1、附录A千万吨级矿井综采工作面的开采工艺性评价摘 要：依据济三煤矿的煤层赋存条件与开采技术特点，采用模糊综合评价方法，从采矿的角度和工作面开采的总体方面，对具体煤层地质条件适于开采工艺的程度进行整体的定量评价。从煤层地质条件评价的因素结构及指标体系构成、评价因素隶属函数与权重确定、评价模型建立与评价可靠性分析等方面进行了详细论述，对济三煤矿未来开采的114个综采工作面进行了类别划分，为未来工作面工艺方式选择及千万吨级矿井的持续开采提供了理论依据。关键词：模糊综合评价；隶属函数；煤层地质条件；开采工艺；层次分析1 引 言随着高产高效矿井开采的不断深入，由于工作面煤层地质条件的各异性，必然影响工作面
2、开采工艺对地质条件的适应性和工作面单产水平，从而影响矿井的技术经济指标。为了保证矿井持续稳定高产，必须对未来开采工作面的地质条件进行详细和全面的了解。工作面煤层地质条件开采工艺性评价是从工作面开采的总体方面对煤层地质条件进行的整体综合评价。评价的主要特点是：将区段（工作面）作为基本评价单元。本文依据济三煤矿的煤层赋存条件与开采技术特点，采用模糊综合评价方法，对千万吨级济三煤矿综采工作面进行开采工艺性评价。2 济三矿煤层赋存与开采技术条件全矿目前开采的北2北3南1采区，只开采3下煤层。3下层位于山西组下部，可采范围内的煤层平均厚度5.26 m，大部分为厚煤层，厚度较稳定，从等厚线图可以看出其变化
3、规律：在井田东北角主要是5 m左右的煤层；在井田东部的中部主要是7 m左右的煤层；一部分6 m左右的煤层穿插在5 m煤层和7 m煤层之间，另一部分聚集在井田东南角；从井田东往西，煤层逐渐由5 m变为3.5 m左右，西南角由于部分被冲刷而是没有煤层或变的很薄（1.5 m以下）；井田的西部煤层厚度在2 m左右。顶板为粉砂岩及砂岩，底板为粉、细砂岩。井田内断层以南、北向为主，井田落差20 m以上的断层共14条，其中落差在100 m以上的4条（包括2条边界断层），落差50100 m的两条，落差2050 m的8条，并赋存很多小断层。按照煤层赋存条件，矿井当前采用倾向长壁综采放顶煤一次采全高顶板全部跨落采
4、煤法。采煤工艺为采煤机割一刀，放煤一次；双轮顺序放煤方法。工艺过程为割煤-移架-推移前部输送机-放煤-拉移后部输送机。3 评价因素与指标3.1 评价因素结构根据系统性、简易性和可行性原则，考虑济三煤矿赋存特点，确定的评价因素结构如图1。 评价因素结构中复合因素有7个，基因素11个，并由断层密度q1、断层长度指数q2、断层落差指数q3、煤厚变异系数、煤层厚度m、煤层倾角、煤层硬度指标R、直接顶岩层单向抗压强度、直接顶厚度与采高的倍数比N、伪顶厚度h0、直接底岩层的抗压强度qc、可布置面长l及可推进长度s共13个指标来量化。煤层稳定性B2煤层厚度B3煤层倾角B4煤层坚硬性B5煤层顶底板条件B6工作
5、面块度B7断层影响C1煤厚变异性C2煤层厚度C3煤层倾角C4煤层坚硬性C5直接顶强度C6老顶支撑性C7伪顶影响C8底板强度C9可布置面长C10可推进长度C11工作面煤层地质条件评价A地质构造复杂程度B1图1 工作面评价因素结构3.2 评价指标体系为进行基因素的评价，常选取具体指标进行量化。现对11个基因素指标做简要说明。（1）断层影响：开采实践与统计资料表明，全面地描述断层对开采的影响需3个指标：断层密度q1单位面积内断层的条数，条/km2；断层长度q2块段单位面积内断层长度之和，m/km；断层落差指数q3断层落差与煤层开采厚度的比值。考虑到不同的煤层厚度条件下同值的断层落差系数对开采的影响不
6、同，可用煤层开采厚度的对数函数进行修正。（2）煤层变异性：以煤厚变异系数（煤厚样本的标准差与煤厚均值的比值）为指标。（3）煤层厚度：以块段内见煤钻孔煤层厚度评价值m作为评价指标，m。（4）煤层倾角：以块段内见煤钻孔煤层倾角平均值作为评价指标，。（5）煤层坚硬性：以煤的单轴抗压强度R作为评价指标，Mpa。（6）直接顶强度：以直接顶岩层单向抗压强度作为评价指标，Mpa。（7）老顶支撑性：选用直接顶厚度与采高的倍数比N作为评价指标。（8）伪顶影响：取伪顶厚度h0作为评价指标，m。（9）底板强度：取直接底岩层的抗压强度qc作为评价指标，Mpa。（10）可布置面长：工作面长度l作为评价指标，m。（11）
7、可推进长度：工作面推进长度s作为评价指标，m。3.3 评价因素隶属函数煤层地质条件开采工艺性评价是一多层次多因素的综合评价，综合评价的价值基础是因素的度量规范，多因素间必须在价值上约定一具有可比性的尺度，而且构造因素隶属函数是建立模糊综合评价模型的基础。根据统计类比法、待定系数法及多元隶属函数法4，确定的各评价因素的隶属函数如下：（1）断层影响的多元隶属函数a=2/ （1+exp（0.0018+0.042q1+0.064q2+0.00071q3）（2）底板岩石单向抗压强度Rc的隶属函数（3）伪顶厚度h0的隶属函数（4）老顶支撑性N的隶属函数 （5）直接顶岩石单向抗压强度的隶属函数（6）工作面可
8、推进长度s的隶属函数 （7）煤层硬度指标R的隶属函数（8）煤厚变异系数的隶属函数 （9）工作面长度l的隶属函数（10）煤层开采厚度m的隶属函数（11）煤层倾角的隶属函数3.4 评价因素权重综合评价因素权重是评价系统在结构上的一种定量化约定，它表征了评价因素在评价结构上的相对重要性，是实现评价系统结构和功能相统一的关键。工作面地质条件开采工艺性评价采用了层次分析法（AHP）5，6确定出各因素权重。层次分析法是系统工程中对非定量事件作定量分析的一种简便方法，也是对人们的主观判断作客观描述的一种有效方法，在确定多因素权重方面，可减少主观性，更接近客观实际。其应用可分为五个步骤：建立层次模型；构造判断
9、矩阵；层次单排序及其一致性检验；层次总排序；层次总排序的一致性检验。 判断矩阵的确定是成功应用AHP法的关键。判断矩阵元素的值反映了人们对各因素相对重要性（或优劣、偏好、强度等）认识，一般采用19及其倒数的标度方法，如表1所示。采用以上步骤对济三煤矿工作面煤层地质条件多因素评价的判断矩阵见表2表4所示。各因素权重计算结果如表5所示。表1 判断矩阵标度及其含义标度含 义1表示两个元素相比，具有同样重要性3表示两个元素相比，一个因素比另一个因素稍微重要5表示两个元素相比，一个因素比另一个因素明显重要7表示两个元素相比，一个因素比另一个因素强烈重要9表示两个元素相比，一个因素比另一个因素极端重要2，
10、4，6，8上述相邻判断的中值倒数因素i与j比较得判断bij，则因素j与I比较的判断 bji=1/bij表2 AB层判断矩阵AB1B2B3B4B5B6B7B11657877B21/6133332B31/51/313343B41/71/31/31333B51/81/31/31/3122B61/71/41/31/31/213B71/71/31/31/31/21/31表3 B6C判断矩阵B6C6C7C8C9C61323C71/3123C81/21/313C91/31/31/31表4 B7C判断矩阵B7C10C11C1013C111/31表5 各因素权重计算结果复合因素权重子因素权重1.地质构造复杂程度
11、0.4898断层影响0.48982.煤层稳定性程度0.1557煤层可采煤厚变异性0.15573.煤层采厚0.1289煤层开采厚度0.12894.煤层倾角0.0861煤层倾角0.08615.煤层坚硬性0.055煤层坚硬性0.0556.煤层顶底板条件0.0468直接顶强度0.0209老顶支撑性0.012伪顶影响0.0094底板影响0.00447.工作面块段0.0377工作面长可推进长0.02830.0094合 计1.0合 计1.03.5 综合评价模型采用模糊综合评价模型对煤层地质条件综合适应程度进行多层次综合评价，将单因素的评价按一定算法映像为一综合评价值，并以此综合评价值的大小来衡量评价样本属性
12、的优劣程度。为综合考虑各因素的影响程度，决定选用加权平均型综合评价模型4，7，即式中：bj 综合评价值；Wi 权重矩阵；rij 隶属度矩阵。3.6 综合评价可靠性由于勘探资料未能准确地描绘煤层实际的地质条件，故以勘探钻孔资料为基础的煤层地质条件综合评价必定存在一定的评价误差，将块段采后评价值与同块段的采前评价值之比作为衡量采前评价可靠性的指标值。即：令煤层块段j的评价可靠性pj，则：式中 bj（1）煤层块段j的采后评价值； bj（2）煤层块段j的采前评价值。采前评价值应用pj加以修正。济三矿不同采区工作面的评价可靠度，见表6。表6 济三煤矿不同采区工作面的评价块段63下0113下0443下00
13、13下02可靠度0.9157180.9652360.9031590.9343754 评价结果及分类本评价模型应用于济三矿未来1015年即将开采的工作面。根据各工作面的综合评价值可将所评价的工作面分成四个等级，见表7。表7 济三煤矿评价结果分类表评价登记综合评价值开采条件1级0.80好2级0.700.80较好3级0.600.70一般4级0.60较差经过评价后得出以下结论：济三煤矿煤层地质条件不好，济三煤矿未来1015年要开采的114个工作面中，总储量22667.42万t，其中1级工作面没有；2级工作面40个，占总数的35.09%，占总储量的28.01%；3级工作面63个，占总数的55.26%，占
14、总储量的61.97%；4级工作面11个，占总数的9.65%，占总储量的10.01%。且随着开采向深部拓展，2级工作面将减少，3级、4级工作面将增多。5 主要结论（1）构造因素隶属函数是建立模糊综合评价模型的基础，隶属函数的确定使评价的各因素在影响程度上有了一定的可比性。（2）济三煤矿即将开采的114个工作面中，总储量22667.42万t，其中1级工作面没有；2级工作面40个，占总数的35.09%，占总储量的28.01%；3级工作面63个，占总数的55.26%，占总储量的61.97%；4级工作面11个，占总数的9.65%，占总储量的10.01%。（3）济三煤矿煤层地质条件不好，且随着开采向深部拓展，2级工作面将减少，3级、4级工作面将增多，煤层地质条件不断劣化。附录B Fuzzy evaluation on coal seam geological con
