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王恩博 孙耀光 高 宇
(同煤集团金庄煤业)
底抽巷围岩稳定性与瓦斯抽采效果是影响底抽巷位置的重要因素［1］。底抽巷的作用主要是布置钻场，进行瓦斯预抽采，多用于防突工程。此外，底抽巷一般先于回采巷道开挖，其开挖的卸压作用能够影响后续采煤活动的采场矿山压力分布，减轻回采巷道的破坏程度［2］。但是，回采巷道的开挖引起底抽巷围岩应力再次改变，使得底抽巷围岩破坏加剧［3］。因此，底板瓦斯抽放巷的位置选择是一个较为复杂的决策过程。因评价指标不确定、难以定量描述物理指标以及人为选择倾向，底抽巷的位置选择极具主观性和模糊性。
传统的底抽巷位置选择往往考虑单方面因素或主观经验，难以确定出最佳位置方案。通过层次分析，尽可能考虑影响底抽巷位置的主要因素，划分、建立因素的层次关系，并定量表示相同层次指标的相对重要性，依据数学方法确定相同层次元素的权值，根据模糊评价理论，建立底抽巷位置选择的评判模型，确定最佳位置方案［4］。
首山一矿采用底板岩巷穿层抽采、水力压裂以及深孔爆破等措施掩护煤层平巷掘进，取得了一定效果。但由于底抽巷和煤层平巷的相对位置选取不合理，目前存在的问题:①钻孔终孔位置准确率偏低，瓦斯抽放效果较差，防突可靠性降低，煤巷掘进速度慢;②煤层平巷掘进和工作面回采引起底抽巷围岩应力再次改变，导致锚杆、锚索的受力状态发生改变，底抽巷变形破坏严重。为了充分发挥底抽巷作用，需对底抽巷位置进行评价，实现矿井的安全高效生产。
1 底抽巷位置选择评价指标体系
首先建立评价指标体系。评价指标体系应遵循合理性、准确性与科学性，以尽量少的指标、尽可能全面反应评价对象的主要信息［5］。从底抽巷围岩稳定性与瓦斯抽采效果角度出发，建立底抽巷位置选择评价指标体系，如表1所示。
表1 底抽巷位置选择评价指标体系
在建立了底抽巷位置选择的指标评价体系后，采用层次分析法确定各个指标权重。基于模糊数学及文献［6］，构造比较标度，如表2所示。
表2 比较分值含义
根据各个元素的相对重要性，建立比较判断矩阵Q=(qxy)n×n，其中n为判断矩阵阶数。即:
采用特征根法确定权重向量，即解矩阵Q特征根:
式中，w为最大特征根λmax所对应的特征向量，将w归一化后即得到权重向量。
计算出λmax后需进行一致性检验，以保证评判结果与实际状况符合。一致性检验指标:
式中，RI为平均一致性指标，取值见表3。
表3 平均随即一致性指标取值［7］
当CR＜，判断矩阵Q的一致性满足要求，否则应调整Q，直至CR＜。
2 二级模糊评价模型
建立二级模糊评判模型，需要确定方案集G、因素集U、隶属阵T以及因素权重集w。对于方案集G={G1，G2，G3，…，Gn}，其中任一方案 Gj(j=1，2，…，n)都是因素集上的 m 维向量:Gj={Gj1，Gj2，Gj3，…，Gjn}。因素权重集 w={w1，w2，w3，…，wm}表示各因素的重要程度，并有
采用隶属函数法确定定量指标的隶属度［8］。设m个定量指标的n个方案组成的矩阵为:
定量指标可由收益性指标和消耗性指标组成。例如，对于底抽巷位置选择而言，瓦斯抽采平均浓度、瓦斯钻孔施工准确率、瓦斯抽采量为收益性指标，指标值越大则越有利;巷道顶底板移近量与两帮移近量为消耗性指标，指标值越大则越不利。
对于收益性指标，令tij=kij/maxkij;
对于消耗性指标，令 tij=minkij/kij;i=1，2，…，m;j=1，2，…，n得到目标相对隶属度矩阵:
根据隶属度矩阵T和因素权重w，对方案进行综合评判:
式中，bj(j=1，2，3，…，n)为方案 Gj的综合优越度。
3 应用实例
工程概况
首山一矿己二采区煤层平均埋深750 m， m，煤层倾角6°～14°，煤层顶底板岩性见图1。确定8个备选方案，如图2所示，即底抽巷与回采巷道的垂距5 m和10 m，平距为0，5，10，15 m;分别将方案标为 G1，G2，G3，…，G8。
图1 己15-17煤层围岩状况
图2 底抽巷方案布置(单位:m)
试验结果
基于工程实际条件，采用FLAC3D依次开挖底抽巷和回采巷道，得到不同方案的模拟结果，如图3所示。各巷道顶底板移近量和两帮移近量见表3所示。平距分别为0，5，10和15 m底抽巷的瓦斯钻孔施工准确率、瓦斯抽采平均浓度及单孔瓦斯平均抽采量试验数据进行统计，结果见表4、表5。
图3 巷道变形模拟结果
表4 巷道变形统计 mm
表5 底抽巷瓦斯抽采状况
底抽巷位置选择评判
根据多名专家主观评价及层次分析法，确定各因素权重，建立各个因素的评判矩阵(表6)，并得矩阵最大特征值 λmax=3，CI0=0，得 RI0=，CI0=0＜。因此该判断矩阵满足一致性检验标准，权重向量 w={，，}。
同理，得到二级评价指标权重向量
表6 判断矩阵
各个指标权重排序见表7，底抽巷位置选择的权重向量为:w={，，，，，，}。