模糊数学在充填开采方法中的应用

2014-03-21李凤义聂文波陈维新李光琦陈雷

采矿技术 2014年1期

李凤义,聂文波,陈维新，李光琦，陈雷

(1.黑龙江科技大学黑龙江矿业研究院，黑龙江哈尔滨 150027；2.黑龙江科技大学，黑龙江哈尔滨 150027)

目前我国煤矿的“三下”压煤量约为137.9 亿t，其中建筑下压煤量87.6 亿t，约占整个压煤量的63.5%。随着工农业生产的发展，建筑下压煤量有增大趋势，很多矿区建筑下压煤量占到矿区可采储量的60%，严重制约着煤矿量的生产。针对这种情况的紧迫性，钱鸣高院士等提出了绿色开采[1]的概念，而充填开采更是绿色开采技术体系中的重点。

煤矿充填开采主要采用矸石充填和高水充填。矸石充填作为我国最早利用的充填开采法，以其充填成本低、方法简便受到广泛利用。随着充填技术的成熟和煤矿开采难度的加剧，高水充填因其灵活性好、流动渗透性好、固结体塑性好、能适应围岩变形、具有微膨胀性、充填程度高而越来越受重视。

本文采用模糊数学的方法，建立模糊数学评判模型，并选取两个不同类型充填体为例，进行综合分析、对比、验证，为以后矿井选取合理的充填开采方式提供依据。

1 充填体稳定性的影响因素

在充填开采中，充填体进入采场后，改变了采场的应力状态，使其原来的单轴或双轴应力状态变为双轴或三轴应力状态，大大提高了围岩的强度，增强了围岩的支撑能力。因此，充填体不仅起到支撑作用,更重要的是提高了围岩自身强度和自支撑能力[3]。充填体在短时间内达到一定的强度，而后逐渐达到接近于原应力的状态，从而能实现稳定关键层的作用。影响充填体稳定性的因素主要为充填方法、充填体强度、开采厚度、充填料浆的凝固时间、煤层顶板5个方面。

1.1 充填方法(U1)

充填是采用外来材料充填矿物资源采出后的采空区，包括水砂充填、矸石充填、高水充填等。充填开采与其他开采方法相比，最大程度地采出地下矿物资源、保证安全生产、增加了矿山经济效益。但是充填需要设备，增加充填工序，矿山必须支出充填成本。当充填成本与采矿效益均衡时，充填技术才有生命力[4]。因此，不同的充填方法会直接影响到充填开采的成本和煤矿经济效益，所以，充填方法的选取显得十分重要。

1.2 充填体强度(U2)

充填体主要是对上覆岩层起着支撑作用，减少覆岩的沉陷，控制地表的移动和变形，达到保护地面的目的。在理论上，充填开采是对岩层扰动和破坏最小的采矿方法,是实现绿色开采的理想途径。这就要求充填体的强度足以支撑上覆岩层的压力，对关键层能起到稳定作用。充填体的强度主要取决于自身材料的一些性质，主要有弹性模量，泊松比和压实率三个方面。

1.3 开采厚度(U3)

充填开采法的实践表明，地表的下沉值与开采的厚度有很大的联系，开采的厚度越大，地表的最大下沉值也越大。采用全部冒落法管理顶板时，地表的下沉值可达采高的60%～80%，而采用水砂充填法管理顶板时，最大下沉值为采高的8%～20%。

1.4 充填浆料的凝固时间(U4)

我国现在主要采用的是“采—注—采”和“采—注—跳采”三步法开采，在矿井充填开采中，无论采用何种充填方法，都要求充填体具有快速凝固的性质，使其在短时间内实现对上覆岩层的支撑和稳定主关键层。同时有一定膨胀的作用，能够实现主动接顶[5]。

1.5 煤层顶底板(U5)

在煤层回采过程中, 煤层顶底板的岩性及其工程地质性质, 决定了回采方法、回采效率和生产安全条件等[6]。不少煤矿由于对煤层顶底板的工程地质性质研究不够, 管理措施和采掘方法选用不当, 给煤矿生产和安全带来很大困难, 甚至造成人员伤亡或巨大经济损失。

2 模糊数学方法的综合评判

综合评判是指对多种因素所影响的事物或现象进行总的评价。若在评价过程中涉及到模糊因素, 便称作模糊综合评判。

2.1 建立综合评价因素集合U、V

综合评价因素集合包括评判因素集和评语集两个方面。

确定因素集U={U1,U5, …,Um}, 此处 (Ui=1, 2,…,m) 表示对被评判事物有影响的第i个因素，依照本文的研究的侧重点，我们选取上文的5个影响因素为主控因子。

确定评价集Vj, ={V1,V2,…,Vn} ,此处 (j=1, 2,…,n)表示评价的第j个等级，本文确定的判定评价集为V={ 非常稳定,稳定,中等稳定，不稳定}。

2.2 确定被评价事物相关各因素的隶属度

模糊评价矩阵的确立，是基于单因素的评判。先对充填体的稳定性进行单因素Ui=(i= 1, 2,…,m) 评判, 从因素ui着眼该事物对抉择等级Vj(j= 1, 2, ,n) 的隶属度为Vij, 得到第i个因素ui的单因素评判集ri= (ri1,ri2, …,rin) , 构造出一个总的评价矩阵R, 显示从因素集U到评语集ui的模糊关系:

(i=1,2,...,m;j=1,2,…,n)

2.3 确立各评价因素的权重A

2.4 模糊综合评价向量

将权分配模糊子集A结合被评判对象的各因素模糊矩阵R, 可进行模糊综合评判。引入评语模糊子集B,B= (b1,b2,…,bn) ,一般B=A*R(*为算子符号),表示该被评事物总体上来看对各等级模糊自己的隶属程度。将R和A代入上式, 可得B= (b1,b2,…,bm)，由此得到评价集V的模糊子集B, 分向量值最高者在V中所属的位置为所求的评价级别。