煤与煤层气协调开发综合评价

张学超

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

我国在煤与煤层气共采领域的技术体系和理论研究取得了一定的进步与发展。晋城矿区创立了煤矿规划区、准备区和生产区三区联动的立体抽采模式，有效地解决了煤层气抽采与煤矿采掘时空接替的问题[1]；两淮矿区建立了保护层卸压井上下抽采技术体系，缓解了低渗突出软煤层群条件下的“抽、掘、采”问题[2-3]；松藻矿区将煤炭开采与井下抽采相结合，构建了井下超前增透抽采技术体系，有效地克服了松软低渗抽采难度大的问题[4-5]。国内煤层气开发已经由井下抽采、地面井排采的单一技术发展成为地面井排采、井上下联合抽采及井下抽采的立体开发技术体系。而在理论研究方面，侯金玲[6]提出了煤层气地面井抽采适应性评价方法，仅对地面井抽采做了分析；季文博[7]指出了煤与煤层气开发的相互影响，对煤与煤层气协调开发前景做出了展望，重点指出了煤与煤层气开发的相互影响，未对开发效果进行评价分析；梁冰等[8]提出了经济预评价、安全评价、共采效果评价，采用模糊评价的方法对煤与煤层气共采进行了综合评价，重点是在经济、安全和共采效果三方面进行评价，未对其适应性进行分析；刘见中等[9]基于典型煤矿区协调开发实践，建立了煤层气与煤炭协调开发的模糊综合评判模型和指标体系，主要是根据典型煤矿区的协调开发模式提出了评价指标体系。

本文根据煤与煤层气协调开发的各种影响因素对其总结归类，提出适应性评价、安全评价和效果评价3项评价目标，对其评价指标分级构建评价体系，再对各评价指标按照5级进行等级划分，引入隶属度函数，构建评价矩阵，建立评价模型。结合层次分析法(AHP)与模糊综合评价方法对煤与煤层气协调开发进行评价，形成一套较为可行的煤与煤层气协调开发综合评价方法。

1 煤与煤层气协调开发的内涵及评价体系

1.1 煤与煤层气协调开发的内涵

煤与煤层气协调开发是对目标区域的煤与煤层气资源统筹编制开发利用方案，在开发时间衔接、空间布局、采掘抽部署等方面综合考虑，统一协调，充分利用井、巷及钻孔工程，选择合理的开发方式，充分发挥采气与采煤相互有利的影响，对煤层气最大限度地开发，并在安全的前提下进行煤炭开采，实现煤与煤层气资源安全、高效开发，并实现最理想的综合效益[10-13]。

煤与煤层气协调开发的目标是安全、高效、科学、合理统筹开发煤炭及煤层气资源，其工作流程是：在目标区域考察煤炭及煤层气储量以及赋存的相关参数，确定是否具备井上下煤层气开发的条件，选择合理的煤层气开发方案，在时间和空间上合理安排采煤和采气，实现煤与煤层气两种资源安全高效开发。一方面，开发煤层气能够降低煤层中瓦斯压力及瓦斯含量，最大限度地避免瓦斯事故以及风险，更加安全地进行煤炭开采工作；另一方面，在煤炭采掘过程中，生产对周围岩体的卸压作用导致吸附在煤岩体中的瓦斯得以释放，这样也就有利于瓦斯的抽采。煤与煤层气共采能够利用采煤、采气双向的互利作用，实现更加安全高效的回采。

1.2 煤与煤层气协调开发的影响因素

煤与煤层气协调开发是一项系统工程，其开发过程与诸多因素有关，主要影响因素见表1。煤与煤层气协调开发的3个考察目标分别是：适应性、安全和效果。适应性的主要影响因素有资源条件、煤层条件、煤层气条件、水文地质条件和技术条件，主要涉及煤炭资源储量、煤层气资源储量、煤层面积、埋藏深度、煤层厚度、煤的变质程度、煤层气储量丰度、煤层气含量、渗透率、储层压力等；安全的主要影响因素有优先因素和基本因素，主要涉及煤矿瓦斯危害、瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯浓度等；效果的主要影响因素有资源回收率、经济效益、环境效益和社会效益，主要涉及抽采率、回采率、煤层气销售收入、补贴收入、投资利润率、替代煤炭的效益、替代天然气的效益、减排效益、节省防治瓦斯费用、提高煤矿生产效率产生的效益等。

表1 煤与煤层气协调开发主要影响因素Table 1 Effect factors of coal and CBMcoordinated exploitation

资源丰富、煤层及煤层气条件优越、水文地质条件良好、技术先进均有利于实施煤与煤层气共采协调开发。优先因素主要是瓦斯的事故因素，如瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯燃烧等，基本因素主要是瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯浓度等，生产过程中若是难以避免瓦斯事故，瓦斯基础参数达不到相关要求，则对煤与煤层气安全开发极为不利。而资源回收率高，经济效益、环境效益和社会效益好均会对煤与煤层气协调开发产生良好的效果。

1.3 煤与煤层气协调开发综合评价指标体系

根据煤与煤层气协调开发的相关影响因素，按照协调开发的适应性、安全和效果的目标层评价，提出了各目标下的分级评价指标。对于协调开发的适应性评价主要考虑了资源条件、煤层条件、煤层气条件、水文地质条件和技术条件；对于协调开发的安全评价主要考虑了井下煤层气开发涉及的优先指标和基本指标，优先指标主要是指瓦斯灾害的危险情况及危害程度，而安全评价的基本指标是指抽采后的瓦斯压力、瓦斯含量、可解析瓦斯量和抽采率；对于协调开发的效果评价主要考虑了资源回收、经济效益、环境效益和社会效益指标。各项评价目标按照不同的要求分层次设置评价指标，形成煤与煤层气协调开发综合评价指标体系。评价指标体系见表2。

表2 煤与煤层气协调开发评价指标体系Table 2 Coal and CBM coordinated exploitation index system

2 煤与煤层气协调开发综合评价

2.1 评价模型

对单个评价因素考察，以确定其在评价集中的隶属程度rij的过程称为单因素模糊评价。根据单个因素评价集的隶属度建立隶属度函数评价矩阵，见式(1)。

(1)

隶属度函数可通过降半梯形分布确定，见式(2)。

(2)

建立各层次协调开发模糊综合评价模型，其矩阵见式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：A为评价目标(属于一级层)，是指目标模糊综合评价集；B为评价标准层(属于二级层)，是二级指标模糊评价集；wi(2)为二级指标权重集；C为评价子标准层(属于三级层)，是基础指标模糊评价集；wi(3)为三级指标权重集；i=1，2，…，m为模糊综合评价指标个数[9,14-15]。

2.2 评价方法

煤与煤层气协调开发综合评价根据相应的评价目标要求以及评价因素的相互关系建立具有不同层次的评价指标体系。主要影响条件归纳为：适应性因素、安全因素和效果因素，这些因素又可划分为不同层次的各种指标。针对影响煤与煤层气协调开发评价的各种因素，按照不同评价目标的要求，结合层次分析法(AHP)，运用模糊综合评价法对煤与煤层气协调开发做出评价。

2.3 综合评价

寺河煤矿位于晋城矿区，面积约53.382 km2，设计生产能力为4.0 Mt/a，2010年核定生产能力为10.8 Mt/a。寺河煤矿煤炭总储量为13.27亿t，煤层气储量为250.02亿m3，煤层气含量为7.67～16.60 m3/t，煤层瓦斯压力为0.29～2.12 MPa，煤层透气性系数为0.023 9～4.452 9 m2/(MPa2·d)。

井田煤系地层共含煤15层，其中，3#煤层、15#煤层为主要可采煤层，9#煤层为大部可采煤层(西区局部可采)，井田含煤15层，煤层总厚14.67 m，其中，可采煤层和局部可采煤层3层，总厚度10.32 m。3#煤层厚4.45～8.75 m，平均厚6.31 m，顶板为泥岩或砂岩，煤层稳定，全井田可采。 9#煤层厚0.48～2.44 m，平均厚1.34 m，属结构简单、较稳定的大部可采的中厚煤层。 顶板多为粉砂岩，底板为泥岩或砂质泥岩。 15#煤层厚1.80～5.45 m，平均厚2.67 m，全井田发育，厚度稳定，结构简单。顶板为灰岩，底板为泥岩。该井田内地质构造简单，煤层埋藏深度在250～600 m之间，煤层倾角为2°～10°，矿井绝对瓦斯涌出量为486.6 m3/min。

寺河西井区地面煤层气井抽采5 a，3#煤层瓦斯含量由平均23.7 m3/t降至12.27 m3/t。寺河煤矿2017年煤层气日抽采量突破200万m3。

2.3.1 指标权重确定

利用层次分析法(AHP)确定各项评价参数的权重。对判断矩阵需要进行一致性检验。将矩阵A的秩设置为1，计算出其非零特征根n，将n对应的特征向量作为权向量，矩阵满足aij×ajk=aik，其中，i=1,2,3,…,n，j=1,2,3,…,n，k=1,2,3,…,n。对于不一致的成对比较矩阵A，用对应于最大特征根A的特征向量作为权向量w(需要做归一化处理)，见式(5)。

Aw=λw

(5)

设置CI为一致性指标，RI为随机一致性指标，CR为一致性比率，计算见式(6)～式(8)。随机一致性指标见表3。

表3 随机一致性指标Table 3 Random consistency index

(6)

RI=

(7)

(8)

如果满足CR<0.1，则矩阵A的一致性检验通过，说明矩阵A可以接受，并将其特征向量作为权重向量。反之，重新构建比较矩阵，直至一致性检验通过。

1) 适应性指标权重。将资源条件、煤层条件、煤层气条件、水文地质条件和技术条件分别作为X的各项因素，则由X1、X2、X3、X4和X5构成二级权重集，适应性指标权重见表4。

表4 适应性指标权重Table 4 Adaptive evaluation index weight

适应性指标权重分别为：w=(0.657，0.645，0.330，0.126，0.165)，归一化处理后为：w=(0.342，0.336，0.171，0.065，0.086)，经过一致性检验，由MATLAB软件计算可知λ=5.30，带入式(6)和式(8)，得式(9)和式(10)。

(9)

(10)

通过计算，CR=0.07<0.1，一致性检验通过。由此可知，5项二级指标权重分别为：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) 安全指标权重。将优先指标和基本指标分别作为O的各项因素，则由O1、O2构成二级权重集，基本指标中的瓦斯压力、瓦斯含量、可解吸瓦斯量和抽采率设置为P1、P2、P3和P4，这些因素构成三级权重集。对构成的二级权重集和三级权重级进行权重计算，以及一致性检验。各项权重结果见表5。则λ=4.18，CI=0.06，RI=1.24，CR=0.05<0.1，一致性检验通过。

表5 基本指标权重Table 5 Basic benefit indexes weight

3) 效果指标权重。将资源回收、经济效益、环境效益和社会效益分别作为M的各项因素，则由M1、M2、M3、M4构成二级权重集，资源回收指标下的煤炭回采率和煤层气回收率因素设置为N1和N2，经济效益内的各项因素煤层气销售收入、补贴收入和投资利润率设置为N3、N4、N5，环境效益内的替代煤炭效益、替代天然气效益和减排效益设置为N6、N7、N8，社会效益内的事故减少产生的效益、节省瓦斯防治费用和提高生产效率产生的效益设置为N9、N10、N11，由N1至N11这些因素构成三级权重集，并通过了一致性检验。其中，二级指标权重为w3=(0.565，0.262，0.055，0.118)，三级指标权重分别为：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 评价指标等级及隶属度

1) 适应性指标评价等级及隶属度见表6。

表6 适应性评价件等级及隶属度Table 6 Classification and membership of adaptiveevaluation index

2) 协调开发安全指标和效果指标隶属度。安全指标和效果指标隶属度与适应性指标隶属度确定方法类似，不再赘述。

2.3.3 评价标准确定

参考相关的技术规范等资料，将评价指标按照相应的数值域或定性描述划分为不同的评价等级，以资源条件为例确定其评价标准如下所述。

1) 煤炭资源量评价标准。参考《煤炭工业矿井设计规范》，各个生产能力下不同服务年限对应不同的可采储量值，6.0 Mt/a、3.0～5.0 Mt/a、1.2～2.4 Mt/a、0.45～0.90 Mt/a生产能力的矿井对应的服务年限内最低可采储量分别为420 Mt、180～300 Mt、120～240 Mt、18～36 Mt。将煤炭资源量按照不同的数量级划分为5个评价等级，分别为极大、大、较大、中等、小，煤炭资源量评价等级划分见表7。

表7 煤炭资源量评价等级划分Table 7 Classification of coal resource evaluation

2) 煤层气资源量评价标准。参考《煤层气资源/储量规范》，根据地质储量规模将煤层气田进行如下划分：煤层气地质储量超过3 000亿m3的为特大型气田，储量为300亿～3 000亿m3的为大型气田，储量为30亿～300亿m3的为中型气田，储量小于30亿m3的为小型气田。按照煤层气地质储量大小划分为5个评价等级，分别为极大、大、较大、中等、小，煤层气资源量评价等级见表8。

表8 煤层气资源量评价等级Table 8 Classification of CBM resource evaluation

2.3.4 评价矩阵确定

1) 适应性指标评价矩阵。根据多层次模糊综合评价公式，分别对资源条件、煤层条件、煤层气条件、水文地质条件和技术条件等二级指标进行模糊综合评价，通过计算得到二级模糊评价向量，记为B1、B2、B3、B4、B5。因此，三级模糊评判评价矩阵C见式(11)～式(16)。

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

2) 安全指标评价矩阵E见式(17)。

(17)

3) 效果指标评价矩阵。效果指标评价矩阵记为I1、I2、I3、I4，计算结果不再赘述。

2.3.5 综合评价

协调开发适应性的模糊综合评价结果见式(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)

因为a2=max(a1，a2，…，a5)=0.289 4，因此根据最大隶属度原则，判断协调开发适应性模糊综合评价结果为：协调开发适应性为“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，协调开发安全为“较好”。G=(0.260 4，0.308 2，0.208 3，0.146 8，0.076 3)，g2=max(g1，g2，…，g5)=0.308 2，协调开发适应性为“好”。

2.4 煤与煤层气共采协调性评价

引入协调指数，并将煤与煤层气协调开发的3项评价目标设置相应的评价指数，将各项指数按照0～1之间的不同分值区间划分为很好、好、较好、一般、差共5个等级，利用模糊综合评价形成的隶属度和评价等级确认其指数区间，各项指数评价等级见表9。煤与煤层气协调开发适应指数、安全指数和效果指数这3项基础指数的权重分别为O3、O4、O5，根据AHP法计算得到3项指数的权重，根据3项基础指数不同的权重，计算出协调性指数分值，确认其协调性评价等级，协调指数评价结果见表10。

表9 各项指数评价等级Table 9 Evaluation grade of index

表10 协调指数评价结果Table 10 Evaluation results of coordinated index

计算得协调指数为0.67，可知晋城矿区寺河煤矿煤与煤层气协调开发评价等级为“好”。本文研究的煤与煤层气协调开发评价方法为模糊综合评价法，即以模糊数学为理论基础，结合实际案例，将各项指标按照不同的等级进行划分，构建评价模型，并且根据设置好的评价标准对评价指标进行统一量化，通过层次分析法确定各项指标的权重，利用隶属度函数及矩阵进行相关的数学计算，根据基础的指标参数反馈到上一级评价指标，最终利用各项指标得到煤与煤层气协调开发的3项目标评价值，再根据其相关的权重计算得到评价的协调指数，并且根据评价等级标准判定最终的评价结果。

3 结 论

1) 根据煤与煤层气协调开发的相关影响因素，按照协调开发的适应性、安全和效果的目标层评价，提出了各个目标下的分级评价指标，将每一项目标按照3级结构分层次设置评价指标，构建煤与煤层气协调开发评价指标体系。

2) 利用模糊数学的方法构建评价矩阵，对各项指标按照5级进行等级划分，提出了相应基层指标的评价标准。引入隶属度函数，并根据层次分析法(AHP)确定每项不同等级指标的权重，再利用矩阵算法对煤与煤层气协调开发的适应性、安全和效果3项目标进行评价，得到各项目标评价的隶属度，从而确定其相应的评价等级。

3) 以晋城矿区寺河煤矿为目标，按照评价要求，构建寺河煤矿煤与煤层气协调开发的开发评价体系，并将各项指标实施量化处理，应用综合评价的方法得到该矿最终的开发协调指数为0.67，确认其煤与煤层气协调开发评价等级为“好”。