基于层次分析法的综采工作面过空巷方案优选

王鹏宇，宋晓波，李鹏，甄政，张雷雷

(1.潞安化工集团有限公司古城煤矿， 山西 长治市 046108；2.潞安化工集团有限公司余吾煤业公司， 山西 长治市 046103；3.潞安化工集团有限公司常村煤矿， 山西 长治市 046102)

在煤矿实际生产过程中，综采工作面一直面临着推过空巷的问题。所谓空巷是指在工作面回采前方存在的与工作面平行，或成一定夹角的、已经失去服务功能的废弃巷道，有些与工作面切眼位于一个水平位置，有些位于切眼上方或下方[1-2]。古城煤矿 N1305工作面是该矿的首个无煤柱开采工作面，回采原50 m护巷煤柱时需推过联络巷。在从安全可靠、成本投入、工艺难易程度、资源开采、经济合理等方面评选各个推过方案时，发现有些方案为经验定性分析，给合理选择方案造成很大困难。本文在分析过空巷方案主要影响因素的基础上，结合层次分析法，构建优选结构模型，通过权重计算给出最优方案，为现场施工方案的决策选择提供量化的参考。

1 工程概述

古城煤矿 N1305工作面地面标高为+915 m～+936 m，埋深为503.8 m～581.4 m，开采3#煤层，煤层赋存稳定，平均厚为6.32 m，煤层倾角为6°。直接顶为0～12.25 m厚的泥岩、砂质泥岩，局部为粉砂岩；直接底为0～3.85 m厚的砂质泥岩、泥岩，局部为细砂岩。工作面采用综合机械化放顶煤工艺进行回采，采高(3.2±0.1) m。

工作面巷道布置如图1所示。

为实现无煤柱开采，相邻工作面回采时采用沿空留巷技术，将一条顺槽保留下来作为N1305工作面的辅助进风顺槽，该巷道与N1305主要进风顺槽之间的护巷煤柱为50 m，每间隔200 m布置有若干联络巷。N1305主要进风顺槽与辅助进风顺槽为沿顶板掘进巷道，回采过程中联络巷位于支架上方，受超前支承压力的作用，两侧煤壁处于破碎状态，失去承载作用，直接顶和基本顶很容易在空巷上方提前破断，顶板破碎严重，极易形成大面积下沉，甚至可能发生冒顶和压架事故[3-4]。

图1 N1305工作面布置

2 工作面过空巷方案

联络巷沿顶板掘进，巷宽3.3 m，巷高3.2 m，支护形式为锚网索+梯子梁支护，锚索为“3-3-3”布置，排距为900 mm；每排4根锚杆，排距为900 mm。结合工作面现场情况和其他矿井过空巷经验，制定了如下4种过高位空巷方案[5-6]。

2.1 直接推过法

回采至空巷前不进行支护，依靠原支护维护顶板。揭露空巷时，沿煤层底板直接回采，采用调伪斜方法回采。具体方法为：揭露联络巷前，端头多进4～6个循环，揭露联络巷后，只端尾进刀4～6个循环，即端尾进刀后返空刀至工作面中部，再顶溜向端尾割煤进刀，确保快速推过空巷。该方法回采工艺简单，不增加额外工作量和支护成本，且不会造成煤柱丢失，资源开采率高，但是安全性较低，来压后可能破坏空巷内现有支护，造成顶板冒落矸石引起压架事故。

2.2 木垛支护法

该方法为在回采至空巷前 50 m时，间隔 1.5 m～3 m，提前在联络巷内打设11～16个木垛加强支护，并用钢丝绳将木垛与钢筋托梁相连。揭露空巷时，沿煤层底板回采，支架稍降前移至木垛下方然后升紧，通过木垛与顶板接顶。该方法与直接法类似，不同的是，回采前和回采时整个过程中木垛始终支护空巷顶板，降低了顶板破坏冒落的风险，但是木垛承载力低，非常容易失稳破坏，而且增加了一定的支护成本。

2.3 漂刀推过法

该方法为在回采至空巷前15 m时，在该区域提前留底煤回采，每循环留底煤150 mm，逐渐上漂。揭露空巷时，沿空巷底板回采，支架与空巷顶板直接接顶。推过空巷后，再每循环向下割底煤150 mm，逐渐向下沿煤层底板回采。该方法会造成少回采3500 t煤炭资源，经济损失较大。但该方法安全可靠性高，回采工艺简单，不需要额外的工序和支护成本。

2.4 全部充填法

回采至空巷前，在空巷两侧巷口设置围挡，向巷内充填水泥、高水材料、超高水材料等充填浆液，依靠良好的流动性，自流充满联络巷空间。揭露空巷时，沿煤层底板回采，采煤机直接截割充填体，支架直接与顶板接顶，与截割实体煤无异。该方法虽然回采时工艺简单，安全可靠性高，也不造成煤柱损失，但是需要额外增加充填设备和工作量，而且需要不少于500 m3的充填物料，成本较高。

3 基于层次分析法的过空巷方案优选

层次分析法是将与决策有关的因素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上对定性问题进行定量分析的一种实用的多准则决策方案[7-12]。根据以上4种可行的过空巷方案，在分析主要影响因素的基础上，确定层次结构模型，计算准则层权重，最后得出层次总排序权向量，为方案决策提供参考依据。

3.1 建立层次结构模型

根据现场经验和相关文献，初步将影响过高位空巷方案选择的影响因素分为回采工艺、施工安全性、成本投入、资源开采4个方面，具体如图2所示。

图2 空巷推过方案的层次结构模型

3.2 构造判断矩阵和一致性检验

构造判断矩阵是层次分析法的关键步骤，由多个专家根据表1中的标度进行两两比较并赋值。

表1 判断矩阵的标度值

准则层4个影响要素相对于目标层的判断矩阵A为：

权向量为：

根据层次分析法相关公式对判断矩阵A的一致性进行检验：

因CR＜0.1，所以判定矩阵A的不一致程度是可以接受的。根据权向量A，在选择推过方案时，首先要考虑施工安全性，其次是资源开采，最后考虑回采工艺复杂程度和成本投入，且给出了各个因素确的量化值，为选择方案提供了具有比较意义的参考。

3.3 计算方案层相对于准则层各要素的权重

先从回采工艺复杂程度方面，对4种方案进行两两比较，由专家赋值得到判断矩阵B1：

经计算，B1的权向量为：

故B1的不一致程度可接受，权向量W(B1)为4种方案在回采工艺方面的权重，数值越大，表示工艺越简单。

类似地，由专家分别从施工安全、成本投入、资源开采 3个方面对 4种方案进行两两比较并赋值，得出判断矩阵B2、B3、B4。

经计算，B2、B3、B4的CR值分别为0.0240、0.0785、0.0192，均小于0.1，所以B2、B3、B4的不一致程度均可接受。对应的权向量分别为：

3.4 确定最优方案

进行方案总排序计算，结果如下：

根据计算结果可知，综合考虑全部充填法是最优选、最安全可靠的方案，但从回采工艺和成本投入来说又有明显的劣势。漂刀推过法和木垛支护法综合来看是相差不多的2种方案，现场施工时可以作为备选方案。

（1）从结合古城煤矿施工现场的实际情况，确定了该矿N1305工作面过空巷的4种可行方案：直接推过法、木垛支护法、漂刀推过法和全部充填法，并定性分析各方案的优缺点。

（2）在方案选择时着重考虑了4个影响因素，且给出了4个因素的权向量。根据权向量大小，应首先考虑施工安全性，其次是资源开采，最后考虑回采工艺复杂程度和成本投入。

（3）运用层次分析法确定了全部充填法为最优方案，且给出了各个方案优劣一个综合量化值，决策者在选择方案时可参考该量化值进行决策。