徐　星, 田坤云,孫文標(biāo)

(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

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煤層底板突水影響因素的AHP分析

徐星, 田坤云,孫文標(biāo)

(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

摘要：根據(jù)趙家寨煤礦的地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，結(jié)合其底板突水的特點(diǎn)與規(guī)律，在層次分析法(AHP)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了底板突水影響因素之間的層次分析結(jié)構(gòu)模型.在判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)的前提下，用其特征向量作為底板突水影響因素的權(quán)重，確定了各因素的影響力排序與控制因素.工程應(yīng)用表明，突水影響因素之間互相關(guān)聯(lián)、耦合綜合作用于底板突水，突水控制因素中抑制因素僅為6.20%，所占比例較小，推知二1煤的開(kāi)采易造成底板突水，該評(píng)價(jià)結(jié)果比較直觀地反映了底板突水各作用因素的影響權(quán)重，可為該礦底板水害防治提供理論依據(jù)與參考.

關(guān)鍵詞：底板突水；影響因素；AHP；權(quán)重；控制因素

由于引發(fā)底板突水的因素較多且各因素對(duì)突水的影響程度不同，所以很難定量或定性地描述和求解.層次分析法(AHP)是一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法，可在對(duì)復(fù)雜決策問(wèn)題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比影響因素、逐層比較關(guān)聯(lián)因素，得出各影響因素對(duì)總目標(biāo)的重要度.決策者根據(jù)這種分析，尋求并制定可行的防治水害措施.應(yīng)用AHP確定礦井頂板突水影響因素權(quán)值[1]、分析深部煤層開(kāi)采底板突水影響因素[2]，并使用AHP進(jìn)行礦井突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[3]、巖溶隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[4]，均取得了較好效果.AHP特別適合用于分析影響因素之間關(guān)聯(lián)復(fù)雜且缺乏現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的突水問(wèn)題.

以趙家寨煤礦為例，應(yīng)用AHP建立了二1煤底板突水層次分析模型，共4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和17個(gè)二級(jí)指標(biāo)，運(yùn)用集專(zhuān)家評(píng)分的方法構(gòu)造其判斷矩陣，計(jì)算各突水影響因素的權(quán)重并進(jìn)行總排序，得出二1煤底板突水的控制因素.結(jié)合該礦的水文地質(zhì)條件進(jìn)行了對(duì)比分析，可推知防治二1煤底板水害的重點(diǎn)部位，具有一定的實(shí)用性.

1工程背景

趙家寨煤礦的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a，服務(wù)年限為53.3 a，以二疊系山西組二1煤為主采煤層，二1煤層平均厚度為5.50 m.煤層底板下伏含水層有石炭系上段L7-8灰?guī)r含水層、下段L1-4灰?guī)r含水層與奧陶系O2m灰?guī)r含水層，受底板水害威脅嚴(yán)重，11采區(qū)軌道上山上段設(shè)計(jì)在風(fēng)井處有500 m位于L7-8灰?guī)r中.在風(fēng)井處施工時(shí)，由于該處位于滹陀背斜軸部，裂隙發(fā)育，造成回風(fēng)上山底板隔水層抵抗水壓能力減弱，致使 L7-8灰?guī)r水通過(guò)裂隙從回風(fēng)上山底板涌出，造成突水.開(kāi)展底板突水影響因素的定量研究，確定各因素對(duì)底板突水的貢獻(xiàn)權(quán)重，有針對(duì)性地開(kāi)展底板水害防治，以確保受水威脅的二1煤安全與高效地開(kāi)采.

2應(yīng)用AHP確定突水影響因素權(quán)值

突水影響因素是多方面的，不僅與地質(zhì)、水文條件等自然因素有關(guān)[5-6]，而且還與開(kāi)采活動(dòng)的人為因素有關(guān).筆者主要從地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、底板隔水層與開(kāi)采條件等方面進(jìn)行突水因素的分析.

2.1　建立底板突水層次分析結(jié)構(gòu)模型

在對(duì)趙家寨煤礦地質(zhì)與水文地質(zhì)資料調(diào)查與分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了底板突水層次結(jié)構(gòu)，確定了各影響因素的關(guān)聯(lián)和隸屬關(guān)系，將底板突水問(wèn)題分成3個(gè)層次：A層次(目標(biāo)層)為煤層底板突水；B層次(準(zhǔn)則層)為地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、底板隔水層和開(kāi)采條件，決定了突水的可能性大小，但其影響方式還需通過(guò)與其相關(guān)的具體因素來(lái)體現(xiàn)； C層次(方案層)，組成B層的影響因素并受B層的支配.模型共4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和17個(gè)二級(jí)指標(biāo)，層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示.

2.2　構(gòu)造判斷矩陣

運(yùn)用“征集專(zhuān)家評(píng)分”的方法，咨詢相關(guān)研究人員，將每一層次中的各影響因素與上一層中的某一元素進(jìn)行兩兩重要性比較，并將量化比較的結(jié)果寫(xiě)成矩陣形式，建立判斷矩陣.打分標(biāo)準(zhǔn)依照SAATY的1—9標(biāo)度方法建立各層評(píng)判矩陣：A-Bi(i=1,2,3,4)，B1-Ci(i=1,2,3,4)，B2-Ci(i=5,6,7,8)，B3-Ci(i=9,10,11,12)，B4-Ci(i=13,14,15,16,17)，如表1至表5所示.

表1　判斷矩陣A-Bi(i=1,2,3,4)Tab.1　Judgement matrix of A-Bi(i=1,2,3,4)

表2　判斷矩陣B1-Ci(i=1,2,3,4)Tab.2　Judgement matrix of B1-Ci(i=1,2,3,4)

表3　判斷矩陣B2-Ci(i=5,6,7,8)Tab.3　Judgement matrix of B2-Ci(i=5,6,7,8)

表4　判斷矩陣B3-Ci(i=9,10,11,12)Tab.4　Judgement matrix of B3-Ci(i=9,10,11,12)

表5　判斷矩陣B4-Ci(i=13,14,15,16,17)Tab.5　Judgement matrix of B4-Ci(i=13,14,15,16,17)

2.3層次排序與檢驗(yàn)

(1)權(quán)重計(jì)算

采用根法(即幾何平均法)求解B層次與C層次的判斷矩陣，首先將矩陣的各行向量進(jìn)行幾何平均，然后歸一化，最后得到的行向量就是各突水影響因素的權(quán)重向量，計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表1至表5的最后一列.

(2)一致性檢驗(yàn)

在判斷矩陣的構(gòu)造中，由于客觀事物的復(fù)雜性與人的認(rèn)識(shí)的多樣性，并不要求判斷具有傳遞性和一致性，但判斷矩陣應(yīng)滿足大體上的一致性.判斷矩陣檢驗(yàn)步驟為計(jì)算一致性指標(biāo)CI與一致性比例CR：

式中：RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo).隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值見(jiàn)表6.

表6　隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值Tab.6　Value of the random consistency index RI

當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的；當(dāng)CR≥0.1時(shí)，應(yīng)該對(duì)判斷矩陣做適當(dāng)修正以滿足要求.

判斷矩陣A-Bi(i=1,2,3,4)的一致性檢驗(yàn)：CI= 0.015 8，CR=0.017 8<0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn)；判斷矩陣B1-Ci(i=1,2,3,4)的一致性檢驗(yàn)：CI= 0.020,CR= 0.022 6<0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn)；判斷矩陣B2-Ci(i=5,6,7,8)的一致性檢驗(yàn)：CI= 0.023 6,CR=0.026 5<0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn)；判斷矩陣B3-Ci(i=9,10,11,12)的一致性檢驗(yàn)：CI= 0.023 7,CR=0.026 6<0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn)；判斷矩陣B4-Ci(i=13,14,15,16,17)的一致性檢驗(yàn)：CI=0.043 3,CR=0.038 7<0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn).綜上可知，各層次的判斷矩陣均通過(guò)一致性檢驗(yàn).

3底板突水影響因素分析

趙家寨二1煤底板突水各因素的權(quán)重總排序如表7所示，底板突水影響因素權(quán)重柱狀圖如圖2所示.

圖2　底板突水影響因素的權(quán)重柱狀圖Fig.2　Histogram of water-inrush influence factors’weight

(1)突水總層次判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)：CI=0.020×0.420 3+0.023 6×0.268 5+0.023 7×0.121 3+0.043 3×0.189 9=0.025 8,RI=0.89×0.420 3+0.89×0.268 5+0.89×0.121 3+1.12×0.189 9=0.933 7,CR=0.017 8+0.025 8+0.933 7=0.045 4<0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn).

由表7可知，地質(zhì)構(gòu)造占突水權(quán)重的42.03%，是底板突水的重要影響因素，起控制作用；水文地質(zhì)占突水權(quán)重的26.85%，是基礎(chǔ)因素；開(kāi)采條件占突水權(quán)重的18.99%，是誘發(fā)條件；底板隔水層占突水權(quán)重的12.13%，起抑制作用.

(2)由表7可知，斷層密度、斷層導(dǎo)水性、巖溶裂隙發(fā)育程度、斷層規(guī)模、開(kāi)采深度、承壓水水壓、褶皺強(qiáng)度、富水程度、隔水層巖性組合與煤層開(kāi)采厚度這10個(gè)因素占據(jù)了突水總權(quán)重的82.20%，說(shuō)明這10個(gè)因素是影響煤層底板突水的主要因素(或稱為控制因素).

表7　底板突水影響因素權(quán)重排序Tab.7　Total collation of water-inrush influence factors’ weigh

續(xù)表

(3)由表7與圖2可知，斷層密度、斷層規(guī)模、斷層導(dǎo)水性、褶皺強(qiáng)度影響權(quán)重在總排序中分別為第1，4，2，7位，其影響權(quán)重之和占總權(quán)重的42.03%.在所有突水因素中，斷層密度突水的權(quán)重最大，占總權(quán)重的14.32%，是其他影響因素的數(shù)倍，可見(jiàn)地質(zhì)構(gòu)造破壞了巖體本身的完整性，降低了巖體的強(qiáng)度與阻隔承壓水的能力，當(dāng)受到采動(dòng)礦壓的擾動(dòng)時(shí)，易“活化”成為導(dǎo)水的通道，造成突水.

巖溶裂隙發(fā)育程度、富水程度與承壓水水壓的影響權(quán)重在總排序中分別為第3，8，6位，其影響權(quán)重之和為22.27%.其中，巖溶裂隙發(fā)育程度占突水總權(quán)重的9.15%，在水文地質(zhì)中權(quán)重占34.07%，由此可知巖溶裂隙發(fā)育程度與富水程度是保證突水水量的必備條件之一，承壓水水壓決定底板是否發(fā)生突水.

煤層開(kāi)采厚度與開(kāi)采深度的影響權(quán)重在總排序中分別為第10位與第5位，影響權(quán)重之和為12.79%.其中，開(kāi)采深度占突水總權(quán)重的7.88%，在開(kāi)采條件中權(quán)重占41.48%，可知開(kāi)采深度影響著巖層原始應(yīng)力狀態(tài)，隨著開(kāi)采深度的增加，礦山壓力顯現(xiàn)劇烈.煤層開(kāi)采厚度是采煤方法選擇的主要影響因素之一，開(kāi)采采厚越大，巷道周?chē)闹С袎毫驮酱螅装遄冃纹茐木驮絿?yán)重，造成底板突水的可能性就越大.

隔水層巖性組合影響權(quán)重在總排序中為第9位，影響權(quán)重為5.10%，在底板隔水層中權(quán)重占42.03%.在礦山壓力的作用下，堅(jiān)硬的巖層易產(chǎn)生裂隙，軟巖層易發(fā)生塑性變形，但不易形成裂隙.如果底板隔水層由軟硬交替的巖層組成，則能彌補(bǔ)各自的缺陷，提高阻抗突水的能力.

4工程應(yīng)用綜合分析

(1)地質(zhì)構(gòu)造——控制作用

趙家寨礦區(qū)的主體構(gòu)造為軸向NWW-SEE的滹沱背斜構(gòu)造，背斜軸部裂隙發(fā)育.區(qū)內(nèi)4條斷層落差小于30 m，7條斷層落差為30~50 m，5條斷層落差為50~100 m，5條斷層落差大于100 m，斷層密度為0.42條/km2.斷裂發(fā)育的密度與底板突水緊密聯(lián)系，煤層的斷裂發(fā)育密度越大，發(fā)生突水的可能性就越大.除溫泉、寧溝2條小逆斷層外，其余19條斷層為正斷層.斷層出現(xiàn)在底板巖層中會(huì)破壞巖層的完整性.大量統(tǒng)計(jì)資料表明，底板突水事故80%以上發(fā)生在斷裂構(gòu)造附近[7].大隗斷層、賈梁斷層與歐陽(yáng)寺斷層構(gòu)成本區(qū)的自然邊界，礦井邊界亦對(duì)礦井充水造成影響.根據(jù)礦井地質(zhì)條件分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，確定趙家寨礦區(qū)的構(gòu)造復(fù)雜程度為中等，與之前分析地質(zhì)構(gòu)造影響權(quán)重之和占突水總權(quán)重的42.03%、占控制因素的51.14%相對(duì)應(yīng).

(2)水文地質(zhì)——基礎(chǔ)因素

趙家寨礦區(qū)位于密縣—新鄭褶皺斷裂水文地質(zhì)區(qū)下游的灰徐溝—超化泉域東段，處在徑流排泄區(qū)部位，形成滹沱背斜軸部富水帶和多條斷裂富水帶.巖溶發(fā)育程度越高，底板突水發(fā)生可能性越大.二1煤的底板下伏含水層有石炭系上段L7-8灰L1-4灰O2m灰?guī)r承壓含水層，直接充水含水層L7-8灰目前水位標(biāo)高為-173 m 左右，突水系數(shù)為0.146 MPa/m.由《煤礦防治水規(guī)定》可知，二1煤的開(kāi)采有突水可能.這與之前分析水文地質(zhì)權(quán)重占突水總權(quán)重的26.85%、占控制因素的27.10%亦符合.

(3)開(kāi)采條件——誘導(dǎo)作用

開(kāi)采條件不一樣，煤層底板承受的礦山壓力也不同，二1煤的平均厚度為5.50 m，其開(kāi)采深度約500 m.采用綜放開(kāi)采，采場(chǎng)頂板的初次、周期來(lái)壓及垮落沖擊力巨大，易使底板巖層的完整性遭到破壞從而造成底板突水.開(kāi)采條件占突水總權(quán)重的18.99%、占控制因素的7.88%.

(4)底板隔水層——抑制作用

趙家寨礦區(qū)二1煤底板隔水層平均為10.96 m，開(kāi)采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)劇烈，易對(duì)隔水層造成破壞，其權(quán)重占突水總權(quán)重的12.13%、占控制因素的6.20%.可見(jiàn)，趙家寨二1煤的開(kāi)采過(guò)程突水抑制因素欠缺，極易發(fā)生底板突水.

5結(jié)論

(1)應(yīng)用AHP方法建立了趙家寨二1煤底板突水層次分析結(jié)構(gòu)模型，經(jīng)專(zhuān)家打分和一致性檢驗(yàn)最終確定了17個(gè)影響因素的突水權(quán)重及其影響力排序.

(2)分析可知，地質(zhì)構(gòu)造在底板突水中起控制作用，水文地質(zhì)是底板突水的基礎(chǔ)因素，開(kāi)采條件對(duì)底板突水起誘導(dǎo)作用，底板隔水層對(duì)底板突水起抑制作用.趙家寨礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造中斷層的影響尤為突出，占總權(quán)重的42.03%，是底板水害的重點(diǎn)防治部位.

(3)斷層密度、斷層導(dǎo)水性、巖溶裂隙發(fā)育程度、斷層規(guī)模、開(kāi)采深度、承壓水水壓、褶皺強(qiáng)度、富水程度、隔水層巖性組合與煤層開(kāi)采厚度這10個(gè)因素的突水權(quán)重之和占總權(quán)重的82.20%，是影響煤層底板突水的控制因素.

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作者簡(jiǎn)介：徐星(1979-)，男，山東煙臺(tái)人，講師，碩士，主要從事礦山水害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及防治研究.

收稿日期：2015-05-20

中圖分類(lèi)號(hào)：TD745

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-330X(2015)04-0035-05