基于融合赋权-云模型的煤矿冲击地压危险性评价.pdf

Vol. 29 , No. 6 June 2020 第29卷第6期 2020年6月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 基于融合赋权-云模型的煤矿冲击地压危险性评价 王崇革，方洲，金云灿，孙悦 （山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛266590） 摘 要冲击地压作为煤矿生产现场的典型动力灾害，给煤矿安全生产带来极大威胁。本文提出一种新 的权重融合方案，将层次分析法与CRITIC赋权法相结合，实现主观赋权和客观赋权的结合，减小融合后的 权重值与评价指标实际权重值的偏差。结合煤矿现场实际，建立包括煤岩物理力学因素、地质因素等4个 一级指标，单轴抗压强度、自重应力等23个二级指标的融合权重-云模型煤矿冲击地压危险性评价模型（ 经兖矿集团某煤矿的现场实践，该模型评价结果与煤矿现场冲击地压防治实践得出的结果相吻合，融合权 重-云模型煤矿冲击地压危险性评价模型具有较好的适用性（ 关键词煤矿；冲击地压；危险性评价；融合赋权；云模型 中图分类号TD324 文献标识码A 文章编号1004-4051（2020）06-0097-07 Risk assessment of coal mine rockburst based on the combination weighing-cloudmodel WANGChongge, FANG Zhou，JIN Yunca n，SUN Yue Col ege of Civil Engineering a nd Architecture Sha ndong University of Science a nd Technology Qingda o266590 China Abstract As a typica l dyna mic disa ster in coa l mine production site, rockburst poses a grea t threa t to the sa fetyofcoa lmineproduction Thispa perproposesa new weightfusionschemewhichcombinesa na lytic hiera rchyprocess with RITIC weighting rea lizes the combina tion ofsubjective weighting a nd objectiveweightingreducesthedevia tionbetweentheweightingva luea fterfusiona ndthea ctua lweighting va lueofeva lua tionindex Accordingtotheinvestiga tionofthea ctua lsitua tionofthecoa lminesitea ndthe rela tedlitera turetheriska ssessmentmodelofcoa lminerockburstisesta blishedwhichincludesfourfirst- cla ssindexsucha sphysica la nd mecha nica lfa ctorsofcoa lrocka ndgeologica lfa ctors a nd23second-cla ss indexsucha sunia xia lcompressivestrengtha ndgra vitystress Throughthefieldpra cticeofa coa lminein Ya nkua ngGrouptheeva lua tion results ofthe modela reconsistent withtheresults ofthe pra cticeof preventiona ndcontrolofrockburstinthefieldofcoa lmine a ndthefusion weightcloud modelcoa lmine rockburstriskeva lua tion modelha sthea dva nta gesofa da pta bility Keywords coa l mine； rockburst； risk a ssessment； fusion of empowerment； cloud model 2018年10月20日，山东龙郛煤业发生重大冲 击地压事故，造成21人死亡,1人重伤，煤矿冲击地 压事故再一次引起人们的重视。冲击地压亦称为岩 爆，是在煤岩体中的弹性能集聚到极限时，破碎的煤 岩体伴随着震动和巨大声响从煤壁中弹射而出，形 成煤矿生产过程中一种典型的动力灾害。冲击地压 发生具有影响因素多、情况复杂多变、影响损失大、 预测防范难度高等特点，且冲击地压发生时往往伴 随着其他次生灾害，如煤尘或瓦斯爆炸、顶板大面积 来压、矿井水灾害等，严重影响矿井的生产和人员安 收稿日期收稿日期2019-11-25 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青年科学基金项目资助（编号“1504145）；山东省重点研发计划项目资助（编号“017GGX20125） 第一作者简介第一作者简介王崇革（1970 ）,男，汉族，山东R城人，教授，主要从事工程结构理论、设计方面的研究工作,E-ma il;chgewa ng 163. com. 通讯作者简介通讯作者简介方洲（1994 ）,女，汉族，山东泰安人，硕，硕士研究生，主要从事结构理论、设计方面的研究工作,E-ma il;15254200809163. com. 引用格式引用格式王崇革，方洲，金云灿，等.基于融合赋权-云模型的煤矿冲击地压危险性评价）］.中国矿业，2020,29（6） 97-103. di 10. 12075/j. issn 1004-4051 2020 06 019 98中国矿业 第29卷 全。近年来，随着国家供给侧结构改革的推进，煤矿 企业去产能正稳步开展，一些生产条件差、技术落后 的矿井被关停或者整合，煤矿企业的安全生产状况 得到很大改善，但随着我国煤矿浅部资源的日益枯 竭，煤矿开采向着深部发展，受到深部地质条件的影 响，以冲击地压为代表的煤矿事故进一步增多，危害 性也越来也大。2018年5月国家煤矿安全监察局 印发的防治煤矿冲击地压细则中第十四条规定 开采具有冲击倾向性的煤层，必须进行冲击危险性 评价。因此，针对煤矿进行冲击地压危险性评价研 究已是刻不容缓。 目前煤矿冲击地压危险性评价的研究较多，国 内外许多专家、学者针对冲击地压评价的研究已取 得较多的研究成果，冲击地压的评价体系日渐完善 史俊伟等m将灰色关联理论与分析理论相结合，构 建GRA-SP A-EW冲击地压评价模型，并经现场验 证，取得较好的效果；张凯等閃利用神经网络模型， 对冲击地压发生的影响因素进行分析，构建了冲击 地压危险性的ANN评价方法；付建华等“*采用专 家评分方法优化冲击地压评价指标，构建冲击地压 危险性的模糊层级评价体系；艾川⑷根据葫芦素煤 矿的地质特点，提出构建冲击地压危险性的模糊综 合评价模型;朱峰等将曰层次分析法与爛权法相结 合，应用组合赋权的方式对冲击地压评价模型的基 表权重进行确定，确保了主客观权重的一致性，并构 建AHP -EW-TOP SIS冲击地压评价模型，根据现 场检验结果证实该评价模型的有效性。 本文基于现有的煤矿冲击地压危险性的研究成 果,提出一种新型的冲击地压评价模型，以期更好地 适应煤矿现场冲击地压的评价研究，为今后煤矿开 采防范冲击地压提供一定的借鉴。 1冲击地压评价体系的构建冲击地压评价体系的构建 冲击地压的发生条件十分复杂，煤岩体力学特 性、开采深度、地质构造、煤岩结构、开采技术因素是 引发冲击地压的主要因素，煤矿冲击地压安全管理 因素配置不合理,会加大冲击地压造成的损失，危及 人员生命安全，造成煤矿巨大的财产损失。而合理、 高效的安全评价体系，可有效预测冲击地压的发生， 提前采取卸压等方式，避免冲击地压发生，降低冲击 地压造成的损失。通过查阅中国知网2015〜2019年 收录的部分冲击地压危险性评价的相关文献［615］，并 实地调研山东能源集团、兖州矿业集团、济宁矿业集 团三家煤矿生产企业，分析冲击地压发生的机理，得 出冲击地压的主要影响因素包括四个方面。 1）煤岩力学因素是造成冲击地压发生的主要 因素，这是因为冲击地压的发生主要是煤岩体内积 聚的能量超过煤岩体破坏所需要的能量时，煤岩体 向外抛出而发生的。 2） 地质因素，基于大量的研究表明，冲击地压 的发生和其所处地应力条件密切相关，地质因素也 是造成冲击地压发生的关键因素。 3） 开采技术因素的临时介入，打破煤矿原有平 衡状态，诱发煤岩体振动异常而激发煤矿冲击事件 的发生［16］。 4） 安全管理因素在冲击地压的预防和控制过 程中必不可少，合理有效的管理措施可以降低冲击 地压的影响，继而减轻冲击所造成的人员伤亡和财 产损失。 基于以上影响因素，将现场冲击地压危险性评 价因素中的煤岩力学参数、包含地应力因素的地质 因素、包含开采厚度的开采因素等按照冲击地压发 生的内因、外因进行分类，提出以煤岩物理力学因 素、地质因素、开采技术因素、安全管理因素4个一 级指标，将一级指标的包含形式以单轴抗压强度、自 重应力、构造应力、区段煤柱宽度、防冲专项资金投 入等23个二级指标具体体现，构建冲击地压危险性 评价体系。冲击地压危险性评价体系详见表1（ 表1冲击地压危险性评价体系 Table1 Riskasesmen4 sys4 emofrockburs4 一级指标二级指标 煤岩物理力学因素X1 单轴抗压强度X1 1 煤层冲击能量指数X1 2 煤层弹性能量指数X1 3 煤层动态破时间X1 4 地质因素X2 自重应力X21 X22 边界残余应力X23 侧向支撑压力X24 区段煤柱的宽度X25 巷道支护方式因素X26 顶板管理方法X27 工作面与采空区的关系X28 工作面卸压情况X29 开采技术因素X3 开采煤层厚度及变化情况X3 1 开采煤层倾角及变化情况X3 2 坚硬厚层岩层距煤层的距离X3 3 开采煤层埋深X3 4 区 中 X3 5 安全管理因素X4 防冲专项资金投入X41 防冲安全监测监控X42 人员防冲培训情况X43 专职人员教育程度X44 冲击地压预测预报X45 第6期王崇革，等基于融合赋权-云模型的煤矿冲击地压危险性评价 99 2云模型云模型 2.1 云模型理论 云模型理论是李德毅院士在1995年结合概率 论和 ，提出的 综合评价方法。云模型 有三个数 其数学属性，分 期望、 W、超W「17「20*。如图1所示，期望表示为云图中的峰 置,W表示为云的宽度，超W表示云的离 况。 图图1云模型数字特征示意图云模型数字特征示意图 Fig. 1 Digital characteristic diagram of cloud model 2.2评价云模型Cp 将评 中第1个待评价的指标的评估数据 按照云发 原 取云模型的数 ，其评价 云模型的数值特征可以表示为式（1）〜（4）。 ⑴ 2 3 S2 -- a, X）2 （4） 111 式中Ecp、Ecp、Hcp分别为评价云模型的期望 值、W、超W； s2为 方差；51为第1个评估数据； - 为 数据。 2.3综合评价云模型 将评价云模型与权重相结合，生成能够反映评 的综合评价云模型，其综合评价云模型的数 值特征可以表示为式（5）〜（7）。 Ex （5） 11 He ）Hc, （7） 11 式中）为指标的综合权重；Ex、En、He分别为综 合评价云模型的期 、W、超W。 3融合权重融合权重 3.1 主观赋权方法 层次分析法（AHP）是一种主观赋权方法，将复 杂的问题 为单层问题，其 主要为通过评价 素间两两 ，根据1〜9 依次求 的权重向量，牛 和 向量; 据表2随机 证 的 性。 主观权重向量表示为式（8）。 U, E1 （8） E 11 式中，両为判断矩阵行乘积的-次开方值。 Table 2 RI value standard table 表表2 RI取值标准表取值标准表 数123456789 101112 RI00 0 5809 1. 121. 241. 321. 41 1 45 1. 49 1 52 1. 54 数 131415161718192021222324 RI1. 56 1 58 1. 59 1 5943 1. 606 41. 613 31. 620 7 1 6292 1. 638 5 1 6403 1. 646 2 1 6497 3.2客观赋权法 CRITIC赋权法是利用评价指标间的对比强度 和冲 性 量 权 的 客 赋权方 法［21-23］（主要通过依次计算评价指标的标准差、冲 量化值和指标信息量 得出客观权 ，表示 为式（9）。 U, （9） G1 11 式中，G为指标信息量。 33 权 主观赋权层次分析法确定权重时主观性较强, 客观赋权CRITIC赋权法又容易受到指标实测误差 的 ，权重融合方法的 思 极小佻 的权 与 权 的偏差，使预测 和实际 更为接近。将层次分析法得出的主观权重与 CRITIC赋权法的处的客观权重进行融合，其过程 可由式（10）表示。 100中国矿业 第29卷 儿-10 1 1 式中a为主观权重0为客观权重。 4评价 确定及评价 评价 确定及评价 4 .1评价等级的确定 根据煤矿 冲击地压防治的特点，本文 采用5级评价语言C {C1 ,C2 C C4 C5 6对冲击 地压评 性评价，其中，C1为安全等级 0.8VC*1,C2 为较安全等级0. 6VC*0. 8, C3为中等等级0. 4VC*0. 6,C4为较危险等级 0.2VC*0.4,C5 为危险等级 0Vc*0.2。通过 MATLAB软件将评 于云 ，得到云模 型评 图2所示。由于风险云的数 通 过等级区间求得，故风险评 据期望Ex所 处等级 18* 42 评 赋权-云模型冲击地压危险性评价模型的 评 图3所示。 1.0 - 0.9 - 0.8 - 0.7 - 悭 -6 一 0.5 - 彌 0.4 - 0.3 - 0.2 - 0.1 - -0.2 危险较危险中等较安全安全 Illy .It ft li M 11 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 安全评价值 图图2云模型评语集云模型评语集 Fig. 2 Cloud model review set 图图3冲击地压危险性评价流程图冲击地压危险性评价流程图 Fig. 3 Flow chart of rockburst risk assessment 5现场实践现场实践 5 .1 工 兖州矿业 矿位于山东省济宁市邹城市, 该矿从2001年发 量的冲击地压事故以来, 2005年和2007年又相继发生了几次能量较大的冲 击事故，其中2001年和2005年的两次事故均造成 人员 ，目前该矿已成为兖州矿业 冲害 的矿井。该矿六采区南部与西部相邻矿井的 采区曾发 的冲击地压或 矿震现 ，对煤矿安全 成了 , 采区开 采 中更 冲击地压的预测。 矿六采区位于井下一 660 m水平，煤层埋藏 深度728. 32〜760 m,埋藏深度较大，煤层倾角5〜 8,煤层厚度3. 20〜3. 40 m,f2〜3；采区内顶底 板 性弱，该矿整个矿区位于兖州向斜核 部，地 为集中，采区 层 发育。 52 评 权 矿六采区的冲击地压影响因素进行调 研, 冲击地压危险性评 权重，通过邮件 方式征求中国矿业大学、山东科 学、西安科技大 学等 冲击地压防治专家及兖州矿业 丨、 济宁矿业 、山东能源 、徐州矿 4家煤 矿 单位中防冲科室副 的专业 人员, 据反馈 。 将 性 ，判断矩阵通过检验，并 计算层次分析法的 权重；后将表中的数据 f 量纲处理，用CRITIC赋权法计算 权重，将 两种赋权法得出的指标权重通过权 公式进行 ，详 3。 5 .3确定综合评价云 据前期专家调研情况，选取20位专家对该矿 各项评 性评价，由评价云模型的 i 评 ， 将专 性评 为 量数据， 并通 式1〜4计算评价云模型的数 ，见表4。 将综合权 与表4的评价云模型的数，征 ，通过式5〜7得出冲击地压危险性评价 型中各评 综合评价云模型的数 ，见 表5。由表5各二级指标之和得出，该矿冲击地压 危险性评 型的综合评价云模型的数 为 Ex 0. 315,En 0. 136,HE 0. 030o 云特征数值 Ex落在图2云评 的C4等级，该矿的冲击地 危险性评 等级为 危险级 。 兖州矿业 处的地质 殊，旗下所属 矿 部分 为冲 地 矿 ， 济 地 区 的 矿 地质条件复杂，冲击地压时有发生，东滩煤矿、鲍店 第6期王崇革，等基于融合赋权-云模型的煤矿冲击地压危险性评价 101 表表3指标权重指标权重 Table 3 Weights of index Table 4 uation of cloud model numerical characteristics 编号层次分析法指标权重CRITIC赋权法权 X1 10 0500 0640 073 X1 20 0950 0420 092 X1 30 0570 0290 039 X1 4 0 0980 0830 185 X210 0300 0250 017 X220 0280 0240 015 X230 0290 0240 015 X240 0240 0480 026 X250 0300 0280 019 X260 0230 0530 028 X27 0 0280 0400 025 X280 0310 0250 018 X290 0650 0310 046 X3 10 0280 0470 030 X3 20 0290 0290 023 X3 30 0580 0240 032 X3 40 0580 0240 032 X3 50 1000 0260 059 X41 0 0270 0900 051 X420 0250 0360 020 X430 0250 0360 020 X440 0250 0360 020 X450 0370 1370 115 表表4 评价 评价 型的数的数 编号 评价云模型数值特征 C RxCp , RnCp , H K； X1 10200 0 032 0 100 X1 20130 0 019 0 065 X1 30160 0 029 0 079 X1 40120 0 013 0 040 X210350 0 028 0 080 X220400 0 040 0 127 X230310 0 014 0 055 X240360 0 024 0 066 X250550 0 036 0 102 X260540 0 035 0 102 X270530 0 038 0 109 X280240 0 032 0 091 X290410 0 030 0 095 X3 10550 0 036 0 102 X3 20550 0 036 0 102 X3 30240 0 032 0 091 X3 40120 0 013 0 040 X3 50120 0 013 0 040 X410530 0 030 0 090 X420500 0 032 0 100 X430680 0 035 0 118 X440600 0 024 0 078 X450630 0 038 0 119 表表5各指标的综合评价云模型数值特征各指标的综合评价云模型数值特征 Table5 Comprehensiveuationof8loudmodel numeri8al8hara8teristi8sforea8hindex 编号 云模型数值特征 ,EX ,E, H X1 10 015 0009 0 002 X1 20 012 0006 0 002 X1 30 006 0006 0 001 X1 4 0 013 0022 0 002 X210 006 0004 0 001 X220 006 0005 0 001 X230 005 0002 0 001 X240 009 0004 0 001 X250 010 0005 0 001 X260 015 0006 0 001 X27 0 013 0006 0 001 X280 004 0004 0 001 X290 019 0006 0 001 X3 10 017 0006 0 001 X3 20 010 0005 0 001 X3 30 007 0006 0 001 X3 4 0 004 0002 0 001 X3 50 007 0003 0 001 X41 0 029 0003 0 002 X42 0 010 0005 0 001 X43 0 014 0005 0 001 X44 0 012 0003 0 001 X45 0 072 0013 0 004 煤矿均为受冲击地压威胁严重的矿井前期该煤矿 现场委托山东科技大学对正生产的六采区进行煤岩 冲击倾向性鉴定，鉴定结果显示，该采区煤层动态破 坏时间平均值为61 ms,冲击能量指数测试平均值 为5.38,弹性能量指数测试平均值为5.28,单轴抗 压强度的测试平均值为14. 48,综合判定该采区所 采煤层的冲击地压危险性为强冲击，煤层顶板岩层 弯曲能量指数为227. 27 kJ,属于强冲击倾向性顶 板。煤层底板岩层的弯曲能量指数为44. 57 kJ,属 于弱冲击倾向性底板。本文应用融合赋权-云模型 冲击地压评价模型，考虑不同影响因素条件，融合主 观赋权法和客观赋权法，将各指标权重进行更为合 理的分配，确定出该矿的冲击地压危险级别为较危 险级别，该结果与煤矿现场长期生产过程中得出结 果相适应,预测结果较为准确。 采取局部解危措施是局部高危地区进行掘进或 采煤活动的前提。针对六采区存在的冲击地压严重 问题，提出以爆破断顶、煤层注水以及大直径卸压孔 三种措施进行解危处理。爆破断顶钻孔参数为钻 102中国矿业 第29卷 孔单排布置，开孔位置距开切眼后帮1 m,钻孔直径 75 mm,孔间距3 m,孔深12 m,顺切眼方向倾角 60。煤层注水方案是使用CMS1-1400/30型履带 式液压钻车在面帮煤体施工钻孔，每10 m布置一 个孔，孔径89 mm,孔深30 m,开孔位置距离底板 1.0〜1.5 m,沿煤层倾角施工。大直径卸压孔施工 参数为间距3 m,深度22 m。通过采取局部解危措 施，提前释放应力，改变煤体塑性等减少应力的积 聚，消除或降低局部高危区域的冲击威胁。 6结论 1 选取了煤岩物理力学因素、地质因素、开采 技术因素、安全管理因素4个一级指标，单轴抗压强 度、自重应力、构造应力、区段煤柱宽度、防冲专项资 金投入等23二级指标，构建了煤矿冲击地压危险性 评价体系。 2 将层次分析法与CRITIC赋权法相结合，构 建主观赋权与客观赋权相结合的融合权重赋权法, 减小了融合后的权重值与基本权重值的偏差，使预 测结果和实际情况更为接近。 3 通过将融合权重-云模型冲击地压评价模型 应用于兖矿集团某矿的冲击地压评价实践中，该矿 的冲 地 危险性评 为 危险级 ， 与 矿 的实际情况相吻合，说明融合权重-云模型冲击地压 评价模型具有较好的适用性。 ■ 参考文献 1 史俊伟，孟祥瑞，吴昌友，等.GRA-SP A W权决策模型在冲击 地压风险评价中的应用HJ1中国安全科学学报，2018,286 173-178 SHIJunweiMENG Xia ngruiWU Cha ngyoueta l Applica - tionofGRA-SP Aentropyweightdecision modelinrockburst risk a ssessment [J *. 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