基于組合賦權法的回采巷道快速掘進能力評價及應用

仲淑姮，李燕嬌

(中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083)

隨著綜合機械化水平的提高，礦井回采工作面推進速度越來越快，但掘進面推進速度遠遠滯后，大多數礦井都存在采掘接替緊張問題[1-3]。為了提高整個礦井的煤炭產量，就需要保持采掘之間的平衡，因此提高掘進面推進速度是保證礦井高效開采亟待解決的問題[4，5]。而對回采巷道快速掘進能力進行評價，能夠清晰直觀地反應其掘進水平，針對其薄弱環節進行改進以便提高掘進速度。近年來，相關學者也就如何提高巷道掘進速度進行了大量研究，朱現磊[6]將影響煤巷快速掘進的因素歸納為工程地質條件、掘進設備、支護技術及施工組織管理四個方面。王學成[7]對我國煤礦井下快速掘進技術與裝備的現狀進行總結，針對其存在的問題提出今后的發展方向。吳信友[8]從地質構造、裝備水平、掘進工藝、組織管理水平等方面詳細分析了其對巷道快速掘進的影響。王群[9]認為影響煤礦快速掘進的主要原因是支護工藝與掘進工藝之間的不匹配，并通過改進支護工藝來提高掘進速度。

總結以上研究可以發現，影響煤礦回采巷道快速掘進的因素有地質條件、設備性能、管理水平和職工技術水平等，改進技術與裝備、提高組織管理水平可以提高掘進速度。這些研究為評價煤礦回采巷道快速掘進能力提供了理論依據與數據支撐，但針對回采巷道快速掘進能力評價的研究少之又少。基于此，論文以4個礦井為研究背景，采用組合賦權法對其回采巷道快速掘進能力進行評價。

1 回采巷道快速掘進能力評價指標體系

通過閱讀相關文獻并結合現場實際情況，依據指標體系建立原則(科學性、可操作性、全面性、時效性、規范性)[10，11]。構建包含4個二級指標和17個三級指標的回采巷道快速掘進能力評價指標體系，其中三級指標包含5個定性指標(應對突發事件能力、機械化水平、頂板完整程度、制度標準化程度、組織協調能力)，12個定量指標，如圖1所示。

圖1 回采巷道快速掘進能力評價指標體系

2 回采巷道快速掘進能力評價

回采巷道掘進能力受多方面因素影響，屬于綜合評價性問題，評價時需要采用綜合的評價方法與技術。組合賦權法在評價過程中將主觀賦權法和客觀賦權法綜合在一起，規避了單一方法評價時存在的缺陷，使評價結果更真實可靠。基于組合賦權法的回采巷道快速掘進能力評價的基本思路是：首先確定映射標準與分值矩陣，其次利用主客觀相結合的方法確定各指標權重，最后計算局部及綜合得分，根據分值確定評價等級，具體步驟如圖2所示。

圖2 回采巷道快速掘進能力評價步驟

2.1 組合賦權法確定指標權重

綜合評價中，指標權重占據著核心地位，權重值的準確度直接影響評價結果的真實性。目前指標權重的確定方法主要分為兩類，即主觀賦權法和客觀賦權法[12，13]。主觀賦權法是評價主體根據各評價指標的重要程度結合自身經驗確定權重的一種方法。其主觀隨意性較強，常用的有層次分析法、德爾菲法、二項系數法、環比評分法等[14]。客觀賦權法是是根據原始數據之間的關系通過一定數學方法來確定權重，其判斷結果不依賴于人的主觀判斷，有較強的數學理論依據，但易忽略指標本身的差異性，主要有主成分分析法、熵權法、變異系數法等[15]。論文采用層次分析法與熵權法相結合的方法確定各指標權重，既可以吸收資深專家的理論與經驗，又力爭減少賦權的主觀隨意性，使評價結果更真實可靠。

2.1.1 層次分析法確定指標權重

層次分析法是一種主觀賦權法，其將復雜問題分解為若干個層次，通過構建多層次分析模型，獲得影響因素的相對權重[16]。根據已構建的回采巷道快速掘進能力評價指標層次結構，同層次元素間進行兩兩比較，構造判斷矩陣。指標與指標之間的相對重要性用數字1～9及其倒數作為標度進行打分，并利用一致性比率CR對判斷矩陣進行一致性檢驗，當CR<0.10時，判斷矩陣具有滿意的一致性；否則，需要調整矩陣直至其滿足一致性標準。為了降低人為主觀因素的影響，論文采用調查問卷的方式，分別向礦井專業人員和教學科研人員發放10份調查問卷，利用yaahp軟件計算出每一份調查問卷各指標權重。根據權重向量，利用spss軟件進行聚類分析，將20名專家聚成若干類，利用式(1)計算各類權重系數，最后利用式(2)確定各指標權重[17]。

2.1.2 熵權法確定指標權重

在信息論中熵是對不確定性的一種度量，信息量越大不確定性就越小，熵也就越小，反之熵就越大。熵權法是根據指標值的變異程度來確定權數，是一種客觀賦權法[18]。熵權法確定權重的步驟如下：

1)構建評價指標矩陣。設有m個評價對象，n個評價指標，構造評價指標矩陣X。

2.1.3 組合賦權法確定指標權重

組合賦權法是利用幾何平均將層次分析法確定的主觀權向量α=(α1，α2，…，αj)和熵權法確定的客觀權向量β=(β1，β2，…，βj)組合到一塊，其計算公式為：

2.2 快速掘進能力評價

回采巷道快速掘進能力評價時，從整體和局部兩個層面入手，根據總的評價結果從整體把握回采巷道快速掘進水平，根據局部評價結果可以剖析影響回采巷道快速掘進的原因。回采巷道快速掘進能力評價指標體系中，三級指標包含5個定性指標，12個定量指標。評價時為了方便計算，定性指標由現場專業人員結合實際情況用具體分值進行量化，同時定量指標也根據其實測值映射為具體分值，其映射標準見表1。根據各指標的分值矩陣Rij，結合組合賦權法確定的各指標權重，局部得分的計算公式為：

表1 各指標值映射標準

在局部得分的基礎上，回采巷道快速掘進能力得分的計算公式為：

3 實例應用與分析

論文以四個礦井(A、B、C、D)為例對其回采巷道快速掘進能力進行評價。3202回采巷道位于A礦的2#煤層，煤層瓦斯含量為0～2m3/t，直接頂巖性為泥巖；10905回采巷道位于B礦9#煤層，煤層瓦斯含量為3 ～ 5m3/t，直接頂巖性為泥巖和砂質泥巖；11602回采巷道位于C礦6#煤層，煤層瓦斯含量為10～13.6m3/t，直接頂巖性為粉砂巖；2301回采巷道位于D礦3#煤層，煤層瓦斯含量為2～4m3/t，直接頂巖性為泥巖和細砂巖。四個回采巷道掘進面各指標實測值及映射分值見表2。

表2 各指標實測值及映射分值

3.1 組合權重計算

層次分析法計算各指標權重時，首先用1～20的數字對20份調查問卷進行編號，然后利用yaahp軟件計算出每一份調查問卷各指標權重，最后利用SPSS軟件對權重向量進行聚類分析，論文將20名專家聚為4類。利用式(1)計算指標體系中第二層各類的權重系數為：0.0053、0.0211、0.0842、0.8894；第三層各類的權重系數為：0.0042、0.0042、0.0382、0.9534，然后利用式(2)計算各指標權重。其次根據各指標現場實測值利用熵權法計算其權重，最后利用式(3)將層次分析法確定的權重與熵權法確定的權重組合到一起計算最終權重，其權重計算結果見表3。

表3 評價指標權重

3.2 評價結果及分析

根據表2所得的各指標組合權重，結合其實測值所映射的具體分值，利用式(4)和式(5)分別計算出各回采巷道快速掘進能力的局部得分及總體得分，根據得分情況依照表1確定評價等級，其計算結果及對應的評價等級見表4。4個回采巷道快速掘進能力得分排序依次為：A礦3202回采巷道、D礦2301回采巷道、B礦10905回采巷道、C礦11602回采巷道。3202、2301回采巷道快速掘進能力評價等級為“較強”，其余兩個回采巷道快速掘進能力評價等級屬于“中等”，與現場實際情況基本相符合。3202、2301回采巷道快速掘進能力基本滿足采掘接替需要，10905、11602回采巷道快速掘進能力有待進一步提高。

表4 回采巷道快速掘進能力評價

回采巷道快速掘進能力評價主要從人、機械設備、地質環境、管理四個方面進行，地質環境是自然條件形成的，屬于固有影響因素。3202、2301回采巷道地質條件相對較好，評價等級屬于“較強”，10905、11602回采巷道評價等級屬于“中等”。3202、2301回采巷道機械設備評價等級屬于“較強”，10905、11602回采巷道屬于“中等”，受地質條件影響其評價結果大體上與地質環境的評價結果相對應。3202回采巷道人的評價等級屬于“較強”，其余三個回采巷道都屬于“中等”，表明B、C、D礦回采巷道職工整體素質不高。4個回采巷道管理評價等級都屬于“較強”，說明4個礦在管理方面更為重視。

通過以上分析可以得到，制約回采巷道快速掘進的主控因素是“地質環境”，其在回采巷道快速掘進能力評價中所占的權重最高。當地質條件較好時(3202、2301)，回采巷道掘進能力評價等級相對較好，其掘進水平一般都能滿足采掘接替需要；當地質環境屬于中等或較差時(10905、11602)，回采巷道掘進能力評價等級為中等及以下，掘進水平一般不能滿足采掘接替需要，此時，就需要從其他三個方面來提高其掘進水平，比如：①通過加強機械強設備維修保養的頻率、降低設備故障次數；②加強職工繼續教育與培訓、提高職工的福利待遇，減少職工的流動頻率；③提高管理者的管理水平，加強管理者與現場工作人員的交流溝通等方式最大限度地提高回采巷道掘進能力，力爭使其掘進水平達到較強及以上，從而保障采掘接替平衡。

4 結 論

1)構建了回采巷道快速掘進能力評價指標體系。依據指標體系構建原則，通過閱讀相關文獻并結合現場實際情況，從“人、機械設備、地質環境、管理”四個方面構建了回采巷道快速掘進能力評價指標體系 。

2)建立了回采巷道快速掘進能力評價模型。首先確定映射標準，其次利用層次分析法與熵權法相結合的方法確各指標權重，規避了單一方法確定指標權重時存在的缺陷，然后根據現場實測值構建分值矩陣，最后結合映射標準確定評價等級。

3)利用評價模型對四個回采巷道快速掘進能力進行評價，根據評價結果確定了制約其快速掘進的關鍵因素為“地質環境”，并指出通過加強設備維修與保養頻率、提高職工教育培訓質量、加強管理者與現場工作人員的溝通交流等方式提高掘進速度，滿足采掘接替需要。