煤與煤層氣協調開發綜合評價

張學超

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

我國在煤與煤層氣共采領域的技術體系和理論研究取得了一定的進步與發展。晉城礦區創立了煤礦規劃區、準備區和生產區三區聯動的立體抽采模式，有效地解決了煤層氣抽采與煤礦采掘時空接替的問題[1]；兩淮礦區建立了保護層卸壓井上下抽采技術體系，緩解了低滲突出軟煤層群條件下的“抽、掘、采”問題[2-3]；松藻礦區將煤炭開采與井下抽采相結合，構建了井下超前增透抽采技術體系，有效地克服了松軟低滲抽采難度大的問題[4-5]。國內煤層氣開發已經由井下抽采、地面井排采的單一技術發展成為地面井排采、井上下聯合抽采及井下抽采的立體開發技術體系。而在理論研究方面，侯金玲[6]提出了煤層氣地面井抽采適應性評價方法，僅對地面井抽采做了分析；季文博[7]指出了煤與煤層氣開發的相互影響，對煤與煤層氣協調開發前景做出了展望，重點指出了煤與煤層氣開發的相互影響，未對開發效果進行評價分析；梁冰等[8]提出了經濟預評價、安全評價、共采效果評價，采用模糊評價的方法對煤與煤層氣共采進行了綜合評價，重點是在經濟、安全和共采效果三方面進行評價，未對其適應性進行分析；劉見中等[9]基于典型煤礦區協調開發實踐，建立了煤層氣與煤炭協調開發的模糊綜合評判模型和指標體系，主要是根據典型煤礦區的協調開發模式提出了評價指標體系。

本文根據煤與煤層氣協調開發的各種影響因素對其總結歸類，提出適應性評價、安全評價和效果評價3項評價目標，對其評價指標分級構建評價體系，再對各評價指標按照5級進行等級劃分，引入隸屬度函數，構建評價矩陣，建立評價模型。結合層次分析法(AHP)與模糊綜合評價方法對煤與煤層氣協調開發進行評價，形成一套較為可行的煤與煤層氣協調開發綜合評價方法。

1 煤與煤層氣協調開發的內涵及評價體系

1.1 煤與煤層氣協調開發的內涵

煤與煤層氣協調開發是對目標區域的煤與煤層氣資源統籌編制開發利用方案，在開發時間銜接、空間布局、采掘抽部署等方面綜合考慮，統一協調，充分利用井、巷及鉆孔工程，選擇合理的開發方式，充分發揮采氣與采煤相互有利的影響，對煤層氣最大限度地開發，并在安全的前提下進行煤炭開采，實現煤與煤層氣資源安全、高效開發，并實現最理想的綜合效益[10-13]。

煤與煤層氣協調開發的目標是安全、高效、科學、合理統籌開發煤炭及煤層氣資源，其工作流程是：在目標區域考察煤炭及煤層氣儲量以及賦存的相關參數，確定是否具備井上下煤層氣開發的條件，選擇合理的煤層氣開發方案，在時間和空間上合理安排采煤和采氣，實現煤與煤層氣兩種資源安全高效開發。一方面，開發煤層氣能夠降低煤層中瓦斯壓力及瓦斯含量，最大限度地避免瓦斯事故以及風險，更加安全地進行煤炭開采工作；另一方面，在煤炭采掘過程中，生產對周圍巖體的卸壓作用導致吸附在煤巖體中的瓦斯得以釋放，這樣也就有利于瓦斯的抽采。煤與煤層氣共采能夠利用采煤、采氣雙向的互利作用，實現更加安全高效的回采。

1.2 煤與煤層氣協調開發的影響因素

煤與煤層氣協調開發是一項系統工程，其開發過程與諸多因素有關，主要影響因素見表1。煤與煤層氣協調開發的3個考察目標分別是：適應性、安全和效果。適應性的主要影響因素有資源條件、煤層條件、煤層氣條件、水文地質條件和技術條件，主要涉及煤炭資源儲量、煤層氣資源儲量、煤層面積、埋藏深度、煤層厚度、煤的變質程度、煤層氣儲量豐度、煤層氣含量、滲透率、儲層壓力等；安全的主要影響因素有優先因素和基本因素，主要涉及煤礦瓦斯危害、瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯濃度等；效果的主要影響因素有資源回收率、經濟效益、環境效益和社會效益，主要涉及抽采率、回采率、煤層氣銷售收入、補貼收入、投資利潤率、替代煤炭的效益、替代天然氣的效益、減排效益、節省防治瓦斯費用、提高煤礦生產效率產生的效益等。

表1 煤與煤層氣協調開發主要影響因素Table 1 Effect factors of coal and CBMcoordinated exploitation

資源豐富、煤層及煤層氣條件優越、水文地質條件良好、技術先進均有利于實施煤與煤層氣共采協調開發。優先因素主要是瓦斯的事故因素，如瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯燃燒等，基本因素主要是瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯濃度等，生產過程中若是難以避免瓦斯事故，瓦斯基礎參數達不到相關要求，則對煤與煤層氣安全開發極為不利。而資源回收率高，經濟效益、環境效益和社會效益好均會對煤與煤層氣協調開發產生良好的效果。

1.3 煤與煤層氣協調開發綜合評價指標體系

根據煤與煤層氣協調開發的相關影響因素，按照協調開發的適應性、安全和效果的目標層評價，提出了各目標下的分級評價指標。對于協調開發的適應性評價主要考慮了資源條件、煤層條件、煤層氣條件、水文地質條件和技術條件；對于協調開發的安全評價主要考慮了井下煤層氣開發涉及的優先指標和基本指標，優先指標主要是指瓦斯災害的危險情況及危害程度，而安全評價的基本指標是指抽采后的瓦斯壓力、瓦斯含量、可解析瓦斯量和抽采率；對于協調開發的效果評價主要考慮了資源回收、經濟效益、環境效益和社會效益指標。各項評價目標按照不同的要求分層次設置評價指標，形成煤與煤層氣協調開發綜合評價指標體系。評價指標體系見表2。

表2 煤與煤層氣協調開發評價指標體系Table 2 Coal and CBM coordinated exploitation index system

2 煤與煤層氣協調開發綜合評價

2.1 評價模型

對單個評價因素考察，以確定其在評價集中的隸屬程度rij的過程稱為單因素模糊評價。根據單個因素評價集的隸屬度建立隸屬度函數評價矩陣，見式(1)。

(1)

隸屬度函數可通過降半梯形分布確定，見式(2)。

(2)

建立各層次協調開發模糊綜合評價模型，其矩陣見式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：A為評價目標(屬于一級層)，是指目標模糊綜合評價集；B為評價標準層(屬于二級層)，是二級指標模糊評價集；wi(2)為二級指標權重集；C為評價子標準層(屬于三級層)，是基礎指標模糊評價集；wi(3)為三級指標權重集；i=1，2，…，m為模糊綜合評價指標個數[9,14-15]。

2.2 評價方法

煤與煤層氣協調開發綜合評價根據相應的評價目標要求以及評價因素的相互關系建立具有不同層次的評價指標體系。主要影響條件歸納為：適應性因素、安全因素和效果因素，這些因素又可劃分為不同層次的各種指標。針對影響煤與煤層氣協調開發評價的各種因素，按照不同評價目標的要求，結合層次分析法(AHP)，運用模糊綜合評價法對煤與煤層氣協調開發做出評價。

2.3 綜合評價

寺河煤礦位于晉城礦區，面積約53.382 km2，設計生產能力為4.0 Mt/a，2010年核定生產能力為10.8 Mt/a。寺河煤礦煤炭總儲量為13.27億t，煤層氣儲量為250.02億m3，煤層氣含量為7.67～16.60 m3/t，煤層瓦斯壓力為0.29～2.12 MPa，煤層透氣性系數為0.023 9～4.452 9 m2/(MPa2·d)。

井田煤系地層共含煤15層，其中，3#煤層、15#煤層為主要可采煤層，9#煤層為大部可采煤層(西區局部可采)，井田含煤15層，煤層總厚14.67 m，其中，可采煤層和局部可采煤層3層，總厚度10.32 m。3#煤層厚4.45～8.75 m，平均厚6.31 m，頂板為泥巖或砂巖，煤層穩定，全井田可采。 9#煤層厚0.48～2.44 m，平均厚1.34 m，屬結構簡單、較穩定的大部可采的中厚煤層。 頂板多為粉砂巖，底板為泥巖或砂質泥巖。 15#煤層厚1.80～5.45 m，平均厚2.67 m，全井田發育，厚度穩定，結構簡單。頂板為灰巖，底板為泥巖。該井田內地質構造簡單，煤層埋藏深度在250～600 m之間，煤層傾角為2°～10°，礦井絕對瓦斯涌出量為486.6 m3/min。

寺河西井區地面煤層氣井抽采5 a，3#煤層瓦斯含量由平均23.7 m3/t降至12.27 m3/t。寺河煤礦2017年煤層氣日抽采量突破200萬m3。

2.3.1 指標權重確定

利用層次分析法(AHP)確定各項評價參數的權重。對判斷矩陣需要進行一致性檢驗。將矩陣A的秩設置為1，計算出其非零特征根n，將n對應的特征向量作為權向量，矩陣滿足aij×ajk=aik，其中，i=1,2,3,…,n，j=1,2,3,…,n，k=1,2,3,…,n。對于不一致的成對比較矩陣A，用對應于最大特征根A的特征向量作為權向量w(需要做歸一化處理)，見式(5)。

Aw=λw

(5)

設置CI為一致性指標，RI為隨機一致性指標，CR為一致性比率，計算見式(6)～式(8)。隨機一致性指標見表3。

表3 隨機一致性指標Table 3 Random consistency index

(6)

RI=

(7)

(8)

如果滿足CR<0.1，則矩陣A的一致性檢驗通過，說明矩陣A可以接受，并將其特征向量作為權重向量。反之，重新構建比較矩陣，直至一致性檢驗通過。

1) 適應性指標權重。將資源條件、煤層條件、煤層氣條件、水文地質條件和技術條件分別作為X的各項因素，則由X1、X2、X3、X4和X5構成二級權重集，適應性指標權重見表4。

表4 適應性指標權重Table 4 Adaptive evaluation index weight

適應性指標權重分別為：w=(0.657，0.645，0.330，0.126，0.165)，歸一化處理后為：w=(0.342，0.336，0.171，0.065，0.086)，經過一致性檢驗，由MATLAB軟件計算可知λ=5.30，帶入式(6)和式(8)，得式(9)和式(10)。

(9)

(10)

通過計算，CR=0.07<0.1，一致性檢驗通過。由此可知，5項二級指標權重分別為：w11=(0.500，0.500)；w12=(0.445，0.162，0.272，0.077，0.044)；w13=(0.430，0.285，0.087，0.119，0.047，0.031)；w14=(0.500，0.500)；w15=(0.500，0.500)。

2) 安全指標權重。將優先指標和基本指標分別作為O的各項因素，則由O1、O2構成二級權重集，基本指標中的瓦斯壓力、瓦斯含量、可解吸瓦斯量和抽采率設置為P1、P2、P3和P4，這些因素構成三級權重集。對構成的二級權重集和三級權重級進行權重計算，以及一致性檢驗。各項權重結果見表5。則λ=4.18，CI=0.06，RI=1.24，CR=0.05<0.1，一致性檢驗通過。

表5 基本指標權重Table 5 Basic benefit indexes weight

3) 效果指標權重。將資源回收、經濟效益、環境效益和社會效益分別作為M的各項因素，則由M1、M2、M3、M4構成二級權重集，資源回收指標下的煤炭回采率和煤層氣回收率因素設置為N1和N2，經濟效益內的各項因素煤層氣銷售收入、補貼收入和投資利潤率設置為N3、N4、N5，環境效益內的替代煤炭效益、替代天然氣效益和減排效益設置為N6、N7、N8，社會效益內的事故減少產生的效益、節省瓦斯防治費用和提高生產效率產生的效益設置為N9、N10、N11，由N1至N11這些因素構成三級權重集，并通過了一致性檢驗。其中，二級指標權重為w3=(0.565，0.262，0.055，0.118)，三級指標權重分別為：w31=(0.500，0.500)，w32=(0.637，0.105，0.258)，w33=(0.669，0.243，0.088)，w34=(0.731，0.188，0.081)。

2.3.2 評價指標等級及隸屬度

1) 適應性指標評價等級及隸屬度見表6。

表6 適應性評價件等級及隸屬度Table 6 Classification and membership of adaptiveevaluation index

2) 協調開發安全指標和效果指標隸屬度。安全指標和效果指標隸屬度與適應性指標隸屬度確定方法類似，不再贅述。

2.3.3 評價標準確定

參考相關的技術規范等資料，將評價指標按照相應的數值域或定性描述劃分為不同的評價等級，以資源條件為例確定其評價標準如下所述。

1) 煤炭資源量評價標準。參考《煤炭工業礦井設計規范》，各個生產能力下不同服務年限對應不同的可采儲量值，6.0 Mt/a、3.0～5.0 Mt/a、1.2～2.4 Mt/a、0.45～0.90 Mt/a生產能力的礦井對應的服務年限內最低可采儲量分別為420 Mt、180～300 Mt、120～240 Mt、18～36 Mt。將煤炭資源量按照不同的數量級劃分為5個評價等級，分別為極大、大、較大、中等、小，煤炭資源量評價等級劃分見表7。

表7 煤炭資源量評價等級劃分Table 7 Classification of coal resource evaluation

2) 煤層氣資源量評價標準。參考《煤層氣資源/儲量規范》，根據地質儲量規模將煤層氣田進行如下劃分：煤層氣地質儲量超過3 000億m3的為特大型氣田，儲量為300億～3 000億m3的為大型氣田，儲量為30億～300億m3的為中型氣田，儲量小于30億m3的為小型氣田。按照煤層氣地質儲量大小劃分為5個評價等級，分別為極大、大、較大、中等、小，煤層氣資源量評價等級見表8。

表8 煤層氣資源量評價等級Table 8 Classification of CBM resource evaluation

2.3.4 評價矩陣確定

1) 適應性指標評價矩陣。根據多層次模糊綜合評價公式，分別對資源條件、煤層條件、煤層氣條件、水文地質條件和技術條件等二級指標進行模糊綜合評價，通過計算得到二級模糊評價向量，記為B1、B2、B3、B4、B5。因此，三級模糊評判評價矩陣C見式(11)～式(16)。

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

2) 安全指標評價矩陣E見式(17)。

(17)

3) 效果指標評價矩陣。效果指標評價矩陣記為I1、I2、I3、I4，計算結果不再贅述。

2.3.5 綜合評價

協調開發適應性的模糊綜合評價結果見式(18)。

(0.342 0.336 0.171 0.065 0.086)×

(0.249 2 0.289 4 0.220 8 0.148 4 0.083 7)

(18)

因為a2=max(a1，a2，…，a5)=0.289 4，因此根據最大隸屬度原則，判斷協調開發適應性模糊綜合評價結果為：協調開發適應性為“好”。D=(0.194 4，0.268 3，0.342 1，0.192 3，0.002 9)，d3=max(d1，d2，…，d5)=0.342 1，協調開發安全為“較好”。G=(0.260 4，0.308 2，0.208 3，0.146 8，0.076 3)，g2=max(g1，g2，…，g5)=0.308 2，協調開發適應性為“好”。

2.4 煤與煤層氣共采協調性評價

引入協調指數，并將煤與煤層氣協調開發的3項評價目標設置相應的評價指數，將各項指數按照0～1之間的不同分值區間劃分為很好、好、較好、一般、差共5個等級，利用模糊綜合評價形成的隸屬度和評價等級確認其指數區間，各項指數評價等級見表9。煤與煤層氣協調開發適應指數、安全指數和效果指數這3項基礎指數的權重分別為O3、O4、O5，根據AHP法計算得到3項指數的權重，根據3項基礎指數不同的權重，計算出協調性指數分值，確認其協調性評價等級，協調指數評價結果見表10。

表9 各項指數評價等級Table 9 Evaluation grade of index

表10 協調指數評價結果Table 10 Evaluation results of coordinated index

計算得協調指數為0.67，可知晉城礦區寺河煤礦煤與煤層氣協調開發評價等級為“好”。本文研究的煤與煤層氣協調開發評價方法為模糊綜合評價法，即以模糊數學為理論基礎，結合實際案例，將各項指標按照不同的等級進行劃分，構建評價模型，并且根據設置好的評價標準對評價指標進行統一量化，通過層次分析法確定各項指標的權重，利用隸屬度函數及矩陣進行相關的數學計算，根據基礎的指標參數反饋到上一級評價指標，最終利用各項指標得到煤與煤層氣協調開發的3項目標評價值，再根據其相關的權重計算得到評價的協調指數，并且根據評價等級標準判定最終的評價結果。

3 結 論

1) 根據煤與煤層氣協調開發的相關影響因素，按照協調開發的適應性、安全和效果的目標層評價，提出了各個目標下的分級評價指標，將每一項目標按照3級結構分層次設置評價指標，構建煤與煤層氣協調開發評價指標體系。

2) 利用模糊數學的方法構建評價矩陣，對各項指標按照5級進行等級劃分，提出了相應基層指標的評價標準。引入隸屬度函數，并根據層次分析法(AHP)確定每項不同等級指標的權重，再利用矩陣算法對煤與煤層氣協調開發的適應性、安全和效果3項目標進行評價，得到各項目標評價的隸屬度，從而確定其相應的評價等級。

3) 以晉城礦區寺河煤礦為目標，按照評價要求，構建寺河煤礦煤與煤層氣協調開發的開發評價體系，并將各項指標實施量化處理，應用綜合評價的方法得到該礦最終的開發協調指數為0.67，確認其煤與煤層氣協調開發評價等級為“好”。