基于层次分析法的顶板卸压技术方案优选

庞立宁，魏 斌

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013)

在煤矿生产过程中，切顶卸压技术[1-4]是一种常用的防治顶板灾害事故的手段，如沿空留巷切顶卸压(四明山煤矿、晋华宫煤矿)[5，6]、大变形巷道切顶卸压(常村煤矿)[7]、切顶卸压自成巷(柠条塔煤矿、店坪煤矿)[8，9]、神府矿区坚硬顶板初采强制放顶[10，11]、切顶卸压防治冲击地压(葫芦素煤矿)[12，13]、动压巷道切顶卸压护巷(景福煤矿)[14]；此外，切顶卸压技术还在近距离煤层房柱采空区下长壁开采动压灾害防治方面有着良好效果(元宝湾煤矿、石圪台煤矿)[15，16]。

切顶卸压技术有很多具体实施方式[17]，如爆破、水力压裂、CO2爆破[18，19]、产气剂爆破等；针对某种特定地质条件的矿井，往往有很多可供选择的切顶卸压技术方案，而如何科学地、有逻辑性地从诸方案中优选抉择是摆在工程技术人员面前的问题，在以往方案抉择中，往往是定性地分析各备选方案优缺点而后确定最终方案，定量研究各因素对切顶卸压方案抉择的影响权重的文献较少。因此，以元宝湾煤矿为例，介绍可实现定量分析的层次分析法[20]在优选顶板卸压技术方案中的应用。

1 工作面开采条件

元宝湾煤矿为兼并重组整合矿，重组整合前采用房柱式开采方式，回采的层位为4#煤层，遗留下很多不规则的房柱式采空区，如图1所示，且4#煤层砂岩顶板比较坚硬，实测单轴抗压强度可达81.09MPa。6105工作面位于4#煤房柱式老空区下方，近水平，工作面长度为240m、埋藏深度为180m、推进长度932m、煤厚采高均为3.4m，和上覆房柱采空区距离为16.6m，6105工作面附近钻孔柱状如图2所示。

备注：(图中不规则阴影区域为上覆未冒采空区)图1 6105工作面内上覆采空区分布

图2 6105工作面煤层综合柱状

2 4#煤房柱式采空区顶板处理方案的提出

在6105工作面推进过程中，为了判断上覆4#煤顶板是否会发生突然大面积垮落从而对下伏工作面造成动压冲击灾害，采用3DEC数值模拟手段进行了分析，发现：如果不对4#煤房柱采空区顶板进行切顶卸压弱化，下伏6#煤工作面回采过程中会受到其大面积突然垮落造成的强动压危害[15]。

因此需要对4#煤房柱采空区顶板进行切顶卸压弱化处理，由于4#煤层内原有老巷道附近进行过切顶卸压，且如今已经封闭无法进入，只能通过在6105工作面两条平巷内布置钻场向上覆4#煤层顶板施工钻孔。采用的切顶卸压手段有多种，如定向水力压裂切顶卸压、爆破切顶卸压、二氧化碳爆破切顶卸压等手段。为了方便起见，选择定向水力压裂切顶卸压和爆破切顶卸压两种方案进行分层分析。

2.1 爆破切顶卸压

根据元宝湾煤矿实际地质条件进行了ANSYS数值模拟[15]，分析了装药不耦合系数为1.2、1.3、1.5、1.7时炮孔附近的裂隙发育情况，如图3所示，发现不耦合系数为1.3时，炮孔附近裂隙发育情况最好，爆破裂隙区半径可达到2.64m，结合实际施工机具条件，考虑到有一定重叠以增加弱化效果确定爆破孔间距为5m，选用规格为∅50mm×500mm、质量1kg/卷的矿用3#粉状乳化炸药，钻孔直径65mm。经计算，钻孔累计长度5904m。爆破钻孔布置如图4所示。

图3 不同耦合系数时炮孔附近的裂隙发育情况

图4 爆破卸压钻孔布置平剖面

2.2 定向水力压裂切顶卸压

为了确定水力压裂扩散半径，在现场布置了监测孔进行了实验，发现扩散半径可达8m，考虑到两孔间压裂扩散区域有部分重叠以增加压裂效果，确定每组孔间距为15m，根据拟处理的厚岩层层位及现场施工机具条件确定钻孔倾角(每组有两个钻孔，1#孔倾角为45°、深度45m，2#孔倾角为60°、深度37m)，用开槽钻在每个钻孔内厚岩层区域进行切缝开槽，用封隔器进行封孔，实现对厚岩层的分层致裂，定向水力压裂孔布置如图5所示。经计算，钻孔累计进尺为2214m。

图5 6105工作面两平巷内水力压裂孔布置

3 4#煤房柱式采空区顶板处理方案的确定

3.1 建立三层次构造模型

方案确定层次结构如图6所示，模型分为三层：最高层为要解决的问题和达到的目的，即：从诸多顶板卸压技术方案中定量选择一个作为最优方案。最低层为根据现场实际条件拟定的诸多可供选择的顶板卸压技术方案。中间层为方案选择时所需要考虑的因素，如：预计卸压效果、工程量、方案负面效应、政策倾向等。

图6 方案确定层次结构

最高层：第2节中的方案一爆破切顶卸压和方案二定向水力压裂切顶卸压中确定一个最终方案。

中间层：切顶卸压效果(爆破优于水力压裂)，工程量(水力压裂优于爆破)，方案负面效应(水力压裂较爆破更优)，政策倾向(水力压裂优于爆破)。

最低层：水力压裂处理4煤顶板、爆破处理4煤顶板。

3.2 构造判断矩阵

将中间层中列出的各因素对顶板卸压技术方案确定的重要性进行两两比较，相比较的两因素的重要性不同，判断矩阵中元素aij的取值不同(取值范围在1～9之间)，因素i相比于因素j的判断元素aij和因素j相比于因素i的判断元素aij互为倒数。将诸多判断元素aij构造成判断矩阵A。矩阵的判断可以通过专家讨论得出，可以使用“德尔菲法”确定各项问题的相对重要程度。

以元宝湾煤矿6105工作面两平巷处理其上方4#煤顶板的方案确定为例，对中间层中各因素对最优方案抉择的重要性进行比较，构造判断矩阵A-B，见表1。

表1 判断矩阵A-B

A代表最高层，即总目标；B代表中间层各因素，B1为切顶卸压效果，B2为工程量(水力压裂切顶方案C1较爆破切顶方案C2优势为5904m/2214m=2.67，为方便计算，取值为3)，B3为负面效应，B4为政策倾向。

根据最低层中水力压裂技术方案和爆破卸压技术方案分别对中间层的四个因素的重要性，构建Bi-C矩阵，见表2—表5。C代表最低层中的各方案，C1为水力压裂技术方案，C2为爆破卸压技术方案。

表2 判断矩阵B1-C

表3 判断矩阵B2-C

表4 判断矩阵B3-C

表5 判断矩阵B4-C

3.3 计算各判断矩阵的检验指标

采用求和法，归一化处理后，求得：

判断矩阵A-B的特征向量W0=[0.365 0.124 0.278 0.233]T；特征值λ0=4.046：一致性指标CI0=(λ0-n)/(n-1)=0.0153，n=4时，RI为0.89，CR0=CI0/RI=0.0172<0.1，说明一致性可接受。

判断矩阵B1-C的特征向量W1=[0.333 0.667]T；特征值λ1=2：一致性指标CI1=0，CR1=0，说明一致性可接受。

判断矩阵B2-C的特征向量W2=[0.750 0.250]T；特征值λ2=2：一致性指标CI2=0，CR2=0，说明一致性可接受。

判断矩阵B3-C的特征向量W3=[0.750 0.250]T；特征值λ3=2：一致性指标CI3=0，CR3=0，说明一致性可接受。

判断矩阵B4-C的特征向量W4=[0.667 0.333]T；特征值λ4=2：一致性指标CI4=0，CR4=0，说明一致性可接受。

3.4 层次总排序

获得同一层次各要素之间的相对重要度之后，计算各级要素对最终卸压方案确定的综合重要度。

依据各方案综合重要程度的大小，对各方案进行排序，层次总排序见表6。

表6 层次总排序

由表6可以看出，水力压裂技术方案较爆破切顶技术方案权重更高。因此，6105工作面两平巷内处理上覆4煤老空区顶板采用方案二即水力压裂切顶卸压技术手段。

4 定向水力压裂切顶方案效果监测

为了实时监测6105工作面上方4#煤房柱采空区顶板的垮落情况，实时做出预警，同时作为验证采用层次分析法优选出的定向水力压裂切顶方案效果的手段之一，在6105工作面运输平巷、回风平巷、6106辅运平巷和切眼交叉口处共计安装了7个微震监测探头，探头布置方案如图7所示。

图7 6105工作面微震探头布置

如图8所示，对微震系统监测到的数据进行分析，发现6105工作面推进过程中其前方100m范围内微震时间较频繁，从剖面图可知，事件主要集中在4#煤房柱采空区顶板上方0～50m范围内。这在一定程度上说明4#煤房柱式采空区顶板已经超前下伏6105工作面进行了垮落，验证了针对4#煤房柱采空区顶板的定向水力压裂切顶卸压方案的效果。

注：图中红色圆点表示能量>1000J的微震事件，蓝色圆点表示能量在100～1000J的微震事件，绿色圆点表示能量<100J的微震事件。黑色粗实线表示工作面推进度为250m位置图8 6105工作面周围微震事件分布平剖面图

同时，在6105工作面推进过程中，对地表沉陷情况也进行了观测，绘制出了初采期间地表沉降范围图，如图9所示，发现地表沉降范围均超前工作面(5月16日超前工作面30.1m，5月22日超前工作面57.8m，6月1日超前工作面43.8m)，且与超前工作面的水力压裂切顶卸压区域大致吻合，最终6105工作面安全顺利的完成了回采，说明针对4#煤顶板的定向水压致裂技术取得了好的效果。

(不同颜色直线代表推进位置，多段线代表沉降区域)图9 初采期间工作面位置及地表沉陷范围

5 结 论

1)数值分析表明：如果不对4#煤房柱采空区顶板进行切顶卸压弱化，下伏6#煤工作面回采过程中会受到其大面积突然垮落造成的强动压危害，因此必须进行弱化处理。

2)针对4#煤顶板的切顶卸压方案有定向水力压裂切顶卸压方案和爆破切顶卸压方案两种可供选择，影响方案确定的因素有：预计卸压效果、工程量、方案负面效应、政策倾向等。

3)通过建立三层次构造模型、构造判断矩阵，计算出特征向量和特征值，给出两方案层次排序权重，发现定向水力压裂切顶卸压方案总权重为0.578，爆破切顶卸压方案总权重为0.422，因此确定前者为最终方案。

4)6105工作面两平巷安装的微震系统监测数据和地表沉陷观测表明采用层次分析法定量选出的定向水力压裂切顶卸压方案取得了良好效果，达到了经济实用的目的。