CN103454139B - 含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素及重要度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明为避免无效因素过多而无法剔出，影响关键影响因素权重的合理分配，提供了一种基于试验的、开采扰动工作面含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素分析方法，包括：确定开采扰动工作面含瓦斯煤岩体扩容的各影响因素、对各关键影响因素进行两两对比以确定判定矩阵、采用归一化处理方法，建立扩容各关键影响因素的权重集，以及进一步对各关键影响因素权重进行一致性验证。本发明方法具有广泛的实用性，避免了主观给定关键影响因素指标，根据现场观测实验，通过实验室试验分析扩容特征及专家判定标准值，使得分析结果科学、客观、安全可靠。

Description

含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素及重要度确定方法

技术领域

本发明属于煤矿深部开采灾害防控领域，更具体地，涉及一种基于试验的、开采扰动工作面含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素及重要度确定方法。

背景技术

开采扰动工作面含瓦斯煤岩体扩容是含瓦斯煤岩体受采动作用发生体积非线性膨胀变形的现象。工作面含瓦斯煤岩体发生扩容极易诱发煤与瓦斯突出事故发生，给安全生产造成严重影响。

随着采深的增加，工作面含瓦斯煤岩体扩容诱发煤与瓦斯突出事故越发严重，因此，控制含瓦斯煤岩体扩容应弄清开采扰动条件下工作面含瓦斯煤岩体扩容的关键影响因素。特别是各因素对含瓦斯煤岩体扩容影响权重的排序分析。

目前，对开采扰动工作面的含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素的客观、有效的确定方法未见相关研究报道，而常用关键影响因素重要度的确定方法也是首先设计一套影响指标体系，然后通过经验确定各因素的重要性进行分析。由于这些决策因素相互关系复杂，且所需资料缺乏，其分析过程中常常包含着许多不确定性和随机性，使分析结果失去了科学性和合理性，具体问题表现在：

（1）分析因素指标的选取问题

含瓦斯煤岩体扩容是在应力作用下，当应力达到某一定值时，岩石的体积不但不缩小反而增大的一种力学现象，其关键影响因素较多。关键影响因素指标设计者在设计分析因素体系时往往追求指标的全面性，企图追求指标包含全部考察因素，其结果是使分析指标体系过多甚至含有无效指标。另外，无效指标无法采取相应办法剔出，容易导致主要信息丢失而且影响了关键影响因素的权重分配。这要求对分析指标体系进行合理地筛选并采取措施剔出无效指标。现有技术中没有一套方法来指导实际生产实践中，无法确定哪些或哪个因素是重点或哪些或哪个因素可以忽略，这些因素例如包括：原岩应力、瓦斯放散初速度、采动应力集中系数、瓦斯压力、含瓦斯煤岩体内摩擦角、含瓦斯煤的抗压强度，以及瓦斯含量。

（2）分析指标体系中排序的客观性

在权重分配问题上不同分析人员对同一问题的看法往往不同，具有很大的随意性和主观性，分析指标体系的重要性排序缺乏客观性和公正性。

发明内容

为减少现有技术中通常采用主观判断来确定扩容关键影响因素所带来的不准确性，且避免无效因素过多而无法剔出，影响关键影响因素权重集的分配，本发明基于两种试验过程并采用模糊数学分析，提供了一种基于试验的、开采扰动工作面含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素确定方法，包括：

步骤1、确定开采扰动工作面含瓦斯煤岩体扩容的影响因素

步骤1.1、取不同地质赋存条件煤样，测试含瓦斯煤岩体应力应变曲线，分析含瓦斯煤岩体体积应变特征：

1）进行强度试验：测试不同瓦斯压力下含瓦斯煤岩体的单轴应力应变曲线，其中采用荷载加载方式实现不同瓦斯压力的加载，荷载加载过程的加压压差为0.5MPa；

2）进行破坏变形试验：测试不同瓦斯压力下的含瓦斯煤岩体三轴应力应变曲线，观测含瓦斯煤岩体破坏变形过程；

测试含瓦斯煤岩体三轴全应力应变曲线时，在含瓦斯煤岩体试样上的不同方向设置应变传感器，测定含瓦斯煤岩体体积应变，从而观测含瓦斯煤岩体体积应变由压缩转变为非线性膨胀拐点处的应力，即扩容应力；

步骤1.2、分析含瓦斯煤岩体单轴应力应变曲线和三轴应力应变曲线和影响岩石力学性质的因素，确定开采扰动工作面含瓦斯煤岩体扩容的影响因素；

步骤2、分析煤岩体扩容应力、体积应变与所述影响因素之间关系，确定开采扰动工作面含瓦斯煤岩体各扩容关键影响因素；

步骤3、根据工作面含瓦斯煤岩体扩容特征，利用层次分析法原理，对各扩容关键影响因素进行两两对比以确定判定矩阵：

步骤3.1、定义扩容关键影响因素集u=[u₁,u₂,u₃,...u_m]，其中u₁，u₂，u₃，…，u_m为各扩容关键影响因素，m为因素个数，为自然数；

步骤3.2、构建所述评价因素集中各扩容关键影响因素相对重要性情况的判定矩阵

在上述矩阵中，统称评价因素集时用大写U，对于具体的某个评价因素用小写u；

矩阵中的u_ij是根据利用层次分析法原理得到的U_i对U_j相对重要性的数量形式，其中，u_ij的数值是通过分析上述步骤1.1的试验结果得到的对煤岩体扩容的影响程度而给予的相应数值；

在建立判定矩阵时，为尽可能减少主观影响，应当遵循矩阵一致性条件：（1）对角线元素为1；（2）右上三角和左下三角对应元素互为倒数；

步骤4、采用归一化处理方法，建立各扩容关键影响因素的权重集

根据模糊综合判定理论，通过公式（1）～（3）进行归一化处理，得到含瓦斯煤岩体各扩容关键影响因素权重集W_i如下：

$W_{\mathrm{ij}}^{\′}=u_{\mathrm{ij}}/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{ij}---\left(1\right)}$

$W_i^{\′}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w_{\mathrm{ij}}}^{\′}---\left(2\right)$

$W_i=w_i^{\′}/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i^{\′}---\left(3\right)$

步骤5、进一步对各扩容关键影响因素权重集进行一致性验证

通过公式（4）对上述判定矩阵进行一致性验证：根据模糊综合判定理论，当R_c≤0.1时，认为不一致程度可以接受，从而得出客观真实的各扩容关键影响因素权重集排序

$R_c=I_c/I_R,I_c=({\mathrm{\λ}}_{\max }-n)/(n-1)---\left(4\right)$

式中：

R_c——随机一致性比率；n—关键影响因素的个数

I_c——判定矩阵的一次性指标；

I_R——判定矩阵的平均随机一致性指标；

λ_max——判定矩阵的最大特征值。

进一步地，在所述破坏变形试验中，采用位移加载方式是以0.002mm/s、0.004mm/s、0.005mm/s加载速度进行三轴加载试验。

进一步地，所述影响因素包括：原岩应力、瓦斯放散初速度、采动应力集中系数、瓦斯压力、含瓦斯煤岩体内摩擦角、含瓦斯煤的抗压强度，以及瓦斯含量。

进一步地，所述关键影响因素包括：原岩应力、采动应力集中系数、瓦斯压力、含瓦斯煤的抗压强度，以及瓦斯含量。

进一步地，所述步骤3.1中，定义含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素综合评价因素集U包括u₁—u₅，其中：u₁——原岩应力、u₂——采动应力集中系数、u₃——瓦斯压力、u₄——含瓦斯煤的抗压强度、u₅——瓦斯含量。

进一步地，所述步骤3.2中，u_ij取1，2，…，9及其倒数；各数值的含义为：

（1）1，3，5，7，9这五个数值分别表示U_i与U_j之间的重要性从相等开始逐渐递增；

（2）2表示U_i与U_j之间的重要性处于1和3这两个数值所表示的重要性之间，4表示U_i与U_j之间的重要性处于3和5这两个数值所表示的重要性之间，6表示U_i与U_j之间的重要性处于5和7这两个数值所表示的重要性之间，8表示U_i与U_j之间的重要性处于7和9这两个数值所表示的重要性之间；

（3）1，1/3，1/5，1/7，1/9这五个数值分别表示U_i与U_j之间的重要性从相等开始逐渐递增；

（4）1/2表示U_i与U_j之间的重要性处于1和1/3这两个数值所表示的重要性之间，1/4表示U_i与U_j之间的重要性处于1/3和1/5这两个数值所表示的重要性之间，1/6表示U_i与U_j之间的重要性处于1/5和1/7这两个数值所表示的重要性之间，1/8表示U_i与U_j之间的重要性处于1/7和1/9这两个数值所表示的重要性之间。

例如，1，3，5，7，9分别表示U_i与U_j重要性相等，U_i比U_j稍微重要，U_i比U_j重要，U_i与U_j相比很重要和U_i与U_j相比极端重要。

本发明中关于开采扰动煤岩体扩容关键因素分析，主要是找出哪个或哪些因素是导致扩容发生的关键影响因素。分析得到煤岩体扩容关键因素后，根据现场条件和现有的控制技术对关键影响因素进行处理，降低或消除这些关键影响因素对煤体扩容的影响，例如：由于这里采动应力集中系数是关键影响因素，因此，现场技术人员应利用安全生产控制技术采取有效的措施，避免应力集中，如果无法避免也应尽量减小应力集中程度。

本发明的有益效果如下：与已有技术相比，本发明方法基于对实验的过程和结果的分析，避免了主观给定关键影响因素指标，根据实验室试验分析扩容特征（一般包括扩容应力和扩容时的体积应变）和专家判定标准值进行分析，分析结果科学、客观、安全可靠。本发明方法具有广泛的实用性。在遵循矩阵的一致性条件的基础上进行分析，更能真实反映采动含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素及其权重。

具体实施方式

在一个实施例中，本发明的开采扰动工作面含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素及重要度确定方法包括如下步骤：

1、确定开采扰动工作面含瓦斯煤岩体扩容的影响因素

1.1、取不同地质赋存条件煤样，测试含瓦斯煤岩体应力应变曲线，分析含瓦斯煤岩体体积应变特征，所述应变包括煤岩破坏和失稳过程的力学性质。所述测试含瓦斯煤岩体应力应变曲线具体包括如下试验：

首先，进行强度试验：测试不同瓦斯压力下含瓦斯煤岩体的单轴应力应变曲线，其中采用荷载加载方式实现不同瓦斯压力的加载。在一个优选的实施例中，包括4步加载：荷载加载过程的每步加压压差为0.5MPa，每步加载间隔时间分为：1分钟、2分钟、5分钟。

然后，进行破坏变形试验：测试不同瓦斯压力下的含瓦斯煤岩体三轴应力应变曲线，观测含瓦斯煤岩体破坏变形过程。在一个优选的实施例中，以0.002mm/s、0.004mm/s、0.005mm/s加载速度（即以0.002mm每秒、0.004mm每秒、0.005mm每秒的加载速度）进行三轴加载试验。

上述各试验中，通过荷载加载方式并改变加载速度（应力集中系数）反映了含瓦斯煤岩体破坏变形与应力（即扩容应力）和应力集中程度（即采动应力集中系数）有关。

测试含瓦斯煤岩体三轴全应力应变曲线时，在含瓦斯煤岩体试样上的不同方向设置应变传感器，测定含瓦斯煤岩体体积应变，从而观测含瓦斯煤岩体体积应变由压缩转变为非线性膨胀拐点处的应力，即扩容应力。

在一个优选的实施例中，在工作面前方距离工作面煤壁100米处设置瓦斯压力观测孔，采动应力观测孔、煤岩体扩容观测孔（这里所使用的设备和方法参见申请号为CN201210030640.8的专利申请，其在此被全文引用），进行一体化观测采动应力变化（即观测采动应力集中系数）。在一个优选的实施例中，还通过上述现场的实验观测瓦斯压力变化。

1.2、分析含瓦斯煤岩体单轴应力应变曲线和三轴应力应变曲线和影响岩石力学性质的因素，确定开采扰动工作面含瓦斯煤岩体扩容的影响因素。

在一个优选的实施例中，依据影响岩石的力学性质的因素和含瓦斯煤岩体单轴、三轴应力应变曲线，并考虑煤体与一般岩石的区别（即：煤岩体孔隙比较发育，孔隙内有瓦斯，表现为孔隙压力，而孔隙压力对煤岩体应力有影响，煤岩体内吸附有大量瓦斯对煤岩体的抗压强度也有影响），确定开采扰动工作面含瓦斯煤岩体扩容的影响因素（具体来讲，根据影响岩石的力学性质的因素和煤体与一般岩石的区别，考虑到对于具体工作面含瓦斯煤体温度和含水率基本不变，所以不考虑该温度和含水率。含瓦斯煤体区别于一般岩石，其含有瓦斯，应考虑瓦斯压力、瓦斯含量和瓦斯放散速度的影响；从围压、载荷性质、载荷时间角度分析，应考虑原岩应力、采动应力、内摩擦角；应变率对岩石抗压强度存在一定影响，所以还应考虑煤岩体抗压强度）：原岩应力、瓦斯放散初速度、采动应力集中系数、瓦斯压力、含瓦斯煤岩体内摩擦角、含瓦斯煤的抗压强度，以及瓦斯含量。各因素的物理含义如下：

原岩应力：未受开采影响的岩体内，由于岩体自重和构造运动等原因引起的应力。也叫原始应力，主要受自重应力、构造应力、地温应力、膨胀（收缩）应力或流体压应力影响。

瓦斯放散初速度（Δp）：刚暴露的煤壁涌出瓦斯速度大小。

采动应力集中系数：受采动影响后含瓦斯煤岩体所受的采动应力与原岩应力的比值。

瓦斯压力：煤层孔隙或裂隙内气体分子自由运动撞击所产生的作用力，在煤岩体扩容时会随着扩容过程而改变。

含瓦斯煤岩体内摩擦角：也就是煤岩体内摩擦角——煤岩体破坏极限平衡时剪切面上的正应力和内摩擦力形成的合力与该正应力形成的夹角。

含瓦斯煤的抗压强度：煤岩体单轴压缩强度。

瓦斯含量：单位质量或体积的煤中含有的瓦斯量，瓦斯含量越大表示越容易发生煤岩体的扩容。

2、分析煤岩体扩容应力、体积应变与所述影响因素（原岩应力、瓦斯放散初速度、采动应力集中系数、瓦斯压力、含瓦斯煤岩体内摩擦角、含瓦斯煤的抗压强度，以及瓦斯含量）之间的关系（即分析上述哪个或哪些影响因素与体积应变的变化有密切关联），确定开采扰动工作面含瓦斯煤岩体各扩容关键影响因素：原岩应力、采动应力集中系数、瓦斯压力、含瓦斯煤的抗压强度，以及瓦斯含量。

具体来讲，经过试验分析得到开采扰动工作面煤岩体扩容应力、体积应变与所述影响因素之间的关系如下：瓦斯压力或瓦斯含量的变化直接影响含瓦斯煤岩体抗压强度大小，同时通过荷载加载方式并改变加载速度体现出含瓦斯煤岩体破坏与采动应力和采动应力集中程度有关。由于以上因素随着开采扰动是发生不断变化的，而对于确定开采工作面，其煤岩体内摩擦角和瓦斯放散初速度基本不受工作面开采扰动而变化，说明其对煤岩体扩容影响程度相对以上因素较低故此，确定的开采扰动工作面含瓦斯煤岩体各扩容关键影响因素为原岩应力、采动应力集中系数、瓦斯压力、含瓦斯煤的抗压强度，以及瓦斯含量。

3、根据工作面含瓦斯煤岩体扩容特征，利用层次分析法原理，对各扩容关键影响因素进行两两对比以确定判定矩阵：

本发明中，工作面含瓦斯煤岩体扩容特征主要是根据煤岩体全应力应变曲线分析得到的相对扩容程度。其中，煤岩体扩容的定义是：煤岩体在荷载作用下，在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积膨胀变形。

3.1、定义扩容关键影响因素集u=[u₁,u₂,u₃,...u_m]，其中u₁，u₂，u₃，…，u_m为各扩容关键影响因素，m为因素个数，为自然数；

定义含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素综合评价因素集U包括u₁—u₅，其中：u₁——原岩应力、u₂——采动应力集中系数、u₃——瓦斯压力、u₄——含瓦斯煤的抗压强度、u₅——瓦斯含量；

3.2、构建所述评价因素集中各扩容关键影响因素相对重要性情况的判定矩阵

在上述矩阵中，统称评价因素集时用大写U，对于具体的某个评价因素用小写u；矩阵中的u_ij是根据利用层次分析法原理得到的U_i对U_j相对重要性的数量形式，其中，u_ij的数值是通过分析上述步骤1.1的试验结果得到的对煤岩体扩容的影响程度而给予的相应数值；

在建立判定矩阵时，为尽可能减少主观影响，应当遵循矩阵一致性条件：（1）对角线元素为1；（2）右上三角和左下三角对应元素互为倒数；

在一个优选的实施例中，针对某煤矿的含瓦斯煤岩体，取1，2，…，9及其倒数；各数值的含义为：

（1）1，3，5，7，9这五个数值分别表示U_i与U_j之间的重要性从相等开始逐渐递增；

（2）2表示U_i与U_j之间的重要性处于1和3这两个数值所表示的重要性之间，4表示U_i与U_j之间的重要性处于3和5这两个数值所表示的重要性之间，6表示U_i与U_j之间的重要性处于5和7这两个数值所表示的重要性之间，8表示U_i与U_j之间的重要性处于7和9这两个数值所表示的重要性之间；

（3）1，1/3，1/5，1/7，1/9这五个数值分别表示U_i与U_j之间的重要性从相等开始逐渐递增；

（4）1/2表示U_i与U_j之间的重要性处于1和1/3这两个数值所表示的重要性之间，1/4表示U_i与U_j之间的重要性处于1/3和1/5这两个数值所表示的重要性之间，1/6表示U_i与U_j之间的重要性处于1/5和1/7这两个数值所表示的重要性之间，1/8表示U_i与U_j之间的重要性处于1/7和1/9这两个数值所表示的重要性之间。

例如，1，3，5，7，9分别表示U_i与U_j重要性相等，U_i比U_j稍微重要，U_i比U_j重要，U_i与U_j相比很重要和U_i与U_j相比极端重要。

4、采用归一化处理方法，建立各扩容关键影响因素的权重集

根据模糊综合判定理论，通过公式（1）～（3）进行归一化处理，得到含瓦斯煤岩体各扩容关键影响因素权重集W_i如下：

$W_{\mathrm{ij}}^{\′}=u_{\mathrm{ij}}/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{ij}---\left(1\right)}$

$W_i^{\′}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w_{\mathrm{ij}}}^{\′}---\left(2\right)$

$W_i=w_i^{\′}/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i^{\′}---\left(3\right)$

5、进一步对各扩容关键影响因素权重集进行一致性验证

通过公式（4）对上述判定矩阵进行一致性验证：根据模糊综合判定理论，当R_c≤0.1时，认为不一致程度可以接受，从而得出客观真实的各扩容关键影响因素权重排序

$R_c=I_c/I_R,I_c=({\mathrm{\λ}}_{\max }-n)/(n-1)---\left(4\right)$

式中：

R_c——随机一致性比率；n—关键影响因素的个数

I_c——判定矩阵的一次性指标；

I_R——判定矩阵的平均随机一致性指标；

λ_max——判定矩阵的最大特征值。

在一个优选的实施例中，根据模糊综合判定理论可得到I_R—组取值，如表1所示。

表1随机一致性指标I_R值

λ_max——判定矩阵的最大特征值，其中U为判定表矩阵。

经实际验证，按照该组取值得到的扩容关键影响因素和权重排序结果与现场开采扰动工作面含瓦斯煤岩体破坏变形比较吻合。因此，实践证明，从上述分析得到的扩容关键因素和重要度排序符合安全生产的客观实际；本发明的方法为实施针对性安全技术措施，降低或消除含瓦斯煤岩体扩容诱发的瓦斯动力灾害，进而为以控制含瓦斯煤岩体扩容达到控制瓦斯动力灾害的新方法研究提供了技术保障。

下面针对某实际开采扰动工作面含瓦斯煤岩体，对上述确定方法给出具体应用示例。

首先对上述某实际开采扰动工作面含瓦斯煤岩体进行强度试验和破坏变形试验，并依据实验观测和分析得到多个煤岩体扩容影响因素，然后分析煤岩体扩容应力、体积应变与影响因素之间的关系，最终从上述多个煤岩体扩容影响因素中确定了如下扩容影响因素作为扩容关键影响因素：原岩应力、采动应力（以采动应力集中系数表示）、瓦斯压力、含瓦斯煤的物理力学性质（以含瓦斯煤的抗压强度表示）、瓦斯含量。

设含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素综合评价因素集U为：u₁（原岩应力）、u₂（采动应力集中系数）、u₃（瓦斯压力）、u₄（含瓦斯煤的抗压强度）、u₅（瓦斯含量）。

上面，根据现有技术中已有的试验技术，按照本发明的实验方法，就完成了本发明的确定方法的前一部分，为下面的进一步分析各扩容关键影响因素的相对重要性奠定了基础。

由于因数集U中的各个因素在评判中重要度不同，因而必须对各个因素U_i按其重要程度给出不同的权重集W_i，权重集W是权重集W_i上的模糊子集，可表示为：W=（W₁，W₂，W₃，…，W_m）。利用模糊综合判定理论，反映各个关键影响元素相对重要性的判定标准f如表2、表3所示。需要说明的是，由于该理论的实施并不是本发明的重点和核心，属于模糊数学范畴，且本领域技术人员应当清楚如何实施该模糊综合判定过程，因此，该判定过程的详细步骤不在本发明中冗述。

其中的“同样重要”、“稍微重要”等比较结果表达的含义是：开采扰动工作面含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素之间相互比较得出某个因素与被比较的因素对煤岩体扩容影响程度相同或者影响稍微强一些。表2中其他的“较重要”等的含义与此类似。

表2因素优越性判定标准表

表3含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素权重集判定表

A	u1	u2	u3	u4	u5
						u1	1	1/4	3	1/3	5
u2	4	1	7	3	8
						u3	1/3	1/7	1	1/4	3
u4	3	1/3	4	1	7
						u5	1/5	1/8	1/3	1/7	1

为了尽可能降低扩容关键影响因素的判断时的主观性，除了根据上述实验过程确定各扩容关键影响因素之外，本发明还进一步采用了如下手段：根据模糊综合判定方法，通过公式（5）～（7）进行归一化处理，得到含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素权重集，计算结果如表4所示。

$W_{\mathrm{ij}}^{\′}=u_{\mathrm{ij}}/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{ij}---\left(5\right)}$

$W_i^{\′}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w_{\mathrm{ij}}}^{\′}---\left(6\right)$

$W_i=w_i^{\′}/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i^{\′}---\left(7\right)$

表4预测指标归一化处理矩阵

对含瓦斯煤岩体扩容预测权重的结果进行一致性验证，具体要求为判定矩阵具有基本一致性，为保证计算结果的基本合理。通过公式（8）对矩阵进行一致性验证：

$R_c=I_c/I_R,I_c=({\mathrm{\λ}}_{\max }-n)/(n-1)---\left(8\right)$

式中：

R_c——随机一致性比率；

I_c——判定矩阵的一次性指标；

I_R——判定矩阵的平均随机一致性指标；

λ_max——，判定矩阵的最大特征值，其中A为判定表矩阵。

当R_c＜0.1时，认为不一致程度可以接受。根据扩容关键影响因素个数的多少，从根据模糊综合判定理论得到的随机一致性指标表1中可查得当因素个数为5时，I_R=1.12，计算可得λ_max=5.0575。

由式（8）计算可得R_c=0.0128＜0.1，根据模糊综合判定理论，扩容关键影响因素权重集满足一致性要求。这样，就进一步为客观分析含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素提供了保证。

因此，含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素重要度排序如表5所示。

表5含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素重要度排序

序号	关键影响因素	权重
			1	u2（采动应力集中系数）	0.4898
2	u4（含瓦斯煤的抗压强度）	0.2608
			3	u1（原岩应力）	0.1463
4	u3（瓦斯压力）	0.0723
			5	u5（瓦斯含量）	0.0309

由上述工作面含瓦斯煤体扩容关键因素及重要度分析可知，扩容影响因素重要度排序为：采动应力集中系数、含瓦斯煤的抗压强度、原岩应力、瓦斯压力、瓦斯含量。这种排序表明：采动应力集中系数和含瓦斯煤岩体的抗压强度是扩容的主控因素。特别是采动应力占总影响权重的近一半。因此，控制煤体扩容最有效方法是消除采动应力集中。

Claims (3)

1.一种工作面含瓦斯煤岩体扩容关键影响因素及重要度确定方法，其特征在于，包括：

步骤1、确定开采扰动工作面含瓦斯煤岩体扩容的影响因素

步骤1.1、取不同地质赋存条件煤样，测试含瓦斯煤岩体应力应变曲线，分析含瓦斯煤岩体体积应变特征：

1)进行强度试验：测试不同瓦斯压力下含瓦斯煤岩体的单轴应力应变曲线，其中采用荷载加载方式实现不同瓦斯压力的加载，荷载加载过程的加压压差为0.5MPa；

2)进行破坏变形试验：测试不同瓦斯压力下的含瓦斯煤岩体三轴应力应变曲线，观测含瓦斯煤岩体破坏变形过程；

测试含瓦斯煤岩体三轴全应力应变曲线时，在含瓦斯煤岩体试样上的不同方向设置应变传感器，测定含瓦斯煤岩体体积应变，从而观测含瓦斯煤岩体体积应变由压缩转变为非线性膨胀拐点处的应力，即扩容应力；

步骤1.2、分析含瓦斯煤岩体单轴应力应变曲线和三轴应力应变曲线和影响岩石力学性质的因素，确定开采扰动工作面含瓦斯煤岩体扩容的影响因素，所述影响因素包括：原岩应力、瓦斯放散初速度、采动应力集中系数、瓦斯压力、含瓦斯煤岩体内摩擦角、含瓦斯煤的抗压强度，以及瓦斯含量；

步骤2、分析煤岩体扩容应力、体积应变与所述影响因素之间关系，确定开采扰动工作面含瓦斯煤岩体各扩容关键影响因素，所述关键影响因素包括：原岩应力、采动应力集中系数、瓦斯压力、含瓦斯煤的抗压强度，以及瓦斯含量；

步骤3、根据工作面含瓦斯煤岩体扩容特征，利用层次分析法原理，对各扩容关键影响因素进行两两对比以确定判定矩阵：

步骤3.1、定义扩容关键影响因素集u＝[u₁,u₂,u₃,...u_m]，其中u₁，u₂，u₃，…，u_m为各扩容关键影响因素，m为因素个数，为自然数；

步骤3.2、构建评价因素集中各扩容关键影响因素相对重要性情况的判定矩阵

在上述矩阵中，统称评价因素集时用大写U，对于具体的某个评价因素用小写u；

矩阵中的u _ij是根据利用层次分析法原理得到的U_i对U_j相对重要性的数量形式，其中，u_ij的数值是通过分析上述步骤1.1的试验结果得到的对煤岩体扩容的影响程度而给予的相应数值；

在建立判定矩阵时，为减少主观影响，应当遵循矩阵一致性条件：(1)对角线元素为1；(2)右上三角和左下三角对应元素互为倒数；

步骤4、采用归一化处理方法，建立各扩容关键影响因素的权重集

根据模糊综合判定理论，通过公式(1)～(3)进行归一化处理，得到含瓦斯煤岩体各扩容关键影响因素权重集W_i如下：

$w_{ij}^{\′}=u_{ij}/\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{u}_{ij}---\left(1\right)$

$w_i^{\′}=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{w_{ij}}^{\′}---\left(2\right)$

$w_i=w_i^{\′}/\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{w}_i^{\′}---\left(3\right)$

步骤5、进一步对各扩容关键影响因素权重集进行一致性验证

通过公式(4)对上述判定矩阵进行一致性验证：根据模糊综合判定理论，当R_c≤0.1时，认为不一致程度可以接受，从而得出客观真实的各扩容关键影响因素权重集排序

R_c＝I_c/I_R，I_c＝(λ_max-n)/(n-1) (4)

式中：

R_c——随机一致性比率；n—关键影响因素的个数

I_c——判定矩阵的一次性指标；

I_R——判定矩阵的平均随机一致性指标；

λ_max——判定矩阵的最大特征值。

2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，在所述破坏变形试验中，采用三轴位移加载方式是以0.02mm/s、0.02mm/5s、0.02mm/10s加载速度进行三轴加载试验。

3.根据权利要求1-2之一所述的确定方法，其特征在于，所述步骤3.2中，u_ij取1，2，…，9及其倒数；各数值的含义为：

(1)1，3，5，7，9这五个数值分别表示U_i与U_j之间的重要性从相等开始逐渐递增；

(2)2表示U_i与U_j之间的重要性处于1和3这两个数值所表示的重要性之间，4表示U_i与U_j之间的重要性处于3和5这两个数值所表示的重要性之间，6表示U_i与U_j之间的重要性处于5和7这两个数值所表示的重要性之间，8表示U_i与U_j之间的重要性处于7和9这两个数值所表示的重要性之间；

(3)1，1/3，1/5，1/7，1/9这五个数值分别表示U_i与U_j之间的重要性从相等开始逐渐递增；

(4)1/2表示U_i与U_j之间的重要性处于1和1/3这两个数值所表示的重要性之间，1/4表示U_i与U_j之间的重要性处于1/3和1/5这两个数值所表示的重要性之间，1/6表示U_i与U_j之间的重要性处于1/5和1/7这两个数值所表示的重要性之间，1/8表示U_i与U_j之间的重要性处于1/7和1/9这两个数值所表示的重要性之间。