基于熵权法建立冲击地压综合评价模型与应用

2022-03-10王文才

矿冶 2022年1期

张倩王文才王云

(1.内蒙古科技大学矿业研究院，内蒙古包头 014010；2.内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室，内蒙古包头014010；3.包钢(集团)公司白云鄂博铁矿，内蒙古包头 014080)

随着我国煤矿开采深度的增加，冲击地压等动力灾害事故发生频率也随之增多，极大威胁着煤矿工人生命安全并且造成设备设施损坏的经济损失。煤矿深部围岩聚集的能量大于能量释放和消耗、应力大小、地质条件等因素可能引起冲击地压的产生，呈现复杂的非线性关系[1]。

目前，我国冲击地压评价中应用最多的方法有综合指数法、多因素耦合法、可能性指数法、计算机仿真数值模拟法、地质动力区划法、临界应力指数法、经验类比法等[2]。

冲击地压危险评价是开展防冲设计的基础和主要依据，运用综合指数评价法即可得到合理的评定结果，但综合指数法通过专家经验法评价的过程主观性较强[3]，评价冲击地压的各指标权重存在不确定性，提出一种基于熵权重的综合评价模型[4]。熵是物质系统状态的一种测量值及其可能出现的程度，将评价指标分为地质类因素、应力因素和采矿类因素三类，通过客观赋权和各评价指标的变异程度，利用计算信息熵得出各指标熵权，通过优化各评价指标，使得指标权重更为客观[5]。采用熵方法计算冲击地压的指标权重，使权重的计算具有一定的理论依据，将主、客观问题较好融合的同时，提高结果的合理性与可靠性。

1 熵权法综合评价模型

1.1 指标权重

起初熵通过申农引入信息论，运用领域广泛，客观权重由指标变异性的大小所决定，而指标值变异的程度通过信息熵Ej值的大小决定。通常指标的变异程度与信息量密切相关，评价信息量越多，权重占比越多，因此安全评价中的作用也越大[6]，反之亦然。

(1)

2)确定各指标的信息熵值：

(2)

(3)

当pij∈[0,1]，当aij=0和pij=0时，pij和npij无意义

3)确定各指标权重：

(4)

1.2 评价模型的建立

依据熵权法的原理，构造评判矩阵Q，评判对象综合评价模型如下：

Q=WR

(5)

式中，R为地质因素、应力因素、开采条件因素原始数据归一化处理后的关系矩阵；W为综合权重矩阵。综合评价模型是通过现场实际监测与评价获取所评判指标量值，将判据定量化，与冲击地压综合指数法结合预测危险性结果相对比。

1.3 冲击地压等级评价体系

针对冲击地压发生的主要影响因素，根据综合指数法将冲击地压危险程度划分为无、弱、中等和强四个等级[7-8]，各等级分别用Q0、Q1、Q2、Q3表示，结合该矿区实际情况以及参考相关文献[9]，制定评价准则体系表(表1)。将工作面参数与评价指标体系一一对应，若所得等级小于Q1，判定没有冲击危险；若Q∈(Q1，Q2)，判定弱冲击危险；若Q∈(Q2，Q3)，判定中等冲击危险；若Q大于Q3，判定强冲击危险。该矿所涉及到的地质条件因素有3个，开采技术因素有7个。

表1 等级评价准则体系表Table 1 Rating evaluation criteria system

1.4 熵权法指标权重

将冲击地压评价等级准则体系表中16-4工作面参数代入式1和式2得到相应的地质、应力、开采类因素熵值，用所得结果和式4计算综合权重。由表1中的数据计算得出权重结果(表2)。

对比表2中指标权重可知，冲压判据不同，对评价的影响程度具有较大差异，冲击地压的影响因素大小关系为：I7>I2>I9>I6>I8。工作面与采空区之间破坏了原始平衡条件并提供能量释放的空间影响最大，在冲击能量释放的空间周围，没有足够吸收和缓冲释放能量的防护区，应在采空区做好相应支护措施。矿山开采的深度向深部延伸的同时，煤冲击破坏性和围岩中弹性能随之显现。此时，矿山危险性预测具有实际必要性，对冲击地压判据的合理选择有指导意义，为冲击地压控制提供理论依据。

表2 熵权法客观指标权重汇总表Table 2 Summary of objective index weights of entropy weight method

2 煤岩力学性能分析

煤层冲击倾向性鉴定分别有四个指标：弹性能量指数、单轴抗压强度、冲击能量指数、动态破坏时间[9]。通过在内蒙古某矿区实地考察，依据国标GB/T 23561.1—2009《采样一般规定》，选取试验所需样品具有代表性的地点的煤样在实验室加工测试[10，11]。根据轴向变形测量试件的载荷，通过计算机的数据釆集处理系统，得到单轴抗压强度结果(表3)。计算机数据釆集处理系统实时监测样品破坏信号，样品发生破坏的时间就为精确的动态破坏时间(表4)。通过荷载轴向变形直至破坏，积分可得应变值，所得结果为弹性能量指数(表5)，全程轴向变形，经过计算得能量指数(表6)。

表3 抗压强度试验结果Table 3 Compressive strength test results

表4 动态破坏时间试验结果Table 4 Dynamic failure time test results

表5 弾性能量试验结果Table 5 Elastic energy test results

表6 冲击能量试验结果Table 6 Impact energy test results

分析试验结果可以得知，单轴抗压强为3.45 MPa，动态破坏时间为507 ms，弹性能量指数为2.03，冲击能量指数为3.53。依据《煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法》和模糊综合评判方法[11]，综上判定为一类无冲击倾向性，评判结果见表7。

表7 冲击倾向性鉴定结果Table 7 Appraisal results of impact propensity

3 综合指数法评价

综合指数法常常运用在冲击危险性评价中，具有较高的权威性。从冲压发生条件分析，影响因素包括地质和开采条件两个方面。主要因素有矿山开采的深度、岩石煤层力学性能和结构特点、地质构造、采空区等。综合工作面开采周围危险因素影响程度的大小与危险状态影响的指数，形成冲击地压危险状态等级评定综指法[11]。各指数计算公式如下：

(6)

(7)

Wt=max{Wt1，Wt2}

(8)

式中：Wt1为地质条件影响因素下危险指数；Wi为地质、开采条件条件影响的实际指数；Wt2为开采条件影响影响因素下危险指数；Wtmax为地质、开采条件影响的最大指数；n为影响因素个数；Wt为危险性综合指数。

4 熵权法综合评价模型应用

4.1 地质概况

该矿16-4工作面位于16#煤层，工作面走向全长约2 400 m，工作面倾斜长为210 m。煤层平均厚度7.7 m，采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤法，煤层属稳定的中厚煤层，可采指数为1，走向150°，工作面煤层倾角最小1°最大4°，含夹矸层，倾向为237°，赋存较稳定。该工作面煤层较松软，局部顶板可能破碎，具有潜在冲击危险。基本顶主要以石英为主，直接顶为黑色半亮煤碎块状，伪顶局部夹煤线，直接底为泥岩和砂岩，基本底为石英。煤层及顶底板状况模拟图见图1。