厚煤层残煤复采区掘进大巷安全影响因素分析及评价

李 达

(霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司，山西 运城 044000)

随着煤矿生产规模的扩大，原有残煤资源越来越受到重视[1-5]，残煤复采中由于围岩破碎，需要重点关注巷道的安全性，且在巷道安全性影响指标中，残煤复采中涉及到的影响指标较多。当前已有学者针对巷道掘进过程中不同灾害发生的安全性问题开展评价研究，巷道安全评价[6-9]指通过定性或定量的方法，根据已经掌握的安全资料，对影响巷道安全的危险有害因素进行识别并对巷道安全性进行科学评价。戴林超[10]以掘进中顶板事故安全评价为出发点，以管理因素、自然因素及技术因素为影响巷道稳定性的主要指标建立了巷道安全性评价指标体系；牟玉峰[11]对巷道的掘进速度开展了相关研究，基于层次分析法确定了影响巷道掘进效率的主要影响因素。王文杰[12]等采用层次分析法对S1210工作面巷道的稳定性进行了评价，对影响巷道稳定性的主控因素开展分析及重要性排序，最终给出了以重要性为依据的控制措施。单仁亮等[13]基于岩巷掘进的典型特征，选取了影响岩巷稳定性的主控因素，建立了岩巷掘进评价模型。严红等[14]针对特大断面巷道稳定性开展研究，评价了特大断面巷道的稳定性。虽然根据不同的掘进巷道地质条件、不同的评价指标建立的评价体系对巷道掘进中的安全性进行评价的方法已被广泛应用[15-20]。但当前大部分掘进巷道安全评价研究是针对未采动煤层巷道，而残煤复采中涉及到的空顶距、相邻区段残余采动影响等影响因素未见相关研究，因此需要针对残煤复采掘进巷道安全性评价开展进一步研究。

1 工程地质条件

霍州煤电集团河津腾晖煤业当前拟对2号煤层进行复采，由于采掘工艺落后，原有小窑对2号煤层造成较严重的破坏。井田内2号煤层采空区7处，采空区面积1155883 m2。当前拟开展三采区复采工作，以往采空区的老空水、顶板、瓦斯等灾害影响严重，给复采期间的巷道掘进带来了极大的安全风险和技术挑战，当前采空区下方巷道掘进采用架棚支护与锚网索复合支护的形式，掘进进度缓慢，为确保采掘接续并保证回采安全，对当前支护形式下掘进巷道的安全性开展评价。

2 复采大巷安全评价方法

2.1 指标选取

三采区大巷掘进区域属于2号煤层区域，2号煤层的厚度为5.15 m，原有小窑开采中，对上方2～3 m厚的煤层进行了开采，在三采区大巷掘进的过程中部分区域未受到小窑开采的影响，因此掘进过程中选取沿巷道顶板掘进，当掘进至采空区时巷道进入已垮落采空区，掘进巷道部分区域在煤层中，部分区域在采空区中，顶板围岩较破碎，因此在评价指标选取中，除了借鉴常规巷道围岩稳定性评价指标外，还要考虑相邻区段残余采动影响，同时为了实现快速掘进，需要对空顶距指标进行分析。

复采巷道分析中，巷道围岩发生过一次破坏，因此在稳定性分析中，应重点考虑巷道的围岩强度；同时巷道的稳定性与开挖断面的结构密切相关，巷道断面越大、跨距越大对应的稳定性越差，影响的主要指标包括巷道的高度及宽度。巷道围岩稳定除了与自身强度及结构特征相关外还与巷道的受载条件相关，因此在稳定性分析中需要确定巷道的埋深及受到的最大水平应力值；当前研究巷道处于复采区域，受原有的已采采空区的影响较大，复采区域受到较大的区段残余应力影响，同时复采区域掘进时顶板围岩较为松散需要重点考虑掘进的合理空顶距以确保掘进安全。因此在复采区域掘进安全评价中，选取了上述10个指标进行评价，具体指标见表1。

表1 评价指标及等级划分

2.2 安全因子

基于上述10个指标值，可以获取不同指标对巷道稳定性影响的权重值。为给出巷道的安全性评价分级，引入复采区域掘进巷道安全因子AQ，安全因子综合考虑了各指标对巷道稳定性的作用，即安全影响因子为当前巷道掘进对应的影响因素的权重加和。

2.3 评价因素权重的确定

层次分析法能够较为客观科学地给出评价因素的权重，本次评价分析中，基于选取的巷道稳定性影响因素及其常规的取值范围，将评价体系划分为两个层次进行分析，最终给出了不同巷道稳定性影响因素的影响因子权重。

依据层次分析法确定指标的过程，将指标相对重要性的值划分为1～9九个级别，见表2，并建立比较值表(见表3)，或写成判断矩阵形式。由表3可以看出以下重要特点：表3中对角线上的值反映各指标对于自身的重要程度，因此值均为1；对角线两侧的值相乘的乘积为1，若aij=3，则对角线另一侧的值一定是aji=1/3；矩阵具有一致性。

表2 指标相对重要度比较法则

表3 比较值表

通过单层次排序法来计算判断矩阵的特征根和特征向量，即积合法，具体计算方法如下：

1)把表3中元素作归一化处理，得到矩阵aij，将其作为判断矩阵，其元素的一般项为：

2)把列归一化后的判断矩阵按行相加：

即W=[w1，w2，…，wn]T为所求的特征向量。

4)计算判断矩阵的最大特征根：

(i=1，2，…，n)(4)

设巷道稳定性影响因素对应的权重因子向量为A：

A=(a1，a2，a3，……，an)

式中，ai为第i个指标ui相对评价目标的权重值，表示的是评价因素ui影响评价目标的重要程度，以及在所有评价指标中的地位轻重，依据权重对指标进行排序。通常计算得到的ai≥0，且∑ai=1。

2.4 巷道稳定性影响因素权值确定

采用问卷调查形式，根据10名相关专家对巷道稳定性的影响打分，建立了判断矩阵，具体见表4。

表4 腾辉煤业巷道稳定性的评价指标与权值分配

2.5 安全因子确定及巷道稳定性分级

将上述指标层进一步分级，得到各评价指标等级划分类别之间相互重要性，构成判断矩阵。按照上述计算原理计算指标判断矩阵的特征向量，再根据式(5)计算安全影响因子AQ：

AQ=wi×bij(5)

依据安全影响因子AQ的计算结果确定它的最大值和最小值，当该影响因素与巷道稳定性正相关时，即该影响因素取值越大巷道越稳定时，选取影响因素取值较大时对应的影响因子。将各指标对应巷道较稳定时的影响因子进行相加即可得到安全影响因子的下限，即AQmin。反之在确定安全影响因子上限时，选取指标对应的最不利于巷道稳定时的安全因子进行加和，得到AQmax。安全因子值越小巷道越稳定，越安全。

求解矩阵的特征向量，见表5，得到各指标对巷道安全性影响因子，见表6。

表5 评价指标等级划分与判断矩阵

表6 特征向量(权重)wi及影响因子AQ

由表6可知：顶板围岩强度中选取6～10对应的影响因子确定安全影响因子下限。当该影响因素与巷道稳定性负相关时，即该影响因素取值越小巷道越稳定时，选取影响因素取值较小时对应的影响因子；空顶距中选取0～3对应的影响因子确定安全影响因子下限。将各指标对应巷道较稳定时的影响因子进行相加即可得到安全影响因子的下限；选取指标对应的最不利于巷道稳定时的安全因子进行加和，得到安全影响因子上限。

经过计算，依据安全影响因子定义，分别计算安全影响因子的最大值及最小值，得到AQmin=0.07484，AQmax=0.67952，取整得到区间(0.075，0.680)，上述安全影响因子区间范围包含不同安全等级，因此将影响因子区间进行均分获取安全分级，具体见表7。

表7 复采巷道快速掘进安全分级

3 腾辉煤业复采大巷安全等级评价

根据腾辉煤业三采区大巷掘进面实际地质条件及开采条件，由于在采空区下方掘进，顶板围岩强度等级划分在2～4 MPa之间。当前空顶距等级划分在3～6 m之间，两帮围岩强度等级划分在2～3 MPa之间，巷道埋深等级划分在300～600 m之间，巷道宽度等级划分在5～7 m之间，底板围岩强度等级划分在6～10 MPa之间，巷道高度等级划分在4～6 m之间，水无影响，由于邻近采区已采空最大水平应力影响一般，相邻区段残余采动影响较强烈。依据上述条件确定其安全影响因子AQ为0.398，因此腾辉煤业三采区顶板安全等级为“相对安全”，主要原因在于巷道断面较大，且巷道上部为采空区，残余采动影响程度较大。

基于给定的安全等级评价结果可知，在进行巷道掘进支护过程中，重点要加强破碎岩体的控制，在当前的围岩强度、巷道宽度及埋深条件下，选取空顶距在3～6 m之间时是相对安全的，但要进一步提高安全性，需要通过调整残余采动影响实现，改善残余采动影响可以通过围岩注浆及增加架棚密度的方法实现。

4 结 论

1)基于复采区巷道快速掘进的工艺特征，确定了巷道安全性评价的主要指标，基于复采巷道的掘进特征，引入了空顶距和相邻采区残余采动影响指标。

2)采用层次分析法建立了安全因子分析模型，计算指标值在不同区间的安全因子，进行安全因子等级划分。

3)综合各指标权重，得到上述影响因素下的影响因子AQ最大值为0.6795，最小值为0.0748，并将其划分为5个等级，给出不同等级对应的影响因子值，结合腾辉煤业三采区大巷地质条件及采掘工艺，最终确定当前掘进巷道的安全等级为“相对安全”。