第40卷第4期 2015年
4月
JOURNALOFCHINACOALSOCIETY
煤 炭 学 报
Vol.40 No.4 Apr.
2015
梁 冰,秦 冰,孙福玉,等.煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的应用[J].煤炭学报,2015,40(4):728-735.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.3002
LiangBing,QinBing,SunFuyu,etal.Applicationofevaluationindexsystemofcoalandgasco-extractionandevaluationmodel[J].Jour-nalofChinaCoalSociety,2015,40(4):728-735.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.3002
煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的应用
梁 冰1,秦 冰1,孙福玉2,3,王 岩2,4,孙雅楠1,KHUONGPhuclo2,5
(1.辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新 123000;2.辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新 123000;3.山西保利铁新煤业有限公司,山西灵石 031300;4.煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺 113122;5.OuangNinhUniversityofIndustry,OuangNinh 526300)
摘 要:针对我国尚未形成系统性的煤与瓦斯共采基础理论体系的现状,提出经济预评价、安全评价、共采效果3部分建立煤与瓦斯共采评价系统,并建立多层次评价指标体系,构建煤与瓦斯共采模糊综合评判模型。将模糊层次法(FAHP)与层次分析法(AHP)组合赋权,将专家的主观经验与目标区指标客观反映相结合,建立模糊综合评判模型对沙曲矿煤与瓦斯共采进行综合评价。在共采系统各部分的模糊综合评价的基础上,利用协调度函数量化煤炭开采与瓦斯抽采系统之间的协同程度。评价结果表明,沙曲矿24207工作面煤炭开采子系统和瓦斯抽采子系统初级协调有序,煤与瓦斯共采技术是合理可行的。
关键词:煤与瓦斯共采;指标体系;组合赋权;评价模型;协调有序
中图分类号:TD712 文献标志码:A 文章编号:0253-9993(2015)04-0728-08
Applicationofevaluationindexsystemofcoalandgasco-extraction
andevaluationmodel
(1.SchoolofMechanicsandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin 123000,China;2.SchoolofMines,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin
LIANGBing1,QINBing1,SUNFu-yu2,3,WANGYan2,4,SUNYa-nan1,KHUONGPhuclo2,5
123000,China;3.ShanxiPolyTiexinCoalMiningCompanyLtd.,Lingshi 031300,China;4.ShenyangBranchofChinaCoalResearchInstitute,Fushun 113122,China;5.OuangNinhUniversityofIndustry,OuangNinh 526300,Vietnam)
Abstract:Currentlyasystematicalbasictheoryforcoalandgasco-extractioninChinahasnotbeenformed.Acoalandgasco-extractionsystemwasdevelopedinthisstudybasedonthreestagesincludingeconomicevaluation,effectofextraction,andmulti-levelindexsystem.Thefuzzycomprehensiveevaluationmodelwasusedtoconducttheevaluationofcoalandgasco-extraction.TheFuzzyAnalyticHierarchyProcess(FAHP)andAnalyticHierarchyProcess(AHP)wereweightedandcombined,also,theexperts’subjectiveexperienceandtheobjectivereflectionindicatoroftargetzonewerecombined,thus,thefuzzycomprehensiveevaluationmodelwasestablished.Acomprehensiveassessmentofcoalandgasco-extractionisconductedinShaquCoalMine.Thecooperationlevelbetweencoalminingandgasextrac-theextractionsystem.Theevaluationresultsshowthatthesubsystemofcoalminingandgasextractionin24207work-reasonablypracticable.
tionsystemwasquantifiedbyusingcoordinationfunctionbasedonthefuzzycomprehensiveevaluationofeachpartofingfaceatShaquCoalMineisorderlycoordinated;thetechnologyofcoalandgasco-extractioninShaquCoalMineisKeywords:coalandgasco-extraction;indexsystem;combinationweighting;evaluationmodel;coordinatedandorderly
收稿日期:2014-11-08 责任编辑:韩晋平
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB201206);国家自然科学基金青年基金资助项目(51304111) 作者简介:梁 冰(1962—),女,辽宁盘锦人,教授,博士。Tel:0418-3351517,E-mail:[email protected]
第4期梁 冰等:煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的应用
729
煤与瓦斯共采技术是现今提倡的绿色开采技术之一[1-5]。深部煤与瓦斯共采不仅能保障我国经济持续发展对能源的需求,还将进一步提升我国煤矿安全高效洁净生产水平,尤其对优化我国能源结构、减少温室气体排放具有十分重要的意义。我国煤与瓦斯共采的工程实践已初具规模,但尚未形成科学性、有效性、针对性的煤与瓦斯共采基础理论体系。
笔者建立了系统的煤与瓦斯共采评价指标体系,在整个共采系统的运作模式中,始终保持以安全评价价,而且不仅要对共采可能带来的经济效益进行评价,还要对共采社会效益、环境效益等多方面综合评价[8]。在众多的影响因素中,根据煤与瓦斯共采的特点,主要归纳为:地质因素、工艺技术因素、资源采出率和经济因素,各方面又可划分为不同层次的各种因素。对系统分层次分析,建立评价指标体系,见表1。
表1 共采经济预评价指标体系
Table1 Economicpre-evaluationindexsystem
为首要前提,以资源采出率为最终目的,煤炭采出率和瓦斯抽采率是煤与瓦斯共采技术效果的最直接体现,以综合经济效益为控制目标的共采协作体系,满足煤炭开采和瓦斯抽采经济效益最大化,分析采煤系统和抽瓦斯系统共同协作的影响指标,建立共采指标体系。将层次分析和模糊数学评价相结合,建立模糊层次分析法(FAHP)[6]与层次分析法(AHP)[7]组合赋权方法,构建综合模糊数学综合评判的共采评价数学模型,并利用协调度度量煤炭开采与瓦斯共采系统及指标体系之间的协调作用及有序程度。
1 煤与瓦斯共采指标体系
煤与瓦斯共采的整个研究过程始终在煤炭开采和瓦斯抽采两个环节有序衔接前提下进行,分析采煤系统和抽瓦斯系统共同协作的影响指标,建立共采指标体系,这是一个多因素、多层次的复杂系统,因此借鉴“层次分析法”思想建立多层次结构模型,评价体系分为采前经济预评价、安全评价(采前、采中、采后)、共采效果评价(经济效益、资源采出率)3阶段,建立煤与瓦斯共采系统,如图1所示
。
图1 煤层群煤与瓦斯共采系统
1．1 Fig．经济预评价
1 Systemofcoalandgasextractionincoalseams
首先在煤与瓦斯共采目标区进行井田开拓,在共采前,要对目标区工作面共采的实施进行经济预评
ofextraction
一级指标
二级指标三级指标
资源储量
煤炭可采储量(工作面)瓦斯资源储量(工作面)
煤层面积
煤层基础参数
煤层埋藏深度煤层厚度煤层稳定性
煤质评价
煤的工业分析可选性分析地质因素
含气性
瓦斯含量瓦斯抽放难易程度
渗透率
煤层物性
煤储层压力煤层气临界解吸压力
顶、底板作用对支护的影响对储集气的影响地质特征
地质构造复杂程度水文地质情况共采生产规模
工艺技术因素
共采工艺共采设备
资源采出率
煤炭开采采出率瓦斯抽采抽采率市场需求
外部环境
地理位置基础设施条件周边地区经济环境
总投资
投入产出条件
生产成本瓦斯价格煤炭价格
经济因素
经济净现值经济内部收益率国民经济评价
经济外汇净现值
社会效益环境效益动态投资回收期
财务评价
财务净现值财务内部收益率
730
煤 炭 学 报
因煤层赋存条件、瓦斯赋存条件及所选取的开采
2015年第40卷
1．2 安全评价
工艺不同,工作面回采和瓦斯抽采方法的选取也会在时间和空间不尽相同,煤与瓦斯共采评价类型按工作面是否采动可以分为采前安全评价、共采现状安全评价及采后采空区安全评价。
安全评价中只考虑瓦斯危险,将评价内容分为危险等级、预防及治理措施、设备和人员管理3部分,分别建立评价指标。在共采过程中,记录各指标数据,图3 矿井瓦斯涌出源汇关系
不论是在采前、采中,还是采后,安全指标的监测监控和评价要实时进行,保证正常生产
。
图2 安全评价系统
1．2．1 (1)危险程度评价
Fig．2 Systemofsafetyevaluation
瓦斯危险性的分类瓦斯等级。。瓦斯等级划分实质上是对矿井
根据矿井工作面相对瓦斯涌出量、绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式,瓦斯指标具体等级划分见表2。
表2 瓦斯等级划分Table2 Gradedivisionofgas
等级划分依据
等级A级相对瓦斯涌出量≤10m3且绝对涌出量≤40m3/t/t低瓦斯B级相对瓦斯涌出量>10m3且绝对涌出量>40m3/t高瓦斯C级
进行煤与瓦斯突出鉴定
/t突出
是煤矿新井或生产矿井新水平通风设计 (2)瓦斯涌出情况。矿井瓦斯涌出、(瓦斯抽放工图3)情况程设计、瓦斯防治工作不可缺少的重要环节,在较大程度上影响着煤矿生产过程中的安全可靠性矿井或原来非突出矿井发生煤与瓦斯突出动力现象(3)是否突出。根据《煤矿安全规程》。
[9],对新建
的,需要进行突出鉴定。利用文献[10-11]中建立的智能加权灰靶决策模型进行矿井煤与瓦斯突出预测,将突出强度或可能突出的危险程度通过数学手段进行量化,用以指导突出预防工作。
ri=
k)式中,r∑s
k=1air(ii为综合测度值;ai为归一化后的权重系数
;
r(k)Fig．3 Sourcesinkrelationsofminegasemission
…,i
m为无量纲化后的指标值;i为指标个数,i=1,2,根据对突出矿井数据结果进行统计分析;k为样本数,k=1,2,…,s。
,得到
综合测度结果,得出突出情况下的突出强度等级划分和非突出情况下的突出危险可能性等级划分,见表3。
表3 突出危险可能性和突出程度等级划分Table3 Divisionofoutbursthazardpossibility
outburstintensitytypes
参数可能程度
突出程度
无(强)无(中)无(低)弱中强综合测度范围
(-0．2,0]
(--0．0．2]
4,
0．(0,3]
(0．0．6]
3,>0．6
1．2．2 采取防治措施
针对前面危险程度分析结果采取瓦斯治理措施,主要包括抽采巷道设计、抽采钻孔布置、抽采系统规划、瓦斯参数监测记录,还有工作面通风系统设施,建1．立指标体系见表2．3 管理系统评价
4。
对设备、人员的管理及其管理制度,分别对开采和抽采的相关设备仪器、安全管理制度、人员素质培1．训建立系统的评价指标体系2．4 瓦斯治理效果综合评价,见表5。
根据上面制定的防治方案、管理措施情况,结合治理效果,最终进行综合评价。评价后改进薄弱或者不规范环节。各个指标控制情况,分控制得很好、好、1．较好3 、共采效果评价
一般、差5个等级,见表6。
对共采进行综合实际效益评价(经济效益、环境1．效益3．1 、社会效益综合经济评价
)、实际采收率进行评价。
在经济评价的因素中,不仅要对共采的经济效益进行评价,还要对共采所带来的社会效益、环境效益等多方面综合评价。
第4期梁 冰等:煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的应用
表4 瓦斯治理措施实行情况
表5 瓦斯治理管理系统
Table5 Managementsystemofgascontrol
一级指标
二级指标瓦斯抽采泵情况抽采巷道管理瓦斯抽采管理制度机电设备管理栅栏管理
瓦斯检测及抽采
通风管理
三级指标
731
Table4 Implementationcaseofgascontrolmeasures
一级指标
二级指标抽采巷道布置
指标内容
开采煤层群时的邻近层卸压瓦斯抽采,可设置专用瓦斯抽采巷道布置钻场和钻孔
考虑钻场控制范围、钻场钻孔布置、钻孔成孔率等参数
封孔方法的选择根据抽采方法及孔口所处煤(岩)层位、岩性、构造等因素综合确定,封孔长度、材料等参数要依据《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》进行封孔参数选取
要符合管网设计规范
考虑台数型号与设计相符性、泵站位置选择、抽放泵安全情况
台数型号与设计相符性,泵站位置选择,抽放泵安全情况日常管理,维修率
瓦斯检查制度,局部瓦斯的积聚和处理制度日常管理,维修率日常管理,维修率
通风系统是否符合规定,隐患排查,通风机管理
检测设备是否齐全,检测设备可靠性,传感器布设合理性,空班漏检,检测、监控设备的完好率
安全生产责任制,安全管理制度,隐患整改
管理机构是否健全,安全教育与培训,人员素质
钻孔
封孔
抽采管网抽放泵
瓦斯抽采
安全监控检测
安全管理
瓦斯参数包括:煤层原始瓦斯含量、瓦斯压力、煤层透气性系数、瓦斯解吸综合指标法、钻屑瓦斯解吸值K1、最大钻屑量、涌出初速度、压差、放散初速度等多种。瓦斯抽采参数测定有抽采负压、抽采浓度、抽采压差,主要用来计算瓦斯抽采纯量
要完全按照《规程》规定采取通风管理,通风设施要齐全根据《防治煤与瓦斯突出规定》[12],防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则
工作人员素质(检查员、维修员)
实时监测瓦斯参数
1．3．2 资源采出率评价
将实际煤炭采出率和瓦斯抽采率与经济预评价中的理论值进行对比,若实际值高于或等于理论预计值,则共采效果为好,否则为不理想,据此对共采模式进行改进、优化。
(1)采出率:2006-01-01执行的《煤炭工业矿井
矿井通风
防突措施
75%;中厚煤层不小于80%;薄煤层不小于85%。
设计规范》[13]中规定矿井采区采出率:厚煤层不小于
表6 瓦斯治理效果等级划分
Table6 Gradedivisionofgascontroleffect
指标
矿井绝对瓦斯涌出量
很好在极限内
好多数在极限内,有1次超限多数在极限内,1次超限多数在极限内,有1次超限
11无
较好
较多数在极限内,有2~4次超限较多数在极限内,有2~4次超限较多数在极限内,有2~4次超限
2~42~4无
一般一般在极限内,有5次超限一般在极限内,有5次超限一般在极限内,有5次超限
55无
差超限5次以上
矿井相对瓦斯涌出量在极限内上隅角瓦斯浓度在标准内
00无
超限5次以上
上隅角瓦斯治理
月均采掘工作面瓦斯超限次数月均采掘工作面瓦斯聚集次数
突出情况
超限5次以上5次以上5次以上1次以上
(2)抽采率:在《煤矿瓦斯抽采基本指标》[14-15]中规定矿井瓦斯抽采率要求达到的指标见表7。
层:分为目标—准则—子准则。
(1)建立层次分析结构模型,将因素自上而下分(2)构造成对比较阵,用成对比较法和1~9尺(3)计算权向量并作一致性检验,对每一成对比
2 评价模型
2．1 组合赋权法
2．1．1 层次分析法主观赋权[6]
度,构造各层对上一层每一因素的成对比较阵。
较阵计算最大特征根和特征向量,做一致性检验,若
732
煤 炭 学 报
éB1ù
B=A·w
(1)i
2015年第40卷
(1)
éA1·w1ù
通过,则特征向量为权向量w′i。
表7 矿井瓦斯抽采应达到的指标Table7 Reachedindexofminegasdrainage
工作面绝对瓦斯涌出量Q/(m3·min-1)
10≤Q
工作面抽采率/%
≥20≥30≥40=
B2
ëAm·wmû
式中,A为三级指标评判集隶属度构成的矩阵(子准
ëBmû
(1)
︙
=
(1)
A2·w2
︙
则层);B,C分别为二级(准则层)、一级(目标层)指标模糊综合评价集;w(1)为三级指标权重集;w(2)为ii70≤40≤Q
2．1．2 模糊层次分析客观赋权
K={假定有元素rb1,b2,…,bn,则优先关系矩阵为:ij,bi=1,2,…,m进行比较时;j=1,2,…,,n元素}。其中元素brij表示元素i和元素bji和元素bj具有的模糊关系的隶属度,可用0．1~0．9九标度[16]给予定量描述。显然,优先关系矩阵K=(rij互补矩阵,将其转换为模糊一致矩阵,对模糊一致判
)m×n是模糊断矩阵采用行归一化求得排序向量w′iw′=(w′1,w′2,…,
m)T
,即
n
+
n
w″i
=j=1
rij2．1．3 组合权重
n(n-2
-11)
,i=1,2,…,m
(1)
层次分析法确定权重主观性强,过于倚重专家的经验,而模糊层次分析法是依照目标区实际指标之间相对于目标的优劣等级的隶属程度来确定权重,各有利弊,通过组合赋权法既可以将专家多年积累的经验与数据本身体现的客观现象的优点得以正常发挥,而且弥补了2种方法各自的局限,从而使求得的权重更加合理。
w″设wi为2种赋权法组合后指标权重。将w′i和
i的线性组合(i=w1,2,…,m)即wi为
i=θw′i+(1-θ)w″i
式中(2)0．5;,wθ′为AHP法求得权重占组合权重的比例,取
i为AHP法计算的各指标权重;(1-θ)为FAHP法求得权重所占比例;wi″为FAHP法计算的指标权重2．2 。
评价模型的构建
建立各层次共采模糊综合评判模型(图4):
éC1ù
éBC==B1·w(2)
1ùB·w(2)C2·(2)i
︙
2=
︙
w2
ëCmû
ëBm·w
(2)m
û
二级指标权重集;i为指标个数,i=1,2,…,m
。
图4 模糊综合评价结构
2．3 (1)煤与瓦斯共采综合评价步骤Fig．4 Structureoffuzzycomprehensiveevaluation
标数据,分析数据输入目标区煤与瓦斯共采各个阶段评价指;
现在指标权重赋值上(2)咨询10名专家,确定,将主观经验借助w′AHP法体
i标区指标实际情况确定w″,再利用FANP法将目i合,确定,再根据式(2)进行权重组模糊综合三级(3)确定指标隶属度wi;
、二级、一级指标评判矩阵,构建目标区煤与瓦斯共采
A,B,C,将步骤(1)确定的组合权重与评判矩阵建立模糊综合评价模型安全评价(4)利用模糊综合评判法进行共采经济预评价;
x(5)根、共采效果评价据最大隶属度,得到评价结果原则X=max;
、
{x1,x2,…,
53 },煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型在
判断评价结果隶属等级。
沙曲矿的应用
3．1 目标区开发现状
沙曲井田煤系地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组,总厚157．02m,共含煤17层,煤层总厚19．42m,含煤系数12．4%;其中可采及局部可采煤层8层,分别是山西组的2号、3号、4号、5号煤层和太原组的6号、8号、9号、10号煤层,煤层以焦煤为主,总厚度15．4m。根据工作面邻近钻孔资料分2．析20,北翼m,平均2号煤层鉴定为不突出煤层0．89m,作为保护层进行开采,厚度。0．2420725~
工作面为北二采区第7个沿煤层倾向布置的长壁式回采工作面,布置有轨道巷、配风巷、胶带巷、回风巷,
第4期梁 冰等:煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的应用
733
工作面整体呈单斜构造,煤层走向330°,倾向SW,倾角4°~7°,平均倾角5°,工作面地质条件相对复杂,局部地段发育有陷落柱[17]。
瓦斯抽采主要包括:本煤层顺层钻孔抽采、裂隙
矩阵。地质因素总的模糊综合评判结果为
B=w(1)·A=(0．0981,i
带高位钻孔抽采、大孔径钻孔抽采、采煤工作面采空区压管抽采。3．2 指标权重确定
因篇幅有限,仅以地质因素中的储层几何条件为例,进行组合赋权计算。
0．2086,0．2732,0．2103,0．2099)
因为B3=max{B1,B2,…,B5}=0．2732,因此根据最大隶属度原则,判断沙曲矿区煤层气项目地质因素准则层模糊综合评价结果为:地质因素较好(最大值0．2732对应“较好”)。
最终经济预评价目标矩阵:
C=w(2)·B=(0．2506,i
(1)AHP法计算权重(表8)。
表8 指标判断矩阵及权重分配Table8 Judgementmatrixandweights
指标面积埋深厚度稳定性wi′面积11/21/71/50．060埋深211/41/30．110厚度74140．584稳定性
5
3
1/4
1
0．246
一致性检验λ=4．1509,CR=CI/RI=0．0559
(2)FAHP结合沙曲矿的实际指标数据影响煤与瓦斯共采
法计算权重。
的重要程度,根据指标之间对共采影响的隶属程度通过0．1~0．9九标度给出地质因素中的储层几何条件的模糊互补矩阵0．K。
é0．K=
0．5000．0．138325
0．8620．0．500900
0．675 级指标权重 根据式ë(1)0．325得到地质因素中储层几何条件下三
0．8620．1000．500
0．675ù4390．1380．561
500û
(3)组合权重w″(1,1,2)
=(0．309,0．156,0．w。
271,0．264)i=0．5w′+0．5w″=(0．185,3．3 煤与瓦斯共采模糊综合评价0．133,0．i428,0．i
255)
3．3．1 经济预评价
将煤与瓦斯共采经济预评价结果划分为:{经济效益很好,经济效益好,经济效益较好,经济效益中等,经济效益差}5级,相应地其准则层评价结果也分为:{很好,好,较好,一般,差}5级,根据指标在各个等级的隶属程度,建立隶属度矩阵R。应用多层次模糊综合评价方法,对目标区经济合理性进行综合评判。
根据多层次模糊综合评判公式,分别对地质因素准则层下的储层几何条件、含气性条件、储层物性条件和盖层条件作二级模糊综合评判,得二级模糊评判
据最大隶属度原则 因为0．C2982=max{5,0．234,C判断沙曲矿区煤与瓦斯共采经济1,C9,0．2,…,135C51,0．}=0．0802983)
5,因此根3．预评价模糊综合评判结果为3．2 安全评价
:经济效益好。
定权重(1)w瓦斯危险程度的模糊综合评估。由式(2)划分为安全=(0．、基本安全221,0．300,0．确i+有隐患260,0．、基本安全219)将危险等级+隐患较大A·、比较危险w、低危险、中等危险、极大危险,经B=0,0．i=(0．0770,0．0263,0．0526,0．1578,0．285
值0．1422855)对应计算得到安全危险状态“中等危险:中等危险(最大危险等级为中等危险进行治理措施的实施(2)预防治理实施情况评估”)。
。针对沙曲矿瓦斯,模糊综合评判的结果为:好。采前进行的瓦斯预防措施到位,抽采合理范,维修及时(3)管理系统评价。
,在岗员工都经正规培训上岗。沙曲矿对设备管理符合规,模糊综合评判结果为(4)治理效果评价:好。
统计发现,经过瓦斯抽采等相关治理措施后。根据现场瓦斯治理报表的
,利用模3．糊综合评价模型3．3 共采效果评价
,瓦斯治理效果等级为:比较好。
沙曲矿地处经济不发达地区(1)地理位置基础设施和周边地区经济环境,人口较少。煤炭生产是。
当地的支柱产业,其次为农副产品及小矿场,人民消费水平较低。随着煤层气的开发,矿区内的经济会出现一个大的飞跃,也带动了周围其他经济发展材料(2)、动力投入产出条件和财务评价、人员、折旧、井下作业、修理等费用。共采成本包括
。
。计算得沙曲矿区TRR内部=24207共采工作面瓦斯抽采内部收益率
10%。
收12．益52%率TRR,大于基准收益率=10．98%,大于iC基=12%准收,益煤炭开采率iC=在0．(3)25~资源采出率评价2．20m,属于薄煤层。沙曲矿的,理论采出率应在2号煤层厚度
85%
734
煤 炭 学 报
值;l为序参量编号(l=1,2,…,f)。
2015年第40卷
以上。24207为高瓦斯工作面,绝对瓦斯涌出量平均最后根据生产数据的统计,得到沙曲矿24207工作面采出率为92%,抽采率为53%。
综上,通过利用煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型进行目标区共采评价结果,证明沙曲矿煤与瓦3．4 煤与瓦斯共采协调度斯共采技术是合理可行的。
为32．11m3/min,理论瓦斯抽采率应在40%以上。
表10 煤与瓦斯共采协调度
Table10 Coordinationofcoalandgasextraction
一级指标经济预评价
危险程度
二级指标
模糊评价
好中等危险分值(取中间值)8555有序度0．850．55协调度
为了量化煤与瓦斯共采评价系统之间的有序性,3．利用协调度函数量化煤与瓦斯共采之间的协同性4．1 指标等级区间
。
将煤与瓦斯共采评价指标类型分为2种:①“成本型指标”(样本值越小越好,指标有:瓦斯危险程度);②“效益型指标”(样本值越大越好,除了瓦斯危险程度指标外其他都属于这类)。
30%根据文献[18]可知我国煤炭采出率平均不足
30%,低于30%即为差等级,将采出率下限定为确定,,上限不超过论值为24207因此下限应定为理论值100%。瓦斯抽采率处于安全角度40%工作面的采出率理论值为,上限不超过(也是下限值),指标等级分为很好85%,100%抽采率理。
、好、较好、一般、差5个等级,等级区间见表9。
表9 目标区共采评价指标等级区间Table9 Gradeintervalofextractionevaluation
indexfortargetzone
参数
很好
好
较好
一般
差
效益型指标区间[90,100)[80,90)[70,80)[60,70)(0,60)成本型指标区间(0,60)[60,70)[70,80)[80,90)[90,100)
采出率/%[95,100)(80,95](60,80](30,60](0,30)抽采率/%
[80,100}[60,80)[50,60)[40,50)
3．4．2 协调度
协调度模型分为3部分:功效函数,协调度函数和煤与瓦斯共采协调度指标体系(表瓦斯共采系统序参量(1)功效函数。设变量,其值为uXl=1,2,…,10)。
l(f)是煤与l此,共采系统序参量对系统有序的功效(l=1,2,…,(有序度f)。)因可表示为
ìx-U-bbll(当UM(ul)具有正功效时)M(ul)
=íllbl-îl
-xall
(当UM(ul)具有负功效时)
(3)
式中,UM(ul)为指标ul对系统有序的功效;M为系统的稳定区域;xl为序参量实际值;x;a0为序参量合理值l,bl为系统稳定临界点上的序参量的上、下限
(一般)
安全治理措施好850．85评价
管理系统好850．850．65治理效果较好700．70采出率
好900．94共采效抽采率较好550．30果评价
经济效益较好
75
0．75
采系统有序化具有正功效时 以上的功效函数为分段函数,对应效益型指标:①当序参量对共,选用正功效函数形式;②当序参量对系统有序化具有负功效时,对应成本型指标,选用负功效函数形式;③而对于采出率和抽采率这类具有阈值的指标,则采用第3段功效函数形式(2)协调度函数。。
UM(ul)体现的是单一指标对共
采系统的有序功效,为将所有指标联系反应系统的整体功效,建立总功效函数,即协调度函数C=C(UM(ul和几何平均))。。计算系统协调度的方法主要有算术平均算术平均值对个别极端值的影响非常敏感,而几何平均可消除这种不利影响而反映变化的综合水平,因此选用后者。
C=
f
f
M(u(uf 1)UM(u2)…UM)=m
l=1
UM(uf
)(4)
级区间划分 根据前面模糊综合评价结果,量化指标。得到表,10中沙曲矿9的指标等242070．工作面各个评价阶段有序度65,说明该工作面煤与瓦斯共采系统处于初级协调,由式(4)得到协调度为状态[19]4 结 。
论
阶段的煤与瓦斯共采评价系统(1)提出经济预评价、安全评价,构建多层次评价指标、共采效果评价3
体系,响的弊端(2)并建立煤与瓦斯共采模糊综合评价模型为避免以往层次分析法赋权受主观因素影。
,提出层次分析与模糊层次分析相结合的组合赋权法,将专家多年积累的主观经验与评价对象实际数据值对评价结果的影响差异性体现在评价中,主客观结合,更具有科学性、可靠性。
第4期梁 冰等:煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的应用
735
斯共采评价系统、评价指标体系以及评价模型能够实现煤与瓦斯共采评价。突破了以往只进行煤炭开采系统或者瓦斯抽采系统单一评价的局限性,能够对煤与瓦斯共采模式进行分析评价,具有较好应用价值。
(4)根据建立的煤与瓦斯共采指标体系,利用系
(3)通过沙曲矿评价应用,说明所构建的煤与瓦
rangeplanningandinvestmentdecisionmakingsysteminchemical54(5):659-664.
industry[J].JournalofChemicalIndustryandEngineering,2003,
[8] 杨永国,王桂梁,秦 勇,等.煤层气项目经济评价方法及应用
研究[J].中国矿业大学学报,2001,30(2):126-129.
YangYongguo,WangGuiliang,QinYong,etal.ResearchonmethodofChinaUniversityofMining&Technology,2001,30(2):126-129.
ofevaluatingeconomicallythecoalbedmethaneproject[J].Journal
统协调度函数计算得到沙曲矿24207工作面煤与瓦斯共采协调度为0．65,证明该工作面煤与瓦斯共采达到初级协调有序。[9] 中华人民共和国国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社,2011.
参考文献:
[1] 缪协兴采矿与安全工程学报,钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望,2009,26(1):1-14.
[J].
MiaosourcesXiexing,QianinChina:Minggao.Researchfutureongreenprospectsmining[J].ofcoalJournalre-[2] of李宏艳Mining&SafetyCurrentEngineering,2009,26(1):1statusand-14.
合特性实验研究,王维华,[J].齐庆新煤炭学报,等.煤与瓦斯共采覆岩应力及渗透耦
,2013,38(6):942-947.
LingonpanelcouplingHongyan,WangofstressandWeihua,QipermeabilityQingxin,etinoverlyingal.ExperimentalstratastudyChinaforCoalefficientSociety,2013,38(6):942coalandmethene-co-extraction947.
[J].atJournallongwallof[3] 谢和平与模型研究,高 [J].峰,周宏伟煤炭学报,等,2013,38(7):1101.煤与瓦斯共采中煤层增透率理论
-1107.
XieelingHeping,GaoFeng,ZhouHongwei,etal.Onploitationapproachofcoaltomining-enhancedgas[J].JournalpermeabilitytheoreticalofChinaforCoalsimultaneousandmod-Society,2013,ex-[4] 38(7):1101谢和平工程[J].,周宏伟-1107.
and煤炭学报,薛东杰,2014,39(8):1391,等.我国煤与瓦斯共采-1397.
:理论、技术与
XieandHeping,Zhou[J].engineeringJournalofChinaofHongwei,XuesimultaneousCoalSociety,2014,39(8):1391exploitationDongjie,etofal.coalTheory,and-gastechnology1397.
inChina[5] 袁煤炭学报 亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系,2009,34(1):1-8.
[J].
YuansystemLiang.ofChinaofCoalinTheorytegratedofSociety,2009,34(1):1coalpressure-relievedproductionandgas-8.
gasextractionextraction[andJ].techniqueJournal[6] 郭需求权重 燕,韩京海[J].机械管理开发.用模糊层次分析法,2007(6):112(FAHP)-115.
确定QFD中客户
GuorequirementsYan,HanJinghai.Confirmingtheimportanceweightof[7] cal周章玉ManagementinQFDandDevelopment,2007(6):112usingthemethodofFAHPcustomer-115.[J].Mechani-决策体系,曾敏刚[J].化工学报,成思危,2003,54(5):659,等.化工企业供应链长期规划与投资
-664.
ZhouZhangyu,ZengMingang,ChengSiwei,etal.Supplychainlong
[10] 梁能性评价 冰,秦[J]. 冰煤炭学报,孙维吉.,2011,36(12):1974基于灰靶决策模型的煤与瓦斯突出可
-1978.
LiangoutburstBing,QinbasedonBing,SungreytargetWeiji.model[J].PossibilityJournalassessmentofofcoal-gas[11] ety,2011,36(12):1974ChinaCoalSoci-梁斯突出危险评价中的应用 冰,秦 冰,孙维吉-,1978.等[.J].智能加权灰靶决策模型在煤与瓦
煤炭学报,2013,38(9):1611-1615.
LianggentweightingBing,QinBing,SunWeiji,etal.Theoutburstgrey[Jtarget].JournaldecisionofChinamodelapplicationCoalintheSociety,assessmentofintelli-
38(9):1611ofcoal-gas-1615.
2013,
[12] 中华人民共和国国家安全生产监督管理总局出规定[M].北京:煤炭工业出版社,2009.
.防治煤与瓦斯突
[13] [14] GB50215—2005,煤炭工业矿井设计规范[S].[15] AQ1026—2006,LiangtemofBing,Sunco-extractionWeiji,Qi煤矿瓦斯抽采基本指标ofcoalQingxin,etandgas[J].al.[S].
MiningTechnicalScienceevaluationandsys-[16] nology,2012,22(6):891郭金玉-894.
Tech-安全科学学报,张忠彬,2008,18(5):148,孙庆云.层次分析法的研究与应用-153.
[J].中国
GuoanalyticJinyu,ZhanghierarchyZhongbin,Sunprocess[J].Qingyun.ChinaSafetyStudyScienceandapplications[17] 2008,18(5):148of季文博-153.
Journal,
涌出量关系研究,齐庆新,李宏艳[J].煤炭工程,等.沙曲矿单一工作面推进度与瓦斯
,2012(12):95-98.
JitweenWenbo,QiadvancingQingxin,LirateofsingleHongyan,etcoalminingal.Studyfaceonandrelationshipgasemission
be-[18] value崔选民inShaquMine[J].CoalEngineering,2012(12):95-98.京:社会科学文献出版社,王军生,陈义和.,2007.
能源蓝皮书:中国能源蓝皮书[M].北[19] 顾成林变特征,[J].周 云南地理环境研究健.中国地域人居环境与经济协调发展的时空演
,2013,25(3):45-53.
GutedChenglin,ZhoumydevelopmentinChina[Jof].urbanJian.Temporal-spatialevolutionofthecoordina-YunnanhumanGeographicsettlementEnvironmentenvironmentandResearch,
econo-2013,25(3):45-53.
第40卷第4期 2015年
4月
JOURNALOFCHINACOALSOCIETY
煤 炭 学 报
Vol.40 No.4 Apr.
2015
梁 冰,秦 冰,孙福玉,等.煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的应用[J].煤炭学报,2015,40(4):728-735.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.3002
LiangBing,QinBing,SunFuyu,etal.Applicationofevaluationindexsystemofcoalandgasco-extractionandevaluationmodel[J].Jour-nalofChinaCoalSociety,2015,40(4):728-735.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.3002
煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的应用
梁 冰1,秦 冰1,孙福玉2,3,王 岩2,4,孙雅楠1,KHUONGPhuclo2,5
(1.辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新 123000;2.辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新 123000;3.山西保利铁新煤业有限公司,山西灵石 031300;4.煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺 113122;5.OuangNinhUniversityofIndustry,OuangNinh 526300)
摘 要:针对我国尚未形成系统性的煤与瓦斯共采基础理论体系的现状,提出经济预评价、安全评价、共采效果3部分建立煤与瓦斯共采评价系统,并建立多层次评价指标体系,构建煤与瓦斯共采模糊综合评判模型。将模糊层次法(FAHP)与层次分析法(AHP)组合赋权,将专家的主观经验与目标区指标客观反映相结合,建立模糊综合评判模型对沙曲矿煤与瓦斯共采进行综合评价。在共采系统各部分的模糊综合评价的基础上,利用协调度函数量化煤炭开采与瓦斯抽采系统之间的协同程度。评价结果表明,沙曲矿24207工作面煤炭开采子系统和瓦斯抽采子系统初级协调有序,煤与瓦斯共采技术是合理可行的。
关键词:煤与瓦斯共采;指标体系;组合赋权;评价模型;协调有序
中图分类号:TD712 文献标志码:A 文章编号:0253-9993(2015)04-0728-08
Applicationofevaluationindexsystemofcoalandgasco-extraction
andevaluationmodel
(1.SchoolofMechanicsandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin 123000,China;2.SchoolofMines,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin
LIANGBing1,QINBing1,SUNFu-yu2,3,WANGYan2,4,SUNYa-nan1,KHUONGPhuclo2,5
123000,China;3.ShanxiPolyTiexinCoalMiningCompanyLtd.,Lingshi 031300,China;4.ShenyangBranchofChinaCoalResearchInstitute,Fushun 113122,China;5.OuangNinhUniversityofIndustry,OuangNinh 526300,Vietnam)
Abstract:Currentlyasystematicalbasictheoryforcoalandgasco-extractioninChinahasnotbeenformed.Acoalandgasco-extractionsystemwasdevelopedinthisstudybasedonthreestagesincludingeconomicevaluation,effectofextraction,andmulti-levelindexsystem.Thefuzzycomprehensiveevaluationmodelwasusedtoconducttheevaluationofcoalandgasco-extraction.TheFuzzyAnalyticHierarchyProcess(FAHP)andAnalyticHierarchyProcess(AHP)wereweightedandcombined,also,theexperts’subjectiveexperienceandtheobjectivereflectionindicatoroftargetzonewerecombined,thus,thefuzzycomprehensiveevaluationmodelwasestablished.Acomprehensiveassessmentofcoalandgasco-extractionisconductedinShaquCoalMine.Thecooperationlevelbetweencoalminingandgasextrac-theextractionsystem.Theevaluationresultsshowthatthesubsystemofcoalminingandgasextractionin24207work-reasonablypracticable.
tionsystemwasquantifiedbyusingcoordinationfunctionbasedonthefuzzycomprehensiveevaluationofeachpartofingfaceatShaquCoalMineisorderlycoordinated;thetechnologyofcoalandgasco-extractioninShaquCoalMineisKeywords:coalandgasco-extraction;indexsystem;combinationweighting;evaluationmodel;coordinatedandorderly
收稿日期:2014-11-08 责任编辑:韩晋平
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB201206);国家自然科学基金青年基金资助项目(51304111) 作者简介:梁 冰(1962—),女,辽宁盘锦人,教授,博士。Tel:0418-3351517,E-mail:[email protected]
第4期梁 冰等:煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的应用
729
煤与瓦斯共采技术是现今提倡的绿色开采技术之一[1-5]。深部煤与瓦斯共采不仅能保障我国经济持续发展对能源的需求,还将进一步提升我国煤矿安全高效洁净生产水平,尤其对优化我国能源结构、减少温室气体排放具有十分重要的意义。我国煤与瓦斯共采的工程实践已初具规模,但尚未形成科学性、有效性、针对性的煤与瓦斯共采基础理论体系。
笔者建立了系统的煤与瓦斯共采评价指标体系,在整个共采系统的运作模式中,始终保持以安全评价价,而且不仅要对共采可能带来的经济效益进行评价,还要对共采社会效益、环境效益等多方面综合评价[8]。在众多的影响因素中,根据煤与瓦斯共采的特点,主要归纳为:地质因素、工艺技术因素、资源采出率和经济因素,各方面又可划分为不同层次的各种因素。对系统分层次分析,建立评价指标体系,见表1。
表1 共采经济预评价指标体系
Table1 Economicpre-evaluationindexsystem
为首要前提,以资源采出率为最终目的,煤炭采出率和瓦斯抽采率是煤与瓦斯共采技术效果的最直接体现,以综合经济效益为控制目标的共采协作体系,满足煤炭开采和瓦斯抽采经济效益最大化,分析采煤系统和抽瓦斯系统共同协作的影响指标,建立共采指标体系。将层次分析和模糊数学评价相结合,建立模糊层次分析法(FAHP)[6]与层次分析法(AHP)[7]组合赋权方法,构建综合模糊数学综合评判的共采评价数学模型,并利用协调度度量煤炭开采与瓦斯共采系统及指标体系之间的协调作用及有序程度。
1 煤与瓦斯共采指标体系
煤与瓦斯共采的整个研究过程始终在煤炭开采和瓦斯抽采两个环节有序衔接前提下进行,分析采煤系统和抽瓦斯系统共同协作的影响指标,建立共采指标体系,这是一个多因素、多层次的复杂系统,因此借鉴“层次分析法”思想建立多层次结构模型,评价体系分为采前经济预评价、安全评价(采前、采中、采后)、共采效果评价(经济效益、资源采出率)3阶段,建立煤与瓦斯共采系统,如图1所示
。
图1 煤层群煤与瓦斯共采系统
1．1 Fig．经济预评价
1 Systemofcoalandgasextractionincoalseams
首先在煤与瓦斯共采目标区进行井田开拓,在共采前,要对目标区工作面共采的实施进行经济预评
ofextraction
一级指标
二级指标三级指标
资源储量
煤炭可采储量(工作面)瓦斯资源储量(工作面)
煤层面积
煤层基础参数
煤层埋藏深度煤层厚度煤层稳定性
煤质评价
煤的工业分析可选性分析地质因素
含气性
瓦斯含量瓦斯抽放难易程度
渗透率
煤层物性
煤储层压力煤层气临界解吸压力
顶、底板作用对支护的影响对储集气的影响地质特征
地质构造复杂程度水文地质情况共采生产规模
工艺技术因素
共采工艺共采设备
资源采出率
煤炭开采采出率瓦斯抽采抽采率市场需求
外部环境
地理位置基础设施条件周边地区经济环境
总投资
投入产出条件
生产成本瓦斯价格煤炭价格
经济因素
经济净现值经济内部收益率国民经济评价
经济外汇净现值
社会效益环境效益动态投资回收期
财务评价
财务净现值财务内部收益率
730
煤 炭 学 报
因煤层赋存条件、瓦斯赋存条件及所选取的开采
2015年第40卷
1．2 安全评价
工艺不同,工作面回采和瓦斯抽采方法的选取也会在时间和空间不尽相同,煤与瓦斯共采评价类型按工作面是否采动可以分为采前安全评价、共采现状安全评价及采后采空区安全评价。
安全评价中只考虑瓦斯危险,将评价内容分为危险等级、预防及治理措施、设备和人员管理3部分,分别建立评价指标。在共采过程中,记录各指标数据,图3 矿井瓦斯涌出源汇关系
不论是在采前、采中,还是采后,安全指标的监测监控和评价要实时进行,保证正常生产
。
图2 安全评价系统
1．2．1 (1)危险程度评价
Fig．2 Systemofsafetyevaluation
瓦斯危险性的分类瓦斯等级。。瓦斯等级划分实质上是对矿井
根据矿井工作面相对瓦斯涌出量、绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式,瓦斯指标具体等级划分见表2。
表2 瓦斯等级划分Table2 Gradedivisionofgas
等级划分依据
等级A级相对瓦斯涌出量≤10m3且绝对涌出量≤40m3/t/t低瓦斯B级相对瓦斯涌出量>10m3且绝对涌出量>40m3/t高瓦斯C级
进行煤与瓦斯突出鉴定
/t突出
是煤矿新井或生产矿井新水平通风设计 (2)瓦斯涌出情况。矿井瓦斯涌出、(瓦斯抽放工图3)情况程设计、瓦斯防治工作不可缺少的重要环节,在较大程度上影响着煤矿生产过程中的安全可靠性矿井或原来非突出矿井发生煤与瓦斯突出动力现象(3)是否突出。根据《煤矿安全规程》。
[9],对新建
的,需要进行突出鉴定。利用文献[10-11]中建立的智能加权灰靶决策模型进行矿井煤与瓦斯突出预测,将突出强度或可能突出的危险程度通过数学手段进行量化,用以指导突出预防工作。
ri=
k)式中,r∑s
k=1air(ii为综合测度值;ai为归一化后的权重系数
;
r(k)Fig．3 Sourcesinkrelationsofminegasemission
…,i
m为无量纲化后的指标值;i为指标个数,i=1,2,根据对突出矿井数据结果进行统计分析;k为样本数,k=1,2,…,s。
,得到
综合测度结果,得出突出情况下的突出强度等级划分和非突出情况下的突出危险可能性等级划分,见表3。
表3 突出危险可能性和突出程度等级划分Table3 Divisionofoutbursthazardpossibility
outburstintensitytypes
参数可能程度
突出程度
无(强)无(中)无(低)弱中强综合测度范围
(-0．2,0]
(--0．0．2]
4,
0．(0,3]
(0．0．6]
3,>0．6
1．2．2 采取防治措施
针对前面危险程度分析结果采取瓦斯治理措施,主要包括抽采巷道设计、抽采钻孔布置、抽采系统规划、瓦斯参数监测记录,还有工作面通风系统设施,建1．立指标体系见表2．3 管理系统评价
4。
对设备、人员的管理及其管理制度,分别对开采和抽采的相关设备仪器、安全管理制度、人员素质培1．训建立系统的评价指标体系2．4 瓦斯治理效果综合评价,见表5。
根据上面制定的防治方案、管理措施情况,结合治理效果,最终进行综合评价。评价后改进薄弱或者不规范环节。各个指标控制情况,分控制得很好、好、1．较好3 、共采效果评价
一般、差5个等级,见表6。
对共采进行综合实际效益评价(经济效益、环境1．效益3．1 、社会效益综合经济评价
)、实际采收率进行评价。
在经济评价的因素中,不仅要对共采的经济效益进行评价,还要对共采所带来的社会效益、环境效益等多方面综合评价。
第4期梁 冰等:煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的应用
表4 瓦斯治理措施实行情况
表5 瓦斯治理管理系统
Table5 Managementsystemofgascontrol
一级指标
二级指标瓦斯抽采泵情况抽采巷道管理瓦斯抽采管理制度机电设备管理栅栏管理
瓦斯检测及抽采
通风管理
三级指标
731
Table4 Implementationcaseofgascontrolmeasures
一级指标
二级指标抽采巷道布置
指标内容
开采煤层群时的邻近层卸压瓦斯抽采,可设置专用瓦斯抽采巷道布置钻场和钻孔
考虑钻场控制范围、钻场钻孔布置、钻孔成孔率等参数
封孔方法的选择根据抽采方法及孔口所处煤(岩)层位、岩性、构造等因素综合确定,封孔长度、材料等参数要依据《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》进行封孔参数选取
要符合管网设计规范
考虑台数型号与设计相符性、泵站位置选择、抽放泵安全情况
台数型号与设计相符性,泵站位置选择,抽放泵安全情况日常管理,维修率
瓦斯检查制度,局部瓦斯的积聚和处理制度日常管理,维修率日常管理,维修率
通风系统是否符合规定,隐患排查,通风机管理
检测设备是否齐全,检测设备可靠性,传感器布设合理性,空班漏检,检测、监控设备的完好率
安全生产责任制,安全管理制度,隐患整改
管理机构是否健全,安全教育与培训,人员素质
钻孔
封孔
抽采管网抽放泵
瓦斯抽采
安全监控检测
安全管理
瓦斯参数包括:煤层原始瓦斯含量、瓦斯压力、煤层透气性系数、瓦斯解吸综合指标法、钻屑瓦斯解吸值K1、最大钻屑量、涌出初速度、压差、放散初速度等多种。瓦斯抽采参数测定有抽采负压、抽采浓度、抽采压差,主要用来计算瓦斯抽采纯量
要完全按照《规程》规定采取通风管理,通风设施要齐全根据《防治煤与瓦斯突出规定》[12],防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则
工作人员素质(检查员、维修员)
实时监测瓦斯参数
1．3．2 资源采出率评价
将实际煤炭采出率和瓦斯抽采率与经济预评价中的理论值进行对比,若实际值高于或等于理论预计值,则共采效果为好,否则为不理想,据此对共采模式进行改进、优化。
(1)采出率:2006-01-01执行的《煤炭工业矿井
矿井通风
防突措施
75%;中厚煤层不小于80%;薄煤层不小于85%。
设计规范》[13]中规定矿井采区采出率:厚煤层不小于
表6 瓦斯治理效果等级划分
Table6 Gradedivisionofgascontroleffect
指标
矿井绝对瓦斯涌出量
很好在极限内
好多数在极限内,有1次超限多数在极限内,1次超限多数在极限内,有1次超限
11无
较好
较多数在极限内,有2~4次超限较多数在极限内,有2~4次超限较多数在极限内,有2~4次超限
2~42~4无
一般一般在极限内,有5次超限一般在极限内,有5次超限一般在极限内,有5次超限
55无
差超限5次以上
矿井相对瓦斯涌出量在极限内上隅角瓦斯浓度在标准内
00无
超限5次以上
上隅角瓦斯治理
月均采掘工作面瓦斯超限次数月均采掘工作面瓦斯聚集次数
突出情况
超限5次以上5次以上5次以上1次以上
(2)抽采率:在《煤矿瓦斯抽采基本指标》[14-15]中规定矿井瓦斯抽采率要求达到的指标见表7。
层:分为目标—准则—子准则。
(1)建立层次分析结构模型,将因素自上而下分(2)构造成对比较阵,用成对比较法和1~9尺(3)计算权向量并作一致性检验,对每一成对比
2 评价模型
2．1 组合赋权法
2．1．1 层次分析法主观赋权[6]
度,构造各层对上一层每一因素的成对比较阵。
较阵计算最大特征根和特征向量,做一致性检验,若
732
煤 炭 学 报
éB1ù
B=A·w
(1)i
2015年第40卷
(1)
éA1·w1ù
通过,则特征向量为权向量w′i。
表7 矿井瓦斯抽采应达到的指标Table7 Reachedindexofminegasdrainage
工作面绝对瓦斯涌出量Q/(m3·min-1)
10≤Q
工作面抽采率/%
≥20≥30≥40=
B2
ëAm·wmû
式中,A为三级指标评判集隶属度构成的矩阵(子准
ëBmû
(1)
︙
=
(1)
A2·w2
︙
则层);B,C分别为二级(准则层)、一级(目标层)指标模糊综合评价集;w(1)为三级指标权重集;w(2)为ii70≤40≤Q
2．1．2 模糊层次分析客观赋权
K={假定有元素rb1,b2,…,bn,则优先关系矩阵为:ij,bi=1,2,…,m进行比较时;j=1,2,…,,n元素}。其中元素brij表示元素i和元素bji和元素bj具有的模糊关系的隶属度,可用0．1~0．9九标度[16]给予定量描述。显然,优先关系矩阵K=(rij互补矩阵,将其转换为模糊一致矩阵,对模糊一致判
)m×n是模糊断矩阵采用行归一化求得排序向量w′iw′=(w′1,w′2,…,
m)T
,即
n
+
n
w″i
=j=1
rij2．1．3 组合权重
n(n-2
-11)
,i=1,2,…,m
(1)
层次分析法确定权重主观性强,过于倚重专家的经验,而模糊层次分析法是依照目标区实际指标之间相对于目标的优劣等级的隶属程度来确定权重,各有利弊,通过组合赋权法既可以将专家多年积累的经验与数据本身体现的客观现象的优点得以正常发挥,而且弥补了2种方法各自的局限,从而使求得的权重更加合理。
w″设wi为2种赋权法组合后指标权重。将w′i和
i的线性组合(i=w1,2,…,m)即wi为
i=θw′i+(1-θ)w″i
式中(2)0．5;,wθ′为AHP法求得权重占组合权重的比例,取
i为AHP法计算的各指标权重;(1-θ)为FAHP法求得权重所占比例;wi″为FAHP法计算的指标权重2．2 。
评价模型的构建
建立各层次共采模糊综合评判模型(图4):
éC1ù
éBC==B1·w(2)
1ùB·w(2)C2·(2)i
︙
2=
︙
w2
ëCmû
ëBm·w
(2)m
û
二级指标权重集;i为指标个数,i=1,2,…,m
。
图4 模糊综合评价结构
2．3 (1)煤与瓦斯共采综合评价步骤Fig．4 Structureoffuzzycomprehensiveevaluation
标数据,分析数据输入目标区煤与瓦斯共采各个阶段评价指;
现在指标权重赋值上(2)咨询10名专家,确定,将主观经验借助w′AHP法体
i标区指标实际情况确定w″,再利用FANP法将目i合,确定,再根据式(2)进行权重组模糊综合三级(3)确定指标隶属度wi;
、二级、一级指标评判矩阵,构建目标区煤与瓦斯共采
A,B,C,将步骤(1)确定的组合权重与评判矩阵建立模糊综合评价模型安全评价(4)利用模糊综合评判法进行共采经济预评价;
x(5)根、共采效果评价据最大隶属度,得到评价结果原则X=max;
、
{x1,x2,…,
53 },煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型在
判断评价结果隶属等级。
沙曲矿的应用
3．1 目标区开发现状
沙曲井田煤系地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组,总厚157．02m,共含煤17层,煤层总厚19．42m,含煤系数12．4%;其中可采及局部可采煤层8层,分别是山西组的2号、3号、4号、5号煤层和太原组的6号、8号、9号、10号煤层,煤层以焦煤为主,总厚度15．4m。根据工作面邻近钻孔资料分2．析20,北翼m,平均2号煤层鉴定为不突出煤层0．89m,作为保护层进行开采,厚度。0．2420725~
工作面为北二采区第7个沿煤层倾向布置的长壁式回采工作面,布置有轨道巷、配风巷、胶带巷、回风巷,
第4期梁 冰等:煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的应用
733
工作面整体呈单斜构造,煤层走向330°,倾向SW,倾角4°~7°,平均倾角5°,工作面地质条件相对复杂,局部地段发育有陷落柱[17]。
瓦斯抽采主要包括:本煤层顺层钻孔抽采、裂隙
矩阵。地质因素总的模糊综合评判结果为
B=w(1)·A=(0．0981,i
带高位钻孔抽采、大孔径钻孔抽采、采煤工作面采空区压管抽采。3．2 指标权重确定
因篇幅有限,仅以地质因素中的储层几何条件为例,进行组合赋权计算。
0．2086,0．2732,0．2103,0．2099)
因为B3=max{B1,B2,…,B5}=0．2732,因此根据最大隶属度原则,判断沙曲矿区煤层气项目地质因素准则层模糊综合评价结果为:地质因素较好(最大值0．2732对应“较好”)。
最终经济预评价目标矩阵:
C=w(2)·B=(0．2506,i
(1)AHP法计算权重(表8)。
表8 指标判断矩阵及权重分配Table8 Judgementmatrixandweights
指标面积埋深厚度稳定性wi′面积11/21/71/50．060埋深211/41/30．110厚度74140．584稳定性
5
3
1/4
1
0．246
一致性检验λ=4．1509,CR=CI/RI=0．0559
(2)FAHP结合沙曲矿的实际指标数据影响煤与瓦斯共采
法计算权重。
的重要程度,根据指标之间对共采影响的隶属程度通过0．1~0．9九标度给出地质因素中的储层几何条件的模糊互补矩阵0．K。
é0．K=
0．5000．0．138325
0．8620．0．500900
0．675 级指标权重 根据式ë(1)0．325得到地质因素中储层几何条件下三
0．8620．1000．500
0．675ù4390．1380．561
500û
(3)组合权重w″(1,1,2)
=(0．309,0．156,0．w。
271,0．264)i=0．5w′+0．5w″=(0．185,3．3 煤与瓦斯共采模糊综合评价0．133,0．i428,0．i
255)
3．3．1 经济预评价
将煤与瓦斯共采经济预评价结果划分为:{经济效益很好,经济效益好,经济效益较好,经济效益中等,经济效益差}5级,相应地其准则层评价结果也分为:{很好,好,较好,一般,差}5级,根据指标在各个等级的隶属程度,建立隶属度矩阵R。应用多层次模糊综合评价方法,对目标区经济合理性进行综合评判。
根据多层次模糊综合评判公式,分别对地质因素准则层下的储层几何条件、含气性条件、储层物性条件和盖层条件作二级模糊综合评判,得二级模糊评判
据最大隶属度原则 因为0．C2982=max{5,0．234,C判断沙曲矿区煤与瓦斯共采经济1,C9,0．2,…,135C51,0．}=0．0802983)
5,因此根3．预评价模糊综合评判结果为3．2 安全评价
:经济效益好。
定权重(1)w瓦斯危险程度的模糊综合评估。由式(2)划分为安全=(0．、基本安全221,0．300,0．确i+有隐患260,0．、基本安全219)将危险等级+隐患较大A·、比较危险w、低危险、中等危险、极大危险,经B=0,0．i=(0．0770,0．0263,0．0526,0．1578,0．285
值0．1422855)对应计算得到安全危险状态“中等危险:中等危险(最大危险等级为中等危险进行治理措施的实施(2)预防治理实施情况评估”)。
。针对沙曲矿瓦斯,模糊综合评判的结果为:好。采前进行的瓦斯预防措施到位,抽采合理范,维修及时(3)管理系统评价。
,在岗员工都经正规培训上岗。沙曲矿对设备管理符合规,模糊综合评判结果为(4)治理效果评价:好。
统计发现,经过瓦斯抽采等相关治理措施后。根据现场瓦斯治理报表的
,利用模3．糊综合评价模型3．3 共采效果评价
,瓦斯治理效果等级为:比较好。
沙曲矿地处经济不发达地区(1)地理位置基础设施和周边地区经济环境,人口较少。煤炭生产是。
当地的支柱产业,其次为农副产品及小矿场,人民消费水平较低。随着煤层气的开发,矿区内的经济会出现一个大的飞跃,也带动了周围其他经济发展材料(2)、动力投入产出条件和财务评价、人员、折旧、井下作业、修理等费用。共采成本包括
。
。计算得沙曲矿区TRR内部=24207共采工作面瓦斯抽采内部收益率
10%。
收12．益52%率TRR,大于基准收益率=10．98%,大于iC基=12%准收,益煤炭开采率iC=在0．(3)25~资源采出率评价2．20m,属于薄煤层。沙曲矿的,理论采出率应在2号煤层厚度
85%
734
煤 炭 学 报
值;l为序参量编号(l=1,2,…,f)。
2015年第40卷
以上。24207为高瓦斯工作面,绝对瓦斯涌出量平均最后根据生产数据的统计,得到沙曲矿24207工作面采出率为92%,抽采率为53%。
综上,通过利用煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型进行目标区共采评价结果,证明沙曲矿煤与瓦3．4 煤与瓦斯共采协调度斯共采技术是合理可行的。
为32．11m3/min,理论瓦斯抽采率应在40%以上。
表10 煤与瓦斯共采协调度
Table10 Coordinationofcoalandgasextraction
一级指标经济预评价
危险程度
二级指标
模糊评价
好中等危险分值(取中间值)8555有序度0．850．55协调度
为了量化煤与瓦斯共采评价系统之间的有序性,3．利用协调度函数量化煤与瓦斯共采之间的协同性4．1 指标等级区间
。
将煤与瓦斯共采评价指标类型分为2种:①“成本型指标”(样本值越小越好,指标有:瓦斯危险程度);②“效益型指标”(样本值越大越好,除了瓦斯危险程度指标外其他都属于这类)。
30%根据文献[18]可知我国煤炭采出率平均不足
30%,低于30%即为差等级,将采出率下限定为确定,,上限不超过论值为24207因此下限应定为理论值100%。瓦斯抽采率处于安全角度40%工作面的采出率理论值为,上限不超过(也是下限值),指标等级分为很好85%,100%抽采率理。
、好、较好、一般、差5个等级,等级区间见表9。
表9 目标区共采评价指标等级区间Table9 Gradeintervalofextractionevaluation
indexfortargetzone
参数
很好
好
较好
一般
差
效益型指标区间[90,100)[80,90)[70,80)[60,70)(0,60)成本型指标区间(0,60)[60,70)[70,80)[80,90)[90,100)
采出率/%[95,100)(80,95](60,80](30,60](0,30)抽采率/%
[80,100}[60,80)[50,60)[40,50)
3．4．2 协调度
协调度模型分为3部分:功效函数,协调度函数和煤与瓦斯共采协调度指标体系(表瓦斯共采系统序参量(1)功效函数。设变量,其值为uXl=1,2,…,10)。
l(f)是煤与l此,共采系统序参量对系统有序的功效(l=1,2,…,(有序度f)。)因可表示为
ìx-U-bbll(当UM(ul)具有正功效时)M(ul)
=íllbl-îl
-xall
(当UM(ul)具有负功效时)
(3)
式中,UM(ul)为指标ul对系统有序的功效;M为系统的稳定区域;xl为序参量实际值;x;a0为序参量合理值l,bl为系统稳定临界点上的序参量的上、下限
(一般)
安全治理措施好850．85评价
管理系统好850．850．65治理效果较好700．70采出率
好900．94共采效抽采率较好550．30果评价
经济效益较好
75
0．75
采系统有序化具有正功效时 以上的功效函数为分段函数,对应效益型指标:①当序参量对共,选用正功效函数形式;②当序参量对系统有序化具有负功效时,对应成本型指标,选用负功效函数形式;③而对于采出率和抽采率这类具有阈值的指标,则采用第3段功效函数形式(2)协调度函数。。
UM(ul)体现的是单一指标对共
采系统的有序功效,为将所有指标联系反应系统的整体功效,建立总功效函数,即协调度函数C=C(UM(ul和几何平均))。。计算系统协调度的方法主要有算术平均算术平均值对个别极端值的影响非常敏感,而几何平均可消除这种不利影响而反映变化的综合水平,因此选用后者。
C=
f
f
M(u(uf 1)UM(u2)…UM)=m
l=1
UM(uf
)(4)
级区间划分 根据前面模糊综合评价结果,量化指标。得到表,10中沙曲矿9的指标等242070．工作面各个评价阶段有序度65,说明该工作面煤与瓦斯共采系统处于初级协调,由式(4)得到协调度为状态[19]4 结 。
论
阶段的煤与瓦斯共采评价系统(1)提出经济预评价、安全评价,构建多层次评价指标、共采效果评价3
体系,响的弊端(2)并建立煤与瓦斯共采模糊综合评价模型为避免以往层次分析法赋权受主观因素影。
,提出层次分析与模糊层次分析相结合的组合赋权法,将专家多年积累的主观经验与评价对象实际数据值对评价结果的影响差异性体现在评价中,主客观结合,更具有科学性、可靠性。
第4期梁 冰等:煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的应用
735
斯共采评价系统、评价指标体系以及评价模型能够实现煤与瓦斯共采评价。突破了以往只进行煤炭开采系统或者瓦斯抽采系统单一评价的局限性,能够对煤与瓦斯共采模式进行分析评价,具有较好应用价值。
(4)根据建立的煤与瓦斯共采指标体系,利用系
(3)通过沙曲矿评价应用,说明所构建的煤与瓦
rangeplanningandinvestmentdecisionmakingsysteminchemical54(5):659-664.
industry[J].JournalofChemicalIndustryandEngineering,2003,
[8] 杨永国,王桂梁,秦 勇,等.煤层气项目经济评价方法及应用
研究[J].中国矿业大学学报,2001,30(2):126-129.
YangYongguo,WangGuiliang,QinYong,etal.ResearchonmethodofChinaUniversityofMining&Technology,2001,30(2):126-129.
ofevaluatingeconomicallythecoalbedmethaneproject[J].Journal
统协调度函数计算得到沙曲矿24207工作面煤与瓦斯共采协调度为0．65,证明该工作面煤与瓦斯共采达到初级协调有序。[9] 中华人民共和国国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社,2011.
参考文献:
[1] 缪协兴采矿与安全工程学报,钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望,2009,26(1):1-14.
[J].
MiaosourcesXiexing,QianinChina:Minggao.Researchfutureongreenprospectsmining[J].ofcoalJournalre-[2] of李宏艳Mining&SafetyCurrentEngineering,2009,26(1):1statusand-14.
合特性实验研究,王维华,[J].齐庆新煤炭学报,等.煤与瓦斯共采覆岩应力及渗透耦
,2013,38(6):942-947.
LingonpanelcouplingHongyan,WangofstressandWeihua,QipermeabilityQingxin,etinoverlyingal.ExperimentalstratastudyChinaforCoalefficientSociety,2013,38(6):942coalandmethene-co-extraction947.
[J].atJournallongwallof[3] 谢和平与模型研究,高 [J].峰,周宏伟煤炭学报,等,2013,38(7):1101.煤与瓦斯共采中煤层增透率理论
-1107.
XieelingHeping,GaoFeng,ZhouHongwei,etal.Onploitationapproachofcoaltomining-enhancedgas[J].JournalpermeabilitytheoreticalofChinaforCoalsimultaneousandmod-Society,2013,ex-[4] 38(7):1101谢和平工程[J].,周宏伟-1107.
and煤炭学报,薛东杰,2014,39(8):1391,等.我国煤与瓦斯共采-1397.
:理论、技术与
XieandHeping,Zhou[J].engineeringJournalofChinaofHongwei,XuesimultaneousCoalSociety,2014,39(8):1391exploitationDongjie,etofal.coalTheory,and-gastechnology1397.
inChina[5] 袁煤炭学报 亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系,2009,34(1):1-8.
[J].
YuansystemLiang.ofChinaofCoalinTheorytegratedofSociety,2009,34(1):1coalpressure-relievedproductionandgas-8.
gasextractionextraction[andJ].techniqueJournal[6] 郭需求权重 燕,韩京海[J].机械管理开发.用模糊层次分析法,2007(6):112(FAHP)-115.
确定QFD中客户
GuorequirementsYan,HanJinghai.Confirmingtheimportanceweightof[7] cal周章玉ManagementinQFDandDevelopment,2007(6):112usingthemethodofFAHPcustomer-115.[J].Mechani-决策体系,曾敏刚[J].化工学报,成思危,2003,54(5):659,等.化工企业供应链长期规划与投资
-664.
ZhouZhangyu,ZengMingang,ChengSiwei,etal.Supplychainlong
[10] 梁能性评价 冰,秦[J]. 冰煤炭学报,孙维吉.,2011,36(12):1974基于灰靶决策模型的煤与瓦斯突出可
-1978.
LiangoutburstBing,QinbasedonBing,SungreytargetWeiji.model[J].PossibilityJournalassessmentofofcoal-gas[11] ety,2011,36(12):1974ChinaCoalSoci-梁斯突出危险评价中的应用 冰,秦 冰,孙维吉-,1978.等[.J].智能加权灰靶决策模型在煤与瓦
煤炭学报,2013,38(9):1611-1615.
LianggentweightingBing,QinBing,SunWeiji,etal.Theoutburstgrey[Jtarget].JournaldecisionofChinamodelapplicationCoalintheSociety,assessmentofintelli-
38(9):1611ofcoal-gas-1615.
2013,
[12] 中华人民共和国国家安全生产监督管理总局出规定[M].北京:煤炭工业出版社,2009.
.防治煤与瓦斯突
[13] [14] GB50215—2005,煤炭工业矿井设计规范[S].[15] AQ1026—2006,LiangtemofBing,Sunco-extractionWeiji,Qi煤矿瓦斯抽采基本指标ofcoalQingxin,etandgas[J].al.[S].
MiningTechnicalScienceevaluationandsys-[16] nology,2012,22(6):891郭金玉-894.
Tech-安全科学学报,张忠彬,2008,18(5):148,孙庆云.层次分析法的研究与应用-153.
[J].中国
GuoanalyticJinyu,ZhanghierarchyZhongbin,Sunprocess[J].Qingyun.ChinaSafetyStudyScienceandapplications[17] 2008,18(5):148of季文博-153.
Journal,
涌出量关系研究,齐庆新,李宏艳[J].煤炭工程,等.沙曲矿单一工作面推进度与瓦斯
,2012(12):95-98.
JitweenWenbo,QiadvancingQingxin,LirateofsingleHongyan,etcoalminingal.Studyfaceonandrelationshipgasemission
be-[18] value崔选民inShaquMine[J].CoalEngineering,2012(12):95-98.京:社会科学文献出版社,王军生,陈义和.,2007.
能源蓝皮书:中国能源蓝皮书[M].北[19] 顾成林变特征,[J].周 云南地理环境研究健.中国地域人居环境与经济协调发展的时空演
,2013,25(3):45-53.
GutedChenglin,ZhoumydevelopmentinChina[Jof].urbanJian.Temporal-spatialevolutionofthecoordina-YunnanhumanGeographicsettlementEnvironmentenvironmentandResearch,
econo-2013,25(3):45-53.