基于層次分析法的綜采工作面過空巷方案優(yōu)選

王鵬宇，宋曉波，李鵬，甄政，張雷雷

(1.潞安化工集團(tuán)有限公司古城煤礦， 山西 長治市 046108；2.潞安化工集團(tuán)有限公司余吾煤業(yè)公司， 山西 長治市 046103；3.潞安化工集團(tuán)有限公司常村煤礦， 山西 長治市 046102)

在煤礦實(shí)際生產(chǎn)過程中，綜采工作面一直面臨著推過空巷的問題。所謂空巷是指在工作面回采前方存在的與工作面平行，或成一定夾角的、已經(jīng)失去服務(wù)功能的廢棄巷道，有些與工作面切眼位于一個水平位置，有些位于切眼上方或下方[1-2]。古城煤礦 N1305工作面是該礦的首個無煤柱開采工作面，回采原50 m護(hù)巷煤柱時需推過聯(lián)絡(luò)巷。在從安全可靠、成本投入、工藝難易程度、資源開采、經(jīng)濟(jì)合理等方面評選各個推過方案時，發(fā)現(xiàn)有些方案為經(jīng)驗(yàn)定性分析，給合理選擇方案造成很大困難。本文在分析過空巷方案主要影響因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合層次分析法，構(gòu)建優(yōu)選結(jié)構(gòu)模型，通過權(quán)重計(jì)算給出最優(yōu)方案，為現(xiàn)場施工方案的決策選擇提供量化的參考。

1 工程概述

古城煤礦 N1305工作面地面標(biāo)高為+915 m～+936 m，埋深為503.8 m～581.4 m，開采3#煤層，煤層賦存穩(wěn)定，平均厚為6.32 m，煤層傾角為6°。直接頂為0～12.25 m厚的泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖；直接底為0～3.85 m厚的砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為細(xì)砂巖。工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤工藝進(jìn)行回采，采高(3.2±0.1) m。

工作面巷道布置如圖1所示。

為實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，相鄰工作面回采時采用沿空留巷技術(shù)，將一條順槽保留下來作為N1305工作面的輔助進(jìn)風(fēng)順槽，該巷道與N1305主要進(jìn)風(fēng)順槽之間的護(hù)巷煤柱為50 m，每間隔200 m布置有若干聯(lián)絡(luò)巷。N1305主要進(jìn)風(fēng)順槽與輔助進(jìn)風(fēng)順槽為沿頂板掘進(jìn)巷道，回采過程中聯(lián)絡(luò)巷位于支架上方，受超前支承壓力的作用，兩側(cè)煤壁處于破碎狀態(tài)，失去承載作用，直接頂和基本頂很容易在空巷上方提前破斷，頂板破碎嚴(yán)重，極易形成大面積下沉，甚至可能發(fā)生冒頂和壓架事故[3-4]。

圖1 N1305工作面布置

2 工作面過空巷方案

聯(lián)絡(luò)巷沿頂板掘進(jìn)，巷寬3.3 m，巷高3.2 m，支護(hù)形式為錨網(wǎng)索+梯子梁支護(hù)，錨索為“3-3-3”布置，排距為900 mm；每排4根錨桿，排距為900 mm。結(jié)合工作面現(xiàn)場情況和其他礦井過空巷經(jīng)驗(yàn)，制定了如下4種過高位空巷方案[5-6]。

2.1 直接推過法

回采至空巷前不進(jìn)行支護(hù)，依靠原支護(hù)維護(hù)頂板。揭露空巷時，沿煤層底板直接回采，采用調(diào)偽斜方法回采。具體方法為：揭露聯(lián)絡(luò)巷前，端頭多進(jìn)4～6個循環(huán)，揭露聯(lián)絡(luò)巷后，只端尾進(jìn)刀4～6個循環(huán)，即端尾進(jìn)刀后返空刀至工作面中部，再頂溜向端尾割煤進(jìn)刀，確?？焖偻七^空巷。該方法回采工藝簡單，不增加額外工作量和支護(hù)成本，且不會造成煤柱丟失，資源開采率高，但是安全性較低，來壓后可能破壞空巷內(nèi)現(xiàn)有支護(hù)，造成頂板冒落矸石引起壓架事故。

2.2 木垛支護(hù)法

該方法為在回采至空巷前 50 m時，間隔 1.5 m～3 m，提前在聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)打設(shè)11～16個木垛加強(qiáng)支護(hù)，并用鋼絲繩將木垛與鋼筋托梁相連。揭露空巷時，沿煤層底板回采，支架稍降前移至木垛下方然后升緊，通過木垛與頂板接頂。該方法與直接法類似，不同的是，回采前和回采時整個過程中木垛始終支護(hù)空巷頂板，降低了頂板破壞冒落的風(fēng)險，但是木垛承載力低，非常容易失穩(wěn)破壞，而且增加了一定的支護(hù)成本。

2.3 漂刀推過法

該方法為在回采至空巷前15 m時，在該區(qū)域提前留底煤回采，每循環(huán)留底煤150 mm，逐漸上漂。揭露空巷時，沿空巷底板回采，支架與空巷頂板直接接頂。推過空巷后，再每循環(huán)向下割底煤150 mm，逐漸向下沿煤層底板回采。該方法會造成少回采3500 t煤炭資源，經(jīng)濟(jì)損失較大。但該方法安全可靠性高，回采工藝簡單，不需要額外的工序和支護(hù)成本。

2.4 全部充填法

回采至空巷前，在空巷兩側(cè)巷口設(shè)置圍擋，向巷內(nèi)充填水泥、高水材料、超高水材料等充填漿液，依靠良好的流動性，自流充滿聯(lián)絡(luò)巷空間。揭露空巷時，沿煤層底板回采，采煤機(jī)直接截割充填體，支架直接與頂板接頂，與截割實(shí)體煤無異。該方法雖然回采時工藝簡單，安全可靠性高，也不造成煤柱損失，但是需要額外增加充填設(shè)備和工作量，而且需要不少于500 m3的充填物料，成本較高。

3 基于層次分析法的過空巷方案優(yōu)選

層次分析法是將與決策有關(guān)的因素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上對定性問題進(jìn)行定量分析的一種實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方案[7-12]。根據(jù)以上4種可行的過空巷方案，在分析主要影響因素的基礎(chǔ)上，確定層次結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算準(zhǔn)則層權(quán)重，最后得出層次總排序權(quán)向量，為方案決策提供參考依據(jù)。

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)，初步將影響過高位空巷方案選擇的影響因素分為回采工藝、施工安全性、成本投入、資源開采4個方面，具體如圖2所示。

圖2 空巷推過方案的層次結(jié)構(gòu)模型

3.2 構(gòu)造判斷矩陣和一致性檢驗(yàn)

構(gòu)造判斷矩陣是層次分析法的關(guān)鍵步驟，由多個專家根據(jù)表1中的標(biāo)度進(jìn)行兩兩比較并賦值。

表1 判斷矩陣的標(biāo)度值

準(zhǔn)則層4個影響要素相對于目標(biāo)層的判斷矩陣A為：

權(quán)向量為：

根據(jù)層次分析法相關(guān)公式對判斷矩陣A的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)：

因CR＜0.1，所以判定矩陣A的不一致程度是可以接受的。根據(jù)權(quán)向量A，在選擇推過方案時，首先要考慮施工安全性，其次是資源開采，最后考慮回采工藝復(fù)雜程度和成本投入，且給出了各個因素確的量化值，為選擇方案提供了具有比較意義的參考。

3.3 計(jì)算方案層相對于準(zhǔn)則層各要素的權(quán)重

先從回采工藝復(fù)雜程度方面，對4種方案進(jìn)行兩兩比較，由專家賦值得到判斷矩陣B1：

經(jīng)計(jì)算，B1的權(quán)向量為：

故B1的不一致程度可接受，權(quán)向量W(B1)為4種方案在回采工藝方面的權(quán)重，數(shù)值越大，表示工藝越簡單。

類似地，由專家分別從施工安全、成本投入、資源開采 3個方面對 4種方案進(jìn)行兩兩比較并賦值，得出判斷矩陣B2、B3、B4。

經(jīng)計(jì)算，B2、B3、B4的CR值分別為0.0240、0.0785、0.0192，均小于0.1，所以B2、B3、B4的不一致程度均可接受。對應(yīng)的權(quán)向量分別為：

3.4 確定最優(yōu)方案

進(jìn)行方案總排序計(jì)算，結(jié)果如下：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，綜合考慮全部充填法是最優(yōu)選、最安全可靠的方案，但從回采工藝和成本投入來說又有明顯的劣勢。漂刀推過法和木垛支護(hù)法綜合來看是相差不多的2種方案，現(xiàn)場施工時可以作為備選方案。

（1）從結(jié)合古城煤礦施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，確定了該礦N1305工作面過空巷的4種可行方案：直接推過法、木垛支護(hù)法、漂刀推過法和全部充填法，并定性分析各方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

（2）在方案選擇時著重考慮了4個影響因素，且給出了4個因素的權(quán)向量。根據(jù)權(quán)向量大小，應(yīng)首先考慮施工安全性，其次是資源開采，最后考慮回采工藝復(fù)雜程度和成本投入。

（3）運(yùn)用層次分析法確定了全部充填法為最優(yōu)方案，且給出了各個方案優(yōu)劣一個綜合量化值，決策者在選擇方案時可參考該量化值進(jìn)行決策。