郝 旭

(中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院,山西 晉中 030600)

瓦斯抽采是維護(hù)礦井安全、預(yù)防瓦斯災(zāi)害最根本有效的技術(shù)措施。影響瓦斯抽采的兩個主要因素包括:一是鉆孔抽采工藝，但是僅僅改進(jìn)抽采工藝對抽采效果的提高并不明顯;二是煤層透氣性，增加煤層透氣性對瓦斯流動影響較為明顯,可通過增大煤層透氣性來提高瓦斯抽采效果[1]。我國研究人員通過對低透氣性煤層及具有煤與瓦斯突出危險煤層的瓦斯抽采技術(shù)效果進(jìn)行研究和試驗后,提出了關(guān)于增大低透氣性煤層瓦斯抽采流量的方法和技術(shù)措施[2],例如水力壓裂煤體致裂增透技術(shù)[3]、水力割縫增透技術(shù)[4]、高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫技術(shù)[5]、深孔松動爆破技術(shù)[6]和深孔聚能爆破增透技術(shù)[7]等。

目前評價礦井煤層透氣性的方法有層次分析法、灰色綜合評價法、模糊綜合評價法、多元統(tǒng)計法，以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法等[8]。礦井瓦斯抽采具有模糊性大、不確定性因素多且動態(tài)變化的特點,可應(yīng)用層次分析和模糊綜合評價法對煤層透氣性進(jìn)行評價。其中層次分析-模糊綜合評價法是一種將模糊綜合評價法和層次分析法相結(jié)合的評價方法,是一種定性與定量相結(jié)合的評價模型。該方法先用層次分析法將評價因素集分成合理的若干層,確定各層評價因素的權(quán)重集,然后利用模糊數(shù)學(xué)原理將底層的各評價因素定量化,通過逐層的模糊合成,最終確定目標(biāo)層的綜合評價結(jié)果。兩種方法相互融合相互補充,使目標(biāo)的評價結(jié)果具有更高的可靠性[9]。本文就是利用層次分析-模糊綜合評價法對多個瓦斯抽采指標(biāo)進(jìn)行定性定量分析，并建立了相應(yīng)的指標(biāo)體系和評價模型。

1 瓦斯抽采指標(biāo)體系的選取

煤層透氣性是由多種因素決定的。一是地質(zhì)因素,如煤層瓦斯壓力、煤層瓦斯含量、煤層透氣性等;二是鉆孔本身因素,如鉆孔的角度、孔深、孔徑、鉆場間距等;三是抽采因素,如封孔長度、抽采負(fù)壓、抽采時間、抽采半徑等[10]。在這些因素中,有些指標(biāo)是很明確的,但有些指標(biāo)是模糊不清的,要想提高抽采率,就需要考慮到每個指標(biāo)的影響和作用范圍,從而綜合考慮所有指標(biāo)以期達(dá)到最優(yōu)。

本文從上述三方面因素來分析影響煤層透氣性的指標(biāo),按照層次分析-模糊綜合評價法對抽采指標(biāo)進(jìn)行分層與評價[11]。礦井瓦斯抽采指標(biāo)的影響因素主要包括瓦斯原始賦存參數(shù)、鉆孔布置參數(shù)和抽采參數(shù)三大方面:瓦斯原始賦存參數(shù)的影響因素主要有瓦斯壓力、瓦斯含量和透氣性系數(shù);鉆孔布置參數(shù)的影響因素主要有鉆孔的角度、鉆孔孔徑、鉆孔孔深、鉆孔間距、封孔方法及長度;抽采參數(shù)的影響因素主要有抽采負(fù)壓、抽采時間、抽采半徑。

2 層次分析-模糊綜合評價構(gòu)造指標(biāo)體系模型矩陣

2.1 瓦斯抽采指標(biāo)權(quán)值計算

2.1.1抽采指標(biāo)體系第一層次評價指標(biāo)權(quán)值

設(shè)瓦斯原始賦存參數(shù)A1,瓦斯抽采鉆孔布置參數(shù)A2,瓦斯抽采參數(shù)影響因素A3,根據(jù)評價標(biāo)度取值進(jìn)行評價指標(biāo)的重要性評價,指標(biāo)權(quán)值計算如下:

2)利用和積法計算最大特征根λmax。

a.用和積法計算權(quán)值,首先按列歸一化得:

然后再按行相加得和向量:

將得到的和向量歸一化即得權(quán)值向量:

b.求最大特征根

λmax=[0.51/0.49+0.955/0.31+0.6/0.2]/3

=3.074.

3)進(jìn)行一次性校驗:

由平均隨機一致性評價指標(biāo)計算表可知當(dāng)n=3時,IR=0.52,則:

所以判斷矩陣的結(jié)果是可以接受的,求得的權(quán)值是可以使用的。

通過以上計算,歸納計算結(jié)果如表1所示。

表1 抽采指標(biāo)體系第一層次評價指標(biāo)權(quán)值Table 1 Level 1 evaluation index weights of the drainage index system

2.1.2抽采指標(biāo)體系第二層次評價指標(biāo)權(quán)值

瓦斯原始賦存參數(shù)、瓦斯鉆孔布置參數(shù)和瓦斯抽采參數(shù)影響因素的第二層次評價指標(biāo)的計算如下。

1)瓦斯原始賦存參數(shù)指標(biāo)權(quán)值的計算結(jié)果如表2所示。

表2 瓦斯原始賦存參數(shù)指標(biāo)權(quán)值Table 2 Index weights of gas original occurrence parameters

2)瓦斯鉆孔布置參數(shù)指標(biāo)權(quán)值的計算結(jié)果如表3所示。

表3 瓦斯鉆孔布置參數(shù)指標(biāo)權(quán)值

3)瓦斯抽采參數(shù)影響因素指標(biāo)權(quán)值的計算結(jié)果如表4所示。

表4 瓦斯抽采參數(shù)影響因素指標(biāo)權(quán)值Table 4 Index weights of influencing factors of gas drainage parameters

2.2 模糊綜合評價指標(biāo)體系模型

1)利用模糊綜合方法定性評價部分因素。

以抽采參數(shù)影響因素為例,首先確定抽采參數(shù)影響因素集U={抽采負(fù)壓(u1),抽采時間(u2),抽采半徑(u3)};其次確立評價抽采參數(shù)影響因素的評語集{重要(v1),比較重要(v2),不太重要(v3),不重要(v4)}。

2)確定模糊綜合評價的隸屬度。

將指標(biāo)分值的取值范圍定為[0,1],評價結(jié)果屬于哪份隸屬度可以采用統(tǒng)計的方法來確定。對瓦斯原始賦存參數(shù)A1進(jìn)行模糊化,結(jié)果如表5所示。

表5 專家評價表Table 5 Expert evaluation

由上表得出其模糊評價并進(jìn)行歸一化得:

3)確定模糊綜合評價的隸屬函數(shù)。

同樣以影響瓦斯抽采參數(shù)的因素為例,可以首先將0和1兩個值模糊化,應(yīng)用模糊綜合評價對參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析。利用專家所打分?jǐn)?shù)的頻數(shù)與相對應(yīng)的分值相乘,進(jìn)行歸一化。

3 應(yīng)用實例

本報告選用山西某煤礦3號煤層+470 m水平開采范圍作為瓦斯抽采指標(biāo)體系綜合評價的應(yīng)用實例。根據(jù)本文應(yīng)用層次分析-模糊綜合評價方法提出的瓦斯抽采指標(biāo)體系模型進(jìn)行分析和試驗,主要是從瓦斯賦存參數(shù)A1、鉆孔布置參數(shù)A2及抽采參數(shù)A3三方面進(jìn)行綜合評價。

本煤層厚度的范圍為5.30～7.15 m。預(yù)測瓦斯絕對涌出量為297.98 m3/min,相對涌出量為23.60 m3/t,屬于高瓦斯礦井。煤層的透氣性系數(shù)為0.060 5～0.120 9 m2/(MPa2·d),瓦斯壓力為0.05～0.17 MPa。運用多級孔板流量計依次對各試驗抽采孔和對比試驗孔的瓦斯流量進(jìn)行共20 d的測定。

3.1 綜合評價瓦斯抽采指標(biāo)體系

山西某煤礦抽采系統(tǒng)指標(biāo)賦值情況,如表6所示。

表6 山西某煤礦瓦斯抽采指標(biāo)體系賦值表Table 6 Assignment table for gas drainage index system in one mine in Shanxi

3.2 瓦斯抽采指標(biāo)體系的模糊綜合評價

3.2.1模糊綜合評價檢查表

挑選20名人員(10名安全評價專家、5名煤礦安全管理人員和5名礦井施工人員)對山西某煤礦瓦斯抽采指標(biāo)體系按照評價檢查表進(jìn)行打分,打分給出的綜合判定結(jié)果如表7所示。

表7 山西某煤礦瓦斯抽采指標(biāo)評價等級表

3.2.2模糊綜合評價計算

1)瓦斯賦存參數(shù)指標(biāo)模糊綜合評價。

單因素評價矩陣瓦斯壓力R11=[0.2 0.5 0.3 0],瓦斯含量R12=[0.1 0.3 0.6 0],透氣性系數(shù)R13=[0 0.3 0.6 0.1].

B1=A11×R11+A12×R12+A13×R13=0.23×[0.2 0.5 0.3 0]+0.47×[0.1 0.3 0.6 0]+0.30×[0 0.3 0.6 0.1]=(0.093 0.346 0.531 0.030).

2)鉆孔布置參數(shù)指標(biāo)模糊綜合評價。

單項評價矩陣B2=A2×R2=(0.476 0.260 0.054 0).

3)瓦斯抽采參數(shù)指標(biāo)模糊綜合評價。

單項評價矩陣B3=A3×R3=(0.871 0.076 0.053 0).

4)整理總評價矩陣。

即模糊綜合評價結(jié)果

通過上述結(jié)果可以得出,煤礦瓦斯抽采指標(biāo)體系整體屬于重要的結(jié)論。

3.3 瓦斯抽采參數(shù)指標(biāo)的重要度計算

瓦斯賦存參數(shù)重要度計算:

A1=(0.3×1,1.1×0.8,1.5×0.6,0)=

(0.3,0.88,0.9,0).

進(jìn)行歸一化得A1=(0.144,0.423,0.433,0),

B1=A1×R1=(0.360 2,0.401 1,0.386 7).

因此,瓦斯壓力、瓦斯含量、透氣性系數(shù)三個指數(shù)的隸屬值分別為0.360 2,0.401 1,0.386 7。然后分別乘以權(quán)重得出結(jié)果為B1′=(0.108 06,0.160 44,0.116 01).

同理B2′=(0.079 4,0.054 6,0.135 2,0.088 1,0.097 5);B3′=(0.086 97,0.077 11,0.130 79).

因此,得出了瓦斯抽采指標(biāo)體系的優(yōu)選重要度,如表8所示。

表8 瓦斯抽采指標(biāo)體系重要度Table 8 Importance of gas drainage index system

從結(jié)果得到瓦斯抽采指標(biāo)重要度的順序為:瓦斯含量>鉆孔孔深>抽采半徑>透氣性系數(shù)>瓦斯壓力>封孔方法及長度>鉆孔間距>抽采負(fù)壓>鉆孔孔徑>抽采時間>鉆孔角度。這一結(jié)果將為以后現(xiàn)場的瓦斯抽采工作提供參考和依據(jù)。

4 結(jié)論

本文通過對礦井瓦斯抽采和煤層透氣性的影響因素進(jìn)行分析和優(yōu)選,建立了比較全面的瓦斯抽采指標(biāo)體系及評價模型,同時在山西某煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。通過研究得出以下結(jié)論:

1)增加煤層透氣性可以很好地提高瓦斯抽采效果,確定了瓦斯抽采指標(biāo)體系包含瓦斯原始賦存、鉆孔布置和抽采參數(shù)等三方面因素。

2)采用層次分析-模糊綜合評價法對建立的瓦斯抽采指標(biāo)體系進(jìn)行了定性-定量-定性的分析。層次分析法得到了瓦斯抽采指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)值,并通過了一致性檢驗。模糊綜合評價法通過建立因素集和評價矩陣,得到了評價的隸屬度和重要度,得出了瓦斯抽采指標(biāo)體系整體屬于重要的結(jié)論。

3)通過山西某煤礦瓦斯抽采的具體試驗,對建立的瓦斯抽采指標(biāo)體系優(yōu)選模型進(jìn)行了綜合評價,得到了瓦斯抽采指標(biāo)重要度的順序,驗證了礦井瓦斯抽采指標(biāo)體系優(yōu)選的合理性,研究結(jié)果為今后現(xiàn)場的瓦斯抽采工作提供了參考依據(jù)。