基于层次分析-模糊综合评价的煤层透气性效果评价

郝 旭

(中北大学信息商务学院,山西 晋中 030600)

瓦斯抽采是维护矿井安全、预防瓦斯灾害最根本有效的技术措施。影响瓦斯抽采的两个主要因素包括:一是钻孔抽采工艺，但是仅仅改进抽采工艺对抽采效果的提高并不明显;二是煤层透气性，增加煤层透气性对瓦斯流动影响较为明显,可通过增大煤层透气性来提高瓦斯抽采效果[1]。我国研究人员通过对低透气性煤层及具有煤与瓦斯突出危险煤层的瓦斯抽采技术效果进行研究和试验后,提出了关于增大低透气性煤层瓦斯抽采流量的方法和技术措施[2],例如水力压裂煤体致裂增透技术[3]、水力割缝增透技术[4]、高压旋转水射流割缝技术[5]、深孔松动爆破技术[6]和深孔聚能爆破增透技术[7]等。

目前评价矿井煤层透气性的方法有层次分析法、灰色综合评价法、模糊综合评价法、多元统计法，以及人工神经网络评价法等[8]。矿井瓦斯抽采具有模糊性大、不确定性因素多且动态变化的特点,可应用层次分析和模糊综合评价法对煤层透气性进行评价。其中层次分析-模糊综合评价法是一种将模糊综合评价法和层次分析法相结合的评价方法,是一种定性与定量相结合的评价模型。该方法先用层次分析法将评价因素集分成合理的若干层,确定各层评价因素的权重集,然后利用模糊数学原理将底层的各评价因素定量化,通过逐层的模糊合成,最终确定目标层的综合评价结果。两种方法相互融合相互补充,使目标的评价结果具有更高的可靠性[9]。本文就是利用层次分析-模糊综合评价法对多个瓦斯抽采指标进行定性定量分析，并建立了相应的指标体系和评价模型。

1 瓦斯抽采指标体系的选取

煤层透气性是由多种因素决定的。一是地质因素,如煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、煤层透气性等;二是钻孔本身因素,如钻孔的角度、孔深、孔径、钻场间距等;三是抽采因素,如封孔长度、抽采负压、抽采时间、抽采半径等[10]。在这些因素中,有些指标是很明确的,但有些指标是模糊不清的,要想提高抽采率,就需要考虑到每个指标的影响和作用范围,从而综合考虑所有指标以期达到最优。

本文从上述三方面因素来分析影响煤层透气性的指标,按照层次分析-模糊综合评价法对抽采指标进行分层与评价[11]。矿井瓦斯抽采指标的影响因素主要包括瓦斯原始赋存参数、钻孔布置参数和抽采参数三大方面:瓦斯原始赋存参数的影响因素主要有瓦斯压力、瓦斯含量和透气性系数;钻孔布置参数的影响因素主要有钻孔的角度、钻孔孔径、钻孔孔深、钻孔间距、封孔方法及长度;抽采参数的影响因素主要有抽采负压、抽采时间、抽采半径。

2 层次分析-模糊综合评价构造指标体系模型矩阵

2.1 瓦斯抽采指标权值计算

2.1.1抽采指标体系第一层次评价指标权值

设瓦斯原始赋存参数A1,瓦斯抽采钻孔布置参数A2,瓦斯抽采参数影响因素A3,根据评价标度取值进行评价指标的重要性评价,指标权值计算如下:

2)利用和积法计算最大特征根λmax。

a.用和积法计算权值,首先按列归一化得:

然后再按行相加得和向量:

将得到的和向量归一化即得权值向量:

b.求最大特征根

λmax=[0.51/0.49+0.955/0.31+0.6/0.2]/3

=3.074.

3)进行一次性校验:

由平均随机一致性评价指标计算表可知当n=3时,IR=0.52,则:

所以判断矩阵的结果是可以接受的,求得的权值是可以使用的。

通过以上计算,归纳计算结果如表1所示。

表1 抽采指标体系第一层次评价指标权值Table 1 Level 1 evaluation index weights of the drainage index system

2.1.2抽采指标体系第二层次评价指标权值

瓦斯原始赋存参数、瓦斯钻孔布置参数和瓦斯抽采参数影响因素的第二层次评价指标的计算如下。

1)瓦斯原始赋存参数指标权值的计算结果如表2所示。

表2 瓦斯原始赋存参数指标权值Table 2 Index weights of gas original occurrence parameters

2)瓦斯钻孔布置参数指标权值的计算结果如表3所示。

表3 瓦斯钻孔布置参数指标权值

3)瓦斯抽采参数影响因素指标权值的计算结果如表4所示。

表4 瓦斯抽采参数影响因素指标权值Table 4 Index weights of influencing factors of gas drainage parameters

2.2 模糊综合评价指标体系模型

1)利用模糊综合方法定性评价部分因素。

以抽采参数影响因素为例,首先确定抽采参数影响因素集U={抽采负压(u1),抽采时间(u2),抽采半径(u3)};其次确立评价抽采参数影响因素的评语集{重要(v1),比较重要(v2),不太重要(v3),不重要(v4)}。

2)确定模糊综合评价的隶属度。

将指标分值的取值范围定为[0,1],评价结果属于哪份隶属度可以采用统计的方法来确定。对瓦斯原始赋存参数A1进行模糊化,结果如表5所示。

表5 专家评价表Table 5 Expert evaluation

由上表得出其模糊评价并进行归一化得:

3)确定模糊综合评价的隶属函数。

同样以影响瓦斯抽采参数的因素为例,可以首先将0和1两个值模糊化,应用模糊综合评价对参数指标进行分析。利用专家所打分数的频数与相对应的分值相乘,进行归一化。

3 应用实例

本报告选用山西某煤矿3号煤层+470 m水平开采范围作为瓦斯抽采指标体系综合评价的应用实例。根据本文应用层次分析-模糊综合评价方法提出的瓦斯抽采指标体系模型进行分析和试验,主要是从瓦斯赋存参数A1、钻孔布置参数A2及抽采参数A3三方面进行综合评价。

本煤层厚度的范围为5.30～7.15 m。预测瓦斯绝对涌出量为297.98 m3/min,相对涌出量为23.60 m3/t,属于高瓦斯矿井。煤层的透气性系数为0.060 5～0.120 9 m2/(MPa2·d),瓦斯压力为0.05～0.17 MPa。运用多级孔板流量计依次对各试验抽采孔和对比试验孔的瓦斯流量进行共20 d的测定。

3.1 综合评价瓦斯抽采指标体系

山西某煤矿抽采系统指标赋值情况,如表6所示。

表6 山西某煤矿瓦斯抽采指标体系赋值表Table 6 Assignment table for gas drainage index system in one mine in Shanxi

3.2 瓦斯抽采指标体系的模糊综合评价

3.2.1模糊综合评价检查表

挑选20名人员(10名安全评价专家、5名煤矿安全管理人员和5名矿井施工人员)对山西某煤矿瓦斯抽采指标体系按照评价检查表进行打分,打分给出的综合判定结果如表7所示。

表7 山西某煤矿瓦斯抽采指标评价等级表

3.2.2模糊综合评价计算

1)瓦斯赋存参数指标模糊综合评价。

单因素评价矩阵瓦斯压力R11=[0.2 0.5 0.3 0],瓦斯含量R12=[0.1 0.3 0.6 0],透气性系数R13=[0 0.3 0.6 0.1].

B1=A11×R11+A12×R12+A13×R13=0.23×[0.2 0.5 0.3 0]+0.47×[0.1 0.3 0.6 0]+0.30×[0 0.3 0.6 0.1]=(0.093 0.346 0.531 0.030).

2)钻孔布置参数指标模糊综合评价。

单项评价矩阵B2=A2×R2=(0.476 0.260 0.054 0).

3)瓦斯抽采参数指标模糊综合评价。

单项评价矩阵B3=A3×R3=(0.871 0.076 0.053 0).

4)整理总评价矩阵。

即模糊综合评价结果

通过上述结果可以得出,煤矿瓦斯抽采指标体系整体属于重要的结论。

3.3 瓦斯抽采参数指标的重要度计算

瓦斯赋存参数重要度计算:

A1=(0.3×1,1.1×0.8,1.5×0.6,0)=

(0.3,0.88,0.9,0).

进行归一化得A1=(0.144,0.423,0.433,0),

B1=A1×R1=(0.360 2,0.401 1,0.386 7).

因此,瓦斯压力、瓦斯含量、透气性系数三个指数的隶属值分别为0.360 2,0.401 1,0.386 7。然后分别乘以权重得出结果为B1′=(0.108 06,0.160 44,0.116 01).

同理B2′=(0.079 4,0.054 6,0.135 2,0.088 1,0.097 5);B3′=(0.086 97,0.077 11,0.130 79).

因此,得出了瓦斯抽采指标体系的优选重要度,如表8所示。

表8 瓦斯抽采指标体系重要度Table 8 Importance of gas drainage index system

从结果得到瓦斯抽采指标重要度的顺序为:瓦斯含量>钻孔孔深>抽采半径>透气性系数>瓦斯压力>封孔方法及长度>钻孔间距>抽采负压>钻孔孔径>抽采时间>钻孔角度。这一结果将为以后现场的瓦斯抽采工作提供参考和依据。

4 结论

本文通过对矿井瓦斯抽采和煤层透气性的影响因素进行分析和优选,建立了比较全面的瓦斯抽采指标体系及评价模型,同时在山西某煤矿进行了现场试验。通过研究得出以下结论:

1)增加煤层透气性可以很好地提高瓦斯抽采效果,确定了瓦斯抽采指标体系包含瓦斯原始赋存、钻孔布置和抽采参数等三方面因素。

2)采用层次分析-模糊综合评价法对建立的瓦斯抽采指标体系进行了定性-定量-定性的分析。层次分析法得到了瓦斯抽采指标体系中各指标的权值,并通过了一致性检验。模糊综合评价法通过建立因素集和评价矩阵,得到了评价的隶属度和重要度,得出了瓦斯抽采指标体系整体属于重要的结论。

3)通过山西某煤矿瓦斯抽采的具体试验,对建立的瓦斯抽采指标体系优选模型进行了综合评价,得到了瓦斯抽采指标重要度的顺序,验证了矿井瓦斯抽采指标体系优选的合理性,研究结果为今后现场的瓦斯抽采工作提供了参考依据。