崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果评价模型

李树刚 程皓 潘红宇 宋爽 韩亚伟

陕西 西安 710054;3.陕西省崔家沟煤矿，陕西 铜川 7272000）摘 要：安全高效的瓦斯抽采效果评价对于矿井瓦斯抽采有着至关重要的作用。为评价崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果，通过资料收集，建立崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果评价指标体系。其中一级指标包括煤层、工作面、瓦斯抽采系统等5项指标。二级指标包括高位钻孔法、定向长钻孔法和上隅角插管法3项指标。运用层次分析法计算权重，并结合模糊综合评价建立崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果评价数学模型，对崔家沟煤矿进行综合评价。结果表明：通过分析筛选崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果影响因素，建立的三级评价指标体系是合理的;在层次分析法确立权重过程中，瓦斯抽采方法所占权重最大，为0.43，表明在崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采过程中，瓦斯抽采方法的选择十分重要，与现场实际相吻合;层次分析法和模糊综合评价相结合的评价方法可以应用于瓦斯抽采效果评价，并且评价结果良好，为我国采空区瓦斯抽采效果评价提供了新方法。关键词：采空区;层次分析法;指标体系;模糊综合评价中图分类号：TD 712

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）01-0011-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0102開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Evaluation model of gas drainage effect

in goaf of Cuijiagou coal mine

LI Shu-gang 1，2，CHENG Hao 1，，PAN Hong-yu 1，2，SONG Shuang 1，HAN Ya-wei 3

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.Cuijiagou Coal Mine，Shaanxi Province，Tongchuan 727000，China）Abstract：The evaluation of safe and efficient gas drainage effects is of crucial importance for mine gas drainage.To evaluate the gas extraction in the coal-mining goaf of Cuijiagou，an evaluation index system for the gas drainage effect there was established by the help of data.The first-level involve five indicators，such as coal seam，working face and gas extraction method，etc.The secondary impact factor elements include three indicators，such as the high drilling method，the directional long drilling method and the upper corner intubation method.The analytic hierarchy process was employed to compute weights.Combined with fuzzy comprehensive evaluation，a mathematical model of assessing the gas extraction outcome in Cuijiagou coal-mining goaf was constructed to synthetically evaluate the coal-mining in Cuijiagou.The results confirm the validity of established three-level index evaluation system by analyzing and screening the factors influencing the gas drainage effect in the coal-mining goaf of Cuijiagou.During the determination of weights by analytic hierarchy process，gas extraction is accounted for the biggest weight，0.43.Its domination demonstrates the important role of method selection in the gas extraction in the coal-mining goaf of Cuijiagou，consistent with the practical situation.The assessment that combines analytic hierarchy process with fuzzy comprehensive evaluation is available for gas drainage effect evaluation，resulting in a better situation.Meanwhile，this combined assessment introduces a new way to assess the gas extraction in goaf in China.Key words：goaf;analytic hierarchy process;indicator system;fuzzy comprehensive evaluation

0 引 言

煤炭在未来相当长时期内一直是我国的主要消费能源[1]，如何减少煤矿生产事故的发生是当前面临的重要问题[2]。然而我国煤矿高瓦斯矿井居多，瓦斯事故时有发生，如何解决瓦斯事故是当前面临的主要问题。周世宁、林柏泉等在研究瓦斯治理方面做出了巨大的贡献[3-7]，而瓦斯抽采是目前治理瓦斯最为有效的手段之一[8]。随着煤矿高产高效的发展，大采高厚煤层综放工作面越来越多，采空区遗煤增加，上隅角瓦斯治理难度增大。因此，采空区瓦斯高效抽采成了工作面以及矿井瓦斯防治的关键。目前采空区瓦斯抽采方法较多，但是对于采空区瓦斯抽采效果评价研究较少，不能有效评估采空区瓦斯抽采的有效性与可靠性，为采空区瓦斯治理带来了一定的隐患。

目前由于对采空区瓦斯抽采效果评价研究较少，所以文中就相关评价方法进行阐述。Brenkley，Su对瓦斯抽采及利用进行了评价[9-10]。而我国目前主要的评价方法分为主观法和客观法，主观法包括层次分析法等，李云、田水承等在进行研究时，采用了层次分析法进行权值的确定[11-12]。而客观法包括模糊综合评价法等，李宁、李延辉等在对矿井进行评价时，采用模糊综合评价[13-14]。

以上方法中层次分析法主观性较强，模糊综合评价客观性强，所以将2种方法结合起来，发现AHP-模糊综合评价法可以避免单一评价方法带来的局限性，并且可以充分结合层次分析法的主观性与模糊综合评价的客观性。基于此，文中拟采用该方法，以崔家沟煤矿为例，构建崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果评价指标体系，对崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果进行评价，并提出合理可行的优化措施，此研究将为我国煤矿采空区瓦斯抽采效果评价提供新的方法。

1

采空区瓦斯抽采效果评价指标体系

1.1 指标体系构建

文中研究崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果，在统计分析开采2303工作面之前几个工作面具体情况，发现影响采空区瓦斯抽采效果的因素主要为煤层、工作面、抽采系统、抽采方法、封孔质量等5个因素。为建立完整的崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果评价指标体系，對以上5个因素进行具体分析。

1.1.1 煤层因素

对于采空区瓦斯抽采效果而言，煤层是一个基本的影响因素。简单来说煤层厚度不同，煤层中原始瓦斯含量不同，绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量不同。通过合理的瓦斯抽采方法及参数，抽采出的瓦斯量不同，瓦斯抽采效果也就不同。

根据崔家沟煤矿煤层赋存特征，井田内可采煤层只有1层，即4 -2煤层，其埋深300～350 m，煤层厚度约10 m，倾角2°～10°.其余煤层均为不可采煤层或零星可采煤层，在4 -2煤层回采期间，其余煤层受采动影响后会向工作面排放一定的瓦斯，但根据煤层特征、煤层原始瓦斯含量、煤层间距等因素分析，邻近煤层排放量相对较小。根据2018年西安科技大学瓦斯地质图修编所做的“崔家沟煤矿4 -2煤层瓦斯地质图修编”报告，煤层瓦斯含量4.62 m 3/t，邻近层瓦斯含量4.90 m 3/t，绝对瓦斯涌出量为24.04 m 3/min，相对瓦斯涌出量8.47 m 3/t.

1.1.2 工作面因素

工作面在开采过程中，工作面的日产量、日推进距离、走向长度、工作面配风量和工作面回风巷瓦斯浓度都会影响到生产过程中产生的绝对瓦斯涌出量，而在生产过程中虽然经过一系列瓦斯抽采过程，但还是会有一部分瓦斯涌入采空区，从而影响到采空区瓦斯的抽采效果。

崔家沟煤矿现开采工作面为2303工作面，工作面采用综采放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板。工作面走向可采长度为1 780 m，采高3.0 m，日产量4 083 t/d和日推进长度3.23 m，工作面配风1 236 m 3/min，工作面回风巷瓦斯浓度0.36%.

1.1.3 抽采系统

抽采系统对于瓦斯抽采效果而言十分重要，在分析以往崔家沟煤矿瓦斯抽采效果时，发现对于瓦斯抽采系统而言，抽放管径、管网阻力、瓦斯抽采流量、瓦斯抽采浓度4个因素占据十分重要的地位。

根据《崔家沟煤矿瓦斯抽采利用设计》，瓦斯抽放管径、管网阻力设计合理，崔家沟煤矿瓦斯抽采流量为3.32 m 3/min，瓦斯抽采浓度为8%.

1.1.4 瓦斯抽采方法

瓦斯抽采方法的选择对于采空区瓦斯抽采而言是一个十分重要的因素，不同的地质条件，需要选择合理的瓦斯抽采方法。

崔家沟煤矿瓦斯抽采主要有高位钻孔、定向长钻孔、采空区上隅角插管等3种瓦斯抽采方法。

崔家沟煤矿现采取的3种瓦斯抽采方法中，高位钻孔的布置情况根据2303工作面不同时期的采高，高位钻孔终孔点位置控制在煤层顶板以上5～12 m左右，控制工作面回风巷侧30 m左右的距离。每个钻场布置8个扇形钻孔，钻孔直径145 mm，终孔间距10 m，钻孔长度500 m;由于在工作面前600 m段设计施工高抽巷，故在剩余700 m范围内设计施工2组循环顶板高位定向长钻孔，每组循环施工7个钻孔;上隅角插管法布置情况为管径300 mm，抽采负压为16 kPa，抽采瓦斯量为6 m 3/min.

1.1.5 封孔质量因素

在瓦斯抽采效果影响因素中，封孔质量因素也十分重要，选择合理封孔材料、封孔工艺、封孔深度才能更好的提升封孔质量。封孔应满足密封性好、操作方便和材料经济的要求。

崔家沟煤矿一般采用BFZ-10/2.4水泥浆封孔泵封孔。封孔管采用50 mm具有煤安标志矿井允用塑料管，水泥浆采用325号水泥与水搅拌制成，水灰比为1∶2，用水泥浆进行封孔，煤孔封孔长度为8 m以上，封孔质量优秀。

1.2 评价指标体系构建

通过对影响崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果因素进行分析筛选，确定崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果评价指标体系，划分的崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果评价指标体系包括：煤层、工作面、瓦斯抽采系统、瓦斯抽采方法、封孔质量，如图1所示。其中，瓦斯抽采方法划分为高位钻孔法、定向长钻孔法、上隅角插管法，如图2～4所示。

1.3 层次分析法计算权重

1.3.1 层次分析法原理

层次分析法是一种定性和定量分析的决策方法，将与决策问题有关的各个因素分解为多个目标或准则，进而分解为多指标的若干层次结构，然后用求解判断矩阵特征向量的方法，求得每一层次的各个元素对上一层次某元素的权值。在指标体系中，对同一层次下的指标进行两两比较，一般采用1～9比例标度对重要性程度组织专家进行打分赋值，从而构造出判断矩阵[15-18]。一般计算权向量的方法有方根法与和积法等，文中采用和积法对权向量进行计算。

1.3.2 指标权重的计算

本研究设计调查问卷过程中征集了专家意见，邀请了西安科技大学、西安煤炭研究院等多名专家按照1～9比例标度法[19]，根据各项指标两两比较后，填写判断矩阵。计算过程如下

1）

一级评价指标权值。设煤层为G1，工作面为G2，瓦斯抽采系统为G3，瓦斯抽采方法为G4，

封孔质量为G5，崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果为G.

文中采取和积法计算权值，先将列向量进行归一化处理，再按行相加得到和向量，然后将所得和向量进行归一化处理便得到一级指标G的权值向量。分别为W=（0.26，0.17，0.27，0.1，0.21） T.最终求得最大特征根λmax为5.00.

进行一致性检验：CI=λmax-nn-1

=0，当n=5时，RI=1.12，则

CR=CIRI=0<0.1.

因为CR小于0.1，根据层次分析法判定标准，判断矩阵的是可以接受的，并且求得权值是可以利用的。

根据以上计算结果可知，對崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果影响大小排序如下：瓦斯抽采方法>封孔质量>瓦斯抽采系统>煤层>工作面。

2）由于篇幅有限，二级指标及三级指标计算结果见表1.

2模糊综合评价模型的建立

2.1 评价指标隶属度的确定

在采空区瓦斯抽采效果评价中，由于评价指标较多，数据难以全部收集，因此在建立指标隶属度函数时，可以采用灵活的方法，建立的隶属度函数最大量符合客观即可。当收集有详细的数据时，可以对隶属度函数进行修正。

通过分析影响因素的特性和对采空区瓦斯抽采的影响，决定采用半梯形分布隶属度函数进行分析[20]。

2.1.1 线性评价指标隶属度函数确定

降半梯型函数，即二级指标Xi（i =1，2，3，…，17）为连续性变量，其值越大对采空区瓦斯抽采效果贡献率越小，即表明采空区瓦斯抽采效果越不好。此指标取值区间为[ximin，ximax]（i=1，2，…，n），其模糊隶属度值计算函数为式（1）

升半梯函数，即二级指标Xi为连续性变量，其值越大对采空区瓦斯抽采效果贡献率越大，即表明采空区瓦斯抽采效果越好。此指标取值区间为[ximin，ximax]（i=1，2，…，n），其模糊隶属度值计算函数为式（2）。

式（1）和（2）中μ（Xi）为第i种评价因子Xi的隶属度值，Xi为第i种评价因子的实测值。

2.1.2 非线性评价指标隶属度函数的确定

1）抽采管网。将《崔家沟煤矿瓦斯抽采利用设计》中瓦斯抽放管径、管网阻力及细节规定与实际应用中的抽放管径、管网阻力及细节规定作比较，看其相符程度[20]，见表2.

2）封孔质量。根据《煤矿瓦斯抽放规范》中规定：①封孔方法的选择应根据抽放孔口所处煤（岩）层、岩性、构造等因素综合确定，因地制宜地选用新方法、新工艺;封孔材料可先用膨胀水泥、聚氨酯等新型材料。在钻孔所处围岩条件较好的情况下，亦可选用水泥砂浆或其他封孔材料;封孔长度根据不同条件下选择不同的封孔长度，见表3.

2.2 模糊综合评价模型的建立

对采空区瓦斯抽采效果进行评价，由于评价指标体系为多层次结构，所以采用多层次模糊综合评价法[21-24]进行评价。根据各个二级指标的重要程度和对采空区瓦斯抽采效果的影响程度，利用隶属度函数确定各个二级指标的评价因子指标值μ（Xi）。

二级模糊综合评价

（3）

其中 i=1，2，…，5.A为二级指标权重集合;R为通过隶属度函数μ（Xi）计算得到的模糊判断矩阵。

一级模糊综合评价

其中 A为一级指标权重集合;R=[B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7]T;

B为最终模糊综合评价结果。

2.3 评价标准的建立

在进行模糊综合评价时，如何合理、科学的确定评价集V，是模糊综合评价的一个重点。通常情况下，将评语集划分为5个等级，这样即使得评语之间具有对称性，又可以避免因为等级划分过多引起的各等级之间相互重叠和等级划分过少引起的降低评价质量。结合我国煤矿开采自然条件、开采技术条件等相关规范，文中将采空区瓦斯抽采效果评价等级划分为以下5个等级，具体分级标准见表4.

3 采空区瓦斯抽采效果综合评价

3.1 评价结果

根据上文建立的采空区瓦斯抽采效果评价指标体系和评价模型，对崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果进行评价，评价指标取值见表5.应用Matlab计算，最终评价得分为B=0.83.因为0.83属于优秀区间[0.80，1.00]，所以认为崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果为优秀。

3.2 评價结果分析及建议

对崔家沟煤矿瓦斯抽采效果进行检验，图5，6是崔家沟煤矿11月、12月2个月的上隅角瓦斯浓度图和回风流瓦斯浓度图。从图中可以看出，上隅角瓦斯浓度处于0.3%～0.75%之间，回风流瓦斯浓度处于0.3%～0.55%之间。瓦斯抽采效果优秀，与评价结果相符。

根据评价结果，崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果处于优秀级别，说明此时的采空区瓦斯抽采系统、抽采参数的设计及抽采方式的选择十分合理。各项工作有序的进行，矿井瓦斯抽采率、回风流瓦斯浓度、抽采负压等各项指标达到国家相关规范的要求。瓦斯抽采方法所占权重做大，为0.43，说明在所有影响崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果的因素中，瓦斯抽采方法最为重要，这与现场实际相符合。

由于矿井瓦斯抽采效果与瓦斯抽采方法等密切相关，所以为了提高瓦斯抽采效果，可以通过以下方法来提高瓦斯抽采效果。采用本煤层钻场扇形钻孔预抽方法，降低工作面煤层瓦斯含量;采用上隅角采空区插管抽放方法，主要解决工作面上隅角瓦斯超限问题;采用回风巷钻场高位钻孔抽放方法和厚煤层高位抽放巷抽放方法，对回采工作面瓦斯进行高位抽放，降低工作面回采过程中采空区的瓦斯浓度;采用顶板高位大直径定向长钻孔瓦斯抽放方法，该方法以孔代巷，定位准确，可以抽采采空区中部瓦斯，抽放时间长，流量稳定。

4 结 论

1）通过分析筛选崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采影响因素，建立崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果评价指标体系。

2）通过对崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果进行评价，验证了层次分析法与模糊综合评价相结合的评价方法可以应用于采空区瓦斯抽采效果。

3）通过层次分析法确立权重，发现瓦斯抽采方法所占权重为0.43，在所有因素中所占权重最大。即在崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采过程中，瓦斯抽采方法的选择十分重要。

4）由评价结果可知，崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果处于优秀状态。表明瓦斯抽采系统运行稳定，瓦斯抽采方法及参数十分合理，瓦斯抽采效果理想，矿井瓦斯抽采率、回风流瓦斯浓度等各项指标达到国家规范的要求。

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