基于AHP-EGM法的巖巷爆破質量評價研究★

張召冉，夏雨欣，項方備，周 環

(1.北方工業大學土木工程學院,北京 100144; 2.北京仁達房地產土地資產評估有限公司,北京 100044)

1 概述

巖石巷道爆破掘進是煤礦開采中的重要生產環節之一,其爆破效果直接影響爆破施工成本、施工效率和支護成本等,進一步影響巷道的穩定性、耐久性和生產安全性。因此,對爆破質量進行客觀合理的綜合評價有利于后續工作的高效開展,并且對提升作業水平和節約生產成本具有重大意義。在巖石巷道爆破施工質量評價過程中,施工單位往往采用單循環進尺、炮眼利用率等少數指標對爆破質量進行判斷。由于指標單一,不夠全面,所以容易導致評價結果片面、準確性稍差,并且無法顯示各影響因素之間的重要程度[1]。相關研究已經表明,層次分析法(AHP法)在眾多主觀評價方法中具有明顯優勢[2],同時利用相關專家的知識和工程經驗進行打分(EGM法),也相對簡單可行。所以,結合兩種方法建立巖巷爆破質量綜合評價模型,并以某煤礦巷道為例進行爆破質量評價,驗證該模型的合理性及可靠性。

2 巖巷爆破質量綜合評價模型的建立

2.1 巖巷爆破質量評價指標體系的建立

巖巷爆破質量的好壞是多種因素共同作用的結果,各個影響因素之間存在著密不可分的聯系。因此,反映爆破質量的評價指標種類繁多且存在復雜的因果關系。應用AHP法構建層次結構模型首先需要確定目標,然后圍繞此目標尋找影響因素,理順它們之間的內在關系,最后用結構層次表現各因素和其相互關系,完成層次結構模型的建立。通過走訪調查多個煤礦的現場施工,結合相關施工技術資料,再以調查問卷的形式向煤礦巖巷爆破專家征求意見,將巖巷爆破質量評價指標分為3個一級綜合評價指標和13個二級綜合評價指標,如圖1所示。具體分析如下:

C1巖渣塊度:巖渣塊度是評價爆破質量的重要指標,巖渣塊度過大,不僅阻礙后續鏟裝作業的順利開展,還因為破碎程度不達標需進行二次破碎而增加生產成本;巖渣塊度過小,伴隨而來的是穿孔量、炸藥單耗的增加,間接增加成本[3]。

C2炸藥單耗:隨著炸藥單耗的增大,巷道巖石的破碎程度逐漸趨于理想,并且拋擲距離也更有利于清渣,從而提高巖巷的爆破質量。但過大的炸藥單耗增加了掘進和支護的難度,將會為項目經濟效益帶來負面影響。

C3炮孔利用率:爆破成本隨著炮孔利用率的提高而降低,施工效率隨著炮孔利用率的提高而提高。

C4單循環進尺:單循環進尺過小說明爆破未達到預期目標,爆破質量差;單循環進尺過大,開挖施工中普遍認為超挖量也會越大,威脅圍巖質量。

C5迎頭平整度:迎頭的平整程度影響炮孔利用率的大小,可能會浪費有效鉆孔量。同時,下一次爆破鉆孔位置受制于迎頭平整度,其程度將極大地影響鉆孔施工難度。

C6瞎炮數目:爆破的關鍵在于全部裝藥是否均起爆完全。瞎炮的產生將會通過影響循環進尺而影響施工效率,而且處理瞎炮對施工人員的生命安全存在極大威脅。

C7拋擲距離:拋擲距離主要影響清矸工作和安全施工。拋擲距離過大將會對現場施工人員和巷道內的設備造成直接的物理傷害,同時擾動也會對巷道的穩定性產生影響。

C8爆破震動:爆破震動過大將會一定程度上損傷圍巖,從而降低巷道運行的安全程度。不僅如此,地表構筑物也會因過大的震動而晃動,安全性受到威脅。

C9空氣沖擊波:空氣沖擊波主要直接影響內部設備、設施,對其安全距離的計算和控制關系著現場每位施工人員的生命安全。

C10粉塵噪聲及有毒氣體:巖巷爆破時會產生大量的粉塵、噪聲和有毒氣體,對施工人員的身體健康和周邊環境有極大的負面影響,國家要求其產出量越低越好。

C11超欠挖量:超挖將造成局部應力集中,增大圍巖的塑性區,進而造成圍巖變形加劇;當欠挖量超過標準范圍時,將會增加擾動次數,增大圍巖的不穩定性。

C12輪廓平順度:在實際生產中,爆破精度控制的越好,爆破后形成的輪廓線將會越接近設計要求,所以輪廓平順度是反映爆破對圍巖影響程度的重要指標,可以體現爆破質量。

C13眼痕率:眼痕率越高,爆破質量越好。眼痕率的高低反映了周邊孔爆破參數設計的好壞程度。

2.2 層次分析法計算過程

1)構造判斷矩陣標度。

評價指標確立后,需要構造比較判斷矩陣。通過引入恰當的數字標度,將各層指標兩兩比較,就可以形成所需的判斷矩陣。利用判斷矩陣可以比較本層指標對上一層級指標的相對重要性,最終計算出本層指標對目標的相對重要程度。

本文采用常見的判斷矩陣形式:對于n個因素來說,得到比較判斷矩陣A=(Cij)n×n。其中Cij表示因素i和j相對于目標的重要程度,其量化主要是通過1～9及其倒數標度方法來實現的,標度極差為2[4],取值標準如表1所示。

表1 Cij取值標準

2)建立各級指標的判斷矩陣。

根據對巖巷爆破質量評價指標的分析和上文所建立的判斷矩陣標度,結合巖巷鉆爆法實際施工情況,征求多位專家的意見,邀請實際施工人員參與評價,建立各級指標之間的兩兩判斷矩陣。

3)權重向量計算。

4)判斷矩陣的一致性檢驗。

2.3 爆破質量綜合評價

第K個專家的一級評價指標評分值為:

(1)

第K個專家的巖巷鉆爆法爆破質量綜合評價得分為:

Fk=WEk

(2)

其中,W為一級指標對目標的權重；Ek為評價權向量，Ek=(E1k,E2k,E3k)T。

該巖巷爆破質量的最終評分為:

(3)

3 巖巷爆破質量綜合評價模型的應用

3.1 工程概況

某巷道設計長度為1 604.7 m,巷道施工區域(煤)巖層傾角4°～8°,主要構造有斷層和小褶曲,次生構造有滑面和裂隙。施工段巖性主要為粉砂巖、粉細砂巖、中細砂巖、細砂巖、1煤等[5]。該巷道為直墻半圓拱形斷面,采用錨網索噴支護,斷面為5 400 mm(寬)×4 300 mmm(高),錨網噴支護掘進斷面積21.3 m2、凈斷面積18.9 m2。本區屬于地溫異常區,該水平地溫為36 ℃～38 ℃。施工期間的主要水害為砂巖裂隙水及鉆孔水等。

3.2 某巷道爆破質量評價指標體系的建立

1)構造判斷矩陣。

根據對該巷道實際爆破效果的分析和項目預期實現的爆破目標,結合上述判斷矩陣標度,經過多位專家的反復修正,建立了各級指標之間的兩兩因素判斷矩陣[6],見表2～表5。

表2 一級指標兩兩判斷矩陣

表3 “技術經濟”指標兩兩判斷矩陣

表4 “安全施工”指標兩兩判斷矩陣

表5 “圍巖保護”指標兩兩判斷矩陣

2)確定評價指標權重。

應用2.2中的權重向量計算方法計算各級評價指標在其層次內的權重,反映下一層各評價指標因素對上一層某評價指標的相對重要程度,即為層次單排序。然后逐層進行一致性檢驗,確保達到滿意的一致性。最后,某指標的權重與其對應目標層的權重相乘,得到各個爆破質量綜合評價指標的總權重。結果表明,安全施工在一級評價指標中占比最大;單循環進尺對技術經濟影響程度最大,瞎炮數目在安全施工中占比最大,超欠挖量在圍巖保護中占比最大，具體見表6。

表6 各級爆破質量評價指標對目標層A的權重

3.3 建立評價樣本矩陣及評價結果

評價巖巷的爆破質量是一個涉及多層次、多種因素的全方位評價過程,結合巖巷的實際情況和評價工作的實際需要,將評價指標的評分等級設定為低、較低、中、較高和高,其分別對應的分值區間見表7。

表7 評分等級

五位專家根據巖巷爆破質量綜合評價指標體系和評分等級對上述巷道的爆破質量進行評價,其按評分標準對爆破質量的某二級評價指標給出的評分dijk,組成了該巖巷爆破質量的二級評價指標的評價矩陣D:

計算得出五位專家對該巖巷的綜合評分分別為61.066,74.683,73.872,74.427,70.042,該巖巷爆破質量的最終得分為70.818分,說明爆破效果屬于中等水平,仍需改進爆破施工工藝,提高爆破水平。根據現場勘察和調研的情況,本文構建的評價指標體系所計算出的評價結果與實際情況相符,具有一定的數據可信度[7-8]。

4 結論

1)通過分析多個巖石巷道的爆破技術和爆破施工情況,征求多位專家意見,建立巖石巷道爆破質量評價指標體系,利用層次分析法計算各級指標的權重值,實現了從定性分析到定量分析的轉變,可以直觀地表示出各影響因素對爆破質量影響度的差別,使評價體系的設置更加科學合理。

2)結合某巷道的實際施工情況,應用所建立的巖巷爆破質量綜合評價模型進行定量評價,結果為中等。其中巖渣塊度和炸藥單耗得分較低,與實際相符,進一步論證了綜合評價模型的客觀合理性。同時,根據評價結果,施工人員可以進行針對性的改進和提高,節約時間和成本。