王恩博 孫耀光 高 宇
(同煤集團金莊煤業)
底抽巷圍巖穩定性與瓦斯抽采效果是影響底抽巷位置的重要因素[1]。底抽巷的作用主要是布置鉆場,進行瓦斯預抽采,多用于防突工程。此外,底抽巷一般先于回采巷道開挖,其開挖的卸壓作用能夠影響后續采煤活動的采場礦山壓力分布,減輕回采巷道的破壞程度[2]。但是,回采巷道的開挖引起底抽巷圍巖應力再次改變,使得底抽巷圍巖破壞加?。?]。因此,底板瓦斯抽放巷的位置選擇是一個較為復雜的決策過程。因評價指標不確定、難以定量描述物理指標以及人為選擇傾向,底抽巷的位置選擇極具主觀性和模糊性。
傳統的底抽巷位置選擇往往考慮單方面因素或主觀經驗,難以確定出最佳位置方案。通過層次分析,盡可能考慮影響底抽巷位置的主要因素,劃分、建立因素的層次關系,并定量表示相同層次指標的相對重要性,依據數學方法確定相同層次元素的權值,根據模糊評價理論,建立底抽巷位置選擇的評判模型,確定最佳位置方案[4]。
首山一礦采用底板巖巷穿層抽采、水力壓裂以及深孔爆破等措施掩護煤層平巷掘進,取得了一定效果。但由于底抽巷和煤層平巷的相對位置選取不合理,目前存在的問題:①鉆孔終孔位置準確率偏低,瓦斯抽放效果較差,防突可靠性降低,煤巷掘進速度慢;②煤層平巷掘進和工作面回采引起底抽巷圍巖應力再次改變,導致錨桿、錨索的受力狀態發生改變,底抽巷變形破壞嚴重。為了充分發揮底抽巷作用,需對底抽巷位置進行評價,實現礦井的安全高效生產。
首先建立評價指標體系。評價指標體系應遵循合理性、準確性與科學性,以盡量少的指標、盡可能全面反應評價對象的主要信息[5]。從底抽巷圍巖穩定性與瓦斯抽采效果角度出發,建立底抽巷位置選擇評價指標體系,如表1所示。
表1 底抽巷位置選擇評價指標體系
在建立了底抽巷位置選擇的指標評價體系后,采用層次分析法確定各個指標權重?;谀:龜祵W及文獻[6],構造比較標度,如表2所示。
表2 比較分值含義
根據各個元素的相對重要性,建立比較判斷矩陣Q=(qxy)n×n,其中n為判斷矩陣階數。即:
采用特征根法確定權重向量,即解矩陣Q特征根:
式中,w為最大特征根λmax所對應的特征向量,將w歸一化后即得到權重向量。
計算出λmax后需進行一致性檢驗,以保證評判結果與實際狀況符合。一致性檢驗指標:
式中,RI為平均一致性指標,取值見表3。
表3 平均隨即一致性指標取值[7]
當CR<0.1時,判斷矩陣Q的一致性滿足要求,否則應調整Q,直至CR<0.1。
建立二級模糊評判模型,需要確定方案集G、因素集U、隸屬陣T以及因素權重集w。對于方案集G={G1,G2,G3,…,Gn},其中任一方案 Gj(j=1,2,…,n)都是因素集上的 m 維向量:Gj={Gj1,Gj2,Gj3,…,Gjn}。因素權重集 w={w1,w2,w3,…,wm}表示各因素的重要程度,并有
采用隸屬函數法確定定量指標的隸屬度[8]。設m個定量指標的n個方案組成的矩陣為:
定量指標可由收益性指標和消耗性指標組成。例如,對于底抽巷位置選擇而言,瓦斯抽采平均濃度、瓦斯鉆孔施工準確率、瓦斯抽采量為收益性指標,指標值越大則越有利;巷道頂底板移近量與兩幫移近量為消耗性指標,指標值越大則越不利。
對于收益性指標,令tij=kij/maxkij;
對于消耗性指標,令 tij=minkij/kij;i=1,2,…,m;j=1,2,…,n得到目標相對隸屬度矩陣:
根據隸屬度矩陣T和因素權重w,對方案進行綜合評判:
式中,bj(j=1,2,3,…,n)為方案 Gj的綜合優越度。
首山一礦己二采區煤層平均埋深750 m,平均煤厚3.5 m,煤層傾角6°~14°,煤層頂底板巖性見圖1。確定8個備選方案,如圖2所示,即底抽巷與回采巷道的垂距5 m和10 m,平距為0,5,10,15 m;分別將方案標為 G1,G2,G3,…,G8。
圖1 己15-17煤層圍巖狀況
圖2 底抽巷方案布置(單位:m)
基于工程實際條件,采用FLAC3D依次開挖底抽巷和回采巷道,得到不同方案的模擬結果,如圖3所示。各巷道頂底板移近量和兩幫移近量見表3所示。平距分別為0,5,10和15 m底抽巷的瓦斯鉆孔施工準確率、瓦斯抽采平均濃度及單孔瓦斯平均抽采量試驗數據進行統計,結果見表4、表5。
圖3 巷道變形模擬結果
表4 巷道變形統計 mm
表5 底抽巷瓦斯抽采狀況
根據多名專家主觀評價及層次分析法,確定各因素權重,建立各個因素的評判矩陣(表6),并得矩陣最大特征值 λmax=3,CI0=0,得 RI0=0.58,CI0=0<0.1。因此該判斷矩陣滿足一致性檢驗標準,權重向量 w={0.098,0.338,0.564}。
同理,得到二級評價指標權重向量
表6 判斷矩陣
各個指標權重排序見表7,底抽巷位置選擇的權重向量為:w={0.049,0.049,0.169,0.169,0.080,0.242,0.242}。
表7 二級指標權重表
7個定量指標的目標特征值矩陣為
對K進行規格化后,得:
則方案集G的綜合評判結果為B=wT=(0.874,0.673,0.663,0.649,0.887,0.699,0.591,0.634).
綜上,G1~G8各方案的綜合優越度依次為0.874,0.673,0.663,0.649,0.887,0.699,0.591,0.634。能夠看出,G5方案最優,故選用G5方案。
將G5方案應用于工程實踐,巷道變形監測及瓦斯抽采監測表明,該方案能夠很好的同時兼顧巷道穩定性與瓦斯抽采效果。
(1)基于層次分析法,建立了底抽巷位置選擇的指標評價體系,并計算了7個指標的權重,確定出滿足一致性檢驗的權重向量。
(2)運用模糊數學理論,建立了底抽巷位置選擇的綜合評判模型,并進行了實例分析,依據評判結果選擇G5方案,工程實踐表明,該方案能同時滿足巷道穩定性與瓦斯抽采效果要求。
[1] 李林博.基于巷道穩定性和防突效果的底抽巷位置優化研究[D].焦作:河南理工大學,2013.
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