唐山矿冲击地压影响因素的主控性指标
2021-12-21王明强王永建卞跃跃师皓宇王崇智
王明强，王永建，张 强，卞跃跃，师皓宇，张 超，王崇智
（1. 开滦（集团）有限责任公司 唐山矿业分公司，河北 唐山 063012；2. 华北科技学院 安全工程学院，北京 101601； 3. 大屯煤电（集团）有限责任公司 建设管理部，江苏 徐州 221600；4. 中国地质博物馆 地球编辑部，北京 100034）
0 引言
随着采深的增加，冲击地压灾害已逐渐成为中国煤矿生产的重要威胁之一[1].近几年，中国发生了多起冲击地压事故[2-3]，如：2017年沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿“11·11”冲击地压事故，造成10人死亡，1人轻伤；2018年山东龙郓煤业有限公司“10·20”冲击地压事故造成21人死亡，4人受伤；2019年吉林龙家堡矿业公司“6·9”冲击地压事故，造成9人死亡，12人受伤；2019年开滦（集团）有限责任公司唐山矿业分公司“8·2”冲击地压事故，造成7人死亡，5人受伤.冲击地压发生机理研究较多，诸如刚度理论、强度理论、能量理论、三准则理论、“三因素”理论等[4-6]，以及基于蝶形塑性区理论的“蝶型冲击三准则”等[7]，这些理论在冲击地压的防控方面起到了重要的指导作用.但工作面在回采或掘进往往处于动态的变化过程，采场周围煤岩体的应力、应变及其能量的变化是极其复杂的力学物理过程[8]，单一理论所包含的信息量较少，不能全面综合地反映冲击地压的危险性，要找到具有普适性的防冲措施具有极高的技术难度.煤矿生产致灾影响因素的分析方法很多，如灰色评价模型、人工神经网络、模糊分析等，层次分析法（AHP）可以综合多个影响因素的层次及其权重，并通过理论计算进行定性和定量分析的决策.本文根据唐山矿“8·2”冲击地压事故的调查研究结果，综合考虑包括地质条件、回采过程和巷道支护在内多种影响因素，应用层次分析法得出影响冲击地压发生的主控性指标[2]，为冲击灾害防控提供参考.
1 冲击地压影响因素分析
唐山矿“8·2”冲击地压事故区为5煤层，其煤层、顶板具有冲击倾向性；井田地质构造复杂，构造应力高，事故区域东南部1.8 km左右为边界“V”断层属新世纪活化断层；事故区域周边煤层群开采后形成了“半岛”形煤柱；事故巷道与采动应力叠加.根据蝶形塑性区理论[9-10]，冲击地压往往源于巷道周边岩体瞬间出现大范围的塑性破坏，而蝶形塑性区的形成需要具备以下条件[11]：① 巷道围岩处于高偏应力环境；② 最大主应力大于岩体单轴抗压强度；③ 存在孔洞或软弱岩体.因此从地质力学条件、开采工艺工程和支护参数等3个方面予以论述.
（1）地质力学条件
地质力学条件一般包括煤层厚度、基本顶分类、直接顶分级、水平应力、煤体强度、直接顶强度、埋藏深度7个指标.煤岩体的垂直应力与采深呈正相关，其积聚的应变能随之增大，在一定外部因素的诱发下煤岩体出现大范围的塑性破坏时，就可能瞬间释放巨大能量产生冲击地压.而构造环境可致使局部区域出现偏应力[12]，唐山矿井田煤系地层构造较为发育，断层、褶皱等构造与冲击地压的发生具有明显相关性.水平应力则是偏应力环境的主要指标，高偏应力环境是巷道围岩塑性区大范围扩展的重要力学条件之一，需要重点关注水平应力的变化.
（2）回采工艺过程
回采工艺过程主要包括推进速度、工作面布置、实际采高和采空区处理.研究表明回采工作面冲击地压危险性与工作面推采速度具有一定的相关性[13]，不均匀的开采速度可能导致煤层应变能在局部集中，也易诱发冲击地压；工作面布置的合理性可有效预防冲击地压事故，如回采巷道尽量布置在低压区、避免孤岛工作面等，防止煤体形成偏应力环境，出现大范围的塑性破坏，形成冲击效应[14]；采高则对前方煤壁的应力峰值和超前影响范围具有较大影响；通过采空区的处理方式可控制来压步距和应力集中.
（3）巷道支护
巷道支护则可局部改善围岩的力学环境，如支护强度的提高，可控制顶板和两帮的变形，进而影响局部应力场的变化. 锚杆支护对冲击地压巷道变形的本质作用是保持围岩完整性，在围岩中形成支护应力场，降低应力集中系数，改善巷道围岩应力分布，充分发挥围岩的抗冲击能力.考查锚杆支护效果比较重要的指标就是支护强度、锚固力和顶板离层，因此在巷道支护方面选用这3个指标作为研究对象.
2 AHP的基本模型
2.1 建立判断矩阵
AHP需要对冲击地压影响因素的重要性给出的专业判断，可通过判断矩阵A表示，具体形式见表1.
表1 判断矩阵 Tab. 1 form of judgment matrix
表1中aij=1/aji，判断矩阵中元素aij为要素Ai对Aj的相对重要程度，主要是通过1～9标度方法来量化要素重要性，aij值越大，表明Ai相对于Aj越重要.
表1中数据计算规则如下.
（1）计算判断矩阵每一行元素的乘积
（2）计算Mi的n次方根为
则所求的特征向量为
（4）计算判断矩阵的最大特征根为
式中，（AW）i为向量AW的第i个元素.
2.2 层次总排序
层次总排序需要从上到下逐层进行.假定上一层次所有元素A1，A2，…，An的层次总排序已完成，得到的权值分别为a1，a2，…，an，ai对应的本层次元素Ai单排序的结果为：（pi1，pi2，…，pim）T.若pij与ai无联系，则pij=0，于是有层次总排序.根据该矩阵，假定因素Ai与下一层次因素p1，p2，…，pn有联系，则判断矩阵形式见表2.
表2 层次总排序 Tab. 2 total ranking of levels
2.3 一致性检验
判断矩阵的一致性评价需要计算其检验量.
式中，IC为ai对应的Ai层次中判断矩阵一致性指标；n为矩阵阶数；IR为与ai对应的Ai层次中判断矩阵的随机一致性指标，IR值见表3.
表3 判断矩阵的IR值 Tab.3 IR value of judgment matrix
将表3数据代入
式中，RC为层次总排序随机一致性比例；当RC＜0.1时，表明层次总排序计算结果具有较好一致性，反之要重新确定判断矩阵，直到构建的判断矩阵符合要求.
3 冲击地压主控性指标排序
影响冲击地压发生的因素很多，通过对唐山矿深入调研分析，依据重要性、独立性、可分性、易获取性和明确性等原则，选取包括地质力学影响因素、回采工艺过程以及巷道支护等共14个指标来评价煤矿冲击地压发生的影响程度[15]，设计递阶层次结构，见表4.
表4 影响因素的递阶层次结构 Tab. 4 hierarchical structure of influencing factors
（l）建立递阶层次结构
按照冲击地压主控性指标之间的关系，最顶层A为冲击地压主控性指标；中间层Ai为地质力学因素、回采工艺过程、巷道支护；最低层P为具体的影响指标.
（2）构造两两比较矩阵
各因素根据专家判定重要程度得到判断矩阵，见表5～表8.
表5 A-Ai判断矩阵 Tab. 5 A-Ai judgment matrix
表8 A3-P判断矩阵 Tab. 8 A3-P judgment matrix
对判断矩阵A-A1，将数据代入式（1）～式（3）可得W1=（0.585，0.289，0.126）T，由式（4）～式（6）可得λ1max= 3.08，I1C= 0.04，由表3和式（7）可得= 0.58，= 0.07 ＜ 0.1；经判断矩阵的一致性检验可知，A具有一致性.
表6 A1-P判断矩阵 Tab. 6 A1-P judgment matrix
对判断矩阵Al-P，将数据代入式（1）～式（3）可得W2=（0.114，0.228，0.057，0.038，0.038，0.480，0.044）T，由式（4）～式（6）可得λ2max= 7.111，= 0.018，由表3和式（7）可得= 1.32，= 0.014 ＜ 0.1，经判断矩阵的一致性检验可知，A1具有一致性.
表7 A2-P判断矩阵 Tab. 7 A2-P judgment matrix
对判断矩阵A2-P，将数据代入式（1）～式（3）可得：W3=（0.272，0.426 0.235，0.067）T，由式（4）～式（6）可得λ3max= 4.16，I3C= 0.0052，由表3和式（7）可得= 0.90，= 0.06 ＜ 0.1，经判断矩阵的一致性检验可知，A2具有一致性.
对判断矩阵A3-P，将数据代入式（1）～式（3）可得W4=（0.582，0.309，0.109）T，由式（4）～式（6）可得λ4max= 3.004，I4C= 0.0018，由表3和式（7）可得= 0.58，= 0.003 ＜ 0.1；经判断矩阵的一致性检验可知，A3具有一致性.
（3）层次总排序
将以上结果按照表2所示方法计算，可以获得表9的层次总排序结果.
表9 层次总排序结果 Tab. 9 level total ranking results
根据层次总排序结果，冲击地压影响因素的主控性指标的总排序为：水平应力、地质构造、工作面布置、推进速度、支护强度、埋藏深度、实际采高、锚固力、煤体强度、煤层厚度、基本顶分类、直接顶分级、采空区处理、顶板离层.
以上14个因素权值总和为1，其中水平应力、地质构造、工作面布置、推进速度的权值和为0.619，在影响控顶效果的各因素中权重较大，可以认为是影响唐山“8·2”矿冲击地压发生的主控性指标.在回采过程中，应同时考虑支护强度、埋藏深度、煤层厚度和锚固力等指标.
4 结论
（1）以唐山矿实际情况为工程背景，运用层次分析法将定性方法与定量方法有机地结合，计算结果较为符合实际情况，分析结果对唐山矿以后在防冲工作中对重点指标的监测与应用提供了依据.
（2）经对埋藏深度等14个参数进行权重计算，结果显示水平应力、地质构造、工作面布置和推进速度对冲击地压的发生影响较大，4个指标的权重和为0.619.
