杜志強(qiáng)

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四老溝煤礦，山西 大同 037003)

0 引言

在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，巷道事故是常見(jiàn)事故之一。隨著礦井深度越來(lái)越深，受礦山壓力和采動(dòng)的影響，巷道的穩(wěn)定性控制越來(lái)越困難，巷道穩(wěn)定性的科學(xué)評(píng)價(jià)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有著非常重要的指導(dǎo)意義。本文將層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP)應(yīng)用于巷道安全性分析中，對(duì)各類因素進(jìn)行分析，對(duì)其權(quán)重進(jìn)行排序，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的分析與處理，對(duì)巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。既能克服憑經(jīng)驗(yàn)判斷的弊端，還能結(jié)合實(shí)際進(jìn)行有針對(duì)性的分析指導(dǎo)。

1 礦井概況

同煤集團(tuán)某礦井田面積89.51 km2，南北長(zhǎng)15.7 km，東西寬5.0～7.4 km，礦井設(shè)計(jì)能力500 Mt/a，服務(wù)年限96.3 a，可采煤層11層。采用斜井、立井混合開(kāi)拓方式，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，無(wú)斷裂構(gòu)造，無(wú)巖漿巖侵入，煤層屬近水平煤層，水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，煤層瓦斯含量低，屬易自燃煤層，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。

2 煤礦巷道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系的建立

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇原則

安全管理系統(tǒng)是綜合性很強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)，要想對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，科學(xué)、合理的選擇指標(biāo)是基礎(chǔ)和重點(diǎn)。選擇指標(biāo)應(yīng)當(dāng)符合客觀規(guī)律，并通過(guò)理性分析，圍繞安全管理工作建立有層次的指標(biāo)體系。體系應(yīng)當(dāng)保證每個(gè)因素相對(duì)獨(dú)立，指標(biāo)之間互不交叉。

2.2 評(píng)價(jià)體系的建立

在AHP分析中，所有評(píng)價(jià)的影響因素都是通過(guò)具體的指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)的。選擇的指標(biāo)要通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的詳細(xì)分析，過(guò)濾掉不重要的因素，留下重要指標(biāo)。選擇的指標(biāo)根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)及管理的實(shí)際情況，通過(guò)與專家、一線技術(shù)人員以及管理人員的交流和溝通，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料分析后，選擇了4個(gè)中間層指標(biāo)和22個(gè)因素，構(gòu)建了評(píng)價(jià)體系，如圖1所示。

3 煤礦巷道穩(wěn)定性的AHP分析

3.1 判斷矩陣的建立

在AHP分析法中，建立的判斷矩陣是通過(guò)對(duì)各個(gè)指標(biāo)相互比較而得到量化標(biāo)度。其原理如下，如果X因素與其下層因素Y1，Y2，…，Yn有關(guān)聯(lián)，則其判斷矩陣如式(1)所示。

圖1 評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)示意圖

(1)

式中：xij的取值是通過(guò)Yi(i= 1，2，3，…，n)和Yj(j= 1，2，3，…，n)相對(duì)重要性度量值而確定的。度量標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1所示，其中度量標(biāo)準(zhǔn)為2，4，6，8時(shí)，說(shuō)明度量標(biāo)準(zhǔn)介于表1中兩個(gè)相鄰度量等級(jí)之間。

表1 度量標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)式(1)對(duì)圖1的評(píng)價(jià)體系構(gòu)造A～B層、B～C層的判斷矩陣分別為

3.2 權(quán)重計(jì)算及一致性檢驗(yàn)

權(quán)重計(jì)算：

H=(h1,h2,…,hn)T

(2)

H也是XH=λmaxH最大特征根λmax對(duì)應(yīng)的特征向量。由此求得

(3)

根據(jù)式(2)和式(3)求得判斷矩陣A所對(duì)應(yīng)的特征向量(即權(quán)重值)和λmax為：HA=[b1，b2，b3，b4]T=[0.166 7，0.333 2，0.333 2，0.166 7]T，λmaxA= 4.018。同理，可以求得B1～B4所對(duì)應(yīng)的特征向量(即單層排序)和特征值。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 煤礦巷道穩(wěn)定性的AHP分析結(jié)果

一致性檢驗(yàn)：

CR=CI/RI

(4)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(5)

式中：CR—判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率，如果CR<0.10，層次單排序結(jié)果就有滿意的一致性，否則需要重新取值；CI—判斷矩陣的一致性指標(biāo)；RI—平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值見(jiàn)表3。

表3 平均隨機(jī)一致性標(biāo)準(zhǔn)

由式(4)和式(5)求得所有判斷矩陣的CR均<0.10，說(shuō)明結(jié)果均具有滿意的一致性。

3.3 層次總排序及總一致性檢驗(yàn)

最底層各影響因素C1，C2，…，C22對(duì)最高層因素A的影響權(quán)重向量為

Q=[q1,q2,…q22]T

(6)

qk=ckbl

(7)

k=1，2，3，…，8時(shí)，l=1；k=9，10，…，14時(shí)，l=2；k=15，…19時(shí)，l=3，k=20，21，22時(shí)，l=4。

式中：Q—因素C1，C2，…，C22對(duì)A層影響的權(quán)重向量；qk—C層因素對(duì)A層影響的權(quán)重值；ck為—層因素對(duì)B層影響的權(quán)重值；bl—B層因素對(duì)A層影響的權(quán)重值。

所以，由式(6)和式(7)式求得C層各因素對(duì)A層的權(quán)重向量(即層次總排序)，將權(quán)重值填入表2。

總排序的隨機(jī)一致性比率為

(8)

由式(8)求得CRs<0.10，層次總排序結(jié)果通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

3.4 巷道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)煤礦巷道現(xiàn)狀，建立打分參考標(biāo)準(zhǔn)：狀況很好評(píng)90～100分、狀況良好評(píng)80～89分、狀況較差評(píng)70～79分、狀況很差評(píng)0～69分，并據(jù)此進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打分結(jié)果填入表2。

綜合評(píng)價(jià)計(jì)算如下式

(9)

式中：F—巷道安全性評(píng)價(jià)得分；P—因素C1，C2，…，C22的現(xiàn)場(chǎng)打分結(jié)果矩陣；pk—現(xiàn)場(chǎng)打分結(jié)果。

根據(jù)(9)式可得煤礦巷道安全性評(píng)價(jià)得分F= 85.34。

3.5 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

由HA可以看出，在A～B層中，巷道支護(hù)與巷道施工權(quán)重大于地質(zhì)條件與巷道監(jiān)測(cè)，因此這兩個(gè)方面要更為重要一些。由表2觀察HB1,HB2，HB3和HB4結(jié)果可知，在B1-C層中，巖體結(jié)構(gòu)、頂板巖性以及地下水情況所占權(quán)重較大；在B2-C層中，支護(hù)方式與支護(hù)參數(shù)所占權(quán)重較大；在B3-C層中，施工質(zhì)量權(quán)重最大；在B4-C層中，頂板位移監(jiān)測(cè)權(quán)重最大。根據(jù)各具體因素對(duì)整個(gè)巷道安全性的影響權(quán)重來(lái)看，權(quán)重排序前三的是施工工藝、頂板位移監(jiān)測(cè)以及支護(hù)參數(shù)的選擇。巷道安全評(píng)價(jià)得分為85.34，表明巷道狀況良好，比較穩(wěn)定。

通過(guò)計(jì)算和分析可知，在煤礦的日常生產(chǎn)管理過(guò)程中，為了提高巷道穩(wěn)定性，要注重巷道施工工藝和施工質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)支護(hù)的管理與巡檢，還要提高對(duì)頂板位移的監(jiān)測(cè)等工作。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)層次分析法(AHP)建立了煤礦巷道安全評(píng)價(jià)體系，既有利于安全性評(píng)價(jià)，也有利于煤礦的安全管理。通過(guò)權(quán)重分析，得出巷道支護(hù)與巷道施工權(quán)重大于地質(zhì)條件與巷道監(jiān)測(cè)；在B1-C層中，巖體結(jié)構(gòu)、頂板巖性以及地下水情況所占權(quán)重較大；在B2-C層中，支護(hù)方式與支護(hù)參數(shù)所占權(quán)重較大；在B3-C層中，施工質(zhì)量權(quán)重最大；在B4-C層中，頂板位移監(jiān)測(cè)權(quán)重最大；權(quán)重總排序結(jié)果顯示權(quán)重最高的三項(xiàng)是施工工藝、頂板位移監(jiān)測(cè)以及支護(hù)參數(shù)的選擇。安全評(píng)價(jià)得分為85.34，表明巷道狀況良好，比較穩(wěn)定。

(2)在煤礦的日常生產(chǎn)管理過(guò)程中，為了提高巷道穩(wěn)定性，要注重巷道施工工藝和施工質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)支護(hù)的管理與巡檢，還要提高對(duì)頂板位移的監(jiān)測(cè)等工作。

(3)本文是AHP在巷道穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用的初步研究，在體系建立、判斷矩陣的構(gòu)建上仍有不足。但結(jié)果證明，AHP用于巷道穩(wěn)定性分析具有一定的科學(xué)性和實(shí)踐性。