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        基于AHP的放頂煤開采影響因素分析與評價

        2018-12-05 09:03:20樊高峰劉永平
        山東煤炭科技 2018年1期
        關(guān)鍵詞:一致性效果評價

        樊高峰 劉永平

        (同煤集團馬脊梁礦,山西 大同 037027)

        放頂煤開采具有工作效率高、生產(chǎn)成本低、安全條件好等明顯的優(yōu)點。但是,放頂煤開采的效果受到多種不同因素和參數(shù)的影響,這其中既有客觀因素,如煤層賦存條件、煤巖性質(zhì)等,也有主觀方面的因素,如設(shè)備選型和管理水平等。放頂煤開采具有非常復(fù)雜和不確定的特點,因此對如何提前預(yù)測和評價放頂煤開采效果這一問題進行研究有著科學(xué)意義和實踐價值。

        層次分析法(Analytic Hierarchy Process)是一種對多種因素導(dǎo)致的模糊系統(tǒng)的綜合評價方法。本文針對放頂煤開采影響因素,利用層次分析法進行權(quán)重計算和比較分析,綜合評價放頂煤開采效果,為煤礦實踐提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

        1 放頂煤開采影響因素分析

        (1)煤層強度

        煤層的硬度以及裂隙發(fā)育都會影響放頂煤開采效果,這兩個因素統(tǒng)稱為煤層強度。

        不同煤層硬度對放頂煤開采的影響可在表1中直觀表示。從表中可以看出,0.8<f<2時,放頂煤開采效果最好。

        表1 不同煤層硬度對放頂煤開采的影響

        通常,煤層中會含有不同程度的節(jié)理和裂隙,這樣會對煤層的完整性形成較大的削弱和破壞,導(dǎo)致煤層強度降低,有利于放頂煤開采。因此,煤層中含有節(jié)理和裂隙,放頂煤開采效果好;反之,效果差。

        建立煤層強度的評價打分隸屬函數(shù):硬度系數(shù){f<0.8,0.8<f<2,2<f<3}={1,5,3};節(jié)理裂隙發(fā)育{發(fā)育,中等發(fā)育,不發(fā)育}={5,3,1}。

        (2)開采深度

        通過大量的實踐經(jīng)驗可知,在深度較深的礦井中,由于受礦山壓力的影響,頂煤易破碎垮落,所以深度較大有利于放頂煤開采。建立開采深度的評價打分隸屬函數(shù):煤層深度 {h<100,100<h<500,500<h}={1,3,5}。

        (3)煤層厚度

        在傾斜煤層放頂煤開采中,如果煤層厚度太小,可能會造成直接頂超前破碎,既影響采出煤的品質(zhì),又可能導(dǎo)致部分頂煤丟失造成浪費;如果煤層厚度太大,可能頂煤回收率低。經(jīng)過實踐證明,適宜頂煤放落的煤層厚度為2~10m,能夠達到技術(shù)與經(jīng)濟效果最好的煤層厚度為3~6m。建立煤層厚度的評價打分隸屬函數(shù):煤層厚度{b<2,2<b<3,3<b<6,6<b<10,b>10}={0,3,5,3,0}。

        (4)煤層傾角

        煤層傾角的大小會影響放頂煤開采的效果。如果傾角較大,受到重力的作用,煤體容易垮落,放頂煤開采效果較好;反之,放頂煤開采效果較差。經(jīng)過實踐證明,適宜頂煤放落的煤層傾角為40~90°;能夠達到技術(shù)與經(jīng)濟效果最好的煤層傾角為60~75°。建立煤層傾角的評價打分隸屬函數(shù):煤層傾角 {α<40°,40° <α<60°,60° <α<75°,75° <α<90°}={0,3,5,3,2}。

        (5)煤層頂?shù)装鍡l件

        在放頂煤開采影響因素中,煤層頂?shù)装鍡l件主要是指直接頂和底板穩(wěn)定性。如果直接頂破碎嚴(yán)重,會對頂煤的回收和煤的含矸率產(chǎn)生不良影響;如果直接頂穩(wěn)定,懸露面積大,會提高放頂煤開采效果。同樣的,當(dāng)?shù)装宀环€(wěn)定時會增加放煤的困難度。建立煤層頂?shù)装宓脑u價打分隸屬函數(shù):煤層頂?shù)装鍆穩(wěn)定,中等穩(wěn)定,不穩(wěn)定,極不穩(wěn)定}={5,3,2,0}。

        (6)煤層夾矸情況

        放頂煤開采實踐表明,當(dāng)夾矸厚度小于0.3m時,夾殲通常為片狀和板狀冒落,不影響頂煤的放落;當(dāng)夾矸厚度大于0.4m時,矸石容易造成放煤口堵塞。與此同時,也會增加放煤的含矸率。建立煤層夾矸的評價打分隸屬函數(shù):煤層夾矸{g<0.3,0.3<g<0.4,0.4<g}={3,5,1}。

        (7)其他條件

        主要是指包含瓦斯等級、水文地質(zhì)、煤層自燃等級的一些開采條件。建立其他條件的評價打分隸屬函數(shù):其他條件{良好,中等,差}={5,3,1}。

        2 放頂煤開采的AHP評價體系

        在AHP分析中,所有評價的影響因素都是通過具體的指標(biāo)來體現(xiàn)的。根據(jù)前文分析,結(jié)合現(xiàn)場實際并通過與一線技術(shù)人員、管理人員的交流和溝通,構(gòu)建了放頂煤開采效果評價體系,如圖1所示。

        圖1 評價體系結(jié)構(gòu)示意圖

        3 放頂煤開采的AHP分析

        3.1 判斷矩陣的建立

        在AHP分析法中,判斷矩陣的建立是通過對各個指標(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:

        在式(1)中,xij的取值是通過Yi(i=1,2,3,……,n)和Yj(j=1,2,3,……,n)相對重要性度量值而確定的。度量標(biāo)準(zhǔn)如表2所示,其中度量標(biāo)準(zhǔn)值為2,4,6,8時,說明度量標(biāo)準(zhǔn)介于表2中兩個相鄰度量等級之間。

        表2 度量標(biāo)準(zhǔn)

        根據(jù)式(1)對圖1的評價體系構(gòu)造判斷矩陣為:

        A C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C1 1 2 2 2 3 4 5 C2 1/2 1 2 2 3 4 5 C3 1/2 1/2 1 2 2 3 4 C4 1/2 1/2 1/2 1 3 3 3 C5 1/3 1/3 1/2 1/3 1 2 2 C6 1/4 1/4 1/3 1/3 1/2 1 2 C7 1/5 1/5 1/4 1/3 1/2 1/2 1

        3.2 權(quán)重計算及一致性檢驗

        (1)權(quán)重計算

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

        根據(jù)式(2)和式(3)求得判斷矩陣A所對應(yīng)的特征向量(即權(quán)重值)和λmax,權(quán)重結(jié)果如表3所示,λmaxA=7.2185。

        (2)一致性檢驗

        式中:

        CR-判斷矩陣的隨機一致性比率,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-平均隨機一致性指標(biāo),取值如表4所示。

        表4 平均隨機一致性標(biāo)準(zhǔn)

        由式(4)和式(5)求得判斷矩陣的CR均小于0.10,說明結(jié)果均具有滿意的一致性。

        3.3 綜合評價

        根據(jù)前文所述的評價標(biāo)準(zhǔn),以同煤集團馬脊梁礦為例,按照前文建立的評分隸屬函數(shù)進行評價,評分結(jié)果計入表3。綜合評價計算如下式:

        式中:

        F-評價得分;

        P-因素C1、C2……C7的現(xiàn)場打分結(jié)果矩陣;

        pk-現(xiàn)場打分結(jié)果。

        綜合評價體系,由計算可知滿分為5分,則2分以下可評為差,2~4分評為中等,4分以上評為良好。根據(jù)(6)式可得評價得分F=2.76,因此該礦井放頂煤開采效果為中等。

        4 結(jié)論

        (1)本文通過對影響放頂煤開采的煤層強度、開采深度、煤層厚度、頂?shù)装鍡l件、煤層夾矸情況和其他開采條件等因素的分析,建立了評價隸屬函數(shù)和基于AHP的放頂煤開采效果評價體系,能夠?qū)ΦV井放頂煤開采效果進行評價。該方法比較客觀、科學(xué)。

        (2)本文是層次分析法對放頂煤開采效果評價的初步研究,在因素分析、體系建立、隸屬函數(shù)確定等方面仍有不足??梢砸源藶榛A(chǔ),進行更加深入的研究。

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