魏 坤 王 沉 卜永強(qiáng)

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇省徐州市，221116；3.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州省貴陽市，550025)

★ 煤炭科技·機(jī)電與信息化★

基于AHP的薄煤層滾筒采煤機(jī)綜采工藝適應(yīng)性評(píng)價(jià)研究

魏 坤1,2王 沉3卜永強(qiáng)1,2

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇省徐州市，221116；3.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州省貴陽市，550025)

為了定量地綜合評(píng)價(jià)薄煤層滾筒采煤機(jī)綜采工藝的適應(yīng)性，以神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡稱涼水井煤礦)4-3薄煤層為工程背景，將模糊層次分析法、統(tǒng)計(jì)分析法引入滾筒采煤機(jī)綜采工藝評(píng)價(jià)中?；趯哟尉C合評(píng)價(jià)模型建立了薄煤層滾筒采煤機(jī)綜采工藝綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)造了隸屬函數(shù)，得到了各基因素的隸屬度與權(quán)重，最終得到了定量評(píng)價(jià)結(jié)果，驗(yàn)證了涼水井煤礦選用滾筒采煤機(jī)綜采工藝的合理性。

薄煤層滾筒采煤機(jī) 綜采工藝 適應(yīng)性評(píng)價(jià) 層次分析法

目前，我國薄煤層資源儲(chǔ)量豐富，可采儲(chǔ)量約占煤炭總儲(chǔ)量的20%，但薄煤層年產(chǎn)量僅占全國總產(chǎn)量的10.4%，因此發(fā)展高效機(jī)械化開采技術(shù)是薄煤層開采亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。由于滾筒采煤機(jī)綜采工藝具有割煤、破巖和過斷層能力強(qiáng)、推進(jìn)速度快、生產(chǎn)效率高以及對(duì)煤層賦存條件的變化適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此我國薄煤層工作面開采中普遍采用該綜采工藝。近年來，模糊層次分析法廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)綜采工藝選擇及設(shè)備配套選型的合理性。涼水井煤礦在結(jié)合煤層賦存特點(diǎn)、產(chǎn)量要求等條件，決定采用滾筒采煤機(jī)綜采工藝。為了確定選用滾筒采煤機(jī)綜采工藝的合理性，本文采用層次分析法(AHP)的定量評(píng)價(jià)展開系統(tǒng)性的研究。

1 煤層賦存地質(zhì)條件

涼水井煤礦主采的4-3薄煤層位于431盤區(qū)，盤區(qū)內(nèi)煤層埋藏平均為142 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單較穩(wěn)定，裂隙及次生裂隙不發(fā)育，變異系數(shù)為0.21，屬于淺埋近水平穩(wěn)定煤層。4-3薄煤層的單軸抗壓強(qiáng)度約為30 MPa，煤層大部分可采，可采指數(shù)為0.78，煤層局部含夾矸，夾矸率為9%，且以粉砂巖為主。煤層頂板以淺灰色中、細(xì)粒砂巖及粉砂巖為主，夾薄煤層砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，平均厚度為24.92 m，其中直接頂厚度為8.53 m，巖層的單軸抗壓強(qiáng)度為50～70 MPa，煤層底板以粉砂巖為主，局部含有泥巖、細(xì)粒砂巖，巖層的單軸抗壓強(qiáng)度平均為60 MPa。盤區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層，無褶曲影響。礦井水文地質(zhì)類型為極復(fù)雜，431盤區(qū)煤層自然瓦斯成分以N2為主，CO2次之，CH4少量至微弱，屬于瓦斯礦井。煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅰ類，具有爆炸危險(xiǎn)性。

2 基于層次分析法的綜合評(píng)價(jià)模型

模糊綜合評(píng)價(jià)中常用最大隸屬度原則，結(jié)合薄煤層綜采實(shí)踐及指標(biāo)體系，采用加權(quán)平均型的模糊合成算子計(jì)算公式見式(1)：

(1)

式中：Mj——第j個(gè)樣本的綜合評(píng)價(jià)值；

Pi——第i項(xiàng)因素的權(quán)重；

rij——第j個(gè)評(píng)價(jià)樣本中第i個(gè)因素的隸屬度。

基于以上模糊層次分析法建立的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，確定影響薄煤層滾筒采煤機(jī)綜采工藝適應(yīng)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)(基因素)，建立關(guān)于各評(píng)價(jià)指標(biāo)的多層次綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化及無量綱處理，并按照一定的算法將各基因素的評(píng)價(jià)映射為確定的綜合評(píng)價(jià)值，以此綜合評(píng)價(jià)值的大小進(jìn)行評(píng)價(jià)薄煤層滾筒采煤機(jī)綜采工藝的適用性。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取與量化

在建立薄煤層滾筒采煤機(jī)綜采工藝適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及確定綜合權(quán)重值之前，應(yīng)選取最優(yōu)化的基因素作為量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)層次分析法的模糊理論，并結(jié)合薄煤層地質(zhì)賦存條件，確定了該評(píng)價(jià)模型的基因素為煤層厚度、煤層傾角、煤層硬度、煤層可采性、煤層變異性、煤層夾矸率、直接頂、偽頂、基本頂、底板硬度、底板起伏度、工作面長度、可推進(jìn)長度、斷層、褶曲、瓦斯、水文和煤層自燃性18個(gè)因素。薄煤層滾筒采煤機(jī)綜采工藝適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 薄煤層滾筒采煤機(jī)綜采工藝適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 煤層賦存條件

為了對(duì)各基因素進(jìn)行最優(yōu)化評(píng)價(jià)，需要分別進(jìn)行量化，得到與之對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。

(1)煤層厚度。以主采煤層的煤層厚度平均值作為量化參數(shù)值。

(2)煤層傾角。以主采煤層的煤層傾角平均值作為量化參數(shù)值。

(3)煤層硬度。煤層硬度的大小是影響薄煤層綜采量及機(jī)械化開采的重要因素，煤層硬度的評(píng)價(jià)指標(biāo)見式(2)：

R=(1-G)Rc+GRw

(2)

式中：R——綜合強(qiáng)度，MPa；

G——夾矸率；

Rc——煤的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

Rw——夾矸單軸抗壓強(qiáng)度，粉砂巖取經(jīng)驗(yàn)值40 MPa。

(4)煤層穩(wěn)定性。評(píng)價(jià)煤層穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)分別選用主采煤層的可采性指數(shù)km、煤厚變異性系數(shù)γ、煤層夾矸率G作為量化參數(shù)值來分別量化煤層可采性、煤層變異性以及煤層夾矸率這3個(gè)基因素。

3.2 煤層頂?shù)装鍡l件

量化煤層頂板這一主體因素時(shí)，分別選用直接頂巖層的單軸抗壓強(qiáng)度RZ、偽頂厚度h0以及反映基本頂支撐條件的概略性指標(biāo)N作為參數(shù)值來分別量化煤層直接頂、偽頂以及基本頂這3個(gè)基因素，其中N的計(jì)算表達(dá)見式(3)：

(3)

式中： ∑hi——直接頂厚度，m；

M——采高，m。

同理，量化底板這一主體因素時(shí)，選取底板巖層的單軸抗壓強(qiáng)度RD作為底板硬度的量化參數(shù)值；底板起伏度對(duì)工作面設(shè)備的運(yùn)行效率和設(shè)備穩(wěn)定性具有重要的影響，用工作面刮板輸送機(jī)豎向彎曲度R來描述，其值一般用煤層傾角來量化。

3.3 工作面條件及其他

(1)工作面塊度。工作面塊度主要包括工作面長度和可推進(jìn)長度。結(jié)合涼水井煤礦首采工作面開采設(shè)計(jì)參數(shù)，這兩個(gè)基因素的量化參數(shù)值分別為160 m和1709 m。

(2)地質(zhì)構(gòu)造。量化斷層這一基因素時(shí)，分別選用主采煤層可推進(jìn)范圍內(nèi)的斷層密度q1、斷層長度指數(shù)q2和斷層落差系數(shù)q3這3個(gè)參數(shù)值量化斷層對(duì)薄煤層滾筒采煤機(jī)綜采工藝適應(yīng)性的影響，由于涼水井煤礦主采4-3薄煤層無斷層，則有q1=q2=q3=0。

褶曲可用褶曲強(qiáng)度系數(shù)p1和褶曲復(fù)雜性系數(shù)p2來分別進(jìn)行量化，見式(4)與(5)：

式中：L′——在褶曲的垂直剖面上任意兩點(diǎn)間煤層實(shí)際長度，m；

L——該兩點(diǎn)的水平投影長度，m；

Δh——塊段內(nèi)等高線的極差，m；

ω——等高線走向的變化值，rad；

l——塊段內(nèi)最高與最低等高線之間的水平投影長度，m；

s——塊段面積，km2。

(3)其他條件。按照《煤礦安全規(guī)程》，從瓦斯角度將礦井分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個(gè)類別，分別代表瓦斯礦井、高瓦斯礦井、突出礦井，并分別賦值為1、0.5、0.2。礦井水文地質(zhì)的等級(jí)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，分別代表簡單、中等、復(fù)雜、極復(fù)雜4個(gè)類型，并分別賦值為0.8、0.6、0.4、0.2。煤層自燃傾向性等級(jí)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)，賦值分別為1、0.8、0.5、0.2。

根據(jù)涼水井煤礦4-3薄煤層431盤區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件和工作面參數(shù)，各個(gè)指標(biāo)量化后的結(jié)果見表1。

表1 涼水井礦431盤區(qū)各評(píng)價(jià)指標(biāo)量化結(jié)果

表2 地質(zhì)因素相對(duì)目標(biāo)層權(quán)重

4 構(gòu)造隸屬函數(shù)

隸屬函數(shù)是用來表征基因素隸屬于某一特定模糊集的程度，其中，隸屬函數(shù)中的自變量為各基因素的參數(shù)值，而函數(shù)值的大小是衡量基因素對(duì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的影響程度，其值越大，說明該基因素對(duì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的整體影響性越大，反之則小。采用統(tǒng)計(jì)分析法確定各基因素的隸屬函數(shù)包括分段函數(shù)和指數(shù)函數(shù)兩種類型，各函數(shù)表達(dá)式見表2。

5 定量評(píng)價(jià)結(jié)果

綜合評(píng)價(jià)模型中各個(gè)基因素相對(duì)重要性的計(jì)算(即權(quán)重的確定)對(duì)整個(gè)模型的效果和適用性影響較大。將各個(gè)基因素量化后的參數(shù)值分別代入與之對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)中得到相應(yīng)的基因素隸屬度，采用專家打分法確定各個(gè)基因素的權(quán)系數(shù)，權(quán)系數(shù)與基因素隸屬度的乘積作為該基因素的權(quán)重。涼水井煤礦4-3薄煤層431盤區(qū)綜采工藝綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各個(gè)基因素的權(quán)重值及綜合權(quán)重值見表3。

為了更好地進(jìn)行定量分析，按照薄煤層滾筒采煤機(jī)可采性指標(biāo)分為五類，其中，0表示極難采，1表示極易采，薄煤層滾筒采煤機(jī)綜采工藝可采性分類表見表4。

由表3和表4可知，涼水井煤礦地質(zhì)因素綜合權(quán)重值為0.8872，該礦井 4-3薄煤層431盤區(qū)首采工作面滾筒采煤機(jī)可采性屬于極易采。

表3 影響因素的隸屬函數(shù)

基因素隸屬函數(shù)煤層夾矸率μG(G)=10G≤5%11-2G5%≤G<10%14-5G10%≤G<15%23-11G15%≤G<20%0120%≤Gì?í?????直接頂抗壓強(qiáng)度μRZ(RZ)=01RZ≤25MPaln(168492×10-4RZ2+00116375RZ+0708933)25MPa80MPa{偽頂厚度μh0(h0)=10h0≤02m-3h0+1602m

表4 薄煤層滾筒采煤機(jī)綜采工藝可采性分類表

6 結(jié)語

(1)基于模糊層次分析法研究影響薄煤層滾筒采煤機(jī)綜采工藝適應(yīng)性的基因素，建立并確定了關(guān)于各個(gè)基因素的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及參數(shù)值；采用統(tǒng)計(jì)分析法、待定系數(shù)法確定各個(gè)基因素的隸屬函數(shù)及隸屬度，結(jié)合專家打分法得出各基因素權(quán)系數(shù)及綜合權(quán)重，為薄煤層的開采提供理論依據(jù)。

(2)當(dāng)綜合權(quán)重值介于0.6～1之間，薄煤層的可采性分為易采和極易采，此時(shí)采用滾筒采煤機(jī)綜采工藝的適應(yīng)性較高，可進(jìn)行薄煤層的回采；當(dāng)綜合權(quán)重值介于0～0.6之間，薄煤層的可采性分為極難采、難采和一般，此時(shí)采用滾筒采煤機(jī)綜采工藝的適應(yīng)性較低，不利于薄煤層的回采。

(3)涼水井煤礦4-3薄煤層431盤區(qū)首采工作面綜合權(quán)重值為0.8872，其可采性屬于極易采，可進(jìn)行薄煤層的回采，驗(yàn)證了滾筒采煤機(jī)綜采工藝在431盤區(qū)首采工作面實(shí)際開采中的適應(yīng)性較高。

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AdaptabilityevaluationresearchonfullymechanizedminingtechnologywithshearerforthincoalseambasedonAHP

Wei Kun1,2, Wang Chen3, Bu Yongqiang1,2

(1. School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China;2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 3. Mining College of Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025, China)

In order to evaluate the adaptability of fully mechanized mining technology with shearer for thin coal seam quantitatively and comprehensively, the authors took the No. 4-3thin coal seam of Liangshuijing Coal Mine as engineering background, and introduced fuzzy analytic hierarchy process (AHP) statistical analysis method into the evaluation of full mechanized mining technology with shearer. A comprehensive evaluation index system of fully mechanized mining technology with shearer for thin coal seam was established based on hierarchy comprehensive assessment model, which built membership function and got membership degree and weight and finally achieved quantitative evaluation results. The results verified the application reasonability of fully mechanized mining technology with shearer in Liangshuijing Coal Mine.

thin coal seam shearer, fully mechanized mining technology, adaptability evaluation, AHP

國家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA062101)

魏坤，王沉，卜永強(qiáng). 基于AHP的薄煤層滾筒采煤機(jī)綜采工藝適應(yīng)性評(píng)價(jià)研究[J].中國煤炭，2017，43(10)：76-81.

Wei Kun, Wang Chen, Bu Yongqiang.Adaptability evaluation research on fully mechanized mining technology with shearer for thin coal seam based on AHP.[J].China Coal，2017，43(10)：76-81.

TD421

A

魏坤(1992-)，山東棗莊人，在讀碩士研究生，主要從事薄煤層采礦方法與巖層控制方面的研究。

(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))