煤矿冲击危险性多因素耦合评价软件的开发与应用.pdf

第29卷第8期 2020年8月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE Vo l. 29,No . 8 Aug 2020 煤矿冲击危险性多因素耦合评价软件的开发与应用 张尔辉】，朱权洁】，温经林2,王九红3,于正兴2,董续凯4 （1.华北科技学院安全工程学院北京101601； 2.中国安全生产科学研究院北京100012； 3.兖州煤业股份有限公司，山东济宁273500； 4.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083） 摘 要为了合理评价煤矿冲击地压的危险性，克服传统评价方法的技术弊端，本文研究了冲击地压的影 响因素和现有冲击地压危险的分级评估准则。以MATLAB软件为编程语言，利用图形用户界面（GUI）, 通过编制煤矿冲击地压危险性多因素耦合评价软件，以开采深度、煤岩结构、地质构造、覆岩空间结构、煤 柱诱发五个因素作为评价指标，实现了煤矿冲击地压危险性评价和分级。以山东某矿为例，利用煤矿冲击 地压危险性多因素耦合评价软件对该矿某工作面进行了冲击地压危险性多因素耦合评价。研究结果表 明该工作面冲击地压危险性等级为中等冲击危险性，冲击地压危险区域包括6个一般危险区域、3个中度 危险区域和1个高度危险区域。本软件能较准确地反映煤矿冲击地压的危险程度，改善现有评价方法的 可操作性和实用性，提高了冲击地压危险性评价的准确性和科学性。 关键词冲击地压；危险等级；评价软件；煤矿 中图分类号TD324 文献标识码A 文章编号1004-4051（2020）08-0122-07 Preparation and application of multi-factor coupling uation softwar5forcoalmin5rockbursthazard ZHANG Erhui1 , ZHU Qua njie1 , WEN Jinglin2 , WANG Jiuho ng3 , YU Zhengxing2 , DONGXukt 1. Sho o l o f Sa fety Engineering, No rth China Institute o f Science a nd Techno lo gy, Beijing 101601, China； 2. China Aca demy o f Sa fety Science a nd Techno lo gy, Beijing 100012, China； ； 3. Ya nzho u Co a l Mining Co mpa ny Limited, Jining 273500 , China； ； 4 Scho o lo fCivila ndReso urceEngineering, Univers ityo fSciencea ndTechno lo gyBeijing, Beijing100083, China Abstract In o rder to ra tio na lly eva lua te the risk o f co a l mine ro ckburst, the technica l disa dva nta ges o f tra ditio na l eva lua tio n metho ds a re o verco me. The influencing fa cto rs o f ro ck burst a nd the existing cla ssifica tio n eva lua tio n criteria o f ro ck burst risk a re studied. With MATLAB so ftwa re fo r the pro gra mming la ngua ge using a gra phica l user interfa ceGUI , thro ugh the fo rmula tio n o f impa ct gro und pres sure ha za rd inco a l mine multi-Pa cto r co upling eva lua tio n so Ptwa re, with mining depth, the co a l a nd ro ck structure, geo lo gica lstructure,s tra ta s pa tia ls tructurea ndco a lpila rinducedPivePa cto rsa seva lua tio nindex,ha s rea lized the co a l impa ct gro und pres sure ha za rd a ss ess ment a nd gra ding. Ta king a co a l mine in Sha ndo ng pro vincea sa nexa mple,themulti-fa cto rco uplingeva lua tio no fro ckburstriskwa sca rriedo uto na wo rking 收稿日期收稿日期2020-04-03 责任编辑责任编辑赵奎涛 基金项目基金项目国家自然科学基金项目资助（编号 51174016）；国家自然科学基金项目资助（编号51804119）贵州省科技计划项目资助（编号黔 科合重大专项字10183003-1 ,20183003-2）；煤与瓦斯突出动态监测与智能预警技术研究项目资助（编号黔科合平台人才〔20192675） 第一作者简介第一作者简介张尔辉（1995 ）,男，硕士，主，主要从事微震监测技术、矿山灾害智能预警等方面的研究,E-ma ilzha ngerhui0707163. co m。 通讯作者简介通讯作者简介朱权洁（1984 ）,男，博士，副教授，主要从事微震监测技术、数字矿山等方面的研究工作,E-ma ilyo uyicun2008163. co m。 引用格式引用格式张尔辉，朱权洁，温经林，等煤矿冲击危险性多因素耦合评价软件的幵发与应用中国矿业，2020,29（8）122-128. do i10. 12075/j. issn. 1004-4051. 2020. 08 027 第8期张尔辉，等煤矿冲击危险性多因素耦合评价软件的开发与应用 123 fa ceo ftheminebyus ingthe multi-fa cto rco uplingeva lua tio ns o ftwa re Theres ults s ho wtha tthe wo rking fa ceha s a mo dera teris klevelo fro ckburs t，a ndtheris ka rea includes s ixgenera lris ka rea s，threemo dera te ris ka rea s a ndo nehighris ka rea Theso ftwa reca na ccura telyreflectthedegreeo fco a lminero ckburstrisk， impro vetheo pera bilitya ndpra ctica bilityo ftheexis tingeva lua tio n metho ds，a ndimpro vethea ccura cya nd scientificna tureo fthero ckburstriskeva lua tio n Keywords ro ck burst； risk ra ting； eva lua tio n so ftwa re； co a l mine 冲击地压是由米矿活动引起的一种动力现象, 是采掘过程中形成的扰动能量在煤岩中积累、演化、 释放的动态过程’作为煤矿开采活动中最严重的动 力灾害之一，严重威胁着矿山安全生产和广大职工 的生命安全。随着煤矿开采深度的增加，冲击地压 对采矿活动的影响愈加突出⑴，加强对冲击地压防 治技术的研究，并针对煤矿现场实例，探索有效的现 场实用技术，进行冲击地压评价预测分析，对冲击地 压事故的防治具有十分重要的现实意义。冲击地压 危险性评价是防治技术和预测预警的基础，只有做 出正确的冲击危险性评价才能采取合理的防治技 术,并建立相应的预测预警体系’目前，国内冲击地 压矿井常用的评价方法大致可以分为实验室及现场 实测方法、数值模拟及相似材料模拟方法和多指标 综合评价方法三类实验室及现场实测方法包括 冲击地压倾向性鉴定3、钻屑法⑷、煤岩体变形测量 法5、微震监测法6、煤岩体应力测量法7等。数值 模拟法基于FLAC8、UDEC9、ANSYS）10*等数值 模拟软件展开，相似材料模拟方法口1*在实验室展 开,两种方法限于模型的比例大小和人为因素影响， 通常只作为辅助手段，很少应用于冲击地压的实际 评价中。多指标综合评价方法包括综合指数法）12、 数理化理论法［13］、模糊物元评价方法）14*、模糊综合 评价）15* *、可能性指数法）16* *等。冲击地压危险性评价 的方法很多，但是实际操作受多种因素影响，存在一 定的难度。 基于此，综合考虑影响冲击地压的多重诱因，本 文编制了煤矿冲击地压危险性的多因素耦合评价软 件，该软件是对综采（放）工作面进行危险性评价的 应用软件。软件运用科学的方法，对矿山生产这一 复杂的大系统内各个影响因素进行全面、综合的考 虑，通过各级影响指标的定量描述，采用多因素耦合 方式进行评判，得到科学的综合评价结果。该软件 的应用，有利于决策者对矿山综采（放）工作面异常 来压情况进行及时发现，消除潜在的事故隐患，对提 升矿山安全管理水平，保障矿山安全有着重要意义。 1多因素耦合分析法 多因素 合 析 是 一 复杂的多目 策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准 则，进而分解为多指标（或准则、约束）的若干层次， 通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序（权数） 和总排序，以作为目标（多指标）、多方案优化决策的 系统方法［17］。其核心内容包括以下几个部分。 1）建立多指标结构模型。把复杂的多指标问 题分解成多个目标元素，根据不同的属性将其分成 若干组，形成不同的层次，同一层次的元素通常支配 下一层次的一些元素，又受上一层次的元素支配，层 次之间的支配关系不一定是完整的，可能有一些元 素在下一级并不控制所有的元素。本文将煤矿冲击 危险程度评价作为目标元素，开采深度、煤岩结构、 地质构造、覆岩空间结构、煤柱诱发五个因素作为子 元素。 2）构造两两比较判断（成对比较）矩阵。在建 立多指标结构后，确定了子目标元素与冲击地压危 险程度目标要素之间的隶属关系，以目标要素C,为 准则，相对下一级要素A1,AZ，-,A„为主导关系， 在标准C,下根据相对重要性对A1,AZ，-,A„赋予 相应的权重，见式（1）。 UU1U1U2U1B1Bn U UU2U2U B3B2Bn A U UU及B3 B3 B3Bn1 UU1UU 2BnB 3BnBn_ 式中A为判断矩阵;B,为判断指标。 3） 计算单一准则下元素的相对权重。采用和 法进行计算权重，其主要步骤包括判断矩阵A的 元素按列归一化；将A的元素按行相加；所得到的 行和向量归一化得排序权特征向量W,见式（2）；最 后根据式（3）计算最大特征值爲a x。 K1K2,K3,6K”* （2） 式中 为特征向量;K,为权重。 心x （3） 仁-nW/ 式中“ma x为最大特征值；）为判断矩阵； 1 000m 叵 3 3 0.3 3 3 3 3 0.3 3 3 3 3 「多构因素权重（*） B4 权重Wt |H843 78i| B2 权重W2 |如253| B3 权重W3 卜202216|B4 权重W4 ”2140351 B5 权重W5卜 243171 冲击地压危险性系数（ （S） W2E2 W3E} 艮 晒屍 开采渾度B1 O 500m | T O 500-600m I* O 900-1000m |-9 jv| -地质构造B3 O fit层和向斜构造I“ IS -覆岩空间结构B4煤柱诱发B5-选定影响因子（E） 开采深B（E1） O应为集申系敎＞3 同煤柱诱发（E5）; -煤岩结构B2 坚硬顶板或底板 O相变带 ＞断层、褶曲 O向斜构造轴部 无影响 O无煤拄影响 煤岩结构佢2） 潁岩空间结构（E4） I o 判斷矩阵及杖向董 O老顶初次来压 O双工作面见方 应力集中系S1 -6-2叵 O应力集中系数2-2』叵 O应力集中杀數2.O3叵 地质构造（E3） 图图1软件主界面软件主界面 Fig. 1 Software main interface 2.2多因素评价指标确定 煤矿 地压危险性多因素耦合评价软件评价 深度、煤岩结构、地质 、覆岩空间 结构、煤柱诱发五项，相对应的影响因子取值如图2 所示。 深 7个取值 ，开采深度越深， 因子越大。煤岩结 5种结构，煤岩结构 越复杂，影响因子越大。地质构造包括5种构造，地 质构造越复杂，影响因子越大。覆岩空间结构主要 针对矿压显现时期和显现结果，包括5种结构，影响 因 小 矿压规律选择合适的值。煤柱诱发主 要是 力集中 ，应力集中 越大，影响因 越 2.3 地压 险等级 1 地压 险 的 级， 级 第8期张尔辉等煤矿冲击危险性多因素耦合评价软件的开发与应用 125 据参考文献和文献）8*。其中冲击地压危险等一般危险性、中度危险性、高度危险性，其危险指数 级分为A、B、C三个等级，对应冲击地压危险状态为 见表1。 1 000 m 1.0,0.95,0.9,0.85,0.8 无坚硬顶底板C接近于0,有满意的一致性； CR越大，不一致性越严重。不同危险程度的最终 评价结果显示具体数值及冲击危险程度，具体包括 一般危险性、中度危险性和高度危险性。依据评价 结果采取形影的防治措施，具体冲击危险程度与冲 击危险评价指数的对应关系见表1。 2.4软件功能实现及运行流程 操作人员需预先进入“评价参数录入”界面, 根据实际矿山数据，选择五项评价指标合适的基 本信息和指标危险系数；然后录入相应的评价指 126 中国矿业第29卷 信息，软 选定影响因子E和影 因素权重W, 4 地压危 险性 S；最后显示评价结果界面。其评价过程 如图3所示。 煤矿冲击危险性评价 多因素耦合评价 开采深度 煤岩结构 地质构造 覆岩空间结构 煤柱诱发 判断矩阵 权重向量 影响因子 危险系数 耦合评价结果 确定危险区域 提前采取预防措施 图3评价方法技术路线 Fig. 3 uation technical route 3应用实例应用实例 3.1工程概况 矿作为我国的特大型矿井。自2003年, 在采掘期间多次发生较严重的 地压 ，数百 米巷 ，损坏单体支柱 ，给矿 生 产 威胁「门o 该矿某工作面煤层厚度1. 2〜3 6 m,东、西邻 近 。由 周围的 煤柱的 ，该 工作面存在 地压威胁问题，需要 险性评 价，以便提前采取防治 。工作面平面图如图4 所示。 图4工作面平面图 Fig. 4 Working face floor plan 3. 2软件评价流程及评价结果 工作面地质资 析，确定评价参数开 采深度、煤岩结构、地质 、覆岩 结 煤柱诱 发的取值 及 ，选择危险 ，通过软件 ，对工作面 地压危险因素 综合性评价。 2中的 ，双击软件，进入软件主界面 图1,在主界面中依次录入 参 ，选择合 的参数取值 。 “Ca lcula te.钮，进彳多因素耦合计算，并 弹 结果窗口，显示一致性结果与最终评价结 o由评价结 矿某工作面的 险 性评价结果。通过多因素耦合评价 工作面 ’ 宏观评价，该工作面冲击地压危险状态等级评定为 中等 险性，能够发生 地压，根据工作面冲 击地压危险性的多因素耦合评价，确定了不同危险 程度的 。 的 是 具 的、动 的、综合的，由于有 经验，因此，属于 半定量的评价方法， 较准确地确定危险区的 险性。 表2工作面冲击地冲击地压危险性评价指标及冲击危冲击危险指数 Table 2 Risk assessment index and risk index of /mpactpresure/nwork/ngface 因素地压险 因素险 开采深度采深为615〜702 m 无直接顶，老顶为细砂岩及中粉 04 煤岩结构 砂岩，坚硬稳定 揭露落差13〜4. 6 m的断层 03 地质构造 15 06 覆岩空间结构无 00 煤柱诱发工作面中部留有长200 m煤柱 05 33 工 作 面 地 压 险 地质 软 评 价 结 析 ， 确 定 工 作 面 能发生 地 压 ， 地 质 发 地压的危险 图5a ；随着工作面的回采, 根据该矿的开采经验，老顶初次来压步距在60 m 左右,综合考虑断层的影响，确定危险 图5b； 当工作面到回采220 m左右，范围为200〜230 m, 入工作面 阶段,综合考虑附近 断层影响, 确定危险区见图5c； 到断层和老顶断裂的 ，该阶段确定的危险 图5d；老顶周期 压 前 后 ， 工 作 面 前 70 〜100 m 险区的危险性。当工作面推过煤柱区后，工作面的 险 主要 C 覆 岩 结 的 ， C 覆 岩结构的运动规律，确定的冲击危险区域见图5e； 工作面在煤柱的两边存在 , 容 第8期张尔辉等煤矿冲击危险性多因素耦合评价软件的开发与应用 127 易发生冲击地压，其危险区域见图5f。 地压危险性的多因素评价，对危险 、危险程 合分析。通过耦合分析 结果，将该工作面 10 险区域，如图6所 , 顺时 1〜 10,将这 些区域按危险程度划分为三类一般危险区域6个, 1、 3、 5、 6、 8 10；中度危险区域3个，包括区域2、区域7和区域 9；高 险 1个， 7。该工作面综合 险程 中 险性 a 地质构造与冲击地压危险区b老顶初次来压与冲击地压危险区 c工作面见方与冲击地压危险区d双工作面见方与冲击地压危险区 f C型覆岩结构影响的冲击危险区 图5 多因素诱发冲击地压危险区多因素诱发冲击地压危险区 Fig. 5 Multi-factor induced rock burst hazard area 图6多因素耦合多因素耦合评价冲击危险区冲击危险区 Fig. 6 Multi-factor coupling uation of impact hazard area 4结论结论 1 以MATLAB软件为编程语言，利用图形用 户界面GUI,编制了煤矿冲击地压危险性多因素 合评价软件。 深度、煤岩结构、地质构造、 覆岩 结构、煤柱诱发为评价 ，实 煤矿冲 地压 险性多因素 合评价。 2 矿 工作面 评价 ， 用煤矿 地压 险性多因素 合评价软 地 压危险性评价，确定 矿的 地压危险性等级 为中 险。评价结 证 软件的准确性和实 用性， 软件的评价结 矿 生产具有 一定的 。 3基于煤矿冲击地压危险性多因素耦合评价 软 的评价结 ， 矿 工作面 险 128中国矿业 第29卷 域划分为6个一般危险区域、3个中度危险区域和1 个高度危险区域。 ■ 参考文献 1*应用多因素层次分析法评价冲击地压危险性C*中国煤炭 机械工业协会第三届全国煤矿机械安全装备技术发展高层 论坛暨新产品技术交流会论文集中国煤炭机械工业协会 煤炭科学技术编辑部2012100104. 2*欧阳振华，樊少武，齐庆新，等煤矿冲击地压危险性综合评 价系统幵发*煤矿安全2012,4310 97-100. OUYANG Zhenhua , FAN Sha o wu,QI Qingxin, et a l. Devel- o pmento fco a lminero ckburstriskco mprehens iveeva lua tio n systemJ*Sa fetyinCo a lMines2012,4310“97-100 3*王炯，崔家森，郝育喜，等.红阳矿区12,煤层及其顶板冲击 倾向性试验研究*中国矿业，2016,255 70-73,01. WANGJio ng,CUIJia sen,HAO Yuxi,eta l Experimentstud y o n bursting lia bility o f 12 , co a l a nd ro o f ro ck o f Ho ngya ng co a l mine[J*. China Mining Ma ga zine,2016,25⑸ 70-73,101. 4*成云海，姜福兴,胡兆锋，等.埋深千米综放采场沿空巷道冲击 地压防治研究J*.岩石力学与工程学报,2016,35 S1 3000-3007 CHENG Yunha i,JIANG Fuxing,HU Zha o feng,et a lPreven- tio na ndco ntro lo fco a lbursto ngo b-sideentryindeepco a l sea m wth fully mecha nized sublevel ca ving mining*. Chi- neseJo urna lo f Ro ck Mecha nicsa nd Engineering,2016,35 S1“3000-3007 5 *舒彦民.新兴煤矿冲击地压防治方法研究D*.北京中国矿 业大学北京2016. 6*刘旭东，张玉良，田向辉.基于微震监测的近直立特厚煤层冲 击危险区域划分*煤炭工程2020,521 70-74. LIU Xudo ng,ZHANG Yulia ng, TIAN Xia nghui Cla ssifica tio n o f ro ck burst risk zo ne o f steeply inclined a nd extremely th7ckco a lsea m ba sed o n m7cro se7sm7c mo n7to r7ng J* .Co a l Eng7neer7ng 2020,521 70-74. 7 *张宁博，王建达，秦凯，等基于一孔多点式应力与位移监测系 统的掘进巷道冲击危险性评价技术研究J/OL*.煤炭学报, 2020 1-11 ZHANG Ningbo,WANGJia nda,QIN Ka i,eta lTheeva lua - tio ntechno lo gyo fco a lbumpris kinexca va tio nro a dwa yba sed o n multi-po intstressa nddispla cementmo nito ringsys temJ/ OL* Jo urna lo fChina Co a lSo ciety 2020 1-11 8 *景帅.冲击载荷下深埋特厚煤层顺槽围岩变形规律与支护技 术研究[D*.西安西安科技大学2019. 9 *王铁林，谢鹏飞，刘洋基于UDEC巷道掘进矿压显现的数值 模拟*世界科技研究与发展2012,45769-771. WANG Tielin,XIEPengfei,LIU Ya ngNumerica lsimula tio n studyo nstra ta pressureregula rityindriftingba sedo n UDEC [J*. Wo rld Sci-Tech Resea rch Develo pment, 2012,345 769-771 10* 唐巨鹏，李英杰，潘一山.阜新五龙矿深部冲击地压ANSYS 有限元数值模拟*防灾减灾工程学报20053271-274. TANG Jupeng, LI Yingjie,PAN Yisha n Numerica lsimula - tio no fdeep-levelro ckburstus ingANSYSFEMso ftwa reJ* Jo urna lo f Disa ster Preventio n a nd Mitiga tio n Engineering, 20053 271-274 11*崔峰，杨彦斌,来兴平，等.基于微震监测关键层破断诱发冲击 地压的物理相似材料模拟实验研究J*.岩石力学与工程学 2019,384 803-814 CUI Feng, YANG Ya nbin, LAI Xingping, et a l. Simila r ma te- ria lsimula tio nexperimenta lstudyo nro ckburstsinducedby key stra tum brea king ba sed o n micro seismic mo nito ringJ* Chines eJo urna lo fRo ck Mecha nicsa ndEngineering 2019,38 4 803-814 12*杨光宇，温经林，李琳，等.特厚煤层巷道冲击特征及冲击危险 性评价方法研究J*.中国安全生产科学技术，2019,155 92-98 YANG Gua ngyu, WEN Jinglin,L IL in,eta l Study o nro ck burst cha ra cteristics o f ro a dwa y in extra -thick co a l sea m a nd riska ss essment metho do fro ck burstJ* Jo urna lo fSa fety Sciencea ndTechno lo gy 2019,155 92-98 13*雷毅.矿井冲击地压危险性评价方法的探讨C*中国职业 安全健康协会首届年会暨职业安全健康论坛论文集.2004 384-386 14*曾繁慧，张晶，汪北方，等.煤矿冲击地压危险性模糊综合评价 J* 工程技术 学学 学 ,2018,371 205-209 ZENG Fa nhui, ZHANG Jing,WANG Beifa ng, et a l. Fuzzy co mprehensiveeva lua tio no fro ckburstris kinco a lmineJ* Jo urna lo f Lia o ning Technica l University Na tura lScience Editio n 2018,371 205-209 15*杨军，石海洋，娄浩朋，等.模糊综合评价模型在冲击等级判定 中的应用*中国矿业，2016,251 83-86. YANGJun,SHIHa iya ng,LOU Ha o peng,eta l Thea pplica - tio n o f fuzzy synthetic eva lua tio n metho d o n the gra de o f ro ck burst tendency*. China Mining Ma ga zine,2016,251 83-86. 16*魏振全.残采煤柱工作面冲击地压危险性分析与防治技术 J*.煤炭科学技术，2016, 44122832. WEIZhenq ua n Da ngera na lysisa ndpreventio ntechno lo gyo f minepres surebumpfro mres idua lco a lpila rminingfa ceJ* Co a lSciencea ndTechno lo gy 2016,4412 28-32 17*许树柏实用决策方法层次分析法原理[M*.天津天津大学 ,1988 8*岳宁，金思德，张自发.工作面冲击危险综合指数法评价应用 实践J*.煤矿现代化，20115 19-20. YUE Ning,JIN Side,ZHANG Zifa Applica tio n o fco mpre- hensive index metho d fo r eva lua ting wo rking fa ce impa ct ha z a rd*. Co a l Mine Mo derniza tio n ,20115 19-20.