安徽理工大学，地球与环境学院，安徽 淮南

收稿日期：2021年9月6日；录用日期：2021年10月11日；发布日期：2021年10月18日

摘要

近年来，伴随着东部矿区浅部资源开采殆尽，为满足资源需要，因此煤矿开采也由浅部开采发展到深部开采。深部煤层开采所带来的“三高一扰”即高地应力、高地温、高水压及剧烈开采扰动条件下导致的深部煤层开采难题，其中对于高水压所带来的突水问题尤其严重。顾北13521工作面由于开采深度增加，底部太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层对工作面开采影响较大，所以为降低开采风险急需进行地面区域治理。现阶段对于区域治理比较高效的方法是注浆加固。本文以东部顾北煤矿13521工作面注浆区域治理工程为例，结合注浆实际评价效果与AHP模拟评价进行比较，与实际比较有一定的可靠性。

关键词

灰岩水害，注浆加固，AHP，注浆效果评价

Comprehensive Simulation Evaluation of the Effect of Slurry Injection in 13521 Mining Area of Gubei Coal Mine

Jiafeng Wu, Jingzhong Zhu, Baoxin Zhao

School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui

Received: Sep. 6^th, 2021; accepted: Oct. 11^th, 2021; published: Oct. 18^th, 2021

ABSTRACT

In recent years, along with the exploitation of shallow resources in the eastern mining areas, in order to meet the needs of resources, coal mining has also developed from shallow mining to deep mining, and the “three highs and one disturbance” brought about by deep coal seam mining is the problem of deep coal seam mining caused by high stress, high temperature, high water pressure and severe mining disturbance. Among them, the problem of sudden water caused by high water pressure is particularly serious. Gubei 13521 work surface due to the increase in mining depth, the bottom Taiyuan group ash karst crack pressure aquifer has a greater impact on the working surface mining, so in order to reduce mining risk, there is urgent need to carry out ground area management. At this stage, it is more efficient method for regional governance: injection reinforcement. In this paper, taking the regional management project of 13521 working surface slurry in the eastern Gubei coal mine as an example, this paper compares the actual evaluation effect of slurry with the simulation evaluation of AHP, and has some reliability compared with the actual comparison.

Keywords:Limestone Water Damage, Grouting Reinforcement, AHP, Grouting Effect Evaluation

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1. 引言

顾北煤矿地处淮南煤田中部，该井田为全隐伏煤田，含煤系为石炭二叠系，其主要为二叠系山西组煤层段 [1] [2] [3]，煤层厚度平均69 m，含煤1层区内1煤厚2.6~10.2 m，平均7.6 m；上距4-1煤层66.5~75.3 m，平均70.6 m；下距1灰14.6~25.4 m，平均约19.1 m；采区中部较薄，两侧逐渐增厚；一般含1~3层泥岩夹矸；煤层发育稳定，属稳定型煤层 [4] [5]。为保证资源及时供应，现需要继续开采1煤层。但1煤层开采受底板灰岩水害威胁，水文地质条件复杂。为此，建立了地面–井下注浆系统。利用导管进行注浆加固和含水层改造从而达到可安全开采的目的。

13521采区工作面主要受底部太原组灰岩岩溶裂隙水影响，其中C₃I组灰岩含水层为1煤层底板直接充水含水层，厚度为29.6~35 m，平均厚度为32.3 m。通过底板的构造裂隙与采动裂隙影响工作面，因此采用注浆加固来进行水害防治。本文以顾北煤矿为例，结合AHP对煤层底板区注浆区域综合治理进行模拟评价 [6]。

2. 注浆孔区域概况

13521工作面主体为向东倾斜的单斜构造 [7]。根据工作面的综合历次三维地震数据、，工作面发育断层14条，其中对采掘影响较大的断层2条，分别为F_S854和F_S960 (如下表1)。13521工作面煤层发育稳定，属稳定型煤层。

表1. 13521工作面三维地震勘查解释断层

13521工作面地面区域探查治理范围内施工3个钻探主孔、26个钻探分支孔，钻孔钻进及注浆工作于2021年2月27日全部完成。本次探查治理共施工3个钻探主孔，26个钻探分支孔，共完成钻探工程量17,576 m，其结构图如图1所示。

图1. 南一1煤采区地面区域探查治理钻孔井身结构示意图

3. 评价指标的设计

层次分析法，简称AHP。层次分析法通常分为四个步骤：1) 建立层次结构模型；2) 构造比较判断矩阵；3) 计算矩阵的最大特征根及其对应的特征向量；4) 层次排序和其一致性检验 [8] [9]。此次采用分析法综合分析16个因素影响下的注浆效果评价。

根据前述，将13521工作面范围区域探查治理效果评价指标分为钻孔质量、注浆质量和效果检验三大方面。分别对应总目标层、分目标层和准则层 [10] 具体如图2所示。

图2. 层次分析结构图

3.1. 判断矩阵构造与计算

权重计算以指标层开始逐步进行探究 [11]。为掌握指标层中有16个因素在区域治理综合评价中的所占权重，和各因素之间的关系，引入1~9的区分标度(见表2)。对各个因素进行比较，采用层次分析法，确定各因素的权重，构造出判断矩阵(见表3~7)。后采用AHP软件进行矩阵的判断与求解 [12]。

表2. 判断矩阵中各元素的区分标度

表3. 区域治理综合评价的判断矩阵与权重

表4. 钻孔质量评价的判断矩阵与权重

表5. 注浆质量评价的判断矩阵与权重

表6. 效果检验评价的判断矩阵和权重

表7. 矩阵介数不同的随机一致性指标R.I.取值表

假定分目标层(B)指标中B_i与准则层中 $P_i\left(i=1,2,\cdots ,n\right)$ 有联系，建立判断矩阵，如下：

通过各指标的比较确定各指标的优先权重等级，表示指标关系的相对重要性。其评价结果采用如下矩阵表示。

$B=\left[\begin{array}{ccc}{b}_{11}& \cdots & b_{1n}\\ ⋮& \ddots & ⋮\\ b_{n1}& \cdots & b_{nn}\end{array}\right]$

指标权重的确定：

1) 计算矩阵每行所有元素的几何平均数

$W_i=\sqrt[n]{{\displaystyle {\prod }_{j=1}^n{a}_{ij}}},i=1,2,\cdots ,n$，可得， $W_i={\left(w_1,w_2,\cdots ,w_n\right)}^{\text{T}}$ (3.1)

2) 进行归一化

$W_i=\frac{w_i}{{\displaystyle {\sum }_{j=1}^n{w}_j}},i=1,2,\cdots ,n$，可得， $W_i={\left(w_1,w_2,\cdots ,w_n\right)}^{\text{T}}$ (3.2)

3) 计算判断矩阵最大特征值 ${\lambda }_{\max }$

${\lambda }_{\max }={\displaystyle {\sum }_{i=1}^n\frac{{\left(Aw\right)}_i}{n{w}_i}}$，其中 ${\left(Aw\right)}_i$ 为向量Aw的第i个元素。 (3.3)

4) 一致性检验

$C.R.=\frac{C.I}{R.I}$ (3.4)

$C.I=\frac{{\lambda }_{\max }-n}{n-1}$ (3.5)

其中，C.I与R.I是平均随机一致性指标，R.I.取值见上表7所示。

如表8，判断矩阵的C.R.分别为0、0、0.097和0.091均小于0.1，符合上述层次分析法所要求的一致性检验结果标准。

表8. 一致性检验

根据以上计算所得各目标层次指标的所占权重如表2~8所示。为了实现更加总体客观的评价，还需要进行总目标层次排序。其计算方式如下所示：

$C_i={\displaystyle \underset{j=1}{\overset{m}{\sum }}{c}_{ij}{b}_j},i=1,2,\cdots ,n$

由此计算所得组合权重判断矩阵见表9。

表9. 注浆效果评价指标优先级权重

基于上述各指标的权重性分析，对各指标的分析如下：

3.2. 计算结果及其评价

1) 钻孔质量评价(B₁)

跟层率(C₁)其中各分支水平孔实钻跟层率>89%，符合设计中要求。

钻孔孔深(C₂)其中各分支水平孔钻孔孔深均>设计孔深。

轨迹偏差量(C₃)各水平分支孔实际轨迹与设计轨迹的偏差均<2 m的要求。

2) 注浆质量评价(B₂)

注浆材料(C₄)其中各指标质量均符合国家GB175-2007标准。

注浆压力(C₅)均大于钻孔水平段所在位置奥灰含水层静水压力的1.5倍 [13] [14]。

注浆用量(C₆)均小于设计注浆结束吸水率(0.010 L/min·m·m)。

注浆异常情况次数(C₇)，注浆期间发生严重漏失异常2次。

异常情况及处理(C₈)各异常情况均得到及时有效处理。

浆液扩散有效范围(C₉)，各分支孔浆液设计间距为60 m，结合注浆模拟可知，实际浆液扩散有效半径>30 m。

3) 效果检验评价(B₃)

验证孔水压(C₁₀)各验证孔终孔出水水压为0~1.0 MPa，水压值<深部灰岩水压。

验证孔水量(C₁₁)10个验证钻孔，共有6个出水，水量0.2~0.85 m³/h，钻孔出水量较小。

验证孔水温(C₁₂)验证钻孔实测水温值在32℃~37℃之间，比奥灰水温低。

验证孔水质(C₁₃)各验证孔的常规离子含量、TDS及舒卡列夫水化学分类均与奥灰水存在差距。

物探异常区数(C₁₄)物探异常区面积(C₁₅通过槽波地震和无线电波坑透探查，综合确定13521底板有5处低阻区。

低阻区内钻孔出水量(C₁₆)低阻异常区验证钻孔水量0.4~0.85 m³/h。

根据实际情况将区域探查治理效果等级水平划分为四个等级 [15]，并作了定性和定量的描述，具体见表10。

表10. 注浆效果等级水平划分

利用以上16个分目标定量化，对注浆评价数值V进行计算，其计算方式如下：

$V={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{16}{\sum }}{V}_i}={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{16}{\sum }}{Z}_i\times C_i}$ (3.6)

式中：Z_i为各指标无量纲化评价值；C_i为各指标的权重值。

结合各指标与实际情况，对区域综合探查治理效果影响指标评价数值计算，V < 0.25，对照表9可知，确定其属于等级I，注浆效果良好，区域探查治理取得了很好效果。

4. 结论

1) 根据实际现场采用物探方法检测注浆效果与模拟效果评价大致一致可以确定AHP分析法在注浆效果评价中是可以实现一定的预测效果。

2) 对于注浆加固改善采区工作面灰岩水害防治取得了很好的效果。注浆效果明显，探查治理效果良好。

3) 利用各因素关系、专家打分、MATLAB计算，通过建立层次分析结构、构造与计算判断矩阵、确定各因素的权重以及建立评价等级等步骤，分步完成对于多因素影响评价模型。根据工作面实际评价效果从而推动模型的优化与分析。

文章引用

吴家峰,朱敬忠,赵保新. 顾北煤矿13521采区注浆效果治理多因素综合模拟评价
Comprehensive Simulation Evaluation of the Effect of Slurry Injection in 13521 Mining Area of Gubei Coal Mine[J]. 矿山工程, 2021, 09(04): 334-341. https://doi.org/10.12677/ME.2021.94048

参考文献