煤矿巷道稳定性评价体系及其分析

杜志强

(大同煤矿集团有限责任公司四老沟煤矿，山西 大同 037003)

0 引言

在煤炭开采过程中，巷道事故是常见事故之一。随着矿井深度越来越深，受矿山压力和采动的影响，巷道的稳定性控制越来越困难，巷道稳定性的科学评价对煤矿安全生产有着非常重要的指导意义。本文将层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)应用于巷道安全性分析中，对各类因素进行分析，对其权重进行排序，通过数学模型的分析与处理，对巷道的稳定性进行评价。既能克服凭经验判断的弊端，还能结合实际进行有针对性的分析指导。

1 矿井概况

同煤集团某矿井田面积89.51 km2，南北长15.7 km，东西宽5.0～7.4 km，矿井设计能力500 Mt/a，服务年限96.3 a，可采煤层11层。采用斜井、立井混合开拓方式，地质构造简单，无断裂构造，无岩浆岩侵入，煤层属近水平煤层，水文地质条件较简单，煤层瓦斯含量低，属易自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性。

2 煤矿巷道稳定性评价体系的建立

2.1 评价指标的选择原则

安全管理系统是综合性很强的复杂系统，要想对其进行评价，科学、合理的选择指标是基础和重点。选择指标应当符合客观规律，并通过理性分析，围绕安全管理工作建立有层次的指标体系。体系应当保证每个因素相对独立，指标之间互不交叉。

2.2 评价体系的建立

在AHP分析中，所有评价的影响因素都是通过具体的指标来体现的。选择的指标要通过对评价目标的详细分析，过滤掉不重要的因素，留下重要指标。选择的指标根据煤矿安全生产及管理的实际情况，通过与专家、一线技术人员以及管理人员的交流和沟通，结合现场资料分析后，选择了4个中间层指标和22个因素，构建了评价体系，如图1所示。

3 煤矿巷道稳定性的AHP分析

3.1 判断矩阵的建立

在AHP分析法中，建立的判断矩阵是通过对各个指标相互比较而得到量化标度。其原理如下，如果X因素与其下层因素Y1，Y2，…，Yn有关联，则其判断矩阵如式(1)所示。

图1 评价体系结构示意图

(1)

式中：xij的取值是通过Yi(i= 1，2，3，…，n)和Yj(j= 1，2，3，…，n)相对重要性度量值而确定的。度量标准见表1所示，其中度量标准为2，4，6，8时，说明度量标准介于表1中两个相邻度量等级之间。

表1 度量标准

根据式(1)对图1的评价体系构造A～B层、B～C层的判断矩阵分别为

3.2 权重计算及一致性检验

权重计算：

H=(h1,h2,…,hn)T

(2)

H也是XH=λmaxH最大特征根λmax对应的特征向量。由此求得

(3)

根据式(2)和式(3)求得判断矩阵A所对应的特征向量(即权重值)和λmax为：HA=[b1，b2，b3，b4]T=[0.166 7，0.333 2，0.333 2，0.166 7]T，λmaxA= 4.018。同理，可以求得B1～B4所对应的特征向量(即单层排序)和特征值。计算结果见表2。

表2 煤矿巷道稳定性的AHP分析结果

一致性检验：

CR=CI/RI

(4)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(5)

式中：CR—判断矩阵的随机一致性比率，如果CR<0.10，层次单排序结果就有满意的一致性，否则需要重新取值；CI—判断矩阵的一致性指标；RI—平均随机一致性指标，取值见表3。

表3 平均随机一致性标准

由式(4)和式(5)求得所有判断矩阵的CR均<0.10，说明结果均具有满意的一致性。

3.3 层次总排序及总一致性检验

最底层各影响因素C1，C2，…，C22对最高层因素A的影响权重向量为

Q=[q1,q2,…q22]T

(6)

qk=ckbl

(7)

k=1，2，3，…，8时，l=1；k=9，10，…，14时，l=2；k=15，…19时，l=3，k=20，21，22时，l=4。

式中：Q—因素C1，C2，…，C22对A层影响的权重向量；qk—C层因素对A层影响的权重值；ck为—层因素对B层影响的权重值；bl—B层因素对A层影响的权重值。

所以，由式(6)和式(7)式求得C层各因素对A层的权重向量(即层次总排序)，将权重值填入表2。

总排序的随机一致性比率为

(8)

由式(8)求得CRs<0.10，层次总排序结果通过一致性检验。

3.4 巷道稳定性评价

根据煤矿巷道现状，建立打分参考标准：状况很好评90～100分、状况良好评80～89分、状况较差评70～79分、状况很差评0～69分，并据此进行现场打分结果填入表2。

综合评价计算如下式

(9)

式中：F—巷道安全性评价得分；P—因素C1，C2，…，C22的现场打分结果矩阵；pk—现场打分结果。

根据(9)式可得煤矿巷道安全性评价得分F= 85.34。

3.5 评价结果分析

由HA可以看出，在A～B层中，巷道支护与巷道施工权重大于地质条件与巷道监测，因此这两个方面要更为重要一些。由表2观察HB1,HB2，HB3和HB4结果可知，在B1-C层中，岩体结构、顶板岩性以及地下水情况所占权重较大；在B2-C层中，支护方式与支护参数所占权重较大；在B3-C层中，施工质量权重最大；在B4-C层中，顶板位移监测权重最大。根据各具体因素对整个巷道安全性的影响权重来看，权重排序前三的是施工工艺、顶板位移监测以及支护参数的选择。巷道安全评价得分为85.34，表明巷道状况良好，比较稳定。

通过计算和分析可知，在煤矿的日常生产管理过程中，为了提高巷道稳定性，要注重巷道施工工艺和施工质量，加强对支护的管理与巡检，还要提高对顶板位移的监测等工作。

4 结论

(1)根据层次分析法(AHP)建立了煤矿巷道安全评价体系，既有利于安全性评价，也有利于煤矿的安全管理。通过权重分析，得出巷道支护与巷道施工权重大于地质条件与巷道监测；在B1-C层中，岩体结构、顶板岩性以及地下水情况所占权重较大；在B2-C层中，支护方式与支护参数所占权重较大；在B3-C层中，施工质量权重最大；在B4-C层中，顶板位移监测权重最大；权重总排序结果显示权重最高的三项是施工工艺、顶板位移监测以及支护参数的选择。安全评价得分为85.34，表明巷道状况良好，比较稳定。

(2)在煤矿的日常生产管理过程中，为了提高巷道稳定性，要注重巷道施工工艺和施工质量，加强对支护的管理与巡检，还要提高对顶板位移的监测等工作。

(3)本文是AHP在巷道稳定性分析中的应用的初步研究，在体系建立、判断矩阵的构建上仍有不足。但结果证明，AHP用于巷道稳定性分析具有一定的科学性和实践性。