基于组合赋权法的回采巷道快速掘进能力评价及应用

2021-02-04仲淑姮李燕娇

煤炭工程 2021年1期

仲淑姮，李燕娇

(中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083)

随着综合机械化水平的提高，矿井回采工作面推进速度越来越快，但掘进面推进速度远远滞后，大多数矿井都存在采掘接替紧张问题[1-3]。为了提高整个矿井的煤炭产量，就需要保持采掘之间的平衡，因此提高掘进面推进速度是保证矿井高效开采亟待解决的问题[4，5]。而对回采巷道快速掘进能力进行评价，能够清晰直观地反应其掘进水平，针对其薄弱环节进行改进以便提高掘进速度。近年来，相关学者也就如何提高巷道掘进速度进行了大量研究，朱现磊[6]将影响煤巷快速掘进的因素归纳为工程地质条件、掘进设备、支护技术及施工组织管理四个方面。王学成[7]对我国煤矿井下快速掘进技术与装备的现状进行总结，针对其存在的问题提出今后的发展方向。吴信友[8]从地质构造、装备水平、掘进工艺、组织管理水平等方面详细分析了其对巷道快速掘进的影响。王群[9]认为影响煤矿快速掘进的主要原因是支护工艺与掘进工艺之间的不匹配，并通过改进支护工艺来提高掘进速度。

总结以上研究可以发现，影响煤矿回采巷道快速掘进的因素有地质条件、设备性能、管理水平和职工技术水平等，改进技术与装备、提高组织管理水平可以提高掘进速度。这些研究为评价煤矿回采巷道快速掘进能力提供了理论依据与数据支撑，但针对回采巷道快速掘进能力评价的研究少之又少。基于此，论文以4个矿井为研究背景，采用组合赋权法对其回采巷道快速掘进能力进行评价。

1 回采巷道快速掘进能力评价指标体系

通过阅读相关文献并结合现场实际情况，依据指标体系建立原则(科学性、可操作性、全面性、时效性、规范性)[10，11]。构建包含4个二级指标和17个三级指标的回采巷道快速掘进能力评价指标体系，其中三级指标包含5个定性指标(应对突发事件能力、机械化水平、顶板完整程度、制度标准化程度、组织协调能力)，12个定量指标，如图1所示。

图1 回采巷道快速掘进能力评价指标体系

2 回采巷道快速掘进能力评价

回采巷道掘进能力受多方面因素影响，属于综合评价性问题，评价时需要采用综合的评价方法与技术。组合赋权法在评价过程中将主观赋权法和客观赋权法综合在一起，规避了单一方法评价时存在的缺陷，使评价结果更真实可靠。基于组合赋权法的回采巷道快速掘进能力评价的基本思路是：首先确定映射标准与分值矩阵，其次利用主客观相结合的方法确定各指标权重，最后计算局部及综合得分，根据分值确定评价等级，具体步骤如图2所示。

图2 回采巷道快速掘进能力评价步骤

2.1 组合赋权法确定指标权重

综合评价中，指标权重占据着核心地位，权重值的准确度直接影响评价结果的真实性。目前指标权重的确定方法主要分为两类，即主观赋权法和客观赋权法[12，13]。主观赋权法是评价主体根据各评价指标的重要程度结合自身经验确定权重的一种方法。其主观随意性较强，常用的有层次分析法、德尔菲法、二项系数法、环比评分法等[14]。客观赋权法是是根据原始数据之间的关系通过一定数学方法来确定权重，其判断结果不依赖于人的主观判断，有较强的数学理论依据，但易忽略指标本身的差异性，主要有主成分分析法、熵权法、变异系数法等[15]。论文采用层次分析法与熵权法相结合的方法确定各指标权重，既可以吸收资深专家的理论与经验，又力争减少赋权的主观随意性，使评价结果更真实可靠。

2.1.1 层次分析法确定指标权重

层次分析法是一种主观赋权法，其将复杂问题分解为若干个层次，通过构建多层次分析模型，获得影响因素的相对权重[16]。根据已构建的回采巷道快速掘进能力评价指标层次结构，同层次元素间进行两两比较，构造判断矩阵。指标与指标之间的相对重要性用数字1～9及其倒数作为标度进行打分，并利用一致性比率CR对判断矩阵进行一致性检验，当CR<0.10时，判断矩阵具有满意的一致性；否则，需要调整矩阵直至其满足一致性标准。为了降低人为主观因素的影响，论文采用调查问卷的方式，分别向矿井专业人员和教学科研人员发放10份调查问卷，利用yaahp软件计算出每一份调查问卷各指标权重。根据权重向量，利用spss软件进行聚类分析，将20名专家聚成若干类，利用式(1)计算各类权重系数，最后利用式(2)确定各指标权重[17]。

2.1.2 熵权法确定指标权重

在信息论中熵是对不确定性的一种度量，信息量越大不确定性就越小，熵也就越小，反之熵就越大。熵权法是根据指标值的变异程度来确定权数，是一种客观赋权法[18]。熵权法确定权重的步骤如下：

1)构建评价指标矩阵。设有m个评价对象，n个评价指标，构造评价指标矩阵X。

2.1.3 组合赋权法确定指标权重

组合赋权法是利用几何平均将层次分析法确定的主观权向量α=(α1，α2，…，αj)和熵权法确定的客观权向量β=(β1，β2，…，βj)组合到一块，其计算公式为：

2.2 快速掘进能力评价

回采巷道快速掘进能力评价时，从整体和局部两个层面入手，根据总的评价结果从整体把握回采巷道快速掘进水平，根据局部评价结果可以剖析影响回采巷道快速掘进的原因。回采巷道快速掘进能力评价指标体系中，三级指标包含5个定性指标，12个定量指标。评价时为了方便计算，定性指标由现场专业人员结合实际情况用具体分值进行量化，同时定量指标也根据其实测值映射为具体分值，其映射标准见表1。根据各指标的分值矩阵Rij，结合组合赋权法确定的各指标权重，局部得分的计算公式为：

表1 各指标值映射标准

在局部得分的基础上，回采巷道快速掘进能力得分的计算公式为：

3 实例应用与分析

论文以四个矿井(A、B、C、D)为例对其回采巷道快速掘进能力进行评价。3202回采巷道位于A矿的2#煤层，煤层瓦斯含量为0～2m3/t，直接顶岩性为泥岩；10905回采巷道位于B矿9#煤层，煤层瓦斯含量为3 ～ 5m3/t，直接顶岩性为泥岩和砂质泥岩；11602回采巷道位于C矿6#煤层，煤层瓦斯含量为10～13.6m3/t，直接顶岩性为粉砂岩；2301回采巷道位于D矿3#煤层，煤层瓦斯含量为2～4m3/t，直接顶岩性为泥岩和细砂岩。四个回采巷道掘进面各指标实测值及映射分值见表2。

表2 各指标实测值及映射分值

3.1 组合权重计算

层次分析法计算各指标权重时，首先用1～20的数字对20份调查问卷进行编号，然后利用yaahp软件计算出每一份调查问卷各指标权重，最后利用SPSS软件对权重向量进行聚类分析，论文将20名专家聚为4类。利用式(1)计算指标体系中第二层各类的权重系数为：0.0053、0.0211、0.0842、0.8894；第三层各类的权重系数为：0.0042、0.0042、0.0382、0.9534，然后利用式(2)计算各指标权重。其次根据各指标现场实测值利用熵权法计算其权重，最后利用式(3)将层次分析法确定的权重与熵权法确定的权重组合到一起计算最终权重，其权重计算结果见表3。

表3 评价指标权重

3.2 评价结果及分析

根据表2所得的各指标组合权重，结合其实测值所映射的具体分值，利用式(4)和式(5)分别计算出各回采巷道快速掘进能力的局部得分及总体得分，根据得分情况依照表1确定评价等级，其计算结果及对应的评价等级见表4。4个回采巷道快速掘进能力得分排序依次为：A矿3202回采巷道、D矿2301回采巷道、B矿10905回采巷道、C矿11602回采巷道。3202、2301回采巷道快速掘进能力评价等级为“较强”，其余两个回采巷道快速掘进能力评价等级属于“中等”，与现场实际情况基本相符合。3202、2301回采巷道快速掘进能力基本满足采掘接替需要，10905、11602回采巷道快速掘进能力有待进一步提高。

表4 回采巷道快速掘进能力评价

回采巷道快速掘进能力评价主要从人、机械设备、地质环境、管理四个方面进行，地质环境是自然条件形成的，属于固有影响因素。3202、2301回采巷道地质条件相对较好，评价等级属于“较强”，10905、11602回采巷道评价等级属于“中等”。3202、2301回采巷道机械设备评价等级属于“较强”，10905、11602回采巷道属于“中等”，受地质条件影响其评价结果大体上与地质环境的评价结果相对应。3202回采巷道人的评价等级属于“较强”，其余三个回采巷道都属于“中等”，表明B、C、D矿回采巷道职工整体素质不高。4个回采巷道管理评价等级都属于“较强”，说明4个矿在管理方面更为重视。

通过以上分析可以得到，制约回采巷道快速掘进的主控因素是“地质环境”，其在回采巷道快速掘进能力评价中所占的权重最高。当地质条件较好时(3202、2301)，回采巷道掘进能力评价等级相对较好，其掘进水平一般都能满足采掘接替需要；当地质环境属于中等或较差时(10905、11602)，回采巷道掘进能力评价等级为中等及以下，掘进水平一般不能满足采掘接替需要，此时，就需要从其他三个方面来提高其掘进水平，比如：①通过加强机械强设备维修保养的频率、降低设备故障次数；②加强职工继续教育与培训、提高职工的福利待遇，减少职工的流动频率；③提高管理者的管理水平，加强管理者与现场工作人员的交流沟通等方式最大限度地提高回采巷道掘进能力，力争使其掘进水平达到较强及以上，从而保障采掘接替平衡。