祁海澤

(西山煤電股份公司鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

沖擊礦壓是煤礦井下常見災(zāi)害之一，沖擊礦壓造成了煤礦生產(chǎn)停滯、人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)于沖擊礦壓防治的研究尤為重要。目前，針對(duì)沖擊礦壓的防治措施國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并且取得了一定的成果。從誘發(fā)沖擊地壓條件出發(fā)，并從煤巖體應(yīng)力分布角度總結(jié)出戰(zhàn)略性防御和主動(dòng)解危兩個(gè)方面的解決方案但沒有對(duì)這兩種防治措施作出恰當(dāng)?shù)卦u(píng)價(jià)，本文為彌補(bǔ)這方面的空白，通過篩選防治指標(biāo)建立了沖擊礦壓防治方案的模型，對(duì)防治方案作出了合理地評(píng)價(jià)。

1 沖擊礦壓的影響因素

沖擊礦壓的發(fā)生是由多種復(fù)雜因素導(dǎo)致的，大致概括為地質(zhì)方面和開采方面。地質(zhì)方面包括開采深度、礦井頂?shù)装逄匦?、地質(zhì)構(gòu)造因素;開采技術(shù)方面包括采煤方法、煤柱狀況、采掘順序、頂板控制、放炮等。

1)開采深度的增大導(dǎo)致巖體積聚的彈性勢(shì)能增加，沖擊礦壓發(fā)生的必要條件是積聚足夠彈性勢(shì)能。根據(jù)彈性勢(shì)能理論，對(duì)于采掘深度為H且無采動(dòng)影響的煤層，此時(shí)煤體所受三向應(yīng)力為:

計(jì)算壓縮體積造成的彈性勢(shì)能為:

式中:

UV—體變彈性勢(shì)能;

E—壓縮彈性模量;

μ—泊松比;

γ—煤體容重。

同理可得，形狀改變?cè)斐傻膹椥詣?shì)能為:

當(dāng)煤層開采擾動(dòng)后，巷道及工作面圍巖應(yīng)力進(jìn)行重新分布。從式(3)、(4)中得出，彈性勢(shì)能與開采深度H成正相關(guān)的關(guān)系。因此，沖擊礦壓的發(fā)生一般都會(huì)有一個(gè)臨界深度。超過臨界深度煤層就會(huì)發(fā)生沖擊礦壓;未超過臨界深度的煤層，因煤體應(yīng)力沒有達(dá)到破壞條件，不會(huì)發(fā)生沖擊礦壓。不同的煤層臨界深度也不同，重力型沖擊礦壓的臨界深度比構(gòu)造型沖擊礦壓的臨界深度大。

2)礦井頂?shù)装逄匦允菦_擊礦壓發(fā)生與否的重要因素，根據(jù)大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，礦井頂?shù)装鍘r性越堅(jiān)硬發(fā)生沖擊礦壓的概率越大。

3)不同的地質(zhì)構(gòu)造影響著沖擊礦壓，斷層、褶曲、底板突起下陷、煤層分岔等構(gòu)造帶會(huì)形成構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，從而引發(fā)沖擊礦壓。尤其在背斜、向斜的軸部會(huì)積聚大量的彈性勢(shì)能，成為沖擊礦壓最可能發(fā)生區(qū)。

4)沖擊礦壓同樣受開采技術(shù)的影響。不同的采煤方法產(chǎn)生的礦山壓力分布規(guī)律也不同;煤柱的孤島形和半島形容易造成集中應(yīng)力的迭加，對(duì)下部煤層形成沖擊;采掘順序影響著礦山壓力的分布;放炮使煤層中的應(yīng)力重新分布，改變煤體狀態(tài)引起沖擊礦壓。

2 沖擊礦壓防治措施評(píng)價(jià)方法

基于上述對(duì)沖擊礦壓影響因素的分析，提出沖擊礦壓的預(yù)防及治理措施。

沖擊礦壓危險(xiǎn)等級(jí)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，即在未發(fā)生沖擊礦壓時(shí)，對(duì)沖擊礦壓的地點(diǎn)和位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)沖擊礦壓發(fā)生的強(qiáng)度大小進(jìn)行預(yù)報(bào)。目前，沖擊礦壓危險(xiǎn)等級(jí)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)主要有采礦方法(包括了綜合指數(shù)法、數(shù)值模擬法、鉆屑法等)和采礦地球物理方法(包括微震法、聲發(fā)射法、電磁輻射法、振動(dòng)法等)。

沖擊礦壓的治理措施包括戰(zhàn)略性防御和主動(dòng)解危。戰(zhàn)略性防御是指在煤礦的初期設(shè)計(jì)中，選用合理的開采方法、開采程序及采煤工藝;主動(dòng)解危主要有卸壓爆破、煤層注水、鉆孔卸壓、定向裂縫法等方法。

2.1 沖擊礦壓防治的層次分析模型

針對(duì)沖擊礦壓的影響因素，查閱文獻(xiàn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，從而概括、篩選出一套沖擊礦壓防治的指標(biāo)體系。以沖擊礦壓危險(xiǎn)等級(jí)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和沖擊礦壓的治理措施為評(píng)價(jià)單元。建立了沖擊礦壓防治的層次分析模型，見圖1，其中A為目標(biāo)層，Bi、Bij為準(zhǔn)則層，C為方案層。

圖1 沖擊礦壓防治的層次分析模型圖

2.2 層次單排序

建立沖擊礦壓防治方案的指標(biāo)體系，還要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。層次分析法通過賦權(quán)將復(fù)雜問題層次化，將定性問題定量化。

2.2.1 構(gòu)造兩兩成對(duì)比較的判斷矩陣

構(gòu)造判斷矩陣A=(aij)n×n，判斷矩陣比較標(biāo)度及含義，見表1。

第二步，計(jì)算Mi的n次方根:

第三步，向量歸一化處理:

表1 判斷矩陣的比較標(biāo)度及其含義表

則，W=(W1，W2，…，Wn)T為所求特征向量。

2.2.3 評(píng)價(jià)矩陣的一致性檢驗(yàn)

第一步，計(jì)算出判斷矩陣A=(aij)n×n的最大特征根:

2.2.2 計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重

第一步，計(jì)算判斷矩陣A=(aij)n×n各行乘積:

式中:(AW)i—向量AW的第i個(gè)元素。

第二步，計(jì)算一致性指標(biāo):

式中:n—判斷矩陣的階數(shù)。

第三步，計(jì)算一致性比率:

式中:RI—為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

當(dāng)CR＜0.10時(shí)，該單層次判斷矩陣具有滿意的一致性。否則就要重新調(diào)整判斷矩陣，直到滿足CR＜0.10條件為止。

2.3 總層次排序

多層次評(píng)價(jià)模型是由多個(gè)單層次模型組成。層次總排序是在層次單排序的基礎(chǔ)上，自上而下逐層進(jìn)行，直到最底層。計(jì)算公式如下:

第一步，層次總排序的權(quán)值:

式中:ai—上一層元素Ai的權(quán)值。

第二步，層次總排序的一致性指標(biāo):

第三步，層次總排序的隨機(jī)一致性指標(biāo):

第四步，層次總排序的隨機(jī)一致性比指標(biāo):

同樣，當(dāng)CR＜0.10時(shí)，多層次判斷矩陣具有滿意的一致性。

3 實(shí)例分析

運(yùn)用層次分析法對(duì)沖擊礦壓防治的方案進(jìn)行比較選擇。

3.1 層次單排序

依據(jù)沖擊礦壓防治方案的層次評(píng)價(jià)模型，通過對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較確定權(quán)重，從而構(gòu)造出A層次的判斷矩陣。運(yùn)用式(5)、(6)、(7)計(jì)算，得權(quán)值系數(shù)向量W。

W=(W1，W2，W3，W4)T=(0.467，0.278，0.16，0.095)T

由 CR=0.011 ＜0.1 得判斷矩陣 A=(aij)n×n滿足一致性要求。

同理，通過構(gòu)造B層次的判斷矩陣得出B層次的單排序，進(jìn)而得到B層次的總排序，見表2。

表2 B層次總排序表

3.2 C層次總排序

根據(jù)表2結(jié)果，再對(duì)C層次進(jìn)行總排序，見表3。

表3 C層次總排序表

由表3的權(quán)值排序可以得出，沖擊礦壓防治方案中C1，即沖擊礦壓危險(xiǎn)等級(jí)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)最優(yōu)。從實(shí)際情況來看，沖擊礦壓的防治應(yīng)以預(yù)防為主、治理為輔、防治結(jié)合才能使煤礦更加安全高效的生產(chǎn)。驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

1)闡述了沖擊礦壓對(duì)煤礦生產(chǎn)、人員及財(cái)產(chǎn)的危害，得出沖擊礦壓的防治刻不容緩。

2)對(duì)沖擊礦壓的影響因素進(jìn)行了分析，為沖擊礦壓防治方案的提出提供了重要依據(jù)。

3)提出了沖擊礦壓的防治指標(biāo)體系，基于層次分析法，建立了沖擊礦壓防治方案的模型，并用實(shí)例驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

4)沖擊礦壓的防治應(yīng)以預(yù)防為主、防治結(jié)合才能最大程度地創(chuàng)造更多的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］宋振騏.實(shí)用礦山壓力與控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1988:103－105.

［2］隋豪杰，高旭東，徐小兵.沖擊礦壓影響因素與發(fā)生條件分析［J］.煤礦開采，2007，12(1):61－62.

［3］潘一山.沖擊地壓發(fā)生和破壞過程研究［D］.北京:清華大學(xué)，1999.

［4］竇林名，何學(xué)秋.沖擊礦壓防治理論與技術(shù)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001:86－87.

［5］張永貴，李克民，馬 力，等.提高黑岱溝露天煤礦輪斗系統(tǒng)效率研究［J］.礦山機(jī)械，2012，40(12):18－20.