基于層次分析-模糊綜合評價的煤層透氣性效果評價

郝 旭

(中北大學信息商務學院,山西 晉中 030600)

瓦斯抽采是維護礦井安全、預防瓦斯災害最根本有效的技術措施。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效果進行研究和試驗后,提出了關于增大低透氣性煤層瓦斯抽采流量的方法和技術措施[2],例如水力壓裂煤體致裂增透技術[3]、水力割縫增透技術[4]、高壓旋轉水射流割縫技術[5]、深孔松動爆破技術[6]和深孔聚能爆破增透技術[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、多元統計法，以及人工神經網絡評價法等[8]。礦井瓦斯抽采具有模糊性大、不確定性因素多且動態變化的特點,可應用層次分析和模糊綜合評價法對煤層透氣性進行評價。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合的評價方法,是一種定性與定量相結合的評價模型。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重集,然后利用模糊數學原理將底層的各評價因素定量化,通過逐層的模糊合成,最終確定目標層的綜合評價結果。兩種方法相互融合相互補充,使目標的評價結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進行定性定量分析，并建立了相應的指標體系和評價模型。

1 瓦斯抽采指標體系的選取

煤層透氣性是由多種因素決定的。一是地質因素,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、抽采負壓、抽采時間、抽采半徑等[10]。在這些因素中,有些指標是很明確的,但有些指標是模糊不清的,要想提高抽采率,就需要考慮到每個指標的影響和作用范圍,從而綜合考慮所有指標以期達到最優。

本文從上述三方面因素來分析影響煤層透氣性的指標,按照層次分析-模糊綜合評價法對抽采指標進行分層與評價[11]。礦井瓦斯抽采指標的影響因素主要包括瓦斯原始賦存參數、鉆孔布置參數和抽采參數三大方面:瓦斯原始賦存參數的影響因素主要有瓦斯壓力、瓦斯含量和透氣性系數;鉆孔布置參數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;抽采參數的影響因素主要有抽采負壓、抽采時間、抽采半徑。

2 層次分析-模糊綜合評價構造指標體系模型矩陣

2.1 瓦斯抽采指標權值計算

2.1.1抽采指標體系第一層次評價指標權值

設瓦斯原始賦存參數A1,瓦斯抽采鉆孔布置參數A2,瓦斯抽采參數影響因素A3,根據評價標度取值進行評價指標的重要性評價,指標權值計算如下:

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)進行一次性校驗:

由平均隨機一致性評價指標計算表可知當n=3時,IR=0.52,則:

所以判斷矩陣的結果是可以接受的,求得的權值是可以使用的。

通過以上計算,歸納計算結果如表1所示。

表1 抽采指標體系第一層次評價指標權值Table 1 Level 1 evaluation index weights of the drainage index system

2.1.2抽采指標體系第二層次評價指標權值

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

1)瓦斯原始賦存參數指標權值的計算結果如表2所示。

表2 瓦斯原始賦存參數指標權值Table 2 Index weights of gas original occurrence parameters

2)瓦斯鉆孔布置參數指標權值的計算結果如表3所示。

表3 瓦斯鉆孔布置參數指標權值

3)瓦斯抽采參數影響因素指標權值的計算結果如表4所示。

表4 瓦斯抽采參數影響因素指標權值Table 4 Index weights of influencing factors of gas drainage parameters

2.2 模糊綜合評價指標體系模型

1)利用模糊綜合方法定性評價部分因素。

以抽采參數影響因素為例,首先確定抽采參數影響因素集U={抽采負壓(u1),抽采時間(u2),抽采半徑(u3)};其次確立評價抽采參數影響因素的評語集{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。

將指標分值的取值范圍定為[0,1],評價結果屬于哪份隸屬度可以采用統計的方法來確定。對瓦斯原始賦存參數A1進行模糊化,結果如表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行歸一化得:

3)確定模糊綜合評價的隸屬函數。

同樣以影響瓦斯抽采參數的因素為例,可以首先將0和1兩個值模糊化,應用模糊綜合評價對參數指標進行分析。利用專家所打分數的頻數與相對應的分值相乘,進行歸一化。

3 應用實例

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體系綜合評價的應用實例。根據本文應用層次分析-模糊綜合評價方法提出的瓦斯抽采指標體系模型進行分析和試驗,主要是從瓦斯賦存參數A1、鉆孔布置參數A2及抽采參數A3三方面進行綜合評價。

本煤層厚度的范圍為5.30～7.15 m。預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行共20 d的測定。

3.1 綜合評價瓦斯抽采指標體系

山西某煤礦抽采系統指標賦值情況,如表6所示。

表6 山西某煤礦瓦斯抽采指標體系賦值表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體系按照評價檢查表進行打分,打分給出的綜合判定結果如表7所示。

表7 山西某煤礦瓦斯抽采指標評價等級表

3.2.2模糊綜合評價計算

1)瓦斯賦存參數指標模糊綜合評價。

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)鉆孔布置參數指標模糊綜合評價。

單項評價矩陣B2=A2×R2=(0.476 0.260 0.054 0).

3)瓦斯抽采參數指標模糊綜合評價。

單項評價矩陣B3=A3×R3=(0.871 0.076 0.053 0).

4)整理總評價矩陣。

即模糊綜合評價結果

通過上述結果可以得出,煤礦瓦斯抽采指標體系整體屬于重要的結論。

3.3 瓦斯抽采參數指標的重要度計算

瓦斯賦存參數重要度計算:

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、透氣性系數三個指數的隸屬值分別為0.360 2,0.401 1,0.386 7。然后分別乘以權重得出結果為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體系的優選重要度,如表8所示。

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

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

4 結論

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

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體系包含瓦斯原始賦存、鉆孔布置和抽采參數等三方面因素。

2)采用層次分析-模糊綜合評價法對建立的瓦斯抽采指標體系進行了定性-定量-定性的分析。層次分析法得到了瓦斯抽采指標體系中各指標的權值,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體系整體屬于重要的結論。

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體系優選模型進行了綜合評價,得到了瓦斯抽采指標重要度的順序,驗證了礦井瓦斯抽采指標體系優選的合理性,研究結果為今后現場的瓦斯抽采工作提供了參考依據。