楊　軍，石海洋，婁浩朋，曹民遠(yuǎn)，杜世鶴，焦艷平，肖莉莉

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；>3.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027)

采選技術(shù)

模糊綜合評價(jià)模型在沖擊等級判定中的應(yīng)用

楊軍1，2，石海洋1，2，婁浩朋1，2，曹民遠(yuǎn)3，杜世鶴1，2，焦艷平1，2，肖莉莉1，2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；>3.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027)

摘要：針對當(dāng)前傳統(tǒng)安全評價(jià)方法存在的問題，結(jié)合煤礦沖擊特性隨著生產(chǎn)的動態(tài)變化特點(diǎn)，建立模糊綜合評價(jià)模型，利用正態(tài)隸屬度函數(shù)進(jìn)行指標(biāo)的隸屬度計(jì)算，將沖擊特性指標(biāo)體系分為屬性權(quán)重和等級權(quán)重，利用最小信息熵原理把二者綜合為組合權(quán)重，并評價(jià)指標(biāo)矩陣模糊運(yùn)算，得到煤礦沖擊危險(xiǎn)等級。結(jié)合烏東煤礦南采區(qū)+500B1+2和B3+6工作面現(xiàn)場地質(zhì)條件和開采現(xiàn)狀，采用該評價(jià)模型分析得出該區(qū)域回采工作面沖擊危險(xiǎn)等級為三級，即中等沖擊危險(xiǎn)等級，并采用地震波CT技術(shù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明該模型在實(shí)踐中得到較好的驗(yàn)證，為類似條件下沖擊危險(xiǎn)等級判定提供了參考。

關(guān)鍵詞：模糊綜合評價(jià)模型；隸屬度函數(shù)；沖擊等級；權(quán)重

沖擊地壓的發(fā)生主要是由于人類活動和地質(zhì)構(gòu)造等因素導(dǎo)致煤巖體內(nèi)部應(yīng)力過度集中，煤巖體內(nèi)部能量突然瞬間向巷道內(nèi)或回采工作面釋放，造成巨大氣浪、塊體拋擲等破壞現(xiàn)象，常常造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以，對回采區(qū)域進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性等級評價(jià)進(jìn)而采取相對應(yīng)的措施，無疑可以降低風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而可以降低沖擊地壓發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。目前學(xué)者對采區(qū)沖擊危險(xiǎn)性判段做了很多研究，毛德兵[1]對目前評價(jià)沖擊危險(xiǎn)性的幾種方法及其適用范圍、評價(jià)沖擊危險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行較為系統(tǒng)的論述；葛志會等[2-4]采用模糊數(shù)學(xué)方法，針對影響沖擊地壓發(fā)生的各個影響因素，選取不同的隸屬度函數(shù)形式，建立沖擊危險(xiǎn)性評判模型，預(yù)測沖擊危險(xiǎn)等級；此外，王書文等[5-6]采用地震波CT技術(shù)通過波速與應(yīng)力關(guān)系得知測區(qū)內(nèi)應(yīng)力集中程度分布情況，進(jìn)而推斷區(qū)域內(nèi)圍巖沖擊危險(xiǎn)性。

但是圍巖體沖擊危險(xiǎn)性等級不僅與煤層自然賦存條件相關(guān)，而且會隨著人類開采活動動態(tài)變化，因?yàn)殚_采活動會導(dǎo)致采區(qū)內(nèi)環(huán)境的變化，而目前煤層沖擊傾向性等判斷方法往往只是靜態(tài)判斷。本文試圖通過考慮開采因素等動態(tài)指標(biāo)建立沖擊危險(xiǎn)等級評價(jià)模型，使其能夠適應(yīng)不斷開采活動導(dǎo)致的環(huán)境變化，進(jìn)而指導(dǎo)安全生產(chǎn)活動。

1模糊綜合評價(jià)模型的建立

1.1動態(tài)權(quán)重模型的建立

煤礦安全生產(chǎn)是個系統(tǒng)復(fù)雜的工程，諸多安全影響因素會隨著回采工作的進(jìn)行而變化，只采用特定不變的指標(biāo)權(quán)重去約束隨時變化的因素顯然不符合工程安全評價(jià)需要。對此建立一種動態(tài)權(quán)重評價(jià)模型，可以對回采工作面進(jìn)行客觀的綜合安全評價(jià)。指標(biāo)的權(quán)重大小會隨著其表現(xiàn)出來的危險(xiǎn)程度增加而增大，這樣可以避免被其他安全指標(biāo)中和。

(1)

1.2隸屬函數(shù)模型的建立

根據(jù)煤礦沖擊地壓特點(diǎn)，以及相關(guān)法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和相關(guān)規(guī)程等，將煤礦沖擊危險(xiǎn)性分為四個等級，即Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級，分別表示安全、較安全、較危險(xiǎn)、危險(xiǎn)四種情況。

根據(jù)上述四個沖擊危險(xiǎn)等級，對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行隸屬度計(jì)算，將沖擊危險(xiǎn)性的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級具體化，制成以下單因素指標(biāo)，見表1。

表1　沖擊地壓的評價(jià)指標(biāo)分級

確定分級標(biāo)準(zhǔn)后，根據(jù)每個評價(jià)指標(biāo)的特點(diǎn)分別選用最適合的評價(jià)措施，來確定這些評價(jià)指標(biāo)對不同等級的隸屬度，進(jìn)而構(gòu)成模糊綜合評價(jià)隸屬度函數(shù)。本文隸屬函數(shù)選取正態(tài)隸屬函數(shù)(式(2))。

(2)

圖1　指標(biāo)的等級隸屬函數(shù)曲線

1.3計(jì)算模型與結(jié)果分析

計(jì)算模型采用加權(quán)和模型，該模型不僅可以綜合考慮所有因素的影響，還保留了單因素的評判信息，設(shè)單因素模糊評判矩陣為R，第二層指標(biāo)的單因素模糊評判矩陣如式(3)所示。

(3)

式中，rin1為第i組指標(biāo)中的第n個指標(biāo)對于第Ⅰ級的隸屬度，再對第二層指標(biāo)Ri做模糊運(yùn)算得到向量Bi(式(4))。對矩陣R再進(jìn)行模糊運(yùn)算，即可得到第一層指標(biāo)對評價(jià)集的隸屬向量B(式(5))。

(4)

(5)

由于評價(jià)集是有序分割類，最大關(guān)聯(lián)度原則顯然不是最適用，對此采用“置信度”識別準(zhǔn)則。設(shè)η為置信度，規(guī)定η>0.5，一般取η=0.6或0.7，則煤礦沖擊危險(xiǎn)等級k0的計(jì)算公式(式(6))。

(6)

式中，p為沖擊危險(xiǎn)等級數(shù)。

2實(shí)例分析

2.1工程概況

烏東煤礦南采區(qū)處于烏魯木齊東北部，地面標(biāo)高+850m，煤層傾角87～89°，呈近直立狀態(tài)，現(xiàn)主采煤層為+500m水平B1+2和B3+6兩層煤，其中B1+2煤層平均厚度為37m，B3+6煤層平均厚度為49m，兩層煤被厚度在53～110m且由東向西逐漸變薄的巖墻隔開，煤層頂?shù)装逡苑凵皫r為主，采用垂直分段放頂采煤方法進(jìn)行回采，一次采高3m，放頂厚度22m。

2.2沖擊危險(xiǎn)等級計(jì)算

自然因素和開采因素是影響煤礦沖擊危險(xiǎn)性的兩個重要方面，首先根據(jù)表1評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)情況，結(jié)合+500B1+2和B3+6回采工作面沖擊地壓自然因素和開采因素評價(jià)指標(biāo)測定值，如表2和表3所示，由式(2)即可得到自然因素和開采因素指標(biāo)隸屬度。

表2　+500水平回采工作面沖擊地壓自然因素評價(jià)指標(biāo)測定值

表3　+500水平回采工作面沖擊地壓開采因素評價(jià)指標(biāo)測定值

+500水平回采工作面自然因素和開采因素評價(jià)指標(biāo)屬性權(quán)重和等級權(quán)重計(jì)算值為

由式(1)，得知各評價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重為

由公式Bi=ωi·Ri計(jì)算，可求得回采工作面自然素對沖擊地壓危險(xiǎn)評判的最終模糊評判集為B1=[0.194，0.634，0.003，0.181]。

按照“置信度”識別原則進(jìn)行分析所得結(jié)果，設(shè)置信度λ=0.6，由式(6)計(jì)算得k0=2，由此求得，回采工作面自然因素的沖擊危險(xiǎn)等級為二級，為弱沖擊危險(xiǎn)等級。

同理可求得回采工作面自然素對沖擊地壓危險(xiǎn)評判的最終模糊評判集為B2=[0.214，0.225，0.255，0.306]。

計(jì)算得k0=3，得知回采工作面開采因素的沖擊危險(xiǎn)等級為三級，為中等沖擊危險(xiǎn)等級。

將自然因素和開采因素的評價(jià)結(jié)果綜合考慮，最終取最危險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果，綜上所述，確定+500水平回采區(qū)域?yàn)橹械葲_擊危險(xiǎn)等級。

2.3地震波CT技術(shù)探測結(jié)果對比分析

烏東南采區(qū)同時采用了地震波CT技術(shù)對+500水平B1+2和B3+6兩煤層進(jìn)行了沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)，此次探測共分為四個測區(qū)，分別為第一測區(qū)，B3+6工作面1494～1710m范圍；第二測區(qū)，B3+6工作面1295～1490m范圍；第三測區(qū)，B3+6工作面1300～1490m范圍；第四測區(qū)，B1+2工作面1755～1957m范圍，限于篇幅，下面僅取B1+2煤層第四測區(qū)波速分布圖進(jìn)行分析，見圖2。

圖2　第四測區(qū)波速分布/(m/ms)

從圖2波速分布情況，波速值分布基本在2.9m/ms以下，但東西兩側(cè)波速分布極不均勻，根據(jù)波速與應(yīng)力的關(guān)系，東、西兩側(cè)均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中區(qū)主要分布在以下方面。

1)應(yīng)力集中區(qū)域I(1927～1960m)，工作面沖擊危險(xiǎn)性為弱沖擊危險(xiǎn)。

2)應(yīng)力集中區(qū)域II(1760～1850m)，工作面沖擊危險(xiǎn)性為中等沖擊危險(xiǎn)。

結(jié)合其他三個測區(qū)結(jié)果，并且綜合考慮下一階段+475水平掘進(jìn)巷道導(dǎo)致的采掘相向、采區(qū)內(nèi)強(qiáng)烈的水平構(gòu)造應(yīng)力、采空區(qū)高達(dá)330m的回填黃土以及中間近直立高巖墻撬動作用等自然因素和開采因素的影響，確定+500B1+2和B3+6工作面沖擊危險(xiǎn)性均為三級，即中等沖擊危險(xiǎn)等級。

3結(jié)論

1)采用模糊綜合評判法可以很好的考慮動態(tài)變化指標(biāo)對煤礦沖擊危險(xiǎn)性影響程度，避免通常一年僅一次的安全評價(jià)無法準(zhǔn)確指導(dǎo)生產(chǎn)的弊端，同時本文隸屬度函數(shù)模型的建立也克服了某些危險(xiǎn)值高的指標(biāo)被中和的現(xiàn)象以及人為主觀因素導(dǎo)致的誤差。

2)通過采用模糊綜合評價(jià)模型對烏東煤礦南采區(qū)+500水平回采工作面進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)評價(jià)，得出該區(qū)域沖擊危險(xiǎn)等級為三級，即中等危險(xiǎn)等級，同時采用地震波CT技術(shù)結(jié)合開采范圍內(nèi)工程地質(zhì)條件等因素綜合分析驗(yàn)證，結(jié)果表明模糊綜合評價(jià)方法可以很好的評價(jià)煤礦沖擊危險(xiǎn)性等級，為類似條件下沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)具有一定的借鑒意義。

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The application of fuzzy synthetic evaluation method on the grade of rock burst tendency

YANG Jun1，2，SHI Hai-yang1，2，LOU Hao-peng1，2，CAO Min-yuan3，DU Shi-he1，2，JIAO Yan-ping1，2，XIAO Li-li1，2

(1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；3.Shen-hua Xinjiang Energy Corporation Ltd.，Urumqi 830027，China)

Abstract:A fuzzy comprehensive evaluation model whose membership function is calculated by the normal membership function is established in this thesis according to inadequacy in the traditional safety evaluation and the fact that the state of the whole mining system is changed with the working face advance.The degree of rock-burst can be gained when the weight of the factors are divided into attributive weight and the rank weight followed by the fuzzy matrix operation.This fuzzy comprehensive evaluation model is successfully used in the +500B1+2and B3+6working face of WuDong coal with the result that the degree of the rock-burst isⅢ，which is also be verified by ultrasonic CT technology.This good proved method in practice provides a preference to the similar conditions.

Key words：fuzzy comprehensive evaluation model；membership function；the degree of rock-burst；weight value

收稿日期：2015-01-22

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目資助(編號：51304210)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目資助(編號：20120023120014)

作者簡介：楊軍(1979-)，男，回族，山東泰安人，講師，博士，主要從事軟巖支護(hù)、深部巖石力學(xué)等方面的教學(xué)和研究。E-mail:yjlr@163.com。

中圖分類號：TD32

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)01-0083-04