煤矿冲击矿压危险性评价方法探究

樊智林

(同煤集团四台矿，山西 大同 037003)

0 引言

在煤矿生产中，会遇到岩体能量猛然释放导致煤岩失稳冲击的情况，这就是冲击矿压现象。经过各种理论的研究发现，冲击矿压发生的核心都是煤层应力状态的改变，其中煤层地质条件和煤炭开采技术是影响应力的主要因素。因此，如果能够建立评价体系，通过对主要因素的分析，对不同区域的冲击矿压进行评价，从而划分不同危险性等级，采取有针对性的措施，对煤矿的安全生产具有重要的作用。

当然，煤矿冲击矿压是一个多因素耦合的复杂过程。评价体系的建立需要能够对不同因素进行研究，并采取科学、客观的方式进行定量计算，才能得到比较可靠的结果。因此，选择层次分析法进行研究。

1 煤矿冲击矿压的影响因素与评价体系

1.1 煤层地质条件

煤层地质条件是煤岩应力产生的基础，决定了整个区域的应力大小。主要因素包括开采深度、断层、煤层倾角、煤层厚度剧烈变化等。其中，经过大量的现场测试和数值模拟可知，开采深度与冲击矿压产生的概率大小在一定深度范围内成正比关系，煤层厚度剧烈变化会导致冲击矿压的发生，倾角的大小会影响煤体应力集中的情况，断层则破坏了煤岩的连续性，会导致冲击矿压发生次数增加。通过对文献资料的查阅，建立了煤层地质条件的评价标准，见表1。

表1 影响煤矿冲击矿压各因素的评价标准

1.2 煤炭开采技术条件

静态开采技术条件：对采煤工作面而言，静态开采技术条件主要是指回采巷转弯和停采线。转弯次数多的话，会导致回采至该区域时出现应力集中现象，增大了发生冲击矿压的危险性。而工作面回采接近停采线的时候，停采线附近煤体由下山和采空区，形成了一个大煤柱，使得上覆岩层很大一部分重量转移到了停采线煤柱上，产生应力集中，增加了冲击发生的可能性。其评价标准见表1。

动态开采技术条件：对采煤工作面而言，动态开采技术条件是指老顶初次来压、工作面见方等会给开采带来冲击载荷的因素。顶板破裂会产生冲击载荷，顶板悬露面积较大同样会造成应力集中导致冲击发生。其评价标准见表1。

1.3 煤矿冲击矿压危险性评价体系

在AHP分析中，所有评价的影响因素都是通过具体的指标来体现的。根据前文分析，结合现场实际并通过与一线技术人员、管理人员的交流和沟通，构建了煤矿冲击矿压危险性评价体系，如图1所示。

图1 评价体系结构示意图

2 煤矿巷道稳定性的AHP分析

2.1 判断矩阵的建立

在AHP分析法中，判断矩阵的建立是通过对各个指标相互比较而得到量化标度。其原理如下，如果X因素与其下层因素Y1、Y2……Yn有关联，则其判断矩阵如式(1)所示

(1)

在式(1)中，xij的取值是通过Yi(i=1，2，3，…，n)和Yj(j=1，2，3，…，n)相对重要性度量值而确定的。度量标准见表2，其中度量标准为2，4，6，8时，说明度量标准介于表2中2个相邻度量等级之间。

表2 度量标准

根据式(1)对图1的评价体系构造A-B层、B-C层的判断矩阵分别为

2.2 权重计算及一致性检验

单层次排序与总排序计算：

H=(h1,h2,…,hn)T

(2)

H也是XH=λmaxH最大特征根λmax对应的特征向量。由此求得

(3)

根据式(2)和式(3)求得判断矩阵A所对应的特征向量(即权重值)和λmax为：HA=[b1，b2，b3]T=[0.593 6，0.249 3，0.157 1]T，λmaxA=3.053 6。同理，可以求得B1～B3所对应的特征向量(即单层排序)和特征值。计算结果见表3。

最底层各影响因素C1，C2，…，C22对最高层因素A的影响权重向量为

Q=[q1,q2,…,q8]T

(4)

qk=ckbl

(5)

k=1，2时，l=1；k=3，4时，l=2；k=5，…，8时，l=3。

式中：Q—因素C1，C2，…，C8对A层影响的权重向量；qk—C层因素对A层影响的权重值；ck—C层因素对B层影响的权重值；bl—B层因素对A层影响的权重值。

所以，由式(4)和式(5)求得C层各因素对A层的权重向量(即层次总排序)，将权重值填入表3。

表3 煤矿冲击矿压危险分析数据计算结果

一致性检验：

CR=CI/RI

(6)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(7)

式中：CR—判断矩阵的随机一致性比率，如果CR<0.10，层次单排序结果就有满意的一致性，否则需要重新取值；CI—判断矩阵的一致性指标；RI—平均随机一致性指标，取值见表4。

表4 平均随机一致性取值

由式(6)和式(7)求得所有判断矩阵的CR均<0.10，说明结果均具有满意的一致性。

总排序的随机一致性比率：

(8)

由式(8)求得CRs<0.10，层次总排序结果通过一致性检验。

2.3 综合评价

根据前文所述的评价标准，以某巷道为例，进行评价，评分结果计入表3。综合评价计算如下式

(9)

式中：F—评价得分；P—因素C1，C2，…，C8的现场打分结果矩阵；pk—现场打分结果。

综合评价体系中，满分为5分，则2分以下可评为危险，2～4分评为中等，4分以上评为安全。根据(9)式可计算出评价得分F=2.12，因此该区域冲击矿压危险等级为中等。

3 结论

(1)通过对影响煤矿冲击矿压的因素进行分析，基于层次分析法建立了煤矿冲击矿压危险性评价体系。体系的建立既有利于煤炭安全开采，也有利于煤矿的安全管理。通过权重分析，结合打分可以对某区域进行综合评价。计算结果证明，这一方法能够客观、科学地判断区域冲击矿压危险性。

(2)文中是采用层次分析法对煤矿冲击矿压危险性评价的初步研究，在体系建立、判断矩阵的构建以及评分等方面虽仍有不足，但初步研究可以说明，该方法具有一定的科学性和实践性，具有一定的实践价值，可以此为基础，进行更加深入的研究。