張學(xué)超

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

我國在煤與煤層氣共采領(lǐng)域的技術(shù)體系和理論研究取得了一定的進(jìn)步與發(fā)展。晉城礦區(qū)創(chuàng)立了煤礦規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)和生產(chǎn)區(qū)三區(qū)聯(lián)動的立體抽采模式，有效地解決了煤層氣抽采與煤礦采掘時空接替的問題[1]；兩淮礦區(qū)建立了保護(hù)層卸壓井上下抽采技術(shù)體系，緩解了低滲突出軟煤層群條件下的“抽、掘、采”問題[2-3]；松藻礦區(qū)將煤炭開采與井下抽采相結(jié)合，構(gòu)建了井下超前增透抽采技術(shù)體系，有效地克服了松軟低滲抽采難度大的問題[4-5]。國內(nèi)煤層氣開發(fā)已經(jīng)由井下抽采、地面井排采的單一技術(shù)發(fā)展成為地面井排采、井上下聯(lián)合抽采及井下抽采的立體開發(fā)技術(shù)體系。而在理論研究方面，侯金玲[6]提出了煤層氣地面井抽采適應(yīng)性評價方法，僅對地面井抽采做了分析；季文博[7]指出了煤與煤層氣開發(fā)的相互影響，對煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)前景做出了展望，重點指出了煤與煤層氣開發(fā)的相互影響，未對開發(fā)效果進(jìn)行評價分析；梁冰等[8]提出了經(jīng)濟預(yù)評價、安全評價、共采效果評價，采用模糊評價的方法對煤與煤層氣共采進(jìn)行了綜合評價，重點是在經(jīng)濟、安全和共采效果三方面進(jìn)行評價，未對其適應(yīng)性進(jìn)行分析；劉見中等[9]基于典型煤礦區(qū)協(xié)調(diào)開發(fā)實踐，建立了煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)的模糊綜合評判模型和指標(biāo)體系，主要是根據(jù)典型煤礦區(qū)的協(xié)調(diào)開發(fā)模式提出了評價指標(biāo)體系。

本文根據(jù)煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的各種影響因素對其總結(jié)歸類，提出適應(yīng)性評價、安全評價和效果評價3項評價目標(biāo)，對其評價指標(biāo)分級構(gòu)建評價體系，再對各評價指標(biāo)按照5級進(jìn)行等級劃分，引入隸屬度函數(shù)，構(gòu)建評價矩陣，建立評價模型。結(jié)合層次分析法(AHP)與模糊綜合評價方法對煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)進(jìn)行評價，形成一套較為可行的煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)綜合評價方法。

1 煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的內(nèi)涵及評價體系

1.1 煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的內(nèi)涵

煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)是對目標(biāo)區(qū)域的煤與煤層氣資源統(tǒng)籌編制開發(fā)利用方案，在開發(fā)時間銜接、空間布局、采掘抽部署等方面綜合考慮，統(tǒng)一協(xié)調(diào)，充分利用井、巷及鉆孔工程，選擇合理的開發(fā)方式，充分發(fā)揮采氣與采煤相互有利的影響，對煤層氣最大限度地開發(fā)，并在安全的前提下進(jìn)行煤炭開采，實現(xiàn)煤與煤層氣資源安全、高效開發(fā)，并實現(xiàn)最理想的綜合效益[10-13]。

煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的目標(biāo)是安全、高效、科學(xué)、合理統(tǒng)籌開發(fā)煤炭及煤層氣資源，其工作流程是：在目標(biāo)區(qū)域考察煤炭及煤層氣儲量以及賦存的相關(guān)參數(shù)，確定是否具備井上下煤層氣開發(fā)的條件，選擇合理的煤層氣開發(fā)方案，在時間和空間上合理安排采煤和采氣，實現(xiàn)煤與煤層氣兩種資源安全高效開發(fā)。一方面，開發(fā)煤層氣能夠降低煤層中瓦斯壓力及瓦斯含量，最大限度地避免瓦斯事故以及風(fēng)險，更加安全地進(jìn)行煤炭開采工作；另一方面，在煤炭采掘過程中，生產(chǎn)對周圍巖體的卸壓作用導(dǎo)致吸附在煤巖體中的瓦斯得以釋放，這樣也就有利于瓦斯的抽采。煤與煤層氣共采能夠利用采煤、采氣雙向的互利作用，實現(xiàn)更加安全高效的回采。

1.2 煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的影響因素

煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)是一項系統(tǒng)工程，其開發(fā)過程與諸多因素有關(guān)，主要影響因素見表1。煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的3個考察目標(biāo)分別是：適應(yīng)性、安全和效果。適應(yīng)性的主要影響因素有資源條件、煤層條件、煤層氣條件、水文地質(zhì)條件和技術(shù)條件，主要涉及煤炭資源儲量、煤層氣資源儲量、煤層面積、埋藏深度、煤層厚度、煤的變質(zhì)程度、煤層氣儲量豐度、煤層氣含量、滲透率、儲層壓力等；安全的主要影響因素有優(yōu)先因素和基本因素，主要涉及煤礦瓦斯危害、瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯?jié)舛鹊?；效果的主要影響因素有資源回收率、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益，主要涉及抽采率、回采率、煤層氣銷售收入、補貼收入、投資利潤率、替代煤炭的效益、替代天然氣的效益、減排效益、節(jié)省防治瓦斯費用、提高煤礦生產(chǎn)效率產(chǎn)生的效益等。

表1 煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)主要影響因素Table 1 Effect factors of coal and CBMcoordinated exploitation

資源豐富、煤層及煤層氣條件優(yōu)越、水文地質(zhì)條件良好、技術(shù)先進(jìn)均有利于實施煤與煤層氣共采協(xié)調(diào)開發(fā)。優(yōu)先因素主要是瓦斯的事故因素，如瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯燃燒等，基本因素主要是瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯?jié)舛鹊?，生產(chǎn)過程中若是難以避免瓦斯事故，瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)達(dá)不到相關(guān)要求，則對煤與煤層氣安全開發(fā)極為不利。而資源回收率高，經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益好均會對煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)產(chǎn)生良好的效果。

1.3 煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)綜合評價指標(biāo)體系

根據(jù)煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的相關(guān)影響因素，按照協(xié)調(diào)開發(fā)的適應(yīng)性、安全和效果的目標(biāo)層評價，提出了各目標(biāo)下的分級評價指標(biāo)。對于協(xié)調(diào)開發(fā)的適應(yīng)性評價主要考慮了資源條件、煤層條件、煤層氣條件、水文地質(zhì)條件和技術(shù)條件；對于協(xié)調(diào)開發(fā)的安全評價主要考慮了井下煤層氣開發(fā)涉及的優(yōu)先指標(biāo)和基本指標(biāo)，優(yōu)先指標(biāo)主要是指瓦斯災(zāi)害的危險情況及危害程度，而安全評價的基本指標(biāo)是指抽采后的瓦斯壓力、瓦斯含量、可解析瓦斯量和抽采率；對于協(xié)調(diào)開發(fā)的效果評價主要考慮了資源回收、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益指標(biāo)。各項評價目標(biāo)按照不同的要求分層次設(shè)置評價指標(biāo)，形成煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)綜合評價指標(biāo)體系。評價指標(biāo)體系見表2。

表2 煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)評價指標(biāo)體系Table 2 Coal and CBM coordinated exploitation index system

2 煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)綜合評價

2.1 評價模型

對單個評價因素考察，以確定其在評價集中的隸屬程度rij的過程稱為單因素模糊評價。根據(jù)單個因素評價集的隸屬度建立隸屬度函數(shù)評價矩陣，見式(1)。

(1)

隸屬度函數(shù)可通過降半梯形分布確定，見式(2)。

(2)

建立各層次協(xié)調(diào)開發(fā)模糊綜合評價模型，其矩陣見式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：A為評價目標(biāo)(屬于一級層)，是指目標(biāo)模糊綜合評價集；B為評價標(biāo)準(zhǔn)層(屬于二級層)，是二級指標(biāo)模糊評價集；wi(2)為二級指標(biāo)權(quán)重集；C為評價子標(biāo)準(zhǔn)層(屬于三級層)，是基礎(chǔ)指標(biāo)模糊評價集；wi(3)為三級指標(biāo)權(quán)重集；i=1，2，…，m為模糊綜合評價指標(biāo)個數(shù)[9,14-15]。

2.2 評價方法

煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)綜合評價根據(jù)相應(yīng)的評價目標(biāo)要求以及評價因素的相互關(guān)系建立具有不同層次的評價指標(biāo)體系。主要影響條件歸納為：適應(yīng)性因素、安全因素和效果因素，這些因素又可劃分為不同層次的各種指標(biāo)。針對影響煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)評價的各種因素，按照不同評價目標(biāo)的要求，結(jié)合層次分析法(AHP)，運用模糊綜合評價法對煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)做出評價。

2.3 綜合評價

寺河煤礦位于晉城礦區(qū)，面積約53.382 km2，設(shè)計生產(chǎn)能力為4.0 Mt/a，2010年核定生產(chǎn)能力為10.8 Mt/a。寺河煤礦煤炭總儲量為13.27億t，煤層氣儲量為250.02億m3，煤層氣含量為7.67～16.60 m3/t，煤層瓦斯壓力為0.29～2.12 MPa，煤層透氣性系數(shù)為0.023 9～4.452 9 m2/(MPa2·d)。

井田煤系地層共含煤15層，其中，3#煤層、15#煤層為主要可采煤層，9#煤層為大部可采煤層(西區(qū)局部可采)，井田含煤15層，煤層總厚14.67 m，其中，可采煤層和局部可采煤層3層，總厚度10.32 m。3#煤層厚4.45～8.75 m，平均厚6.31 m，頂板為泥巖或砂巖，煤層穩(wěn)定，全井田可采。 9#煤層厚0.48～2.44 m，平均厚1.34 m，屬結(jié)構(gòu)簡單、較穩(wěn)定的大部可采的中厚煤層。 頂板多為粉砂巖，底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖。 15#煤層厚1.80～5.45 m，平均厚2.67 m，全井田發(fā)育，厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單。頂板為灰?guī)r，底板為泥巖。該井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層埋藏深度在250～600 m之間，煤層傾角為2°～10°，礦井絕對瓦斯涌出量為486.6 m3/min。

寺河西井區(qū)地面煤層氣井抽采5 a，3#煤層瓦斯含量由平均23.7 m3/t降至12.27 m3/t。寺河煤礦2017年煤層氣日抽采量突破200萬m3。

2.3.1 指標(biāo)權(quán)重確定

利用層次分析法(AHP)確定各項評價參數(shù)的權(quán)重。對判斷矩陣需要進(jìn)行一致性檢驗。將矩陣A的秩設(shè)置為1，計算出其非零特征根n，將n對應(yīng)的特征向量作為權(quán)向量，矩陣滿足aij×ajk=aik，其中，i=1,2,3,…,n，j=1,2,3,…,n，k=1,2,3,…,n。對于不一致的成對比較矩陣A，用對應(yīng)于最大特征根A的特征向量作為權(quán)向量w(需要做歸一化處理)，見式(5)。

Aw=λw

(5)

設(shè)置CI為一致性指標(biāo)，RI為隨機一致性指標(biāo)，CR為一致性比率，計算見式(6)～式(8)。隨機一致性指標(biāo)見表3。

表3 隨機一致性指標(biāo)Table 3 Random consistency index

(6)

RI=

(7)

(8)

如果滿足CR<0.1，則矩陣A的一致性檢驗通過，說明矩陣A可以接受，并將其特征向量作為權(quán)重向量。反之，重新構(gòu)建比較矩陣，直至一致性檢驗通過。

1) 適應(yīng)性指標(biāo)權(quán)重。將資源條件、煤層條件、煤層氣條件、水文地質(zhì)條件和技術(shù)條件分別作為X的各項因素，則由X1、X2、X3、X4和X5構(gòu)成二級權(quán)重集，適應(yīng)性指標(biāo)權(quán)重見表4。

表4 適應(yīng)性指標(biāo)權(quán)重Table 4 Adaptive evaluation index weight

適應(yīng)性指標(biāo)權(quán)重分別為：w=(0.657，0.645，0.330，0.126，0.165)，歸一化處理后為：w=(0.342，0.336，0.171，0.065，0.086)，經(jīng)過一致性檢驗，由MATLAB軟件計算可知λ=5.30，帶入式(6)和式(8)，得式(9)和式(10)。

(9)

(10)

通過計算，CR=0.07<0.1，一致性檢驗通過。由此可知，5項二級指標(biāo)權(quán)重分別為：w11=(0.500，0.500)；w12=(0.445，0.162，0.272，0.077，0.044)；w13=(0.430，0.285，0.087，0.119，0.047，0.031)；w14=(0.500，0.500)；w15=(0.500，0.500)。

2) 安全指標(biāo)權(quán)重。將優(yōu)先指標(biāo)和基本指標(biāo)分別作為O的各項因素，則由O1、O2構(gòu)成二級權(quán)重集，基本指標(biāo)中的瓦斯壓力、瓦斯含量、可解吸瓦斯量和抽采率設(shè)置為P1、P2、P3和P4，這些因素構(gòu)成三級權(quán)重集。對構(gòu)成的二級權(quán)重集和三級權(quán)重級進(jìn)行權(quán)重計算，以及一致性檢驗。各項權(quán)重結(jié)果見表5。則λ=4.18，CI=0.06，RI=1.24，CR=0.05<0.1，一致性檢驗通過。

表5 基本指標(biāo)權(quán)重Table 5 Basic benefit indexes weight

3) 效果指標(biāo)權(quán)重。將資源回收、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益分別作為M的各項因素，則由M1、M2、M3、M4構(gòu)成二級權(quán)重集，資源回收指標(biāo)下的煤炭回采率和煤層氣回收率因素設(shè)置為N1和N2，經(jīng)濟效益內(nèi)的各項因素煤層氣銷售收入、補貼收入和投資利潤率設(shè)置為N3、N4、N5，環(huán)境效益內(nèi)的替代煤炭效益、替代天然氣效益和減排效益設(shè)置為N6、N7、N8，社會效益內(nèi)的事故減少產(chǎn)生的效益、節(jié)省瓦斯防治費用和提高生產(chǎn)效率產(chǎn)生的效益設(shè)置為N9、N10、N11，由N1至N11這些因素構(gòu)成三級權(quán)重集，并通過了一致性檢驗。其中，二級指標(biāo)權(quán)重為w3=(0.565，0.262，0.055，0.118)，三級指標(biāo)權(quán)重分別為：w31=(0.500，0.500)，w32=(0.637，0.105，0.258)，w33=(0.669，0.243，0.088)，w34=(0.731，0.188，0.081)。

2.3.2 評價指標(biāo)等級及隸屬度

1) 適應(yīng)性指標(biāo)評價等級及隸屬度見表6。

表6 適應(yīng)性評價件等級及隸屬度Table 6 Classification and membership of adaptiveevaluation index

2) 協(xié)調(diào)開發(fā)安全指標(biāo)和效果指標(biāo)隸屬度。安全指標(biāo)和效果指標(biāo)隸屬度與適應(yīng)性指標(biāo)隸屬度確定方法類似，不再贅述。

2.3.3 評價標(biāo)準(zhǔn)確定

參考相關(guān)的技術(shù)規(guī)范等資料，將評價指標(biāo)按照相應(yīng)的數(shù)值域或定性描述劃分為不同的評價等級，以資源條件為例確定其評價標(biāo)準(zhǔn)如下所述。

1) 煤炭資源量評價標(biāo)準(zhǔn)。參考《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》，各個生產(chǎn)能力下不同服務(wù)年限對應(yīng)不同的可采儲量值，6.0 Mt/a、3.0～5.0 Mt/a、1.2～2.4 Mt/a、0.45～0.90 Mt/a生產(chǎn)能力的礦井對應(yīng)的服務(wù)年限內(nèi)最低可采儲量分別為420 Mt、180～300 Mt、120～240 Mt、18～36 Mt。將煤炭資源量按照不同的數(shù)量級劃分為5個評價等級，分別為極大、大、較大、中等、小，煤炭資源量評價等級劃分見表7。

表7 煤炭資源量評價等級劃分Table 7 Classification of coal resource evaluation

2) 煤層氣資源量評價標(biāo)準(zhǔn)。參考《煤層氣資源/儲量規(guī)范》，根據(jù)地質(zhì)儲量規(guī)模將煤層氣田進(jìn)行如下劃分：煤層氣地質(zhì)儲量超過3 000億m3的為特大型氣田，儲量為300億～3 000億m3的為大型氣田，儲量為30億～300億m3的為中型氣田，儲量小于30億m3的為小型氣田。按照煤層氣地質(zhì)儲量大小劃分為5個評價等級，分別為極大、大、較大、中等、小，煤層氣資源量評價等級見表8。

表8 煤層氣資源量評價等級Table 8 Classification of CBM resource evaluation

2.3.4 評價矩陣確定

1) 適應(yīng)性指標(biāo)評價矩陣。根據(jù)多層次模糊綜合評價公式，分別對資源條件、煤層條件、煤層氣條件、水文地質(zhì)條件和技術(shù)條件等二級指標(biāo)進(jìn)行模糊綜合評價，通過計算得到二級模糊評價向量，記為B1、B2、B3、B4、B5。因此，三級模糊評判評價矩陣C見式(11)～式(16)。

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

2) 安全指標(biāo)評價矩陣E見式(17)。

(17)

3) 效果指標(biāo)評價矩陣。效果指標(biāo)評價矩陣記為I1、I2、I3、I4，計算結(jié)果不再贅述。

2.3.5 綜合評價

協(xié)調(diào)開發(fā)適應(yīng)性的模糊綜合評價結(jié)果見式(18)。

(0.342 0.336 0.171 0.065 0.086)×

(0.249 2 0.289 4 0.220 8 0.148 4 0.083 7)

(18)

因為a2=max(a1，a2，…，a5)=0.289 4，因此根據(jù)最大隸屬度原則，判斷協(xié)調(diào)開發(fā)適應(yīng)性模糊綜合評價結(jié)果為：協(xié)調(diào)開發(fā)適應(yīng)性為“好”。D=(0.194 4，0.268 3，0.342 1，0.192 3，0.002 9)，d3=max(d1，d2，…，d5)=0.342 1，協(xié)調(diào)開發(fā)安全為“較好”。G=(0.260 4，0.308 2，0.208 3，0.146 8，0.076 3)，g2=max(g1，g2，…，g5)=0.308 2，協(xié)調(diào)開發(fā)適應(yīng)性為“好”。

2.4 煤與煤層氣共采協(xié)調(diào)性評價

引入?yún)f(xié)調(diào)指數(shù)，并將煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的3項評價目標(biāo)設(shè)置相應(yīng)的評價指數(shù)，將各項指數(shù)按照0～1之間的不同分值區(qū)間劃分為很好、好、較好、一般、差共5個等級，利用模糊綜合評價形成的隸屬度和評價等級確認(rèn)其指數(shù)區(qū)間，各項指數(shù)評價等級見表9。煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)適應(yīng)指數(shù)、安全指數(shù)和效果指數(shù)這3項基礎(chǔ)指數(shù)的權(quán)重分別為O3、O4、O5，根據(jù)AHP法計算得到3項指數(shù)的權(quán)重，根據(jù)3項基礎(chǔ)指數(shù)不同的權(quán)重，計算出協(xié)調(diào)性指數(shù)分值，確認(rèn)其協(xié)調(diào)性評價等級，協(xié)調(diào)指數(shù)評價結(jié)果見表10。

表9 各項指數(shù)評價等級Table 9 Evaluation grade of index

表10 協(xié)調(diào)指數(shù)評價結(jié)果Table 10 Evaluation results of coordinated index

計算得協(xié)調(diào)指數(shù)為0.67，可知晉城礦區(qū)寺河煤礦煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)評價等級為“好”。本文研究的煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)評價方法為模糊綜合評價法，即以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合實際案例，將各項指標(biāo)按照不同的等級進(jìn)行劃分，構(gòu)建評價模型，并且根據(jù)設(shè)置好的評價標(biāo)準(zhǔn)對評價指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一量化，通過層次分析法確定各項指標(biāo)的權(quán)重，利用隸屬度函數(shù)及矩陣進(jìn)行相關(guān)的數(shù)學(xué)計算，根據(jù)基礎(chǔ)的指標(biāo)參數(shù)反饋到上一級評價指標(biāo)，最終利用各項指標(biāo)得到煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的3項目標(biāo)評價值，再根據(jù)其相關(guān)的權(quán)重計算得到評價的協(xié)調(diào)指數(shù)，并且根據(jù)評價等級標(biāo)準(zhǔn)判定最終的評價結(jié)果。

3 結(jié) 論

1) 根據(jù)煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的相關(guān)影響因素，按照協(xié)調(diào)開發(fā)的適應(yīng)性、安全和效果的目標(biāo)層評價，提出了各個目標(biāo)下的分級評價指標(biāo)，將每一項目標(biāo)按照3級結(jié)構(gòu)分層次設(shè)置評價指標(biāo)，構(gòu)建煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)評價指標(biāo)體系。

2) 利用模糊數(shù)學(xué)的方法構(gòu)建評價矩陣，對各項指標(biāo)按照5級進(jìn)行等級劃分，提出了相應(yīng)基層指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)。引入隸屬度函數(shù)，并根據(jù)層次分析法(AHP)確定每項不同等級指標(biāo)的權(quán)重，再利用矩陣算法對煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的適應(yīng)性、安全和效果3項目標(biāo)進(jìn)行評價，得到各項目標(biāo)評價的隸屬度，從而確定其相應(yīng)的評價等級。

3) 以晉城礦區(qū)寺河煤礦為目標(biāo)，按照評價要求，構(gòu)建寺河煤礦煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)的開發(fā)評價體系，并將各項指標(biāo)實施量化處理，應(yīng)用綜合評價的方法得到該礦最終的開發(fā)協(xié)調(diào)指數(shù)為0.67，確認(rèn)其煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)評價等級為“好”。