巷煤柱寬度（X）等7個因素作為評價指標，將巷道圍巖穩定性劃分為5個等級，指標等級劃分標準見表1所示。結合玉溪煤礦1302工作面基本情況，總結出各指標取值見表2。

表1 指標分級標準

表2 1302工作面回采巷道圍巖穩定性評價指標取值

要準確得到模糊評價矩陣，就要更為準確的判斷每個因子相較于各層的隸屬函數，通過計算得到玉溪煤礦1302工作面回采巷道的單因素評價矩陣為：

利用層次分析法[6]得到指標權重為：W=(0.11,0.21,0.03,0.12,0.19,0.3,0.11)T。根據公式（2）得到玉溪煤礦1302工作面回采巷道綜合隸屬矩陣為：

根據最大隸屬度原則，得出玉溪煤礦1302工作面回采巷道屬于Ⅳ類不穩定煤層巷道。

3.3 支護參數設計

根據煤巷錨桿支護技術規范推薦的Ⅳ類巷道錨桿基本支護形式，結合1302工作面回采巷道的生產技術條件，綜合考慮巷道安全穩定、支護成本、巷道掘進速度。最終確定玉溪煤礦1302工作面輔回采巷道支護方案為：頂板和巷幫選用φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其規格為φ22×2400mm，頂板錨桿間距為900mm，排距為900mm；兩幫錨桿間距為1000mm，排距為900mm。

3.4 支護效果驗證

錨桿支護參數對巷道支護效果最直觀表現是巷道斷面的變形情況，因此選擇FLAC數值模擬軟件，通過建立支護前后數值計算模型計算巷道圍巖移近量來驗證上文得到的錨桿支護參數合理性。依據1302工作面工作面回采巷道地質及生產條件，取40m×30m的范圍為計算模型，網格劃分為149×139=20711個單元，建立玉溪煤礦1302工作面回采巷道采用上文支護方案前后的圍巖變形破壞特征分析數值計算模型，如圖2所示。

圖2 支護前后計算模型

圖3 支護前后垂直位移云圖

圖4 支護前后水平位移云圖

將支護前與采用支護后模擬得到的巷道的變形情況進行對比分析，可知提出的支護方案能夠有效保證1302工作面回采巷道圍巖的穩定，顯著地降低了巷道斷面收縮變形。從模擬結果變形圖中可以看出，巷道支護前，頂底板最大移近量為1010mm，兩幫最大移近量為836mm；巷道支護以后頂底板最大移近量為439mm，兩幫最大移近量為468mm，即巷道支護后頂底板移近量降低了56.6%，兩幫移近量降低了61.1%，說明巷道圍巖變形得到了顯著控制，詳見圖3～圖4。

4 結 論

1）通過模糊綜合評價法得到玉溪煤礦1302工作面回采巷道屬于Ⅳ類不穩定巷道。

2）通過數值模擬計算結果可知，玉溪煤礦1302工作面回采巷道圍巖變形量較大，巷道圍巖穩定性較差，所以將該巷道劃分為Ⅳ類不穩定巷道是合理的，則運用模糊綜合評價對巷道圍巖進行分類的方法是可靠的。

3）通過數值模擬計算結果可知，提出的支護方案能夠有效保證1302工作面輔助運輸順槽圍巖的穩定，說明基于模糊綜合評價方法的支護參數設計是可行的。