緩傾斜煤層頂煤冒放性評(píng)價(jià)

秦落銘

(沁和能源集團(tuán)有限公司永安煤礦，山西 沁水 048200)

煤炭是我國(guó)最重要的一次性消費(fèi)能源，在全國(guó)范圍內(nèi)儲(chǔ)量豐富，地質(zhì)賦存條件也是各種各樣的。就煤層賦存的厚度、傾角而言，煤厚大于5 m以上的厚煤層占總儲(chǔ)量的45%;緩傾斜煤層占48%，急傾斜煤層占31%［1－2］。而以往開(kāi)采緩傾斜厚煤層主要采用長(zhǎng)壁傾斜分層冒落法和充填法。這些常規(guī)的采煤法，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性方面都存在著不同程度的機(jī)械化程度低、煤炭回采率低、安全程度低、經(jīng)濟(jì)效益差等問(wèn)題。我國(guó)在1982年首先在沈陽(yáng)蒲河礦進(jìn)行了特厚煤層綜放開(kāi)采的工業(yè)性試驗(yàn)，取得了成功。至此，綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)開(kāi)始在我國(guó)有條件的地區(qū)推廣開(kāi)來(lái)。可以說(shuō)，綜放開(kāi)采是厚煤層開(kāi)采的優(yōu)化開(kāi)采技術(shù)，提高了煤炭資源的回采率，符合可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)。

頂煤冒放性研究屬于放頂煤開(kāi)采的核心問(wèn)題。而放頂煤的冒放性評(píng)價(jià)屬于非常復(fù)雜的問(wèn)題，其設(shè)計(jì)的影響因素是多方面的，具有一定的模糊性。因此，利用模糊數(shù)學(xué)的知識(shí)對(duì)放頂煤的冒放性評(píng)價(jià)是合適的。以往采用較多的方法是對(duì)各影響因素進(jìn)行模糊打分［1］，最后得出模糊隸屬度。本文采用的模糊數(shù)學(xué)則是建立單因素模糊隸屬度函數(shù)，結(jié)合模糊權(quán)向量給出綜合模糊隸屬度，避免了打分過(guò)程中的主觀性［3－4］。

1 緩傾斜煤層頂煤冒放性等級(jí)的劃分

1．1 頂煤冒放性影響因素的確定

根據(jù)我國(guó)已有的緩傾斜煤層頂煤冒放性研究分析表明，影響煤與瓦斯突出的主要因素為6個(gè)：開(kāi)采深度、煤層厚度、頂煤的單向抗壓強(qiáng)度、夾矸層厚度、煤體內(nèi)裂隙的發(fā)育程度、直接頂巖層的充填系數(shù)等，

1)開(kāi)采深度。從宏觀上來(lái)看，100 m深度以?xún)?nèi)的煤層，煤壁前方的支撐壓力對(duì)頂煤基本無(wú)壓力作用，頂煤的冒放性極差，不宜使用放頂煤開(kāi)采;一般來(lái)說(shuō)，煤層埋深越深，放頂煤的效果越好。

2)煤層厚度。由于放頂煤開(kāi)采時(shí)，底層煤一般是2～3 m，對(duì)煤厚要求最小的一次采全高放頂煤開(kāi)采，其采放比一般是1∶3，因此，放頂煤開(kāi)采的煤層最小臨界厚度為［2］。

3)頂煤的單向抗壓強(qiáng)度。煤層強(qiáng)度對(duì)頂煤的冒放性有直接的影響，一般用普氏系數(shù)f來(lái)表示煤層的強(qiáng)度大小，而f=RC/10，其中RC為頂煤的單向抗壓強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)普氏系數(shù)越小，頂煤的冒放性越好。

4)夾矸層厚度。煤層中出現(xiàn)夾矸層是很普遍的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)證明，0．3 m以下的夾矸層多呈片狀或板狀冒落，對(duì)頂煤冒放性影響不大。一般來(lái)說(shuō)，夾矸層越厚，對(duì)頂煤的冒放性影響越大。

5)煤體內(nèi)裂隙的發(fā)育程度。煤體內(nèi)的裂隙包括微觀裂隙和宏觀裂隙，其中微觀裂隙對(duì)頂煤冒放性影響不大，宏觀裂隙對(duì)頂煤的冒放性影響較大，這是因?yàn)楹暧^裂隙的存在直接影響導(dǎo)致了煤體強(qiáng)度。根據(jù)文獻(xiàn)中提出的裂隙分形特征值ND來(lái)表示煤體內(nèi)裂隙的發(fā)育程度。顯然ND越大，頂煤的冒放性越好。

6)直接頂巖層。無(wú)論從頂煤的回收效果還是礦壓控制的角度來(lái)看，都希望直接頂跨落后能夠充填滿(mǎn)采空區(qū)。因此，選用直接頂?shù)某涮钕禂?shù)K來(lái)衡量直接頂巖層對(duì)頂煤冒放性的影響。一般說(shuō)來(lái)，充填系數(shù)K越大，頂煤的冒放性越好［1］。

1．2 頂煤冒放性的分類(lèi)

結(jié)合以上6個(gè)影響因素和現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)資料，將頂煤的冒放性分為以下 5 類(lèi)，即 V={v1，v2，v3，v4，v5}。

Ⅰ類(lèi)：冒放性極好。只要選擇合適的支架和開(kāi)采工藝參數(shù)，可獲得很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

Ⅱ類(lèi)：冒放性好。只要選擇合適的支架和合適的放煤口尺寸和位置，可獲得好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

Ⅲ類(lèi)：冒放性中等。在選擇合理的架型基礎(chǔ)上，采取合理的采煤工藝和參數(shù)，可獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

Ⅳ類(lèi)：冒放性較差。除選擇合理的架型外，必須采取專(zhuān)門(mén)的頂煤破碎處理措施，才可獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

Ⅴ類(lèi)：冒放性差。即使采取了專(zhuān)門(mén)的頂煤破碎處理措施，也無(wú)法獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1．3 頂煤冒放性影響因素的取值

為了利用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)頂煤的冒放性分類(lèi)評(píng)價(jià)，現(xiàn)根據(jù)以上所述和現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)資料，將上述6個(gè)影響因素具體化，形成單因素模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 頂煤冒放性模糊分類(lèi)單因素指標(biāo)表

2 緩傾斜煤層頂煤冒放性評(píng)價(jià)模糊綜合評(píng)價(jià)模型

緩傾斜煤層頂煤冒放性評(píng)價(jià)是多層次、多目標(biāo)、多因素控制的復(fù)雜模糊系統(tǒng)，對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)具有模糊性。本文運(yùn)用了最大隸屬度原則和加權(quán)平均原則相結(jié)合的方法對(duì)頂煤冒放性進(jìn)行了模糊綜合評(píng)價(jià)。

2．1 建立評(píng)價(jià)對(duì)象的因素集

在模糊綜合評(píng)價(jià)法中，因素是參與評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，而在對(duì)頂煤冒放性的定量綜合評(píng)價(jià)時(shí)，需建立評(píng)價(jià)對(duì)象的因素集：U={u1，u2，u3…uj…un}，用其來(lái)參與評(píng)價(jià)n個(gè)影響因素的實(shí)際測(cè)定。

2．2 建立評(píng)價(jià)對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)因素集

在建立評(píng)價(jià)對(duì)象因素集的同時(shí)，還存在與各個(gè)影響因素相應(yīng)的頂煤冒放性類(lèi)別的集合：V={v1，v2，v3…vj…vn}。

2．3 確定評(píng)價(jià)因素的模糊權(quán)向量

通常各因子的重要程度不同，對(duì)每個(gè)因子賦與一個(gè)相應(yīng)的權(quán)重構(gòu)成權(quán)重集。因子的權(quán)重值確定方法如下：

式中：ci—因子ui的實(shí)測(cè)數(shù)值;

si—因子ui是頂煤冒放性類(lèi)別的標(biāo)準(zhǔn)值;

wi—因子ui的權(quán)重值。

在模糊綜合評(píng)價(jià)中，ai本質(zhì)上是因子ui對(duì)評(píng)價(jià)事物的重要程度，為進(jìn)行模糊運(yùn)算，對(duì)各因子的權(quán)重值進(jìn)行歸一化運(yùn)算，得出因子的權(quán)重ai：

2．4 確定單因素評(píng)價(jià)矩陣R進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)

關(guān)于隸屬度的確定，從一個(gè)ui出發(fā)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)評(píng)價(jià)集元素vj的隸屬度rij(j=1，2，…，m)。ui屬于第j類(lèi)冒放性情況的隸屬函數(shù)為：

上述n項(xiàng)因子指標(biāo)，分別計(jì)算出權(quán)重后，組成一個(gè)1×n模糊權(quán)重集：

式中：rij—因子ui對(duì)j類(lèi)冒放性的隸屬度;

ci—因子ui的實(shí)測(cè)數(shù)值;

si，j—因子 ui第 j類(lèi)冒放性標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)第i個(gè)因子ui評(píng)價(jià)的結(jié)果組成單因素模型評(píng)價(jià)集Ri=(ri1，ri2，…，rim)。根據(jù)以上計(jì)算過(guò)程可得到相應(yīng)于每個(gè)因子的單因素模糊評(píng)價(jià)集：

若共有n項(xiàng)影響因素m類(lèi)冒放性，將第i個(gè)單因素模糊評(píng)價(jià)集Ri的隸屬度為行組成單因素評(píng)價(jià)矩陣，則可寫(xiě)出下列n×m階的模糊距陣R。

2．5 綜合評(píng)價(jià)。

單因素模糊評(píng)價(jià)僅反映一個(gè)因子對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的影響，而未反映所有因子的綜合影響，也就不能得出綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果。模糊綜合評(píng)價(jià)考慮所有因子的影響，將模糊權(quán)向量A與單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣R復(fù)合，得出每個(gè)被評(píng)價(jià)事物的模糊綜合評(píng)價(jià)向量B。

其中，bj稱(chēng)為評(píng)定指標(biāo)，它是綜合考慮所有因子的影響時(shí)，評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)評(píng)價(jià)集中第j個(gè)元素的隸屬程度。顯然R的第i行表示第i個(gè)因子影響評(píng)定對(duì)象時(shí)對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)元素的隸屬程度，第j行表示第j個(gè)因子影響評(píng)定對(duì)象時(shí)對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)元素的隸屬程度。因此，每列元素再乘以相應(yīng)的因子權(quán)數(shù)，更為合理地反映每個(gè)因素的綜合影響［5］。

3 工程實(shí)踐應(yīng)用

為了更好地利用上述模型進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)分類(lèi)，本文選取了10組煤層厚度不大于7 m的放頂煤開(kāi)采案例和10組煤層厚度大于7 m的放頂煤開(kāi)采案例。此時(shí)，表1單因素指標(biāo)中的煤層厚度一列只需選取前者作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。表2和表3分別給出相應(yīng)的案例。

表2 煤厚不大于7 m案例表

表3 煤厚大于7 m案例表

根據(jù)表2，最終確定煤層厚度不大于評(píng)價(jià)對(duì)象因素集為：

煤層厚度大于評(píng)價(jià)對(duì)象因素集為：

以序號(hào)為10的案例樣本計(jì)算為例，根據(jù)模型計(jì)算得到的各因子的權(quán)重為：

其他的各案例樣本，根據(jù)上述的模糊綜合評(píng)價(jià)模型，通過(guò)利用matlab［6］編程可以求解得到，各案例相對(duì)各分類(lèi)的綜合隸屬度以及相應(yīng)的判別級(jí)別，見(jiàn)表4。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］的統(tǒng)計(jì)資料可知，上述求解得到的結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。上述10個(gè)煤層厚度不大于7 m已知的放頂煤開(kāi)采案例有8個(gè)案例，只要選擇合適的支架和放煤工藝參數(shù)，就能獲得較好的放煤效果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo);上述10個(gè)煤層厚度大于7 m已知的放頂煤開(kāi)采案例有6個(gè)案例，只要選擇合適的支架和放煤工藝參數(shù)，就能獲得較好的放煤效果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

表4 評(píng)價(jià)結(jié)果表

4 結(jié)論

1)本文給出了一種新的利用模糊數(shù)學(xué)的知識(shí)進(jìn)行頂煤冒放性評(píng)價(jià)的技術(shù)途徑。在使用模糊綜合評(píng)價(jià)的模型過(guò)程中，沒(méi)有了以往需要進(jìn)行專(zhuān)家打分一項(xiàng)，減少了人為主觀性。

2)通過(guò)案例計(jì)算，可以看出模型的適用性較好，能夠給出較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

3)綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)提高了煤炭的回采率，而研究頂煤的冒放性是決定是否采用放頂煤技術(shù)開(kāi)采的先決條件。因此，頂煤的冒放性研究具有其現(xiàn)實(shí)意義與實(shí)際背景。

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