李 強(qiáng)

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司 ，山西 晉城 048000）

0 引 言

隨著我國(guó)煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的不斷改革和發(fā)展，錨桿支護(hù)已然成為我國(guó)煤礦井下巷道的主要支護(hù)手段，這主要是由于采用錨桿支護(hù)具有支護(hù)效果好、安全度高、支護(hù)成本低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢(shì)[1]。錨桿支護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵在于巷道支護(hù)參數(shù)的確定，然而支護(hù)參數(shù)的確定又取決于巷道圍巖狀況。巷道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是對(duì)巷道圍巖質(zhì)量和穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行分析的一種簡(jiǎn)單且有效的方法，對(duì)巷道圍巖錯(cuò)綜復(fù)雜的內(nèi)在關(guān)系以一種抽象、概括的圍巖分類(lèi)形式來(lái)表示。相對(duì)于理論計(jì)算[2]和數(shù)值計(jì)算[3]的方法，綜合評(píng)價(jià)考慮的因素更多，分析過(guò)程更加靈活。特別是巷道圍巖穩(wěn)定性分析這類(lèi)同時(shí)具有不確定性、隨機(jī)性和模糊性的問(wèn)題，理論計(jì)算和數(shù)值計(jì)算的方法很難得到理想的結(jié)果，而模糊數(shù)學(xué)理論恰好是為解決這類(lèi)問(wèn)題而發(fā)展的。將模糊數(shù)學(xué)理論運(yùn)用到巷道圍巖穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)中，能夠很好地解決影響因素多，模糊性強(qiáng)的巷道圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)問(wèn)題。所以本文提出模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分類(lèi)，并根據(jù)分類(lèi)結(jié)果提出對(duì)應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)設(shè)計(jì)。

2 模糊綜合評(píng)價(jià)方法

模糊綜合評(píng)價(jià)法就是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，綜合考慮各個(gè)重要影響因素（指標(biāo)）基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)總體所做評(píng)價(jià)[4]。其兩個(gè)重要概念就是指標(biāo)集和評(píng)語(yǔ)集，指標(biāo)集指所考慮的影響因素的集合；評(píng)語(yǔ)集指將指標(biāo)劃分等級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的集合。模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)就是通過(guò)計(jì)算各指標(biāo)對(duì)評(píng)語(yǔ)等級(jí)的隸屬度，再結(jié)合每個(gè)指標(biāo)的重要程度，以加權(quán)求和的方法得到評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合隸屬度，從而確定最終等級(jí)。其中隸屬度表示分類(lèi)對(duì)象屬于該類(lèi)別中的程度，是模糊數(shù)學(xué)的精髓。

設(shè)指標(biāo)集為 U=｛u1,u2,…,um｝，評(píng)語(yǔ)集合為 V=｛v1,v2,…，vn｝，則指標(biāo) ui對(duì)抉擇等級(jí) vj的隸屬度 rij，其是通過(guò)隸屬函數(shù)計(jì)算得到，這里選擇梯型分布函數(shù)[5]的隸屬度計(jì)算方法，這樣指標(biāo)ui的單因素評(píng)價(jià)集ri，即ri是抉擇評(píng)語(yǔ)集合V上的模糊子集，ri={ri1,ri2,…,rin}。這樣，綜合m個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)集就得到一個(gè)總的評(píng)價(jià)矩陣R。

R表示指標(biāo)集合U到抉擇評(píng)語(yǔ)集合V的一個(gè)模糊關(guān)系。于是，綜合考慮個(gè)指標(biāo)的貢重要程度得到模糊綜合分類(lèi)模型為：

其中W=(w1,w2,…,wm)T(wi=1)為指標(biāo)權(quán)向量，表示指標(biāo)的相對(duì)重要性；bj（j=1,2,…,n）為評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)等vj的隸屬度，按照最大隸屬度原則，將評(píng)價(jià)對(duì)象歸屬到數(shù)值最大的bj所對(duì)應(yīng)的等級(jí)vj。

3 基于模糊綜合評(píng)價(jià)支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 工程背景簡(jiǎn)介

山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦1302工作面位于玉溪井田南部，東西走向，大采高綜采工藝回采3#煤層。3#煤層位于山西組下部，緩傾斜煤層，傾角小于8°；埋深大約在500m～600m范圍，厚度在5.12～7.20m范圍，平均5.85m，純煤厚度4.62m～7.00m，平均5.71m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全區(qū)穩(wěn)定可采。煤層底板向上0.95m處有一平均厚度為0.28m的較穩(wěn)定泥巖或炭質(zhì)泥巖夾矸層，除這一較穩(wěn)定夾矸層外，3#煤層內(nèi)還有其他零星夾矸。3#煤層底板均為泥巖，下距15#可采煤層82.80m～84.54m，平均84.34m。工作面煤層及頂?shù)装鍘r性描述見(jiàn)圖1。

圖1 工作面柱狀圖

3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

依據(jù)《緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定行分類(lèi)方案》，選擇巷道頂板強(qiáng)度（σt）、煤層強(qiáng)度（σc）、底板強(qiáng)度（σb）、巷道埋深（H）、巖體完整性指數(shù)（D）、直接頂厚度與采高的比值（N）和護(hù)巷煤柱寬度（X）等7個(gè)因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將巷道圍巖穩(wěn)定性劃分為5個(gè)等級(jí)，指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1所示。結(jié)合玉溪煤礦1302工作面基本情況，總結(jié)出各指標(biāo)取值見(jiàn)表2。

表1 指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 1302工作面回采巷道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)取值

要準(zhǔn)確得到模糊評(píng)價(jià)矩陣，就要更為準(zhǔn)確的判斷每個(gè)因子相較于各層的隸屬函數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到玉溪煤礦1302工作面回采巷道的單因素評(píng)價(jià)矩陣為：

利用層次分析法[6]得到指標(biāo)權(quán)重為：W=(0.11,0.21,0.03,0.12,0.19,0.3,0.11)T。根據(jù)公式（2）得到玉溪煤礦1302工作面回采巷道綜合隸屬矩陣為：

根據(jù)最大隸屬度原則，得出玉溪煤礦1302工作面回采巷道屬于Ⅳ類(lèi)不穩(wěn)定煤層巷道。

3.3 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范推薦的Ⅳ類(lèi)巷道錨桿基本支護(hù)形式，結(jié)合1302工作面回采巷道的生產(chǎn)技術(shù)條件，綜合考慮巷道安全穩(wěn)定、支護(hù)成本、巷道掘進(jìn)速度。最終確定玉溪煤礦1302工作面輔回采巷道支護(hù)方案為：頂板和巷幫選用φ22mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，其規(guī)格為φ22×2400mm，頂板錨桿間距為900mm，排距為900mm；兩幫錨桿間距為1000mm，排距為900mm。

3.4 支護(hù)效果驗(yàn)證

錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道支護(hù)效果最直觀表現(xiàn)是巷道斷面的變形情況，因此選擇FLAC數(shù)值模擬軟件，通過(guò)建立支護(hù)前后數(shù)值計(jì)算模型計(jì)算巷道圍巖移近量來(lái)驗(yàn)證上文得到的錨桿支護(hù)參數(shù)合理性。依據(jù)1302工作面工作面回采巷道地質(zhì)及生產(chǎn)條件，取40m×30m的范圍為計(jì)算模型，網(wǎng)格劃分為149×139=20711個(gè)單元，建立玉溪煤礦1302工作面回采巷道采用上文支護(hù)方案前后的圍巖變形破壞特征分析數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 支護(hù)前后計(jì)算模型

圖3 支護(hù)前后垂直位移云圖

圖4 支護(hù)前后水平位移云圖

將支護(hù)前與采用支護(hù)后模擬得到的巷道的變形情況進(jìn)行對(duì)比分析，可知提出的支護(hù)方案能夠有效保證1302工作面回采巷道圍巖的穩(wěn)定，顯著地降低了巷道斷面收縮變形。從模擬結(jié)果變形圖中可以看出，巷道支護(hù)前，頂?shù)装遄畲笠平繛?010mm，兩幫最大移近量為836mm；巷道支護(hù)以后頂?shù)装遄畲笠平繛?39mm，兩幫最大移近量為468mm，即巷道支護(hù)后頂?shù)装逡平拷档土?6.6%，兩幫移近量降低了61.1%，說(shuō)明巷道圍巖變形得到了顯著控制，詳見(jiàn)圖3～圖4。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法得到玉溪煤礦1302工作面回采巷道屬于Ⅳ類(lèi)不穩(wěn)定巷道。

2）通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，玉溪煤礦1302工作面回采巷道圍巖變形量較大，巷道圍巖穩(wěn)定性較差，所以將該巷道劃分為Ⅳ類(lèi)不穩(wěn)定巷道是合理的，則運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)巷道圍巖進(jìn)行分類(lèi)的方法是可靠的。

3）通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，提出的支護(hù)方案能夠有效保證1302工作面輔助運(yùn)輸順槽圍巖的穩(wěn)定，說(shuō)明基于模糊綜合評(píng)價(jià)方法的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)是可行的。