李智勇 屠世浩 屠洪勝 吳 其 陸陽(yáng)杰 張能虎，2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；2.西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西省太原市，030053）

不規(guī)則邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件評(píng)價(jià)及分類(lèi)

李智勇1屠世浩1屠洪勝1吳 其1陸陽(yáng)杰1張能虎1，2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；2.西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西省太原市，030053）

針對(duì)礦井邊角煤的賦存特征，采用模糊綜合評(píng)價(jià)的方法，建立評(píng)價(jià)因素結(jié)構(gòu)，構(gòu)造隸屬函數(shù)，從邊角煤塊段開(kāi)采的總體方面對(duì)其煤層地質(zhì)條件進(jìn)行整體綜合評(píng)價(jià)；根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)礦井邊角煤塊段進(jìn)行地質(zhì)條件分類(lèi)，進(jìn)而為邊角煤塊段采煤工藝的選擇提供理論依據(jù)。

邊角煤塊段 地質(zhì)條件 模糊綜合評(píng)價(jià)

不規(guī)則邊角煤塊段的形狀尺寸不規(guī)則，尺寸變化大，煤層厚度變化不穩(wěn)定，開(kāi)采條件復(fù)雜，使邊角煤塊段開(kāi)采工藝合理選擇缺乏理論依據(jù)。不規(guī)則邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件評(píng)價(jià)是從邊角煤塊段開(kāi)采的總體方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)邊角煤塊段進(jìn)行地質(zhì)條件分類(lèi)，進(jìn)而為采煤工藝方式選擇提供理論依據(jù)。本文將采用目前應(yīng)用比較成熟和可操作性較強(qiáng)的模糊綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 模型構(gòu)造

不規(guī)則邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件評(píng)價(jià)是對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)程度進(jìn)行多層次綜合評(píng)價(jià)，將單因素的評(píng)價(jià)按一定算法映射為一綜合評(píng)價(jià)值，并以此綜合評(píng)價(jià)值的大小來(lái)衡量評(píng)價(jià)樣本屬性的優(yōu)劣程度。

設(shè)評(píng)價(jià)樣本集X＝｛x1，x2，…，xn｝有m

評(píng)價(jià)因素，其指標(biāo)矩陣：

由于每一評(píng)價(jià)因素構(gòu)造了評(píng)價(jià)模糊隸屬函數(shù)，上述指標(biāo)值矩陣X可映像為指標(biāo)隸屬度矩陣R：

多重因素權(quán)重用W＝｛w1，w2，…，wn｝表示。綜合評(píng)價(jià)模型選用加權(quán)平均型，即：

式中：bj——綜合評(píng)價(jià)值。

2 模糊綜合評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)的因素結(jié)構(gòu)

不規(guī)則邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件諸因素間存在著或多或少的成因上的關(guān)系，但對(duì)于評(píng)價(jià)目的而言，如果同一層次因素不存在重疊、包含或者因果關(guān)系，層次間滿足相關(guān)遞進(jìn)的關(guān)系，可以用層次分析法（AHP）建立因素的層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該評(píng)價(jià)因素結(jié)構(gòu)共包括9個(gè)復(fù)合因素和17個(gè)基因素。

圖1 邊角煤塊段評(píng)價(jià)因素結(jié)構(gòu)

2.2 評(píng)價(jià)因素隸屬函數(shù)的構(gòu)造

對(duì)于邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件的開(kāi)采工藝性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)因素的隸屬函數(shù)是對(duì)某一地質(zhì)因素變化對(duì)開(kāi)采效果影響的模糊關(guān)系的定量描述，是模糊綜合評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)。構(gòu)造隸屬函數(shù)可綜合利用技術(shù)總結(jié)、科研成果、統(tǒng)計(jì)分析和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，可采用統(tǒng)計(jì)分析法、待定系數(shù)法、多相模糊統(tǒng)計(jì)法等恰當(dāng)?shù)姆椒ā?/p>

2.2.1 統(tǒng)計(jì)分析法

（1）煤層傾角的隸屬函數(shù)

式中：αi——第i個(gè)見(jiàn)煤鉆孔煤層傾角，（°）。

（2）煤層開(kāi)采厚度H的隸屬函數(shù)

式中：Hi——第i個(gè)見(jiàn)煤鉆孔煤層厚度，m。

（3）工作面長(zhǎng)度L的隸屬函數(shù)

（4）工作面推進(jìn)長(zhǎng)度S的隸屬函數(shù)

式中：Lmax——邊角煤工作面的最大長(zhǎng)度，m；

Lmin——邊角煤工作面的最小長(zhǎng)度，m；

S——工作面推進(jìn)長(zhǎng)度，m。

（6）推進(jìn)轉(zhuǎn)角度ω的隸屬函數(shù)

（7）老巷覆蓋度τ的隸屬函數(shù)

式中：S″——邊角煤塊段內(nèi)老巷覆蓋面積，m2；

S′——邊角煤塊段的面積，m2。

2.2.2 待定系數(shù)法

煤層開(kāi)采性、煤層變異系數(shù)、煤層堅(jiān)硬性等因素與開(kāi)采工藝指標(biāo)之間統(tǒng)計(jì)關(guān)系不明顯，選擇適當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)曲線，最后擬合隸屬函數(shù)的線性或非線性表達(dá)式。依次方法構(gòu)造下列幾個(gè)基因素的隸屬函數(shù)。

（1）煤層開(kāi)采性指數(shù)Km的隸屬函數(shù)

式中：n＇——大于可采厚度的鉆孔數(shù)，個(gè)；

n——全部見(jiàn)煤鉆孔數(shù)，個(gè)。

（2）煤層變異系數(shù)γ的隸屬函數(shù)

H——鉆孔煤厚平均值，m；

Hi——鉆孔見(jiàn)煤厚度，m。

（3）煤層堅(jiān)硬性指數(shù)RA的隸屬函數(shù)

式中：Re——夾矸巖石硬度，MPa；

Rc——煤的單項(xiàng)抗壓強(qiáng)度，MPa；

G——夾矸系數(shù)。

（4）直接頂單向抗壓強(qiáng)度的隸屬函數(shù)

評(píng)價(jià)直接頂穩(wěn)定性以直接頂巖層的單向抗壓強(qiáng)度σ作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（5）老頂支撐性N的隸屬函數(shù)

（6）偽頂厚度h0的隸屬函數(shù)

（7）底板單向抗壓強(qiáng)度的隸屬函數(shù)

評(píng)價(jià)底板強(qiáng)度取直接底巖層的單向抗壓強(qiáng)度RD作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（8）夾矸系數(shù)G的隸屬函數(shù)

式中：Gi——第i個(gè)鉆孔內(nèi)煤層夾矸厚度，m；

Hi——第i個(gè)見(jiàn)煤鉆孔煤層厚度，m。

（9）陷落柱強(qiáng)度指數(shù)k的隸屬函數(shù)

式中：si——塊段內(nèi)第i個(gè)陷落柱影響面積，km2；

s′——邊角煤塊段開(kāi)采面積，km2；

ηi——塊段內(nèi)第i個(gè)陷落柱破壞厚度與開(kāi)采厚度的比值。

2.2.3 多元隸屬函數(shù)法

依此方法可構(gòu)造斷層影響的多元隸屬函數(shù)：

式中：q1——斷層密度，單位面積內(nèi)斷層的條數(shù)，

q2——斷層長(zhǎng)度指數(shù)，是指塊段單位面積內(nèi)斷層長(zhǎng)度之和

q3——斷層落差系數(shù)，用煤層開(kāi)采厚度的對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行修正，

n1——塊段內(nèi)的斷層條數(shù)，個(gè)；

s——塊段面積，km2；

li——第i條斷層的長(zhǎng)度，m；

hi——第i條斷層的落差，m；

H——工作面開(kāi)采厚度，m。

2.3 評(píng)價(jià)因素權(quán)重的確定

確定邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件評(píng)價(jià)因素的權(quán)重以開(kāi)采規(guī)律為依據(jù)，以地質(zhì)條件與開(kāi)采工藝的相互適應(yīng)性為主要內(nèi)容，充分利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、研究成果和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)。目前最常用的方法有專(zhuān)家評(píng)分法和層次分析法等。本評(píng)價(jià)主要采用層次分析法確定出各平價(jià)因素的權(quán)重。

層次分析法的步驟為：構(gòu)造判斷矩陣，判斷矩陣權(quán)重計(jì)算，判斷矩陣一致性檢驗(yàn)。

3 煤層地質(zhì)條件分類(lèi)及應(yīng)用

3.1 煤層地質(zhì)條件分類(lèi)

本評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于不規(guī)則邊角煤塊段，根據(jù)各邊角煤塊段的綜合評(píng)價(jià)值可將所評(píng)價(jià)的邊角煤塊段分成4個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表1。

表1 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分類(lèi)表

3.2 工程應(yīng)用

3.2.1 工作面概況

西曲礦邊角煤2.3＃－6塊段工作面位于北五盤(pán)區(qū)中部，北鄰待采的22504工作面，南鄰已經(jīng)回采的22502工作面，工作面西北部為小窯破壞區(qū)。工作面所采煤層為2.3＃煤層，煤層厚度穩(wěn)定，煤厚3.85～4.20m，一般厚4.05m；2.3＃煤層普遍含有一層夾矸，工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚0.90m，上履細(xì)砂巖厚2.40m，直接底為砂質(zhì)泥巖厚2.30m。工作面煤層傾角變化較大，煤層整體傾向南西，西南部?jī)A角較大，東北部?jī)A角較小，工作面煤層傾角4～16°，平均8°，該邊角煤塊段開(kāi)采不受斷層、陷落柱以及空巷的影響，工作面長(zhǎng)為150m，推進(jìn)長(zhǎng)度為100m，開(kāi)采過(guò)程中工作面長(zhǎng)度不變，不需變向，塊段煤層可采性為1。

表2 邊角煤2.3＃－6塊段評(píng)價(jià)因素隸屬函數(shù)值

3.2.2 隸屬函數(shù)值的確定

根據(jù)構(gòu)造的評(píng)價(jià)因素的隸屬函數(shù)，結(jié)合該邊角煤塊段的實(shí)際情況，計(jì)算各因素的隸屬函數(shù)值見(jiàn)表2。

3.2.3 評(píng)價(jià)因素權(quán)重確定

經(jīng)過(guò)對(duì)專(zhuān)家的咨詢(xún)調(diào)查，對(duì)邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件多因素評(píng)價(jià)構(gòu)成的判斷矩陣的結(jié)果見(jiàn)表3～表8。

表3 A～B層判斷矩陣

表4 B1～C判斷矩陣

表5 B2～C判斷矩陣

表6 B6～C判斷矩陣

表7 B7～C判斷矩陣

表8 B8～C判斷矩陣

對(duì)以上判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，當(dāng)隨機(jī)性比值CR＜0.1時(shí)，判斷矩陣具有滿意的一致性。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 判斷矩陣CR值計(jì)算結(jié)果

對(duì)于不規(guī)則邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件的評(píng)價(jià)可構(gòu)造A～B和Bi～C兩層矩陣。

表10 各因素權(quán)重計(jì)算結(jié)果

（1）對(duì)于所構(gòu)造的判斷矩陣，用乘積n次方根法求相對(duì)權(quán)系數(shù)。

對(duì)于A～B矩陣：

對(duì)于Bi～C矩陣：

（2）C層基因素相對(duì)于A層的權(quán)系數(shù)可用式（23）計(jì)算，即：

最終計(jì)算出的復(fù)合因素及基因素的各權(quán)重系數(shù)合理，見(jiàn)表10。

3.2.4 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)模型，計(jì)算出不規(guī)則邊角煤2.3＃－6塊段的煤層地質(zhì)條件綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果為0.935，該塊段地質(zhì)開(kāi)采條件為優(yōu)，可以采用綜采工藝進(jìn)行開(kāi)采。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)西曲礦38個(gè)邊角煤塊段進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中地質(zhì)條件為優(yōu)的塊段有27個(gè)，可采儲(chǔ)量為5.3Mt，占該礦邊角煤總可采儲(chǔ)量的70.18%；地質(zhì)條件為良的塊段有6個(gè)，可采儲(chǔ)量為1.37Mt，占18.12%；地質(zhì)條件一般的塊段有5個(gè)，可采儲(chǔ)量為8.85Mt，占11.7%。

（2）邊角煤2.3＃－6塊段通過(guò)煤層地質(zhì)條件綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為0.935，因而可以采用綜采。綜合考慮其現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，采用MG250／600－WD型采煤機(jī)、ZZ5200／19.5／42型液壓支架以及SGZ－764／630型刮板輸送機(jī)配套開(kāi)采，采出煤量為7.6萬(wàn)t，塊段采出率為93%，塊段凈收益達(dá)4700余萬(wàn)元。

[1] 劉書(shū)民，梁旭.工作面煤層地質(zhì)條件開(kāi)采工藝性可拓評(píng)價(jià)[J].中國(guó)煤炭，2011（3）

[2] 張東升，徐金海.礦井高產(chǎn)高效開(kāi)采模式及新技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

[3] 張東升，張吉雄，張先塵.工作面煤層地質(zhì)條件開(kāi)采工藝性的模糊綜合評(píng)價(jià)[J].系統(tǒng)工程學(xué)報(bào)，2002（6）

[4] 張朋柱，劉軍.選擇煤炭回采工藝方式的遞階結(jié)構(gòu)模型與求解[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，1999（8）[5] 張科學(xué)，白建彪，郝云新等.煤巷錨桿支護(hù)效果的多層次模糊綜合評(píng)價(jià)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010（8）

[6] 郭德勇，范金志，馬世志等.煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)層次分析－模糊綜合評(píng)判方法[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（7）

Evaluation and classification of coal geology of mine irregular leftover coal

Li Zhiyong1，Tu Shihao1，Tu Hongsheng1，Wu Qi1，Lu Yangjie1，Zhang Nenghu1，2

（1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.Xishan Coal Electricity Group Co.Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030053，China）

For the features of mine leftover coal，by using the fuzzy comprehensive evaluation method，establishing the evaluation of the factor structure and constructing the membership functions，the overall evaluation of the geological conditions of its coal seam from overall aspects of mine leftover coal were conducted.According to evaluation results，the classification of geological conditions for mine leftover coal were carried out，then the theoretical basis for mining technology to select mine leftover coal were provided.

mine leftover coal，geological conditions，fuzzy comprehensive evaluation

TD823.88

A

李智勇（1986－），男，江蘇省沛縣人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事采礦方法與礦業(yè)系統(tǒng)工程方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）