基于模糊综合评判的冲击地压危险性分区预评价技术研究*

尹永明，张兴凯，周建新，姜秀慧，温经林

(1. 中国安全生产科学研究院，北京 100012；2. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083)

0　引言

冲击地压是我国煤矿最为严重的动力灾害之一，近年来随着矿井开采深度不断增加和开采强度的不断加大，冲击地压矿井越来越多，严重制约了矿山安全生产[1-2]，冲击地压危险性评价作为冲击地压防治的基础工作，我国修订后的《煤矿安全规程》在冲击地压防治章节明确要求“开采具有冲击倾向性的煤层，必须进行冲击危险性评价”。针对采煤工作面，如能在工作面开采前进行冲击地压危险性评价，即实现“采前”评价，将有利于提前采取针对性的解危措施，对工作面冲击地压防治具有重要的指导作用。目前，常用的冲击地压危险性评价方法多采用经验类比分析法和现场实测法[3-4]。经验类比分析法是将具有相似地质开采条件的采煤区域与已发生冲击地压的区域进行对比分析，判断发生冲击地压的可能性，属于“采前”评价；现场实测法主要是通过现场布置测点，监测工作面开采过程中参量变化，综合评价冲击地压发生的危险性，主要有钻屑法、应力测定法[5]、电磁辐射监测法[6]、地音监测法[7]等，多属于“采中”评价。经验类比分析法往往只关注了需评价采煤区域与已发生冲击地压区域两者之间的相似因素，而忽视了需评价采煤区域与之不同的其他影响因素，且经验类比分析法一般将各影响因素作为一个独立的个体进行分析，而未考虑各因素之间的相互关系，因此，经验类比分析法具有一定的片面性且受评价人主观性影响较大。现场实测法通过现场布点监测反映冲击地压危险性的参量变化，评价结果更具客观性，实现了冲击地压危险性“精准”评价，但是现场实测法属于“采中”评价，相较于经验类比分析法这一“采前”评价方法，在时间上具有滞后性，无法有效指导工作面开采前期冲击地压预防工作。根据冲击地压机理，冲击地压是应力作用下煤岩体突然破坏的结果[8-10]，冲击地压的根本控制因素是“应力”，而煤岩体所处应力环境受地质、开采条件等因素综合影响，且工作面不同区域应力影响因素赋存特征不同，因此，本文应用模糊综合评价法[11]，模拟工作面开采过程，对工作面开采过程中不同区域煤体应力影响因素进行综合分析，评判冲击危险性，从而实现了采煤工作面冲击危险性分区预评价。该方法属于“采前”评价，同时该方法实现了冲击地压影响因素定量化，减少了主观性影响，评价结果更“精准”，利于根据评价结果提前采取针对性的解危措施。该评价方法在山东某煤矿3105工作面进行了应用，评价结果较好的反映了工作面冲击地压危险区域分布情况，与现场实际基本吻合，有利的指导了该工作面冲击地压防治工作。

1　模糊综合评价模型建立步骤

模糊综合评价是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，首先考虑与被评价事物相关的各个因素，对其进行综合评价，然后对这些因素进行综合分析，得出综合评价结果。主要包括以下步骤：

1)建立影响因素集。用U表示：U={U1,U2,...,Um}，其中，Um代表第m个影响因素，m表示影响因素的个数。

2)建立评语集，既危险性评价等级。用V表示:V={V1,V2,...,Vn}，其中Vn表示第n个评价结果，n表示总的评价结果个数。

3)确定单因素权重向量W。单因素权重向量的大小反映了冲击地压各影响因素对冲击地压危险性影响程度的大小。

4)构造关系模糊矩R。一个具体的模糊对象，首先确定合理的隶属函数，然后应用模糊数学方法进行定量分析。

5)模糊综合评价。对各影响因素进行综合分析，得出综合评价结果。

2　冲击地压危险性模糊综合评价模型的建立

2.1　建立冲击地压影响因素集

遵循重要性、独立性和普遍性原则等，结合该煤矿地质开采条件，根据专家及现场技术人员经验，确定7个应力影响因素，分别为煤岩冲击倾向性、开采深度、煤岩结构、地质构造、工作面覆岩空间结构、煤柱影响和工作面开采方式，建立模糊综合评价模型。具体见表1所示。

表1　影响因素等级

1)煤岩冲击倾向性。根据GB/T 25217.2-2010《冲击地压测定、监测与防治方法第2部分：煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法》，煤的冲击倾向性的强弱，一般根据测定的4个指数进行综合衡量。冲击能量指数KE、弹性能量指数WET、动态破坏时间DT和单轴抗压强度Rc4个指标进行评价。

2)开采深度。开采深度主要影响原岩应力的大小。一般情况下，开采深度越大，煤岩体内应力水平越高，煤岩体积聚的弹性能越大。

3)煤岩结构。煤岩结构是指其运动对采场矿山压力显现产生明显影响的煤(岩)层或岩层组[12-13]。这些岩层(组)一般为相对厚而硬的岩层，易于积聚高弹性能，是诱发冲击地压的关键岩层，低(浅)位坚硬岩层也是发生冲击地压的必要条件。

4)地质构造。褶曲、断层、煤层相变带等地质构造带附近，一方面较大的残余应力的存在使这些区域成为构造应力集中区，是冲击地压易发区。

5)覆岩空间结构[14]。覆岩空间结构在形成过程中产生顶底板的破裂、下沉、旋转等运动，成为动载荷“力源”，从而可能诱发冲击型突出。其对回采工作面的影响主要发生在以下几个阶段：工作面初次来压阶段、周期来压阶段、工作面见方阶段等。根据以上各阶段可划分受覆岩空间结构影响的冲击地压危险区。

6)煤柱。煤柱因受多个采空区方向引起的支承压力的叠加影响而存在应力集中区，煤柱本身已可能诱发冲击型突出，同时上层煤柱可能会对下层传递集中应力，使下层也容易发生冲击地压。煤柱赋存特征包括煤柱宽度、周围采空区分布情况等的不同使受煤柱影响的冲击地压危险性不同。

7)开采速度。工作面开采速度越快，对煤岩层扰动越大，也更易形成应力集中区。

2.2　建立冲击地压危险性评价等级

冲击地压是应力作用下煤岩体突然破坏的结果，本文根据各影响因素作用下待评价区域煤岩体应力集中程度的大小划分冲击地压危险性等级，煤岩体应力集中程度越高，冲击地压危险性也相对越大，将冲击地压危险性分为3个等级，即无危险性、中度危险性和高度危险性，分别用Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ表示。

2.3　确定单因素权重向量

在进行综合评价前，应确定各个因素权重。为保证确定的结果能够真实反映实际情况，采用层次分析法(AHP法)[15]。根据腾东矿区地质开采条件，向具有现场经验的技术人员和专家发放1-9标度法调查表，根据打分结果确定各个因素的影响程度，进而构造判断矩阵，求得各因素权重。根据一致性检验结果，确定冲击地压影响因素权重集，见表2所示，其中：

W=[0.255,0.131,0.161,0.161,0.122,0.095,0.075]

2.4　构造关系模糊矩阵

在模糊数学中，以隶属度来描述事物重的模糊界限的。从表1可以看到，所取因素指标有2种，定量指标和定性指标。根据确定隶属函数的原则，对表1中的定量指标的隶属度，通过对各评价指标值进行统计分析，选取的各评价指标对冲击地压发生危险性3级划分的隶属函数为岭形模糊分布，标准方程如下：

(1)

式中:u1(xi)，u2(xi)，u3(xi)均为指标对3个级别冲击型突出危险性的隶属度；xi为第i个因素的指标值；ai，bi，ci为第i个因素指标的分界值。

对表1中的定性指标可按一定准则作数量化处理。本文采用分级法来评定其模糊矩阵Ri。即将各因素按其对发生冲击地压危险的影响程度分成3个等级:严重影响(0.8)、中度影响(0.6)、无影响(0.3)，并按赋值标准给出评定值。再采用梯形隶属函数，构建隶属函数如下：

(2)

根据上面隶属函数求解公式计算可得到评价对象所决定的因素集U中的每一个因素Ui对评价结果V上的模糊子集为Ri=[ri1,ri2,ri3]。

U中各个元素对V的模糊子集可以组成关系模糊矩阵R。

2.5　模糊综合评价

将关系模糊矩阵R与通过 AHP法计算得到的权重矩阵W按加权平均算法合成，得到综合评价集B，再按最大隶属度原则，即可对某采煤工作面冲击地压危险性进行模糊综合评价。

B=W·R=[b1,b2,b3]

(3)

由此得到评价集V的模糊子集B，分向量值最高者在V评价集中所属的位置即为所求的评价级别。

根据采煤工作面地质开采条件，应用上述模糊综合评价模型，对工作面进行模拟开采划分危险区域，并对冲击地压危险程度进行等级划分，根据划分等级指导冲击地压防治工作，提高了矿山生产的安全性和经济效益。

3　工程实例

山东某煤矿3105工作面属于深井厚煤层综放工作面，工作面回采的3下煤层结构复杂，赋存稳定，倾角6.5～13°，平均8°，属近水平煤层，煤厚3.5～7.2 m，平均4.9 m，煤层硬度相对较大，普氏系数f为2.2～2.5，煤层密度1.50 t/m3。工作面走向长度1 200 m，倾斜长度110 m，平均采深940 m，采用全部垮落法管理顶板，下部相邻3107工作面采空区。区段上平巷为胶带巷，下平巷为轨道巷。工作面断层发育，对回采工作面有较大影响。直接顶为厚5.01 m细粒砂岩，距煤层上方46 m处、70 m处、86 m处分别有一层厚14 m中粒砂岩、厚16 m粗粒砂岩和厚67 m砾岩层。经冲击倾向性鉴定，该3下煤层属于Ⅲ类，为具有强冲击倾向性的煤层。

以对工作面初次来压阶段冲击地压危险性进行评价为例。应用矿山压力与岩层运动理论计算得到工作面初次来压步距为40～50 m。该阶段冲击地压危险性各项评价因素的指标见表2。

根据式(1)，式(2)及表2可得相应的子集等级模糊关系矩阵R。

表2　3105工作面初次来压阶段冲击地压危险性评价因素指标

按式(3)进行模糊综合评价并作归一化处理，得模糊综合评价结果：

B=W·R=(0.1320.0370.831)

按最大隶属度原则可知，工作面初次来压阶段发生冲击地压危险性级别为高度危险性，结合工程现场经验及实际情况，并考虑一定的安全系数，将距开切眼0～90 m范围内划定为初次来压阶段冲击地压高度危险区。

同理对3105工作面不同位置发生冲击地压危险性进行模糊评价。评价结果如表3，其中高度危险区7个，中度危险区4个，分别用红色、黄色表示，如图1所示。经钻屑法检验，评价结果与现场实际基本相符，说明本文建立的冲击地压模糊综合评价模型在煤矿冲击地压危险性分区预测预报方面具有准确、可靠的特性。

表3　3105工作面冲击型煤与瓦斯突出危险区划分

注：①危险区位置范围为距开切眼距离；②模糊综合评价得到工作面初次来压阶段、“见方”阶段及断层区域均为高度危险区。

图1　3105工作面冲击地压危险区示意Fig.1　The danger zone of rockburst on LW 3105

4　结论

1)建立了冲击地压危险性模糊综合评价模型，模拟工作面开采过程，对工作面开采过程中不同区域煤体应力影响因素进行综合分析，评判冲击危险性，实现了采煤工作面冲击危险性分区预评价，按危险程度对采煤工作面冲击地压危险区域进行了划分。

2)确定评价因素指标及其权重是进行冲击地压危险性分区评价的关键。根据专家经验及试验研究，确定了7个主要影响因素，能够充分反映工作面冲击地压危险区域应力环境。

3)采用该评价方法对山东某煤矿3105工作面进行冲击地压危险性分区评价，得到7个冲击地压高度危险区，4个中度危险区，评价结果与现场实际基本吻合，表明该模型是合理可行的。

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