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基于博弈组合赋权-云模型的坚硬顶板采场来压强度等级评估研究

2024-06-07



基于博弈组合赋权-云模型的坚硬顶板采场来压强度等级评估研究




张向阳, 孔冉, 李修冠, 童治鹏

作者单位
安徽理工大学 矿业工程学院


基金项目
国家自然科学基金项目 52074007;安徽省自然科学基金项目 2008085ME142;安徽高校协同创新项目 GXXT-2020-056
作者简介


      张向阳博士,安徽理工大学教授,博士生导师,澳大利亚墨尔本皇家理工大学访问学者,北京工业大学土木工程博士后流动站博士后。中国高等教育学会资源能源教育分会理事,中国岩石力学与工程学会煤矿智能开采与岩层控制分会理事,中国煤炭学会青年工作委员会委员,安徽省煤炭学会理事,安徽省安全生产专家组成员。主要从事矿山压力与岩层控制、地下岩石工程等方面的研究,先后主持国家自然科学基金项目、安徽省自然科学基金项目、安徽省高校协同创新项目、安徽省优秀青年人才基金项目等多项国家和省部级项目,并与中煤能源、淮河能源、淮北矿业等企业开展合作项目。专注深部采场和巷道围岩控制近20年,致力于采场大范围覆岩结构演化及坚硬顶板煤层开采围岩控制方面研究,先后获得省部级科技奖励4项,发表学术论文50余篇,其中SCI、EI检索20余篇,授权发明专利10项、实用新型专利9项,制定行业标准1项。





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摘要




    为了解决坚硬顶板采场来压强度等级评估的不确定性问题,在力学分析的基础上,从顶板条件、地质条件、开采条件和其他条件等4个方面选取14个指标因素,采用序关系法确定主观权重、改进的CRITIC法确定客观权重,运用博弈论组合赋权,得到最佳综合权重,构建坚硬顶板采场来压强度等级评估云模型。通过云相似度测算,提高评估结果的精确性。以淮南张集矿区11129工作面为例,对9-2煤层上覆坚硬顶板来压强度等级进行评估,应用表明:所提方法综合考虑评价对象的主客观因素,权重分配科学合理,评估结果与实际情况一致,能为现场顶板弱化工作提供理论依据。





主要内容

1  采场坚硬顶板矿压显现影响因素分析

1.1   基于力学模型矿压显现影响因素分析

1.2   坚硬顶板来压强度等级评估指标体系


图  1  坚硬顶板来压强度等级评估指标体系

   





  基于合作博弈思想的指标组合权重模型


2.1   序关系法确定主观权重

2.2   改进CRITIC法确定客观权重

2.3   合作博弈思想确定组合权重






  基于组合权重-云模型的坚硬顶板来压强度等级评估流程


3.1  云模型基本原理

    3.1.1   云基本定义

    3.1.3   云发生器

图  2  云发生器原理

       

   3.2   设定基准评价云

         3.2.1   评语集设定


表  1  坚硬顶板来压强度等级分类标准

         3.2.2   基准评价云确定

   3.3   生成基于双边约束的指标评价云

       3.3.1   生成二级指标评价云

       3.3.2   生成一级指标评价云

       3.3.3   生成综合评价云

3.4   基于云相似度测算的评价结果确定







  工程案例应用分析

4.1   工作面顶板来压强度分析

表  2  9-2煤层工作面岩层分布及其力学参数

4.2   坚硬顶板来压强度等级综合评估

      4.2.1   计算组合权重

  

图  3  评价指标权重分布

表  3  影响指标因素权重值及云模型特征参数


        通过图 3表 3可以得出: V8V10V14的主客观权重值较为一致,主观权重值较为均衡,无法突出一些指标的重要性;V1V4V6V9的客观权重值较大,其余指标的权重值差距较大。因此, 借助博弈论的组合赋权可以弥补单一赋权法的不全面性,实现主客观权重的结合,使最终权重值更加合理。

      4.2.2   确定评价标准云

       根据表 1划分坚硬顶板来压强度等级及评分区间,利用式(19)计算标准云模型参数,输入标准云模型参数及云滴数,依次生成4个坚硬顶板采场来压强度等级标准云图,如图 4所示(图中从左到右蓝黄绿紫依次是Ⅰ~Ⅳ级对应的标准云)。

图  4  坚硬顶板采场来压强度等级标准云图

     4.2.3   计算各指标云和综合云

表  4  云相似度测算结果

图  5  一级指标评价云图

图  6  坚硬顶板来压强度等级综合评价云图

由表 4和图 5可以看出,11129工作面9-2煤层的顶板条件影响因素所造成的来压强度等级最强烈,地质条件与开采条件的等级差距较小,等级也同属于强烈,而其他条件,诸如同煤层和相邻煤层的一些因素等级是介于强烈和明显之间,但根据相似度其属于明显等级,因此相似度测量可以使评价结果更加精确。通过云模型评估及综合云图(见图 6)直观展示得出11129工作面的坚硬顶板来压强度等级为强烈,需进行顶板弱化后方可正常开采。

9-2煤层预裂爆破后工作面平均初次来压步距为45 m,开采过程中将会造成采空区大面积悬顶,需进行强制放顶。顶板弱化后矿压监测系统实测数据如图 7所示。

图  7  工作面压力分布图

       工作面推进40 m(不含开切眼)左右时,下部、中部及中上部的部分支架压力开始逐渐增大,出现初次来压的现象,且压力升高期间,工作面伴随有顶板响动;顶板初次来压时工作面液压支架平均工作阻力为21.9~34.8 MPa,最大工作阻力为34.8 MPa。工作面强烈来压风险与理论评估结果一致,表明建立的坚硬顶板采场来压强度等级评估模型较合理。




 结论

1) 坚硬顶板采场来压强度等级评估过程具有较强的随机性和模糊性,运用云模型进行评估实现了定性与定量之间的转化,来压强度等级评估结果通过云发生器生成云图,更加直观展示了每个指标的危险程度。

2) 在对坚硬顶板采场来压强度等级评估的过程中引入改进的CRITIC法确定风险因素的权重值,借助博弈论组合思想找寻最佳权重值,降低评估指标体系中序关系法评分时的主观影响程度,使评估结果更加真实可靠。

3) 对评价结果进行云相似度测算,从数学的角度精确地确定指标因素的危险等级,使评估结果更加准确。

4) 基于博弈组合思想云模型对坚硬顶板采场来压强度等级进行综合评估,评估方法合理可行。基于淮南张集矿11129工作面实际条件,验证了该方法的适用性,对坚硬顶板采场来压强度等级评估具有一定参考价值。





张向阳, 孔冉, 李修冠, 童治鹏. 基于博弈组合赋权-云模型的坚硬顶板采场来压强度等级评估研究[J]. 矿业安全与环保, 2024, 51(2): 98-105, 110. 

ZHANG Xiangyang, KONG Ran, LI Xiuguan, TONG Zhipeng. Research on weighting grade evaluation of hard roof stope based on game combination weighting-cloud model[J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2024, 51(2): 98-105, 110. 

  责任编辑:宫在芹
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毕业于黑龙江科技学院,采矿工程、工商管理双学士学位,采矿工程高级...

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