史俊偉，孟祥瑞，董　羽，陳章良，孫玉峰

(1.山東工商學院 管理科學與工程學院，山東 煙臺 264005；2.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

0　引言

煤炭行業(yè)歷經(jīng)十年的黃金發(fā)展時期，從2012年開始，逐步進入了困難期。一方面粗放式的煤礦開采給礦山環(huán)境造成了毀滅性的破壞，如大規(guī)模的地表塌陷、環(huán)境污染日趨嚴重，霧霾天氣頻頻出現(xiàn)；另一方面，各種新型清潔能源的開發(fā)和利用技術(shù)日趨完善，如風能、太陽能、核能等，造成煤礦產(chǎn)能過剩、經(jīng)營困難。如何尋找一條煤炭資源開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展之路，是國內(nèi)外學者一直研究的重點。錢鳴高院士于2003年針對井工煤礦開采提出綠色開采技術(shù)體系[1]，為我國煤礦綠色開采技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。20世紀60年代，充填開采開始在我國發(fā)展起來[2]，作為煤礦綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)，能夠有效控制地表沉陷，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，一直是國內(nèi)礦業(yè)界學者研究的熱點[3]。充填開采最初主要用于非煤礦山，近年來在煤礦應(yīng)用廣泛。充填材料性能的好壞，是影響充填開采技術(shù)成敗的關(guān)鍵[4]。根據(jù)充填材料的不同，目前常見的煤礦充填開采技術(shù)有煤矸石似膏體[5]、膏體充填技術(shù)[6]、全尾砂膠結(jié)充填[7]、廢石建筑垃圾膠結(jié)充填技術(shù)[8]和高水充填技術(shù)[9-10]等。

充填材料性能的優(yōu)化是提高充填體穩(wěn)定性的有效途徑，控制地表沉陷的重要保障。目前，國內(nèi)學者對充填材料性能優(yōu)化主要通過2種方式：正交試驗和理論模型計算。史俊偉等[11](2011)運用正交試驗方法對以煤矸石/粉煤灰為骨料的膏體充填材料進行性能優(yōu)化：質(zhì)量濃度為75%；水泥∶粉煤灰∶煤矸石為1∶2.22∶4.44；張欽禮等[12](2014)運用灰色理論，建立GA-SVM 預(yù)測模型，對全尾砂為骨料的充填材料絮凝沉降參數(shù)進行優(yōu)化：濃度20%～25%，絮凝劑8 g/t，添加劑0.09%；王新民等[13](2015)運用正交試驗設(shè)計法對以全尾砂為骨料的新型膠凝充填材料進行性能優(yōu)化：質(zhì)量濃度為70%，灰砂比為1∶6；孫 琦等[14](2015)對以煤矸石、粉煤灰、尾砂和水泥為骨料的充填材料性能進行了腐蝕試驗和三軸蠕變試驗；羅濤等[15](2016)運用模糊理論和層次分析法對以全尾砂與水泥為骨料的似膏體充填材料進行配比優(yōu)化：質(zhì)量濃度為72%，灰砂比為1：4；馮國瑞等[16](2016)運用響應(yīng)面分析法對以廢棄混凝土為骨料的充填材料進行配比優(yōu)化：廢棄混凝土細骨料替代率為37%、粗骨料替代率為49%及水泥摻量為156 kg/m3；王明旭等[17](2017)對以石蠟為早強膠結(jié)的充填材料進行相似模擬試驗，分析其性能，確保充填采場穩(wěn)定；姚囝等[18](2017)以石灰、高嶺土、石膏、水和尾砂等充填體相似材料，通過正交試驗對充填材料性能進行優(yōu)化。可以看出，前人對充填材料性能的優(yōu)化研究主要通過正交試驗或建立數(shù)學模型進行預(yù)測和決策，本文在前人研究基礎(chǔ)上，探索將傳統(tǒng)正交試驗方法與層次模糊數(shù)學方法相結(jié)合，定性與定量相結(jié)合，既避免傳統(tǒng)充填材料試驗中人為因素的誤差，又克服了傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計方法數(shù)據(jù)量大的缺點，同時結(jié)合專家經(jīng)驗與意見，進行充填材料性能優(yōu)化，為類似礦山充填材料優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)和指導。

1　充填材料性能優(yōu)化試驗研究

1.1　試驗材料及準備

本次試驗矸石膏體充填材料選擇煤矸石作為粗骨料、粉煤灰作為細骨料及22.5普通硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材料。試驗試件的規(guī)格為150 mm×150 mm×150 mm。試件制作過程中，測定充填料漿的凝結(jié)時間、分層度、塌落度等參數(shù)，試件制作完成后放置養(yǎng)護箱，溫度設(shè)置在22℃左右，濕度調(diào)整為90%，用試驗試樣加工設(shè)備(磨石機(AHM-200)，切割機(DQ-4))對大模塊進行取芯和打磨。由于巖石力學試驗規(guī)范規(guī)定標準巖樣為φ50 mm×100 mm的圓柱形，本次采用50 mm鉆頭(內(nèi)徑50 mm，即取得的巖芯直徑為50 mm)取芯，最后利用YAW-400型壓力試驗機測定其不同齡期的單軸抗壓強度，并將實驗結(jié)果列入L9(33)正交分析表中，如表1所示。

表1　充填材料配比L9(33)正交試驗方案設(shè)計

1.2　試驗方案設(shè)計

試驗采用三因素三水平正交表進行正交試驗方案設(shè)計。本次充填材料配比試驗選取3個因素：水泥質(zhì)量/混合料質(zhì)量記作水泥含量A；粉煤灰質(zhì)量/煤矸石質(zhì)量記作灰矸比B；料漿質(zhì)量濃度C。因素A水泥含量選取3個水平，分別為A(1)：5%，A(2)：10%，A(3)：15%；因素B灰矸比選取3個水平，分別為B(1)：2∶1，B(2)：1∶1，B(3)：1∶2；因素C料漿質(zhì)量濃度選取3個水平，分別為C(1)：78%，C(2)：72%，C(3)：75%；試驗方案設(shè)計根據(jù)金川公司膏體充填材料設(shè)計原則[3]，選取滿足充填膏體可泵性、流動性及充填體力學性能要求的相關(guān)指標，主要包括塌落度D1、凝結(jié)時間D2、分層度D3、泌水率D4及充填體抗壓強度(28d)D5 。由文獻[11]中，通過極差分析和直觀分析，比較各試驗因子的平均數(shù)，得到對應(yīng)各指標D1，D2，D3，D4，D5，膏體充填材料的最佳性能組合分別為：A(2)，B(1)和C(2)，A(3)，B(2)和C(3)，A(3)，B(3)和C(3)，A(3)，B(3)和C(3)，A(3)，B(3)和C(1)。因此，根據(jù)各指標D1～D5 對表1 中9組膏體充填材料配比L9(33)正交試驗方案進行優(yōu)化，最終確定5組優(yōu)選組合，分別記為方案S1，S2，S3，S4，S5?？梢钥闯?，對應(yīng)于指標D3和D4，膏體充填材料性能的最優(yōu)組合即S3和S4試驗方案都為A(3)，B(3)和C(3)，由于對應(yīng)與指標D3，因素A(2)和A(3)極差值基本相等，因此將本次試驗方案S3選取最優(yōu)組合為A(2)，B(3)和C(3)，如表2所示。

表2　充填材料性能優(yōu)化組合方案

2　充填材料性能優(yōu)化指標體系構(gòu)建

根據(jù)礦山充填實踐，總結(jié)文獻[11-18]中前人相關(guān)研究，影響充填材料性能優(yōu)化的主要因素大體可以分為內(nèi)因和外因2類。內(nèi)因包括充填材料自身的可泵性、流動性以及充填體的強度機穩(wěn)定性。外因包括影響充填效果的充填系統(tǒng)穩(wěn)定性和充填材料的經(jīng)濟性2個方面。因此，運用APH相關(guān)理論，構(gòu)建以充填材料性能優(yōu)化為目標層；充填體穩(wěn)定性、充填材料可泵性、充填系統(tǒng)穩(wěn)定性和充填材料經(jīng)濟性4個因素為準則層；充填體強度、充填體密實性等17個因素為指標層，形成3個層次的充填材料性能優(yōu)化指標體系，如圖1。

圖1　充填材料性能優(yōu)化指標體系Fig.1　Optimization index system of filling

充填體穩(wěn)定性：充填體的穩(wěn)定性直接關(guān)系到充填質(zhì)量，即充填體能否有效支撐上覆巖層，進而控制地表沉陷。充填體的強度包括初期強度即自立強度和長期強度。文獻[5，6，11，16]中研究發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)料摻量的多少是影響充填漿體強度的主要因素，提高膠結(jié)料的摻量可以有效提高充填漿體的強度。充填體的密實性和膠結(jié)性也是影響穩(wěn)定性的主要因素，密實性和膠結(jié)性越好，充填體越不容易被壓縮，越穩(wěn)定。除此之外，充填體接頂率也會影響充填體穩(wěn)定性，接頂率越高，越能夠及早的限制圍巖的變形移動，形成頂板—充填體—底板的支撐體系，提高自身穩(wěn)定性的同時，有效控制圍巖的移動變形，進而減小地表下沉。

充填材料的可泵性：充填材料的可泵性是衡量充填材料性能的主要指標，是指充填材料通過充填泵，經(jīng)過充填管道，泵入采空區(qū)進行充填，有時用流動度來表示。充填材料可泵性或流動性的大小會直接影響到充填材料的性能，甚至會造成充填管道堵塞，使整個充填系統(tǒng)癱瘓。充填質(zhì)量濃度、充填材料凝結(jié)時間、分層性、和易性、泌水性都會直接影響充填材料的流動性能。研究發(fā)現(xiàn)[5，6，11，16]，質(zhì)量濃度的大小是影響充填材料和易性的主要因素，而粉煤灰與煤矸石摻量的比重直接影響充填材料的分層度和泌水率。水泥摻量的多少是影響充填材料凝結(jié)時間和充填體強度的主要因素。因此，可以通過調(diào)整充填材料質(zhì)量濃度和粉煤灰的含量來改善充填材料的可泵性。

充填系統(tǒng)穩(wěn)定性：完整的充填系統(tǒng)由充填原材料的供給系統(tǒng)、充填料漿制備系統(tǒng)、充填泵送系統(tǒng)、充填管道系統(tǒng)及充填采場系統(tǒng)等5部分組成。充填材料的性能關(guān)系到充填系統(tǒng)的構(gòu)成與穩(wěn)定，進而影響充填效率。充填系統(tǒng)穩(wěn)定性主要包括采場工作環(huán)境、充填管道穩(wěn)定性、充填設(shè)備及設(shè)施穩(wěn)定性及人員職業(yè)健康衛(wèi)生等指標。

充填材料經(jīng)濟性：充填材料的經(jīng)濟性是充填材料性能優(yōu)化選擇的重要條件，也是充填開采成本的重要構(gòu)成部分，包括充填材料的運輸經(jīng)濟性、膠結(jié)料及骨料經(jīng)濟性、配套充填系統(tǒng)經(jīng)濟性和充填材料可循環(huán)利用等指標。

3　充填材料性能優(yōu)化指標權(quán)重的確定

通過對充填材料性能優(yōu)化影響因素的分析，準則層充填體穩(wěn)定性C1、充填材料可泵性C2、充填系統(tǒng)穩(wěn)定性C3、充填材料經(jīng)濟性C4的相對重要度，采用通用的1-9標度法[15]，通過兩兩相互比較構(gòu)建判斷矩陣，判斷矩陣的獲得是對現(xiàn)場的實際情況進行調(diào)查分析，然后通過文獻和數(shù)據(jù)調(diào)查，最后綜合專家的意見獲得。準則層Ci對目標層A的權(quán)重，具體步驟如下：

1)采用通用的1-9標度法確定判斷矩陣A：

2)用求和法(近似法)求準則層充填體穩(wěn)定性、充填材料可泵性、充填材料經(jīng)濟性、充填系統(tǒng)穩(wěn)定性因素對目標層充填材料性能優(yōu)化的影響因素權(quán)重向量，先將判斷矩陣各列向量歸一化，然后行向量求和，得到權(quán)重矩陣，再進行列向量歸一化，所得結(jié)果即為準則層各因素的權(quán)重：

3)計算判斷矩陣的最大特征值λmax：由AW=λW求解：

4)求最大特征值為：

5)一致性指標求得：

6)因判斷矩陣是四階矩陣，所以查隨機一致性指標表[15]得：R·I=0.89

7)一致性比率：

其他各指標層的權(quán)重向量可由同樣方法求得，見圖1。

4　充填材料配比的模糊綜合優(yōu)選

4.1　建立充填材料性能優(yōu)化因素集和權(quán)重集

根據(jù)膏體充填材料性能優(yōu)化指標體系圖2，將影響充填材料性能優(yōu)化劃分為各因素，分別建立因素集。準則層因素集包括充填體穩(wěn)定性、充填材料可泵性、充填系統(tǒng)穩(wěn)定性、充填材料經(jīng)濟性，記作：U={U1U2U3U4}；

指標層因素集：

權(quán)重集用W表示，準則層權(quán)重集：W=[0.350 60.350 60.109 40.189 4]；

同理，各指標層權(quán)重集：

充填體穩(wěn)定性的權(quán)重集W1=

[0.471 70.193 20.238 10.097 0]；

充填材料可泵性權(quán)重集W2=

[0.369 40.208 30.110 40.183 30.128 6]；

充填系統(tǒng)穩(wěn)定性權(quán)重集W3=

[0.276 00.248 30.152 20.323 5]；

充填材料經(jīng)濟性權(quán)重集W4=

[0.193 80.356 20.324 90.125 1]。

4.2　模糊評判矩陣的構(gòu)建

運用德爾菲法，邀請煤礦企業(yè)充填開采相關(guān)負責人、勞務(wù)工程公司施工負責人及高校和行業(yè)相關(guān)專家，針對充填材料性能優(yōu)化評判指標體系，結(jié)合礦山充填開采實踐，對各項指標進行評判，得出不同試驗方案(S1～S5)下，各準則層和指標層因素對充填材料性能優(yōu)化的影響程度，如表3(如R1：對于指標充填體強度P11，40人中有4 人認為方案S1充填體強度對充填材料性能優(yōu)化影響較大，2人認為方案S2充填體強度對充填材料性能優(yōu)化影響較大，同理其他)。

表3　充填體穩(wěn)定性C1因素評判矩陣

4.3　一級模糊綜合優(yōu)選

1)采用M(×，⊕)算子，對煤礦膏體充填材料性能優(yōu)化方案進行模糊綜合評判，充填體穩(wěn)定性因素指標的評判結(jié)果為A1。同理，可求得其他影響煤礦充填材料性能優(yōu)化因素的評判結(jié)果向量Ai。

[0.040 40.102 70.346 00.392 80.118 1]

同理：A2=W2°R2=[0.041 40.060 40.141 4

0.355 10.401 7]；

A3=W3°R3=[0.295 80.244 80.240 9

0.188 00.030 5]；

A4=W4°R4=[0.084 90.131 50.225 6

0.287 80.270 2]。

2)二級模糊綜合優(yōu)選

由層次分析得到準則層各因素權(quán)重為W=

[0.350 60.350 60.109 40.189 4]，

二級模糊綜合評判矩陣A為：A=[A1A2A3A4]T,則煤礦充填材料性能模糊綜合優(yōu)選結(jié)果為：

F*=W°A=

因此，根據(jù)最大隸屬度原則，煤礦矸石膏體充填材料性能模糊綜合優(yōu)選方案排序為S4>S3>S5>S2>S1，最優(yōu)方案為S4即A(3)、B(3)和C(3)：水泥含量15%，灰矸比1∶2，質(zhì)量濃度75%。模糊決策結(jié)果跟文獻[10]中正交試驗結(jié)果相符。

3)討論

已知，F(xiàn)*=0.337 3，F(xiàn)S1=0.077 1，F(xiàn)S2=0.108 9，F(xiàn)S3=0.240 0，F(xiàn)S5=0.236 7，引入敏感度系數(shù)SAFi=△F/F*，表示方案Si跟最優(yōu)方案S4比較，某因素水平變化對充填材料最佳性能的敏感程度。如，方案S5跟最優(yōu)方案S4比較，因素水平組合A(3)，B(3)和C(3)變?yōu)锳(3)，B(3)，C(1)，SAF5=0.30，即因素C“質(zhì)量濃度”對充填材料最佳性能的敏感程度為30%。同理，方案S3跟最優(yōu)方案S4比較，因素A“水泥含量”對最佳性能的敏感程度為28.8%；方案S2跟最優(yōu)方案S4比較，因素B“灰矸比”對最佳性能的敏感程度為67.7%?？梢钥闯?，“灰矸比”在充填材料性能優(yōu)化過程中的敏感性程度最高，其次為“水泥含量”和“質(zhì)量濃度”，且2者對充填材料性能優(yōu)化敏感程度基本相同，因此，在充填材料性能優(yōu)化中尤其要重視灰矸比即粉煤灰和煤矸石的摻量比例，文獻[10]中試驗表明適量的粉煤灰對提高充填材料的可泵性有積極的作用，但若粉煤灰過量則會影響充填材料的性能。

5　結(jié)論

1)基于層次分析，構(gòu)建了煤礦充填材料性能優(yōu)化指標體系，得出影響充填材料性能優(yōu)化因素排序前3依次為充填體強度(0.471 7)、充填質(zhì)量濃度(0.369 4)和充填體膠結(jié)性(0.238 1)，因此，在對充填材料方案設(shè)計時，尤其要注意這3個因素，應(yīng)進行實時檢測與監(jiān)控。

2)通過模糊決策，本次煤礦矸石膏體充填材料最佳性能方案為S4即水泥含量15%，灰矸比1∶2，質(zhì)量濃度75%，模糊決策結(jié)果與正交試驗結(jié)果相符。同時數(shù)據(jù)表明，灰矸比在矸石膏體充填材料性能優(yōu)化中的敏感性程度最高，其次為水泥含量和質(zhì)量濃度，因此，在進行煤礦矸石膏體充填材料設(shè)計時，尤其要重視灰矸比這一參數(shù)，在實際生產(chǎn)中要嚴格控制粉煤灰摻量。

3)運用層次分析和模糊決策方法進行煤礦充填材料性能優(yōu)化，定性與定量相結(jié)合，將模糊、復(fù)雜的問題數(shù)學化、系統(tǒng)化。構(gòu)建了充填材料性能優(yōu)化數(shù)學模型，既避免了傳統(tǒng)充填材料試驗中人為因素的誤差，又克服了傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計方法數(shù)據(jù)量大的缺點，同時結(jié)合專家經(jīng)驗與意見，優(yōu)化方案科學、合理、與實際相符，為類似礦山充填材料性能優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)和指導。

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