趙 明，晏 嘉，杜金龍

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

引言

煤礦充填開采能夠控制地表沉降、提高煤炭資源回收率，是解決"三下"采煤最有效的方法之一。按照充填原料的不同，充填開采可分為矸石充填、高水材料充填、(似)膏體充填等多種方法。煤礦矸石粉煤灰膠結(jié)充填，以破碎矸石為骨料，混合粉煤灰、水泥、水和外加劑制成濃度為76%～78%的料漿，由地面充填站經(jīng)地下管道輸送至充填采煤工作面，填充采空區(qū)[1-2]。整個(gè)充填系統(tǒng)由料漿制備、輸送、工作面充填等多個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，各環(huán)節(jié)之間存在復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系且受到許多隨機(jī)因素的影響。充填系統(tǒng)作業(yè)過程中，管道堵塞或破裂、料漿攪拌不勻、煤矸石破碎粒徑偏大以及操作失誤等局部故障都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)充填系統(tǒng)失效，影響采煤工作面的充填、采煤作業(yè)，因此需要對(duì)充填系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析，找出影響充填系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素，為充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、維護(hù)穩(wěn)定性等提供依據(jù)。

本文應(yīng)用層次分析法，分析新陽礦矸石粉煤灰膠結(jié)充填系統(tǒng)可靠性的影響因素，通過建立充填系統(tǒng)可靠性指標(biāo)體系，構(gòu)建目標(biāo)層和準(zhǔn)則層判斷矩陣并進(jìn)行分析計(jì)算，得到影響充填系統(tǒng)可靠性的因素排序，為維護(hù)充填系統(tǒng)穩(wěn)定性提供理論支持[3-9]。

1 可靠性指標(biāo)體系

1.1 工程背景

汾西礦業(yè)集團(tuán)新陽礦采用矸石粉煤灰膠結(jié)充填方法開采"三下"煤炭資源，充填系統(tǒng)于2014年5月建成并進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)(圖1)。充填系統(tǒng)由矸石破碎系統(tǒng)、充填材料配比攪拌系統(tǒng)、管路輸送系統(tǒng)、工作面充填系統(tǒng)以及材料制備電氣控制系統(tǒng)等組成。存儲(chǔ)倉(cāng)包括4個(gè)粉煤灰圓筒倉(cāng)(容量300t/個(gè))、2個(gè)水泥圓筒倉(cāng)(容量200t/個(gè))和1個(gè)600m3的矸石倉(cāng)庫(kù)。充填骨料為經(jīng)粉碎后粒徑不超過15mm的煤矸石，設(shè)計(jì)生產(chǎn)率為180m3/h，循環(huán)周期90s。首采充填10203工作面，工作面長(zhǎng)度為100m，推進(jìn)長(zhǎng)度約600m。地面充填站到首采工作面充填管路總長(zhǎng)度為2 100m，充填泵泵送壓力為19MPa。工作面充填管位于支架的前立柱和后立柱之間，在布料管處連接進(jìn)料三通裝置和截止閥，控制料漿的流向以實(shí)現(xiàn)工作面壁后充填?？蓪⒊涮钕到y(tǒng)分為5個(gè)子系統(tǒng)：原料制備系統(tǒng)、料漿攪拌系統(tǒng)、管道輸送系統(tǒng)、工作面充填系統(tǒng)和技術(shù)管理系統(tǒng)。礦井充填作業(yè)過程中，時(shí)長(zhǎng)發(fā)生管道堵塞、料漿攪拌不勻等情況，由于各子系統(tǒng)之間相互影響，局部敏感系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)充填系統(tǒng)都將失效。因此需找出影響充填系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，為充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)，提高礦井充填系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(a)充填站; (b)攪拌桶； (c)充填泵及管路； (d)工作面管路圖1 新陽礦矸石粉煤灰膠結(jié)充填系統(tǒng)Figure 1 Gangue and fine coal ash cementation filling system in Xinyang coalmine

1.2 構(gòu)建可靠性評(píng)價(jià)體系

影響矸石粉煤灰膠結(jié)充填系統(tǒng)的因素很多，且各因素之間相互聯(lián)系、相互制約。根據(jù)層次分析法的基本方法[10-11]，將各影響因素分級(jí)、分類后，構(gòu)建矸石粉煤灰膠結(jié)充填系統(tǒng)可靠性指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 新陽礦矸石粉煤灰膠結(jié)充填系統(tǒng)可靠性體系Figure 2 Gangue and fine coal ash cementation filling system reliability system in Xinyang coalmine

(1)原料制備子系統(tǒng)(P1)。該系統(tǒng)包括制備矸石粉煤灰膠結(jié)充填料漿的各類原材料。膠結(jié)充填要求煤矸石的粒徑不大于15mm，因此要對(duì)煤矸石進(jìn)行粉碎處理。粉煤灰的粒徑影響料漿的流變特性，膠凝劑影響充填材料凝結(jié)后的強(qiáng)度。為調(diào)節(jié)充填材料的早強(qiáng)度、泌水性等，還要在料漿中添加適量的外加劑。這些構(gòu)成了矸石粉煤灰膠結(jié)充填料漿的基礎(chǔ)。

(2)料漿配置子系統(tǒng)(P2)。矸石粉煤灰膠結(jié)充填料漿中各組分的含量不同，將影響充填料漿的管道輸送特性、流變特性以及料漿凝結(jié)后的強(qiáng)度，因此要使料漿中各組分的配比合理。料漿濃度是影響其流動(dòng)性的重要因素之一，不同濃度下的膠結(jié)充填料漿管道輸送阻力有較大的差異。應(yīng)在不同的材料配比條件下，通過試驗(yàn)測(cè)試料漿的流變特性、坍落度、泌水性等，找到合適的材料配比和料漿濃度，以有利于料漿在充填管路中的輸送，同時(shí)滿足充填強(qiáng)度等方面的要求。

(3)料漿管道輸送子系統(tǒng)(P3)。充填料漿要經(jīng)過管道由地面充填站輸送至充填采煤工作面。在該過程中，影響管道輸送效果的因素有充填泵的泵送能力、輸送管道長(zhǎng)度、輸送管道的彎管數(shù)目，以及管路的防堵管、防爆管措施。為監(jiān)測(cè)料漿在管道中的流動(dòng)情況，會(huì)在管道不同位置布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過比較各測(cè)壓點(diǎn)的壓差變化，判斷是否有堵管等現(xiàn)象發(fā)生，因此，地面控制中心與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的通訊質(zhì)量也很重要。

(4)工作面充填子系統(tǒng)(P4)。充填料漿達(dá)到工作面后，由井下充填裝備完成壁后充填。充填系統(tǒng)受到充填液壓支架支護(hù)效果、料漿管道三通裝置、采高、工作面長(zhǎng)度、擋墻、脫水設(shè)備等工藝的影響，同時(shí)還受到工作面工程地質(zhì)條件的影響。充填采煤液壓支架分為帶充填口和隔離模箱的特殊液壓支架、端頭液壓支架和中部基本充填液壓支架，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮其功能和技術(shù)參數(shù)。

(5)技術(shù)管理子系統(tǒng)(P5)。充填系統(tǒng)的可靠性還與管理措施、操作工人的技術(shù)水平、設(shè)備的可靠性以及控制系統(tǒng)有關(guān)。由于煤炭充填開采時(shí)，其采空區(qū)面積較大，需要較多的矸石、粉煤灰充填采空區(qū)，因此，矸石、粉煤灰等原料的供給也是影響充填系統(tǒng)可靠性的因素之一。

2 定量分析模型

2.1 構(gòu)建判斷矩陣

對(duì)準(zhǔn)則層中的因素Pi(i=1,2,…,5)進(jìn)行重要性排序。其方法是因素之間兩兩比較，比較的依據(jù)是這兩個(gè)因素對(duì)目標(biāo)層的影響程度，影響程度大的因素賦予較大的數(shù)值。假定目標(biāo)層因素M與準(zhǔn)則層中的因素Pi(i=1,2,…,5)有關(guān)，則可構(gòu)建判斷矩陣：

(1)

式中：pij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n)表示因素Pi相對(duì)于Pj對(duì)目標(biāo)M的重要性程度賦值，賦值的大小和意義如表1所示。

表1 因素比較取值和意義

由以上分析可知，對(duì)于矩陣P=(pij)n×n，有以下條件成立：pij>0，pij×pji=1，pii=1。

2.2 計(jì)算因素的權(quán)重

在實(shí)際工程應(yīng)用中，常用和積法對(duì)前述的判斷矩陣求解，求出其最大特征值和特征向量，具體如下：

第一步：對(duì)矩陣P=(pij)n×n的列向量歸一化：

(2)

(3)

(4)

第四步：計(jì)算最大特征根λmax

(5)

2.3 一致性檢驗(yàn)

設(shè)CR為一致性檢驗(yàn)比率，CI為一致性檢驗(yàn)指標(biāo)，RI為平均隨機(jī)一次性指標(biāo)，具體取值如表2所示，則CR、CI、RI與最大特征根λmax以及判斷矩陣階數(shù)n之間的關(guān)系滿足：

(6)

(7)

當(dāng)CR<0.1時(shí)，判斷矩陣的一致性可以接受；否則，對(duì)判斷矩陣要重新構(gòu)建并再次進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，直至一致性滿足要求為止。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

3 可靠性評(píng)價(jià)

運(yùn)用層次分析法定量化分析方法，對(duì)影響新陽礦矸石粉煤灰膠結(jié)充填系統(tǒng)可靠性的因素進(jìn)行分析。采用專家調(diào)查法，選取現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員和充填采礦技術(shù)專家共15名，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層、指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層影響的判斷矩陣。

準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層影響的判斷矩陣為：

可計(jì)算出各因素重要性排序向量：A=(0.415，0.314，0.158，0.075，0.038)T，λmax=5.195，n=5，得到：CI=0.049。由表3可知，RI=1.119，得：CR=0.043 8<0.1，判斷矩陣M通過一致性檢驗(yàn)，A可以接受。

依次構(gòu)建指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層影響的判斷矩陣，分別為：

分別計(jì)算出判斷矩陣P1、P2、P3、P4和P5中各因素的重要性排序向量、λmax、CI和CR的值，結(jié)果如表3所示。

表3 準(zhǔn)則層矩陣計(jì)算結(jié)果

由表4可知，一致性比率CR的值均小于0.1，即判斷矩陣P1、P2、P3、P4和P5均通過一致性檢驗(yàn)?？偟挠?jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 充填系統(tǒng)各層排序計(jì)算結(jié)果

對(duì)表4中影響因素Qij(i=1,2,…;j=1,2…)根據(jù)權(quán)重進(jìn)行由大到小排序。

分析表4數(shù)據(jù)，可得以下結(jié)論：

(1)在目標(biāo)層影響因素中，料漿配置系統(tǒng)為影響充填系統(tǒng)可靠性的主要因素，權(quán)重為0.383，意即充填料漿的配置將影響其在管道中輸送的質(zhì)量，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性；其次為料漿管道輸送系統(tǒng)，權(quán)重是0.313，為次要因素；再次是原料制備系統(tǒng)，權(quán)重是0.167；接下來依次為工作面充填系統(tǒng)和技術(shù)管理因素，權(quán)重分別為0.091和0.047。

(2)準(zhǔn)則層內(nèi)指標(biāo)排序情況可知，P1層即原料制備系統(tǒng)內(nèi)，主要影響因素是煤矸石破碎度，權(quán)重為0.423，其次為膠凝材料，權(quán)重為0.269，說明在原料制備過程中，要保證煤矸石的顆粒符合要求，同時(shí)要選擇合適的膠凝材料；P2層即料漿配置系統(tǒng)，主要影響因素是料漿濃度，權(quán)重為0.3，次要影響因素分別為粉煤灰含量和料漿坍落度，權(quán)分別為0.23和0.175，說明在料漿配置過程中，要控制好各組分的含量，以確保料漿濃度、坍落度滿足充填系統(tǒng)的要求；P3層即料漿管道輸送系統(tǒng)，最主要的影響因素是輸送管道，其權(quán)重達(dá)到0.526，其次為防堵管爆管措施，權(quán)重為0.249；P4層即工作面充填系統(tǒng)，主要影響因素為擋墻，權(quán)重為0.368，其次為排水等輔助工藝，權(quán)重為0.282，說明在工作面壁后充填時(shí)，要確保充填料漿全部輸送至采空區(qū)并及時(shí)完成排水等工序，從而使充填材料盡早形成所需要的強(qiáng)度；P5層即技術(shù)管理因素中，比較重要的因素為材料供給和設(shè)備可靠性，權(quán)重分別為0.428和0.293，煤礦矸石粉煤灰膠結(jié)充填開采，采空區(qū)需要大量的煤矸石，因此煤矸石的供給將對(duì)整個(gè)充填系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生影響，這是煤礦充填開采區(qū)別于金屬礦充填開采的一個(gè)重要特征。

(3)分析影響膠結(jié)充填系統(tǒng)可靠性的所有因素可知，權(quán)重越大，該因素產(chǎn)生的影響就會(huì)越大。在所有的影響因素中，最主要的因素為Q32，即充填管道的質(zhì)量，其權(quán)重值為0.165；接下來依次為Q21、Q22、Q33、Q11和Q13等，其權(quán)重分別為0.115、0.088、0.078、0.071和0.067。在進(jìn)行膠結(jié)充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)考慮這些因素的影響，選擇合理的管道路線和管道內(nèi)徑，使管道具備較好的耐磨性和抗腐蝕性；控制好充填料漿的濃度以及材料配比，做好管道防堵防爆措施，使料漿在管道中保持良好的流動(dòng)性，及時(shí)送至充填工作面。

4 結(jié)論

應(yīng)用層次分析法對(duì)新陽礦矸石粉煤灰膠結(jié)充填系統(tǒng)可靠性的影響因素進(jìn)行定量分析，構(gòu)建了充填系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)體系，共分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3層體系，共5個(gè)子系統(tǒng)27個(gè)指標(biāo)。應(yīng)用層次分析法對(duì)27個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了排序，找出了5個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)主要影響因素、次要影響因素等。并根據(jù)各因素的權(quán)重值找出了影響整個(gè)充填系統(tǒng)的主要因素為：充填管道質(zhì)量、料漿濃度、粉煤灰含量、防堵管爆管措施、煤矸石破碎度和膠凝材料。

根據(jù)影響整個(gè)充填系統(tǒng)的主次因素，礦井對(duì)充填管道進(jìn)行了針對(duì)性的更換和改進(jìn)。系統(tǒng)改進(jìn)后，管道堵塞或破裂情況得到了有效控制，充填故障率大大降低，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到有效提高，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。同時(shí)，為提高充填系統(tǒng)運(yùn)行效率，還需要減少各個(gè)子系統(tǒng)之間的影響程度，最大程度提高充填系統(tǒng)運(yùn)行效率，從而有利于礦井的高產(chǎn)高效。

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