矸石粉煤灰胶结充填系统可靠性影响因素分析

赵 明，晏 嘉，杜金龙

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

引言

煤矿充填开采能够控制地表沉降、提高煤炭资源回收率，是解决"三下"采煤最有效的方法之一。按照充填原料的不同，充填开采可分为矸石充填、高水材料充填、(似)膏体充填等多种方法。煤矿矸石粉煤灰胶结充填，以破碎矸石为骨料，混合粉煤灰、水泥、水和外加剂制成浓度为76%～78%的料浆，由地面充填站经地下管道输送至充填采煤工作面，填充采空区[1-2]。整个充填系统由料浆制备、输送、工作面充填等多个环节串联而成，各环节之间存在复杂的相关关系且受到许多随机因素的影响。充填系统作业过程中，管道堵塞或破裂、料浆搅拌不匀、煤矸石破碎粒径偏大以及操作失误等局部故障都会导致整个充填系统失效，影响采煤工作面的充填、采煤作业，因此需要对充填系统的可靠性进行分析，找出影响充填系统稳定性的主要因素，为充填系统的设计、维护稳定性等提供依据。

本文应用层次分析法，分析新阳矿矸石粉煤灰胶结充填系统可靠性的影响因素，通过建立充填系统可靠性指标体系，构建目标层和准则层判断矩阵并进行分析计算，得到影响充填系统可靠性的因素排序，为维护充填系统稳定性提供理论支持[3-9]。

1 可靠性指标体系

1.1 工程背景

汾西矿业集团新阳矿采用矸石粉煤灰胶结充填方法开采"三下"煤炭资源，充填系统于2014年5月建成并进行了工业试验(图1)。充填系统由矸石破碎系统、充填材料配比搅拌系统、管路输送系统、工作面充填系统以及材料制备电气控制系统等组成。存储仓包括4个粉煤灰圆筒仓(容量300t/个)、2个水泥圆筒仓(容量200t/个)和1个600m3的矸石仓库。充填骨料为经粉碎后粒径不超过15mm的煤矸石，设计生产率为180m3/h，循环周期90s。首采充填10203工作面，工作面长度为100m，推进长度约600m。地面充填站到首采工作面充填管路总长度为2 100m，充填泵泵送压力为19MPa。工作面充填管位于支架的前立柱和后立柱之间，在布料管处连接进料三通装置和截止阀，控制料浆的流向以实现工作面壁后充填。可将充填系统分为5个子系统：原料制备系统、料浆搅拌系统、管道输送系统、工作面充填系统和技术管理系统。矿井充填作业过程中，时长发生管道堵塞、料浆搅拌不匀等情况，由于各子系统之间相互影响，局部敏感系统发生故障时，整个充填系统都将失效。因此需找出影响充填系统稳定性的关键因素，为充填系统的设计和改进提供依据，提高矿井充填系统的稳定性。

(a)充填站; (b)搅拌桶； (c)充填泵及管路； (d)工作面管路图1 新阳矿矸石粉煤灰胶结充填系统Figure 1 Gangue and fine coal ash cementation filling system in Xinyang coalmine

1.2 构建可靠性评价体系

影响矸石粉煤灰胶结充填系统的因素很多，且各因素之间相互联系、相互制约。根据层次分析法的基本方法[10-11]，将各影响因素分级、分类后，构建矸石粉煤灰胶结充填系统可靠性指标体系如图2所示。

图2 新阳矿矸石粉煤灰胶结充填系统可靠性体系Figure 2 Gangue and fine coal ash cementation filling system reliability system in Xinyang coalmine

(1)原料制备子系统(P1)。该系统包括制备矸石粉煤灰胶结充填料浆的各类原材料。胶结充填要求煤矸石的粒径不大于15mm，因此要对煤矸石进行粉碎处理。粉煤灰的粒径影响料浆的流变特性，胶凝剂影响充填材料凝结后的强度。为调节充填材料的早强度、泌水性等，还要在料浆中添加适量的外加剂。这些构成了矸石粉煤灰胶结充填料浆的基础。

(2)料浆配置子系统(P2)。矸石粉煤灰胶结充填料浆中各组分的含量不同，将影响充填料浆的管道输送特性、流变特性以及料浆凝结后的强度，因此要使料浆中各组分的配比合理。料浆浓度是影响其流动性的重要因素之一，不同浓度下的胶结充填料浆管道输送阻力有较大的差异。应在不同的材料配比条件下，通过试验测试料浆的流变特性、坍落度、泌水性等，找到合适的材料配比和料浆浓度，以有利于料浆在充填管路中的输送，同时满足充填强度等方面的要求。

(3)料浆管道输送子系统(P3)。充填料浆要经过管道由地面充填站输送至充填采煤工作面。在该过程中，影响管道输送效果的因素有充填泵的泵送能力、输送管道长度、输送管道的弯管数目，以及管路的防堵管、防爆管措施。为监测料浆在管道中的流动情况，会在管道不同位置布置监测点，通过比较各测压点的压差变化，判断是否有堵管等现象发生，因此，地面控制中心与监测点的通讯质量也很重要。

(4)工作面充填子系统(P4)。充填料浆达到工作面后，由井下充填装备完成壁后充填。充填系统受到充填液压支架支护效果、料浆管道三通装置、采高、工作面长度、挡墙、脱水设备等工艺的影响，同时还受到工作面工程地质条件的影响。充填采煤液压支架分为带充填口和隔离模箱的特殊液压支架、端头液压支架和中部基本充填液压支架，设计时要充分考虑其功能和技术参数。

(5)技术管理子系统(P5)。充填系统的可靠性还与管理措施、操作工人的技术水平、设备的可靠性以及控制系统有关。由于煤炭充填开采时，其采空区面积较大，需要较多的矸石、粉煤灰充填采空区，因此，矸石、粉煤灰等原料的供给也是影响充填系统可靠性的因素之一。

2 定量分析模型

2.1 构建判断矩阵

对准则层中的因素Pi(i=1,2,…,5)进行重要性排序。其方法是因素之间两两比较，比较的依据是这两个因素对目标层的影响程度，影响程度大的因素赋予较大的数值。假定目标层因素M与准则层中的因素Pi(i=1,2,…,5)有关，则可构建判断矩阵：

(1)

式中：pij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n)表示因素Pi相对于Pj对目标M的重要性程度赋值，赋值的大小和意义如表1所示。

表1 因素比较取值和意义

由以上分析可知，对于矩阵P=(pij)n×n，有以下条件成立：pij>0，pij×pji=1，pii=1。

2.2 计算因素的权重

在实际工程应用中，常用和积法对前述的判断矩阵求解，求出其最大特征值和特征向量，具体如下：

第一步：对矩阵P=(pij)n×n的列向量归一化：

(2)

(3)

(4)

第四步：计算最大特征根λmax

(5)

2.3 一致性检验

设CR为一致性检验比率，CI为一致性检验指标，RI为平均随机一次性指标，具体取值如表2所示，则CR、CI、RI与最大特征根λmax以及判断矩阵阶数n之间的关系满足：

(6)

(7)

当CR<0.1时，判断矩阵的一致性可以接受；否则，对判断矩阵要重新构建并再次进行一致性检验，直至一致性满足要求为止。

表2 平均随机一致性指标

3 可靠性评价

运用层次分析法定量化分析方法，对影响新阳矿矸石粉煤灰胶结充填系统可靠性的因素进行分析。采用专家调查法，选取现场工程技术人员和充填采矿技术专家共15名，对结果进行统计分析得到准则层对目标层、指标层对准则层影响的判断矩阵。

准则层对目标层影响的判断矩阵为：

可计算出各因素重要性排序向量：A=(0.415，0.314，0.158，0.075，0.038)T，λmax=5.195，n=5，得到：CI=0.049。由表3可知，RI=1.119，得：CR=0.043 8<0.1，判断矩阵M通过一致性检验，A可以接受。

依次构建指标层对准则层影响的判断矩阵，分别为：

分别计算出判断矩阵P1、P2、P3、P4和P5中各因素的重要性排序向量、λmax、CI和CR的值，结果如表3所示。

表3 准则层矩阵计算结果

由表4可知，一致性比率CR的值均小于0.1，即判断矩阵P1、P2、P3、P4和P5均通过一致性检验。总的计算结果如表4所示。

表4 充填系统各层排序计算结果

对表4中影响因素Qij(i=1,2,…;j=1,2…)根据权重进行由大到小排序。

分析表4数据，可得以下结论：

(1)在目标层影响因素中，料浆配置系统为影响充填系统可靠性的主要因素，权重为0.383，意即充填料浆的配置将影响其在管道中输送的质量，进而影响整个系统的可靠性；其次为料浆管道输送系统，权重是0.313，为次要因素；再次是原料制备系统，权重是0.167；接下来依次为工作面充填系统和技术管理因素，权重分别为0.091和0.047。

(2)准则层内指标排序情况可知，P1层即原料制备系统内，主要影响因素是煤矸石破碎度，权重为0.423，其次为胶凝材料，权重为0.269，说明在原料制备过程中，要保证煤矸石的颗粒符合要求，同时要选择合适的胶凝材料；P2层即料浆配置系统，主要影响因素是料浆浓度，权重为0.3，次要影响因素分别为粉煤灰含量和料浆坍落度，权分别为0.23和0.175，说明在料浆配置过程中，要控制好各组分的含量，以确保料浆浓度、坍落度满足充填系统的要求；P3层即料浆管道输送系统，最主要的影响因素是输送管道，其权重达到0.526，其次为防堵管爆管措施，权重为0.249；P4层即工作面充填系统，主要影响因素为挡墙，权重为0.368，其次为排水等辅助工艺，权重为0.282，说明在工作面壁后充填时，要确保充填料浆全部输送至采空区并及时完成排水等工序，从而使充填材料尽早形成所需要的强度；P5层即技术管理因素中，比较重要的因素为材料供给和设备可靠性，权重分别为0.428和0.293，煤矿矸石粉煤灰胶结充填开采，采空区需要大量的煤矸石，因此煤矸石的供给将对整个充填系统的可靠性产生影响，这是煤矿充填开采区别于金属矿充填开采的一个重要特征。

(3)分析影响胶结充填系统可靠性的所有因素可知，权重越大，该因素产生的影响就会越大。在所有的影响因素中，最主要的因素为Q32，即充填管道的质量，其权重值为0.165；接下来依次为Q21、Q22、Q33、Q11和Q13等，其权重分别为0.115、0.088、0.078、0.071和0.067。在进行胶结充填系统设计时，要重点考虑这些因素的影响，选择合理的管道路线和管道内径，使管道具备较好的耐磨性和抗腐蚀性；控制好充填料浆的浓度以及材料配比，做好管道防堵防爆措施，使料浆在管道中保持良好的流动性，及时送至充填工作面。

4 结论

应用层次分析法对新阳矿矸石粉煤灰胶结充填系统可靠性的影响因素进行定量分析，构建了充填系统可靠性评价体系，共分为目标层、准则层和指标层3层体系，共5个子系统27个指标。应用层次分析法对27个指标进行了排序，找出了5个子系统内主要影响因素、次要影响因素等。并根据各因素的权重值找出了影响整个充填系统的主要因素为：充填管道质量、料浆浓度、粉煤灰含量、防堵管爆管措施、煤矸石破碎度和胶凝材料。

根据影响整个充填系统的主次因素，矿井对充填管道进行了针对性的更换和改进。系统改进后，管道堵塞或破裂情况得到了有效控制，充填故障率大大降低，系统稳定性得到有效提高，技术经济效益显著。同时，为提高充填系统运行效率，还需要减少各个子系统之间的影响程度，最大程度提高充填系统运行效率，从而有利于矿井的高产高效。

[1]杨宝贵，王俊涛，李永亮，等. 煤矿井下高浓度胶结充填开采技术[J].煤炭科学技术，2013,41(8)：22-26.

[2]赵有生.新阳煤矿高浓度胶结充填料浆输送特性研究[D].中国矿业大学(北京),2014.

[3]田取珍，史鹏飞，孙慧民．采矿系统工程[M].北京: 煤炭工业出版社，2006.

[4]黄贯虹, 方刚.系统工程方法与应用[M].广州: 暨南大学出版社, 2005.

[5]杨海勇，汪潇潇，张娟，等.基于层次分析法的高校基建项目管理模式分析[J].清华大学学报(自然科学版)，2013,53(8)：1119-1127.

[6]雷波，张丽，夏婷婷，等.基于层次分析法的重庆市新农村生态环境质量评价模型[J].北京工业大学学报，2011,37(9)：1393-1399.

[7]杨力，董一平，刘程程.基于网络层次分析法的煤矿应急救援能力评价[J].工矿自动化，2015,41(3)：114-118.

[8]崔磊, 杨宝贵, 郭海龙, 等.煤矿高浓度胶结充填系统可靠性评价研究[J].中国安全生产科学技术, 2012, 8(10): 120-124.

[9]井文君，杨春和，李银平，等.基于层次分析法的盐穴储气库选址评价方法研究[J].岩土力学，2012,33(9)：2683-2690.

[10]李夕兵，魏威，赵彬.充填系统稳定性评价指标体系的构建及定量分析[J].科技导报，2013,31(31)：43-47.

[11]腾相林.基于层次分析法的矿井“三机”设备选型研究[J].工矿自动化，2010,11:51-54.