基于AHP的薄煤层滚筒采煤机综采工艺适应性评价研究

魏 坤 王 沉 卜永强

(1. 中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 江苏省徐州市，221116；3.贵州大学矿业学院，贵州省贵阳市，550025)

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基于AHP的薄煤层滚筒采煤机综采工艺适应性评价研究

魏 坤1,2王 沉3卜永强1,2

(1. 中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 江苏省徐州市，221116；3.贵州大学矿业学院，贵州省贵阳市，550025)

为了定量地综合评价薄煤层滚筒采煤机综采工艺的适应性，以神木汇森凉水井矿业有限责任公司(以下简称凉水井煤矿)4-3薄煤层为工程背景，将模糊层次分析法、统计分析法引入滚筒采煤机综采工艺评价中。基于层次综合评价模型建立了薄煤层滚筒采煤机综采工艺综合评价指标体系，构造了隶属函数，得到了各基因素的隶属度与权重，最终得到了定量评价结果，验证了凉水井煤矿选用滚筒采煤机综采工艺的合理性。

薄煤层滚筒采煤机 综采工艺 适应性评价 层次分析法

目前，我国薄煤层资源储量丰富，可采储量约占煤炭总储量的20%，但薄煤层年产量仅占全国总产量的10.4%，因此发展高效机械化开采技术是薄煤层开采亟需解决的关键技术问题。由于滚筒采煤机综采工艺具有割煤、破岩和过断层能力强、推进速度快、生产效率高以及对煤层赋存条件的变化适应性强等优点，因此我国薄煤层工作面开采中普遍采用该综采工艺。近年来，模糊层次分析法广泛应用于评价综采工艺选择及设备配套选型的合理性。凉水井煤矿在结合煤层赋存特点、产量要求等条件，决定采用滚筒采煤机综采工艺。为了确定选用滚筒采煤机综采工艺的合理性，本文采用层次分析法(AHP)的定量评价展开系统性的研究。

1 煤层赋存地质条件

凉水井煤矿主采的4-3薄煤层位于431盘区，盘区内煤层埋藏平均为142 m，煤层结构简单较稳定，裂隙及次生裂隙不发育，变异系数为0.21，属于浅埋近水平稳定煤层。4-3薄煤层的单轴抗压强度约为30 MPa，煤层大部分可采，可采指数为0.78，煤层局部含夹矸，夹矸率为9%，且以粉砂岩为主。煤层顶板以浅灰色中、细粒砂岩及粉砂岩为主，夹薄煤层砂质泥岩、炭质泥岩，平均厚度为24.92 m，其中直接顶厚度为8.53 m，岩层的单轴抗压强度为50～70 MPa，煤层底板以粉砂岩为主，局部含有泥岩、细粒砂岩，岩层的单轴抗压强度平均为60 MPa。盘区内未发现断层，无褶曲影响。矿井水文地质类型为极复杂，431盘区煤层自然瓦斯成分以N2为主，CO2次之，CH4少量至微弱，属于瓦斯矿井。煤层自燃倾向性等级为Ⅰ类，具有爆炸危险性。

2 基于层次分析法的综合评价模型

模糊综合评价中常用最大隶属度原则，结合薄煤层综采实践及指标体系，采用加权平均型的模糊合成算子计算公式见式(1)：

(1)

式中：Mj——第j个样本的综合评价值；

Pi——第i项因素的权重；

rij——第j个评价样本中第i个因素的隶属度。

基于以上模糊层次分析法建立的数学评价模型，确定影响薄煤层滚筒采煤机综采工艺适应性的评价指标(基因素)，建立关于各评价指标的多层次综合评价体系，对各评价指标进行量化及无量纲处理，并按照一定的算法将各基因素的评价映射为确定的综合评价值，以此综合评价值的大小进行评价薄煤层滚筒采煤机综采工艺的适用性。

3 评价指标选取与量化

在建立薄煤层滚筒采煤机综采工艺适应性评价指标体系及确定综合权重值之前，应选取最优化的基因素作为量化的评价指标。根据层次分析法的模糊理论，并结合薄煤层地质赋存条件，确定了该评价模型的基因素为煤层厚度、煤层倾角、煤层硬度、煤层可采性、煤层变异性、煤层夹矸率、直接顶、伪顶、基本顶、底板硬度、底板起伏度、工作面长度、可推进长度、断层、褶曲、瓦斯、水文和煤层自燃性18个因素。薄煤层滚筒采煤机综采工艺适用性评价指标体系如图1所示。

图1 薄煤层滚筒采煤机综采工艺适用性评价指标体系

3.1 煤层赋存条件

为了对各基因素进行最优化评价，需要分别进行量化，得到与之对应的参数值。

(1)煤层厚度。以主采煤层的煤层厚度平均值作为量化参数值。

(2)煤层倾角。以主采煤层的煤层倾角平均值作为量化参数值。

(3)煤层硬度。煤层硬度的大小是影响薄煤层综采量及机械化开采的重要因素，煤层硬度的评价指标见式(2)：

R=(1-G)Rc+GRw

(2)

式中：R——综合强度，MPa；

G——夹矸率；

Rc——煤的单轴抗压强度，MPa；

Rw——夹矸单轴抗压强度，粉砂岩取经验值40 MPa。

(4)煤层稳定性。评价煤层稳定性时，应分别选用主采煤层的可采性指数km、煤厚变异性系数γ、煤层夹矸率G作为量化参数值来分别量化煤层可采性、煤层变异性以及煤层夹矸率这3个基因素。

3.2 煤层顶底板条件

量化煤层顶板这一主体因素时，分别选用直接顶岩层的单轴抗压强度RZ、伪顶厚度h0以及反映基本顶支撑条件的概略性指标N作为参数值来分别量化煤层直接顶、伪顶以及基本顶这3个基因素，其中N的计算表达见式(3)：

(3)

式中： ∑hi——直接顶厚度，m；

M——采高，m。

同理，量化底板这一主体因素时，选取底板岩层的单轴抗压强度RD作为底板硬度的量化参数值；底板起伏度对工作面设备的运行效率和设备稳定性具有重要的影响，用工作面刮板输送机竖向弯曲度R来描述，其值一般用煤层倾角来量化。

3.3 工作面条件及其他

(1)工作面块度。工作面块度主要包括工作面长度和可推进长度。结合凉水井煤矿首采工作面开采设计参数，这两个基因素的量化参数值分别为160 m和1709 m。

(2)地质构造。量化断层这一基因素时，分别选用主采煤层可推进范围内的断层密度q1、断层长度指数q2和断层落差系数q3这3个参数值量化断层对薄煤层滚筒采煤机综采工艺适应性的影响，由于凉水井煤矿主采4-3薄煤层无断层，则有q1=q2=q3=0。

褶曲可用褶曲强度系数p1和褶曲复杂性系数p2来分别进行量化，见式(4)与(5)：

式中：L′——在褶曲的垂直剖面上任意两点间煤层实际长度，m；

L——该两点的水平投影长度，m；

Δh——块段内等高线的极差，m；

ω——等高线走向的变化值，rad；

l——块段内最高与最低等高线之间的水平投影长度，m；

s——块段面积，km2。

(3)其他条件。按照《煤矿安全规程》，从瓦斯角度将矿井分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ这3个类别，分别代表瓦斯矿井、高瓦斯矿井、突出矿井，并分别赋值为1、0.5、0.2。矿井水文地质的等级为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，分别代表简单、中等、复杂、极复杂4个类型，并分别赋值为0.8、0.6、0.4、0.2。煤层自燃倾向性等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，赋值分别为1、0.8、0.5、0.2。

根据凉水井煤矿4-3薄煤层431盘区实际地质条件和工作面参数，各个指标量化后的结果见表1。

表1 凉水井矿431盘区各评价指标量化结果

表2 地质因素相对目标层权重

4 构造隶属函数

隶属函数是用来表征基因素隶属于某一特定模糊集的程度，其中，隶属函数中的自变量为各基因素的参数值，而函数值的大小是衡量基因素对综合评价指标体系的影响程度，其值越大，说明该基因素对综合评价指标体系的整体影响性越大，反之则小。采用统计分析法确定各基因素的隶属函数包括分段函数和指数函数两种类型，各函数表达式见表2。

5 定量评价结果

综合评价模型中各个基因素相对重要性的计算(即权重的确定)对整个模型的效果和适用性影响较大。将各个基因素量化后的参数值分别代入与之对应的隶属函数中得到相应的基因素隶属度，采用专家打分法确定各个基因素的权系数，权系数与基因素隶属度的乘积作为该基因素的权重。凉水井煤矿4-3薄煤层431盘区综采工艺综合评价指标体系中各个基因素的权重值及综合权重值见表3。

为了更好地进行定量分析，按照薄煤层滚筒采煤机可采性指标分为五类，其中，0表示极难采，1表示极易采，薄煤层滚筒采煤机综采工艺可采性分类表见表4。

由表3和表4可知，凉水井煤矿地质因素综合权重值为0.8872，该矿井 4-3薄煤层431盘区首采工作面滚筒采煤机可采性属于极易采。

表3 影响因素的隶属函数

基因素隶属函数煤层夹矸率μG(G)=10G≤5%11-2G5%≤G<10%14-5G10%≤G<15%23-11G15%≤G<20%0120%≤Gìîíïïïïï直接顶抗压强度μRZ(RZ)=01RZ≤25MPaln(168492×10-4RZ2+00116375RZ+0708933)25MPa80MPa{伪顶厚度μh0(h0)=10h0≤02m-3h0+1602m

表4 薄煤层滚筒采煤机综采工艺可采性分类表

6 结语

(1)基于模糊层次分析法研究影响薄煤层滚筒采煤机综采工艺适应性的基因素，建立并确定了关于各个基因素的综合评价指标体系及参数值；采用统计分析法、待定系数法确定各个基因素的隶属函数及隶属度，结合专家打分法得出各基因素权系数及综合权重，为薄煤层的开采提供理论依据。

(2)当综合权重值介于0.6～1之间，薄煤层的可采性分为易采和极易采，此时采用滚筒采煤机综采工艺的适应性较高，可进行薄煤层的回采；当综合权重值介于0～0.6之间，薄煤层的可采性分为极难采、难采和一般，此时采用滚筒采煤机综采工艺的适应性较低，不利于薄煤层的回采。

(3)凉水井煤矿4-3薄煤层431盘区首采工作面综合权重值为0.8872，其可采性属于极易采，可进行薄煤层的回采，验证了滚筒采煤机综采工艺在431盘区首采工作面实际开采中的适应性较高。

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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

国家高技术研究发展(863)计划项目(2012AA062101)

魏坤，王沉，卜永强. 基于AHP的薄煤层滚筒采煤机综采工艺适应性评价研究[J].中国煤炭，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-)，山东枣庄人，在读硕士研究生，主要从事薄煤层采矿方法与岩层控制方面的研究。

(责任编辑 路 强)