基于AHP的薄煤層滾筒采煤機綜采工藝適應性評價研究

魏 坤 王 沉 卜永強

(1. 中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室, 江蘇省徐州市，221116；3.貴州大學礦業學院，貴州省貴陽市，550025)

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基于AHP的薄煤層滾筒采煤機綜采工藝適應性評價研究

魏 坤1,2王 沉3卜永強1,2

(1. 中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室, 江蘇省徐州市，221116；3.貴州大學礦業學院，貴州省貴陽市，550025)

為了定量地綜合評價薄煤層滾筒采煤機綜采工藝的適應性，以神木匯森涼水井礦業有限責任公司(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、統計分析法引入滾筒采煤機綜采工藝評價中。基于層次綜合評價模型建立了薄煤層滾筒采煤機綜采工藝綜合評價指標體系，構造了隸屬函數，得到了各基因素的隸屬度與權重，最終得到了定量評價結果，驗證了涼水井煤礦選用滾筒采煤機綜采工藝的合理性。

薄煤層滾筒采煤機 綜采工藝 適應性評價 層次分析法

目前，我國薄煤層資源儲量豐富，可采儲量約占煤炭總儲量的20%，但薄煤層年產量僅占全國總產量的10.4%，因此發展高效機械化開采技術是薄煤層開采亟需解決的關鍵技術問題。由于滾筒采煤機綜采工藝具有割煤、破巖和過斷層能力強、推進速度快、生產效率高以及對煤層賦存條件的變化適應性強等優點，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用于評價綜采工藝選擇及設備配套選型的合理性。涼水井煤礦在結合煤層賦存特點、產量要求等條件，決定采用滾筒采煤機綜采工藝。為了確定選用滾筒采煤機綜采工藝的合理性，本文采用層次分析法(AHP)的定量評價展開系統性的研究。

1 煤層賦存地質條件

涼水井煤礦主采的4-3薄煤層位于431盤區，盤區內煤層埋藏平均為142 m，煤層結構簡單較穩定，裂隙及次生裂隙不發育，變異系數為0.21，屬于淺埋近水平穩定煤層。4-3薄煤層的單軸抗壓強度約為30 MPa，煤層大部分可采，可采指數為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、細粒砂巖及粉砂巖為主，夾薄煤層砂質泥巖、炭質泥巖，平均厚度為24.92 m，其中直接頂厚度為8.53 m，巖層的單軸抗壓強度為50～70 MPa，煤層底板以粉砂巖為主，局部含有泥巖、細粒砂巖，巖層的單軸抗壓強度平均為60 MPa。盤區內未發現斷層，無褶曲影響。礦井水文地質類型為極復雜，431盤區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為Ⅰ類，具有爆炸危險性。

2 基于層次分析法的綜合評價模型

模糊綜合評價中常用最大隸屬度原則，結合薄煤層綜采實踐及指標體系，采用加權平均型的模糊合成算子計算公式見式(1)：

(1)

式中：Mj——第j個樣本的綜合評價值；

Pi——第i項因素的權重；

rij——第j個評價樣本中第i個因素的隸屬度。

基于以上模糊層次分析法建立的數學評價模型，確定影響薄煤層滾筒采煤機綜采工藝適應性的評價指標(基因素)，建立關于各評價指標的多層次綜合評價體系，對各評價指標進行量化及無量綱處理，并按照一定的算法將各基因素的評價映射為確定的綜合評價值，以此綜合評價值的大小進行評價薄煤層滾筒采煤機綜采工藝的適用性。

3 評價指標選取與量化

在建立薄煤層滾筒采煤機綜采工藝適應性評價指標體系及確定綜合權重值之前，應選取最優化的基因素作為量化的評價指標。根據層次分析法的模糊理論，并結合薄煤層地質賦存條件，確定了該評價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、可推進長度、斷層、褶曲、瓦斯、水文和煤層自燃性18個因素。薄煤層滾筒采煤機綜采工藝適用性評價指標體系如圖1所示。

圖1 薄煤層滾筒采煤機綜采工藝適用性評價指標體系

3.1 煤層賦存條件

為了對各基因素進行最優化評價，需要分別進行量化，得到與之對應的參數值。

(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值。

(3)煤層硬度。煤層硬度的大小是影響薄煤層綜采量及機械化開采的重要因素，煤層硬度的評價指標見式(2)：

R=(1-G)Rc+GRw

(2)

式中：R——綜合強度，MPa；

G——夾矸率；

Rc——煤的單軸抗壓強度，MPa；

Rw——夾矸單軸抗壓強度，粉砂巖取經驗值40 MPa。

(4)煤層穩定性。評價煤層穩定性時，應分別選用主采煤層的可采性指數km、煤厚變異性系數γ、煤層夾矸率G作為量化參數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個基因素。

3.2 煤層頂底板條件

量化煤層頂板這一主體因素時，分別選用直接頂巖層的單軸抗壓強度RZ、偽頂厚度h0以及反映基本頂支撐條件的概略性指標N作為參數值來分別量化煤層直接頂、偽頂以及基本頂這3個基因素，其中N的計算表達見式(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，選取底板巖層的單軸抗壓強度RD作為底板硬度的量化參數值；底板起伏度對工作面設備的運行效率和設備穩定性具有重要的影響，用工作面刮板輸送機豎向彎曲度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長度。結合涼水井煤礦首采工作面開采設計參數，這兩個基因素的量化參數值分別為160 m和1709 m。

(2)地質構造。量化斷層這一基因素時，分別選用主采煤層可推進范圍內的斷層密度q1、斷層長度指數q2和斷層落差系數q3這3個參數值量化斷層對薄煤層滾筒采煤機綜采工藝適應性的影響，由于涼水井煤礦主采4-3薄煤層無斷層，則有q1=q2=q3=0。

褶曲可用褶曲強度系數p1和褶曲復雜性系數p2來分別進行量化，見式(4)與(5)：

式中：L′——在褶曲的垂直剖面上任意兩點間煤層實際長度，m；

L——該兩點的水平投影長度，m；

Δh——塊段內等高線的極差，m；

ω——等高線走向的變化值，rad；

l——塊段內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《煤礦安全規程》，從瓦斯角度將礦井分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個類別，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。礦井水文地質的等級為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，分別代表簡單、中等、復雜、極復雜4個類型，并分別賦值為0.8、0.6、0.4、0.2。煤層自燃傾向性等級分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，賦值分別為1、0.8、0.5、0.2。

根據涼水井煤礦4-3薄煤層431盤區實際地質條件和工作面參數，各個指標量化后的結果見表1。

表1 涼水井礦431盤區各評價指標量化結果

表2 地質因素相對目標層權重

4 構造隸屬函數

隸屬函數是用來表征基因素隸屬于某一特定模糊集的程度，其中，隸屬函數中的自變量為各基因素的參數值，而函數值的大小是衡量基因素對綜合評價指標體系的影響程度，其值越大，說明該基因素對綜合評價指標體系的整體影響性越大，反之則小。采用統計分析法確定各基因素的隸屬函數包括分段函數和指數函數兩種類型，各函數表達式見表2。

5 定量評價結果

綜合評價模型中各個基因素相對重要性的計算(即權重的確定)對整個模型的效果和適用性影響較大。將各個基因素量化后的參數值分別代入與之對應的隸屬函數中得到相應的基因素隸屬度，采用專家打分法確定各個基因素的權系數，權系數與基因素隸屬度的乘積作為該基因素的權重。涼水井煤礦4-3薄煤層431盤區綜采工藝綜合評價指標體系中各個基因素的權重值及綜合權重值見表3。

為了更好地進行定量分析，按照薄煤層滾筒采煤機可采性指標分為五類，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，涼水井煤礦地質因素綜合權重值為0.8872，該礦井 4-3薄煤層431盤區首采工作面滾筒采煤機可采性屬于極易采。

表3 影響因素的隸屬函數

基因素隸屬函數煤層夾矸率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 薄煤層滾筒采煤機綜采工藝可采性分類表

6 結語

(1)基于模糊層次分析法研究影響薄煤層滾筒采煤機綜采工藝適應性的基因素，建立并確定了關于各個基因素的綜合評價指標體系及參數值；采用統計分析法、待定系數法確定各個基因素的隸屬函數及隸屬度，結合專家打分法得出各基因素權系數及綜合權重，為薄煤層的開采提供理論依據。

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

(3)涼水井煤礦4-3薄煤層431盤區首采工作面綜合權重值為0.8872，其可采性屬于極易采，可進行薄煤層的回采，驗證了滾筒采煤機綜采工藝在431盤區首采工作面實際開采中的適應性較高。

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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

國家高技術研究發展(863)計劃項目(2012AA062101)

魏坤，王沉，卜永強. 基于AHP的薄煤層滾筒采煤機綜采工藝適應性評價研究[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。

(責任編輯 路 強)