基于層次分析法的綜采工作面過空巷方案優選

王鵬宇，宋曉波，李鵬，甄政，張雷雷

(1.潞安化工集團有限公司古城煤礦， 山西 長治市 046108；2.潞安化工集團有限公司余吾煤業公司， 山西 長治市 046103；3.潞安化工集團有限公司常村煤礦， 山西 長治市 046102)

在煤礦實際生產過程中，綜采工作面一直面臨著推過空巷的問題。所謂空巷是指在工作面回采前方存在的與工作面平行，或成一定夾角的、已經失去服務功能的廢棄巷道，有些與工作面切眼位于一個水平位置，有些位于切眼上方或下方[1-2]。古城煤礦 N1305工作面是該礦的首個無煤柱開采工作面，回采原50 m護巷煤柱時需推過聯絡巷。在從安全可靠、成本投入、工藝難易程度、資源開采、經濟合理等方面評選各個推過方案時，發現有些方案為經驗定性分析，給合理選擇方案造成很大困難。本文在分析過空巷方案主要影響因素的基礎上，結合層次分析法，構建優選結構模型，通過權重計算給出最優方案，為現場施工方案的決策選擇提供量化的參考。

1 工程概述

古城煤礦 N1305工作面地面標高為+915 m～+936 m，埋深為503.8 m～581.4 m，開采3#煤層，煤層賦存穩定，平均厚為6.32 m，煤層傾角為6°。直接頂為0～12.25 m厚的泥巖、砂質泥巖，局部為粉砂巖；直接底為0～3.85 m厚的砂質泥巖、泥巖，局部為細砂巖。工作面采用綜合機械化放頂煤工藝進行回采，采高(3.2±0.1) m。

工作面巷道布置如圖1所示。

為實現無煤柱開采，相鄰工作面回采時采用沿空留巷技術，將一條順槽保留下來作為N1305工作面的輔助進風順槽，該巷道與N1305主要進風順槽之間的護巷煤柱為50 m，每間隔200 m布置有若干聯絡巷。N1305主要進風順槽與輔助進風順槽為沿頂板掘進巷道，回采過程中聯絡巷位于支架上方，受超前支承壓力的作用，兩側煤壁處于破碎狀態，失去承載作用，直接頂和基本頂很容易在空巷上方提前破斷，頂板破碎嚴重，極易形成大面積下沉，甚至可能發生冒頂和壓架事故[3-4]。

圖1 N1305工作面布置

2 工作面過空巷方案

聯絡巷沿頂板掘進，巷寬3.3 m，巷高3.2 m，支護形式為錨網索+梯子梁支護，錨索為“3-3-3”布置，排距為900 mm；每排4根錨桿，排距為900 mm。結合工作面現場情況和其他礦井過空巷經驗，制定了如下4種過高位空巷方案[5-6]。

2.1 直接推過法

回采至空巷前不進行支護，依靠原支護維護頂板。揭露空巷時，沿煤層底板直接回采，采用調偽斜方法回采。具體方法為：揭露聯絡巷前，端頭多進4～6個循環，揭露聯絡巷后，只端尾進刀4～6個循環，即端尾進刀后返空刀至工作面中部，再頂溜向端尾割煤進刀，確保快速推過空巷。該方法回采工藝簡單，不增加額外工作量和支護成本，且不會造成煤柱丟失，資源開采率高，但是安全性較低，來壓后可能破壞空巷內現有支護，造成頂板冒落矸石引起壓架事故。

2.2 木垛支護法

該方法為在回采至空巷前 50 m時，間隔 1.5 m～3 m，提前在聯絡巷內打設11～16個木垛加強支護，并用鋼絲繩將木垛與鋼筋托梁相連。揭露空巷時，沿煤層底板回采，支架稍降前移至木垛下方然后升緊，通過木垛與頂板接頂。該方法與直接法類似，不同的是，回采前和回采時整個過程中木垛始終支護空巷頂板，降低了頂板破壞冒落的風險，但是木垛承載力低，非常容易失穩破壞，而且增加了一定的支護成本。

2.3 漂刀推過法

該方法為在回采至空巷前15 m時，在該區域提前留底煤回采，每循環留底煤150 mm，逐漸上漂。揭露空巷時，沿空巷底板回采，支架與空巷頂板直接接頂。推過空巷后，再每循環向下割底煤150 mm，逐漸向下沿煤層底板回采。該方法會造成少回采3500 t煤炭資源，經濟損失較大。但該方法安全可靠性高，回采工藝簡單，不需要額外的工序和支護成本。

2.4 全部充填法

回采至空巷前，在空巷兩側巷口設置圍擋，向巷內充填水泥、高水材料、超高水材料等充填漿液，依靠良好的流動性，自流充滿聯絡巷空間。揭露空巷時，沿煤層底板回采，采煤機直接截割充填體，支架直接與頂板接頂，與截割實體煤無異。該方法雖然回采時工藝簡單，安全可靠性高，也不造成煤柱損失，但是需要額外增加充填設備和工作量，而且需要不少于500 m3的充填物料，成本較高。

3 基于層次分析法的過空巷方案優選

層次分析法是將與決策有關的因素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎上對定性問題進行定量分析的一種實用的多準則決策方案[7-12]。根據以上4種可行的過空巷方案，在分析主要影響因素的基礎上，確定層次結構模型，計算準則層權重，最后得出層次總排序權向量，為方案決策提供參考依據。

3.1 建立層次結構模型

根據現場經驗和相關文獻，初步將影響過高位空巷方案選擇的影響因素分為回采工藝、施工安全性、成本投入、資源開采4個方面，具體如圖2所示。

圖2 空巷推過方案的層次結構模型

3.2 構造判斷矩陣和一致性檢驗

構造判斷矩陣是層次分析法的關鍵步驟，由多個專家根據表1中的標度進行兩兩比較并賦值。

表1 判斷矩陣的標度值

準則層4個影響要素相對于目標層的判斷矩陣A為：

權向量為：

根據層次分析法相關公式對判斷矩陣A的一致性進行檢驗：

因CR＜0.1，所以判定矩陣A的不一致程度是可以接受的。根據權向量A，在選擇推過方案時，首先要考慮施工安全性，其次是資源開采，最后考慮回采工藝復雜程度和成本投入，且給出了各個因素確的量化值，為選擇方案提供了具有比較意義的參考。

3.3 計算方案層相對于準則層各要素的權重

先從回采工藝復雜程度方面，對4種方案進行兩兩比較，由專家賦值得到判斷矩陣B1：

經計算，B1的權向量為：

故B1的不一致程度可接受，權向量W(B1)為4種方案在回采工藝方面的權重，數值越大，表示工藝越簡單。

類似地，由專家分別從施工安全、成本投入、資源開采 3個方面對 4種方案進行兩兩比較并賦值，得出判斷矩陣B2、B3、B4。

經計算，B2、B3、B4的CR值分別為0.0240、0.0785、0.0192，均小于0.1，所以B2、B3、B4的不一致程度均可接受。對應的權向量分別為：

3.4 確定最優方案

進行方案總排序計算，結果如下：

根據計算結果可知，綜合考慮全部充填法是最優選、最安全可靠的方案，但從回采工藝和成本投入來說又有明顯的劣勢。漂刀推過法和木垛支護法綜合來看是相差不多的2種方案，現場施工時可以作為備選方案。

（1）從結合古城煤礦施工現場的實際情況，確定了該礦N1305工作面過空巷的4種可行方案：直接推過法、木垛支護法、漂刀推過法和全部充填法，并定性分析各方案的優缺點。

（2）在方案選擇時著重考慮了4個影響因素，且給出了4個因素的權向量。根據權向量大小，應首先考慮施工安全性，其次是資源開采，最后考慮回采工藝復雜程度和成本投入。

（3）運用層次分析法確定了全部充填法為最優方案，且給出了各個方案優劣一個綜合量化值，決策者在選擇方案時可參考該量化值進行決策。