CN111127234A - 一种突出煤层群开采首采层确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

发明提供一种突出煤层群开采首采层确定方法及装置。该方法包括排除不满足要求的煤层、需构建突出煤层群首采层确定的评价指标体系、采用专家排序评分法确定此评价指标体系中各层指标的主观权重、采用熵权法确定此评价指标体系中各层指标的客观权重和得出组合权重等步骤，利用主客观分析结合的方法得出最佳首采层。该方法综合考虑了安全因素、技术因素和经济因素，为煤矿首采层的选择提供了全面、科学、可靠的理论指导。避免了煤矿选择首采层时的盲目性，有利于改善煤与瓦斯突出灾害防治效果。显著提高了抽掘采接替效率和突出矿井经济效益，且该方法适应性较强，具有良好的推广性。

Description

一种突出煤层群开采首采层确定方法及装置

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯防治领域，特别涉及一种突出煤层群开采首采层确定方法。

背景技术

开采保护层是防治突出矿井瓦斯灾害最经济、最有效的手段，是国内普遍采用的区域性防突措施，而保护层开采的先决条件为首采层的确定，其对矿井瓦斯有效治理、高效瓦斯抽采和安全高效生产具有重要意义。目前首采层的选择往往需要考虑多个方面因素，如安全因素、技术因素和经济因素，而煤矿在选择首采层时主要依据经验，并不能全面综合的考虑多个因素，一些煤矿甚至在选择时以经济利益为主，将煤厚和煤质作为首采层选择的优先考虑因素。特别是在突出煤层群条件下，多个煤层都可作为首采层时，首采层的选择不当将会造成矿井采掘失调，产生安全隐患，同时浪费人力财力。

因此考虑到煤矿的安全开采和长远利益，亟需一种突出煤层群开采首采层选择的定量综合评价模型。

发明内容

本发明的目的是提供一种突出煤层群开采首采层确定方法及装置，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种突出煤层群开采首采层确定方法，包括以下步骤：

1)根据矿井地质柱状图确定矿井所有煤层，并排除地质构造复杂煤层、极薄煤层和不满足生产要求的煤层。

2)当经排除的煤层中存在一个无突出危险煤层时，选择无突出危险煤层为首采层。当经排除的煤层中存在多个无突出危险煤层，采用离散元模拟软件进行数值建模，分别开采不同无突出危险煤层，计算各自对邻近煤层的卸压范围，选择卸压范围大的煤层为首采层。当当经排除的煤层中不存在无突出危险煤层时，转入步骤3)。

3)采用组合权重确定首采层。

3.1)归纳影响突出煤层群开采首采层确定的主要评价指标，构建突出煤层群首采层确定的评价指标体系。

3.2)采用专家排序评分法确定各层指标的主观权重ω_i。

3.3)采用熵权法确定各层指标的客观权重W_j。

3.4)将步骤3.2)和步骤3.3)所得权重值进行组合，得出组合权重P_ij。

3.5)计算各可选煤层作为首采层的评分，并确定首采层。

进一步，所述评价指标体系包括安全因素、技术因素和经济因素3个一级指标，分别用B₁、B₂和B₃表示。所述安全因素B₁包括首采层突出危险程度以及首采层与被保护层距离2个二级指标，分别用C₁₁和C₁₂表示。所述技术因素B₂包括保护范围及效果、抽采巷布置空间条件和揭煤次数3个指标，分别用C₂₁、C₂₂和C₂₃表示。所述经济因素B₃包括首采层产值、吨煤保护煤量投入成本和首采层预估瓦斯抽采量3个指标，分别用C₃₁、C₃₂和C₃₃表示。

进一步，步骤3.2)具体包括以下步骤：

3.2.1)邀请k名专家对每组的各个二级指标的重要性进行排序。

3.2.2)对k名专家对任意二级指标j的评价总体认定度X_j进行归一化处理，确定各二级指标的权重。

进一步，步骤3.3)具体包括以下步骤：

3.3.1)根据量化安全检查表的评分原则与标准，对各个二级指标的标准进行打分，并将其对应分数进行标准化处理。

3.3.2)求取各二级指标的信息熵。

3.3.3)确定各指标权重。

进一步，步骤3.4)具体包括以下步骤：

3.4.1)计算各二级指标的组合权重P。

P_j＝λW_j+(1-λ)ω_j (3)

式中，ω_j为专家排序评分法所得二级指标权重，W_j为熵权法所得二级指标权重。λ为组合系数，依据参与专家的数量与从业时间而定。

3.4.2)利用量化安全检查表的评分原则，依据组合权重P，分别计算出m个评价煤层的得分。其中，煤层i的总得分为：

Score_i＝P₁*Score_i1+P₂*Score_i2+…P_j*Score_ij (4)

式中，Score_ij为煤层i中评价指标j的得分。Score_i为评价煤层i的总得分。

3.4.3)将m个评价煤层的得分进行比较，进行合理性分析。

进一步，步骤1)中，针对上被保护层时，保护层与不满足生产要求的煤层的层间距小于等于公式(5)确定的距离。针对下被保护层时，保护层的安全开采法向层间距小于等于7m。

式中，H_m为保护层开采后覆岩垮落带高度，m。M为煤层采高，m。K为垮落岩石的碎胀系数。w为垮落过程中的顶板下沉值。

本发明还公开一种突出煤层群开采首采层确定装置，包括数据输入模块、微处理器、显示器和存储器。

所述存储器中存储有计算机程序。所述计算机程序在被微处理器执行时用于实现如权利要求1～6中任意一项所述的方法。

工作时，数据输入模块将输入的实测指标值传递给微处理器。微处理器对输入指标值进行分析与评估，并输出评价报告至显示器显示。

进一步，还包括键盘。通过键盘可对存储于存储器中的计算机程序进行调整。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.解决了指标体系划分不合理的问题；

B.实现了指标权重计算中主客观的柔性耦合，解决了指标权重赋值片面的问题；

C.避免了突出煤层群选择首采层时的盲目性，有利于改善煤与瓦斯突出灾害防治效果。显著提高了抽掘采接替效率和突出矿井经济效益；

D.该方法及装置对于大多数煤矿首采层的确定都具有很强的适用性和推广意义。

附图说明

图1为突出煤层群开采首采层确定指标体系结构模型；

图2为突出煤层群开采首采层确定方法流程图；

图3为突出煤层群开采首采层确定装置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1

参见图2，本实施例公开一种突出煤层群开采首采层确定方法，针对石壕煤矿，包括以下步骤：

1)根据矿井地质柱状图确定矿井所有煤层，并排除地质构造复杂煤层、极薄煤层和不满足生产要求的煤层。其中，不满足生产要求的煤层指不满足如下要求的煤层：

a.针对上被保护层，保护层与被保护层层间距大于如下公式确定的距离：

式中，H_m为保护层开采后覆岩垮落带高度，m；M为煤层采高，m；K为垮落岩石的碎胀系数；w为垮落过程中的顶板下沉值。

b.针对下被保护层，保护层的安全开采法向层间距大于7m。

2)当经排除的煤层中存在一个无突出危险煤层时，选择无突出危险煤层为首采层。当经排除的煤层中存在多个无突出危险煤层，采用离散元模拟软件进行数值建模，分别开采不同无突出危险煤层，计算各自对邻近煤层的卸压范围，选择卸压范围大的煤层为首采层。当当经排除的煤层中不存在无突出危险煤层时，转入步骤3)。

3)筛选出的煤层6#、7#、8#均需进行如下进一步分析。

3.1)归纳影响突出煤层群开采首采层确定的主要评价指标，构建突出煤层群首采层确定的评价指标体系。

参见图1，所述评价指标体系包括安全因素、技术因素和经济因素3个一级指标，分别用B₁、B₂和B₃表示。所述安全因素B₁包括首采层突出危险程度以及首采层与被保护层距离2个二级指标，分别用C₁₁和C₁₂表示。所述技术因素B₂包括保护范围及效果、抽采巷布置空间条件和揭煤次数3个指标，分别用C₂₁、C₂₂和C₂₃表示。所述经济因素B₃包括首采层产值、吨煤保护煤量投入成本和首采层预估瓦斯抽采量3个指标，分别用C₃₁、C₃₂和C₃₃表示。

3.2)采用专家排序法确定首采层确定时各个选择指标的权重值。

假设邀请到k个专家对同组的n个指标进行排序，则这些专家反馈的结果可统计为矩阵A。B₁、B₂和B₃

式中，a_ij即代表第i位专家对该组指标中第j个指标的重要度排序。其定性排序的结果可转化为定量结果为：

χ(I)＝-λp_n(I)lnp_n(I) (2)

在这里，

代入(2)式得：

两边同时除以

设

则

I被定义为某一指标被专家评定的定性等级。例如，由一名专家进行评定的“B₁、B₂和B₃”这三个指标的一组定性等级分别为“1,2,3”，这意味着指标A₁是最重要的，那么对于B₁就有I＝1。m是转换参数，定义为m＝n+2，n是指标的数量。

将定性等级代入(4)式中，得到b_ij的定量变换值。b_ij＝μ(a_ij)被称为定性等级I的认定度，矩阵B＝(b_ij)_k×n被定义为认定度矩阵。这里引入一个新的参数，平均认定程度b_j，代表k个专家对某指标j评价的一致认定程度，计算如下：

将k个专家对指标j评价的不同性定义为不确定度σ_j。

σ_j＝|{[max(b_1j,b_2j,...,b_kj)-b_j]+[b_j-min(b_1j,b_2j,...,b_kj)]}/2| (6)

所有被邀请的k位专家对指标j的评价程度定义为总体认定度为X_j。

χ_j＝b_j(1-σ_j) (7)

为了得到指标j的权重，需要进一步对(7)式进行归一化处理。

其中，ω_j>0，且满足

ω＝(ω₁,ω₂,…,ω_j)表示为指标集(指标1,指标2,…,指标j)的权重。

在提出的首采层确定评价体系中，指标权重从一级确定，即B₁、B₂和B₃将首先确定。同理，按顺序可以确定二级各指标的权重。

在本实施例中，根据瓦斯治理领域5位专家对各一级指标的重要性进行排序，得到矩阵A。

计算认定度矩阵B，m取5。

计算各专家对某一指标的平均认定程度：

计算各专家对各指标的不确定度σ_j。

σ_j＝{[max(b_1j+b_2j+b_3j+b_4j+b_5j)-b_j]+[b_j-min(b_1j+b_2j+b_3j+b_4j+b_5j)]}/2

即σ₁＝0.104，σ₂＝0.25，σ₃＝0.25

计算被邀请的5位专家对各一级指标的总体认定度xj。

即x1＝0.8215，x2＝0.4938，x3＝0.5376

为了得到指标j的权重，对总体认定度xj进行归一化处理，得到各一级指标的权重。

即ω1＝0.4434，ω2＝0.2665，ω3＝0.2901

同理，根据5位专家对各二级指标的重要性进行排序，得到如下三组矩阵C、D、E。

计算认定度矩阵F、G、H，m取5。

综上所述，可得到各专家对各二级指标的平均认定程度bj、不确定度σj、总体认定度xj和归一化处理得到各指标的权重，如下所示。

3.3)采用熵权法对各二级指标进行权重计算。熵权法的基本思路是根据指标变异性的大小来确定客观权重。一般来说，若某个指标的信息熵越小，表明指标值得变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中所能起到的作用也越大，其权重也就越大。相反，某个指标的信息熵越大，表明指标值得变异程度越小，提供的信息量也越少，在综合评价中所起到的作用也越小，其权重也就越小。

3.3.1)根据量化安全检查表的评分原则与标准，对各个二级指标的标准进行打分，并将其对应分数进行标准化处理。假设给定了n个指标(指标1，指标2，…，指标j)，并对m个煤层(煤层1，煤层2，…，煤层i)进行评价，那么x_ij即表示煤层i中指标j的分数。假设对各指标分数标准化后的值为Y_ij那么:

式中，x_j表示集合(x_1j,x_2j,…,x_mj)，即各个煤层指标j的分数。

3.3.2)求各指标的信息熵。根据信息论中信息熵的定义，一组数据的信息熵为：

式中，

如果p_ij＝0,则定义lim_pij＝0lnp_ij＝0。

3.3.3)确定各指标权重W。根据信息熵的计算公式，计算出各个指标的信息熵为E₁，E₂，…，E_n。通过信息熵计算各指标权重为：

在本实施例中，首采层选择评分标准如表1所示，依据该评分标准对各煤层的实际指标情况进行打分。石壕煤矿的实测指标数据如表2所示。

表1

表2

根据首采层选择评分标准(表1)中首采层确定评价指标及评分标准可得出相应的分数，如表3所示：

表3

首先将各个指标的数据进行标准化处理。已知给定了8个指标A1，A2，…，A8，其中Xi＝{x1，x2，x3}。假设对各指标数据标准化后的值为Y1，Y2，…，Y8，那么可得到各选择煤层的得分标准化情况，如表4所示：

表4

求各指标的信息熵。根据上述信息熵的计算方法，可得到8项指标的信息熵为如表5所示：

表5

确定各指标权重W。根据信息熵的计算公式，计算出各个指标的信息熵为E1，E2，…，Ek。通过信息熵计算各指标权重为如表6所示。

表6

将各权重归一化得到其相对权重，得到相对权重如表7所示。

表7

3.4)利用组合权重的方法，依据表8与专家实际情况确定λ的取值，将两种评价方法得出的各个指标的权重值进行组合，得出组合权重P，使主观经验与客观因素在权重值的确定上得到综合反映。

P_ij＝λW_ij+(1-λ)ω_ij (12)

表8

考虑到本次突出煤层群首采层确定指标的排序仅邀请到5位专家，并不能充分代表瓦斯领域内所有专家的意见，存在一定的偶然性，故此处λ取0.4。

故可得到8项指标组合权重的具体数值，如表9所示：

表9

3.5)计算各可选煤层作为首采层的评分，并确定首采层。煤层i的总得分为：

Score_i＝P₁*Score_i1+P₂*Score_i2+…P_j*Score_ij (13)

式中，Score_ij表示煤层i中评价指标j的得分，Score_i表示评价煤层i的总得分。

根据石壕煤矿3个可选首采煤层的8项二级指标评分情况与对应权重，计算其煤层总体得分情况，如表10所示。

表10

首采层合理性评价表如表11所示，该评价表可根据单个煤层的总体得分评价该煤层作为首采层的合理性程度。

表11

	不合理	合理	特别合理
				总体得分	0～2.4	2.4～3	3～4

根据总体得分情况与首采层合理性评价表(表11)可看出，选择6#煤层作为首采层是合理的，而选择7#与8#煤层作为首采层均不合理，故选择6#煤层作为首采煤层最为合适。

实施例2

参见图3，本实施例公开一种突出煤层群开采首采层确定装置，包括数据输入模块1、微处理器2、显示器3、键盘4和存储器5。

所述存储器5中存储有计算机程序。所述计算机程序在被微处理器2执行时用于实现如实施例1中所述的方法。通过键盘4可对存储于存储器5中的计算机程序进行调整。

工作时，数据输入模块1将输入的实测指标值传递给微处理器2。微处理器2对输入指标值进行分析与评估，并输出评价报告至显示器3显示。

Claims (8)

1.一种突出煤层群开采首采层确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据矿井地质柱状图确定矿井所有煤层，并排除地质构造复杂煤层、极薄煤层和不满足生产要求的煤层；

2)当经排除的煤层中存在一个无突出危险煤层时，选择无突出危险煤层为首采层；当经排除的煤层中存在多个无突出危险煤层，采用离散元模拟软件进行数值建模，分别开采不同无突出危险煤层，计算各自对邻近煤层的卸压范围，选择卸压范围大的煤层为首采层；当当经排除的煤层中不存在无突出危险煤层时，转入步骤3)；

3)采用组合权重确定首采层；

3.1)归纳影响突出煤层群开采首采层确定的主要评价指标，构建突出煤层群首采层确定的评价指标体系；

3.2)采用专家排序评分法确定各层指标的主观权重ω_i；

3.3)采用熵权法确定各层指标的客观权重W_j；

3.4)将步骤3.2)和步骤3.3)所得权重值进行组合，得出组合权重P_ij；

3.5)计算各可选煤层作为首采层的评分，并确定首采层。

2.根据权利要求1所述的一种突出煤层群开采首采层确定方法，其特征在于：所述评价指标体系包括安全因素、技术因素和经济因素3个一级指标，分别用B₁、B₂和B₃表示；所述安全因素B₁包括首采层突出危险程度以及首采层与被保护层距离2个二级指标，分别用C₁₁和C₁₂表示；所述技术因素B₂包括保护范围及效果、抽采巷布置空间条件和揭煤次数3个指标，分别用C₂₁、C₂₂和C₂₃表示；所述经济因素B₃包括首采层产值、吨煤保护煤量投入成本和首采层预估瓦斯抽采量3个指标，分别用C₃₁、C₃₂和C₃₃表示。

3.根据权利要求2所述的一种突出煤层群开采首采层确定方法，其特征在于，步骤3.2)具体包括以下步骤：

3.2.1)邀请k名专家对每组的各个二级指标的重要性进行排序；

3.2.2)对k名专家对任意二级指标j的评价总体认定度X_j进行归一化处理，确定各二级指标的权重；

4.根据权利要求1所述的一种突出煤层群开采首采层确定方法，其特征在于，步骤3.3)具体包括以下步骤：

3.3.1)根据量化安全检查表的评分原则与标准，对各个二级指标的标准进行打分，并将其对应分数进行标准化处理；

3.3.2)求取各二级指标的信息熵；

3.3.3)确定各指标权重；

5.根据权利要求1所述的一种突出煤层群开采首采层确定方法，其特征在于，步骤3.4)具体包括以下步骤：

3.4.1)计算各二级指标的组合权重P；

P_j＝λW_j+(1-λ)ω_j (3)

式中，ω_j为专家排序评分法所得二级指标权重，W_j为熵权法所得二级指标权重；λ为组合系数，依据参与专家的数量与从业时间而定；

3.4.2)利用量化安全检查表的评分原则，依据组合权重P，分别计算出m个评价煤层的得分；其中，煤层i的总得分为：

Score_i＝P₁*Score_i1+P₂*Score_i2+…P_j*Score_ij (4)

式中，Score_ij为煤层i中评价指标j的得分；Score_i为评价煤层i的总得分；

3.4.3)将m个评价煤层的得分进行比较，进行合理性分析。

6.根据权利要求1所述的一种突出煤层群开采首采层确定方法，其特征在于：步骤1)中，针对上被保护层时，保护层与不满足生产要求的煤层的层间距小于等于公式(5)确定的距离；针对下被保护层时，保护层的安全开采法向层间距小于等于7m；

式中，H_m为保护层开采后覆岩垮落带高度，m；M为煤层采高，m；K为垮落岩石的碎胀系数；w为垮落过程中的顶板下沉值。

7.一种突出煤层群开采首采层确定装置，其特征在于：包括数据输入模块(1)、微处理器(2)、显示器(3)和存储器(5)；

所述存储器(5)中存储有计算机程序；所述计算机程序在被微处理器(2)执行时用于实现如权利要求1～6中任意一项所述的方法；

工作时，数据输入模块(1)将输入的实测指标值传递给微处理器(2)；微处理器(2)对输入指标值进行分析与评估，并输出评价报告至显示器(3)显示。

8.根据权利要求7所述的一种突出煤层群开采首采层确定装置，其特征在于：还包括键盘(4)；通过键盘(4)可对存储于存储器(5)中的计算机程序进行调整。

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