基于模糊综合评价的回采巷道支护参数设计

李 强

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司 ，山西 晋城 048000）

0 引 言

随着我国煤矿巷道支护技术的不断改革和发展，锚杆支护已然成为我国煤矿井下巷道的主要支护手段，这主要是由于采用锚杆支护具有支护效果好、安全度高、支护成本低、工人劳动强度低等优势[1]。锚杆支护技术的关键在于巷道支护参数的确定，然而支护参数的确定又取决于巷道围岩状况。巷道围岩稳定性评价是对巷道围岩质量和稳定状态进行分析的一种简单且有效的方法，对巷道围岩错综复杂的内在关系以一种抽象、概括的围岩分类形式来表示。相对于理论计算[2]和数值计算[3]的方法，综合评价考虑的因素更多，分析过程更加灵活。特别是巷道围岩稳定性分析这类同时具有不确定性、随机性和模糊性的问题，理论计算和数值计算的方法很难得到理想的结果，而模糊数学理论恰好是为解决这类问题而发展的。将模糊数学理论运用到巷道围岩稳定性综合评价中，能够很好地解决影响因素多，模糊性强的巷道围岩稳定性分类问题。所以本文提出模糊综合评价法对巷道围岩稳定性进行分类，并根据分类结果提出对应的指标参数设计。

2 模糊综合评价方法

模糊综合评价法就是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，综合考虑各个重要影响因素（指标）基础上，对系统总体所做评价[4]。其两个重要概念就是指标集和评语集，指标集指所考虑的影响因素的集合；评语集指将指标划分等级评判标准的集合。模糊数学综合评价就是通过计算各指标对评语等级的隶属度，再结合每个指标的重要程度，以加权求和的方法得到评价对象的综合隶属度，从而确定最终等级。其中隶属度表示分类对象属于该类别中的程度，是模糊数学的精髓。

设指标集为 U=｛u1,u2,…,um｝，评语集合为 V=｛v1,v2,…，vn｝，则指标 ui对抉择等级 vj的隶属度 rij，其是通过隶属函数计算得到，这里选择梯型分布函数[5]的隶属度计算方法，这样指标ui的单因素评价集ri，即ri是抉择评语集合V上的模糊子集，ri={ri1,ri2,…,rin}。这样，综合m个指标的评价集就得到一个总的评价矩阵R。

R表示指标集合U到抉择评语集合V的一个模糊关系。于是，综合考虑个指标的贡重要程度得到模糊综合分类模型为：

其中W=(w1,w2,…,wm)T(wi=1)为指标权向量，表示指标的相对重要性；bj（j=1,2,…,n）为评价对象对等vj的隶属度，按照最大隶属度原则，将评价对象归属到数值最大的bj所对应的等级vj。

3 基于模糊综合评价支护设计

3.1 工程背景简介

山西兰花科创玉溪煤矿1302工作面位于玉溪井田南部，东西走向，大采高综采工艺回采3#煤层。3#煤层位于山西组下部，缓倾斜煤层，倾角小于8°；埋深大约在500m～600m范围，厚度在5.12～7.20m范围，平均5.85m，纯煤厚度4.62m～7.00m，平均5.71m，结构简单，全区稳定可采。煤层底板向上0.95m处有一平均厚度为0.28m的较稳定泥岩或炭质泥岩夹矸层，除这一较稳定夹矸层外，3#煤层内还有其他零星夹矸。3#煤层底板均为泥岩，下距15#可采煤层82.80m～84.54m，平均84.34m。工作面煤层及顶底板岩性描述见图1。

图1 工作面柱状图

3.2 模糊综合评价结果

依据《缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定行分类方案》，选择巷道顶板强度（σt）、煤层强度（σc）、底板强度（σb）、巷道埋深（H）、岩体完整性指数（D）、直接顶厚度与采高的比值（N）和护巷煤柱宽度（X）等7个因素作为评价指标，将巷道围岩稳定性划分为5个等级，指标等级划分标准见表1所示。结合玉溪煤矿1302工作面基本情况，总结出各指标取值见表2。

表1 指标分级标准

表2 1302工作面回采巷道围岩稳定性评价指标取值

要准确得到模糊评价矩阵，就要更为准确的判断每个因子相较于各层的隶属函数，通过计算得到玉溪煤矿1302工作面回采巷道的单因素评价矩阵为：

利用层次分析法[6]得到指标权重为：W=(0.11,0.21,0.03,0.12,0.19,0.3,0.11)T。根据公式（2）得到玉溪煤矿1302工作面回采巷道综合隶属矩阵为：

根据最大隶属度原则，得出玉溪煤矿1302工作面回采巷道属于Ⅳ类不稳定煤层巷道。

3.3 支护参数设计

根据煤巷锚杆支护技术规范推荐的Ⅳ类巷道锚杆基本支护形式，结合1302工作面回采巷道的生产技术条件，综合考虑巷道安全稳定、支护成本、巷道掘进速度。最终确定玉溪煤矿1302工作面辅回采巷道支护方案为：顶板和巷帮选用φ22mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，其规格为φ22×2400mm，顶板锚杆间距为900mm，排距为900mm；两帮锚杆间距为1000mm，排距为900mm。

3.4 支护效果验证

锚杆支护参数对巷道支护效果最直观表现是巷道断面的变形情况，因此选择FLAC数值模拟软件，通过建立支护前后数值计算模型计算巷道围岩移近量来验证上文得到的锚杆支护参数合理性。依据1302工作面工作面回采巷道地质及生产条件，取40m×30m的范围为计算模型，网格划分为149×139=20711个单元，建立玉溪煤矿1302工作面回采巷道采用上文支护方案前后的围岩变形破坏特征分析数值计算模型，如图2所示。

图2 支护前后计算模型

图3 支护前后垂直位移云图

图4 支护前后水平位移云图

将支护前与采用支护后模拟得到的巷道的变形情况进行对比分析，可知提出的支护方案能够有效保证1302工作面回采巷道围岩的稳定，显著地降低了巷道断面收缩变形。从模拟结果变形图中可以看出，巷道支护前，顶底板最大移近量为1010mm，两帮最大移近量为836mm；巷道支护以后顶底板最大移近量为439mm，两帮最大移近量为468mm，即巷道支护后顶底板移近量降低了56.6%，两帮移近量降低了61.1%，说明巷道围岩变形得到了显著控制，详见图3～图4。

4 结 论

1）通过模糊综合评价法得到玉溪煤矿1302工作面回采巷道属于Ⅳ类不稳定巷道。

2）通过数值模拟计算结果可知，玉溪煤矿1302工作面回采巷道围岩变形量较大，巷道围岩稳定性较差，所以将该巷道划分为Ⅳ类不稳定巷道是合理的，则运用模糊综合评价对巷道围岩进行分类的方法是可靠的。

3）通过数值模拟计算结果可知，提出的支护方案能够有效保证1302工作面辅助运输顺槽围岩的稳定，说明基于模糊综合评价方法的支护参数设计是可行的。