基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法与流程

本发明涉及煤矿安全防治，具体涉及一种基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法。

背景技术：

1、矿井顶板突水问题一直是煤矿安全生产的重大隐患，顶板突水预测在煤矿安全生产防治水中致关重要，顶板突水危险性的准确区分是顶板突水防治的关键。但是顶板突水危险性强弱具有明显的空间分布不均一性、各向异性，因此需要准确的对工作面顶板突水危险区域进行准确的划分。

2、目前针对于煤矿顶板突水危险性的评价，多数采用层次分析法进行评价。一般的层次分析法采用主观赋权的方法，事先确定综合评价指标体系中各项指标的权重，该权重由有关专家根据主观经验评判打分，然后计算排序，是一种定性评价方法。而本申请的发明人经过研究发现，主观赋权法基于评价者的主观偏性中各项指标的权重，可以反映评价者的经验和直觉，虽然简单明了好用，但是易受主观因素的影响，如夸大或降低某些指标的作用，使得评价结果不能完全真实反映客观事物之间的现实关系。

技术实现思路

1、针对现有对于煤矿顶板突水危险性评价用的主观赋权法基于评价者的主观偏性中各项指标的权重，易受主观因素的影响，如夸大或降低某些指标的作用，使得评价结果不能完全真实反映客观事物之间现实关系的技术问题，本发明提供一种基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法，该方法将数值模拟方法得出各评价指标的敏感性作为层次分析法评价时计算初始权重，避免了主观因素带来的主观误差。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法，包括以下步骤：

4、s1、根据煤矿实际情况选取顶板突水危险性评价指标；

5、s2、通过地质钻孔的方法获取煤矿地质资料；

6、s3、采用评价指标控制变量法进行回采模拟，计算得到回采模拟结果；

7、s4、根据回采模拟结果计算评价指标的敏感性和初始权重；

8、s5、根据计算得到的评价指标初始权重，利用层次分析法计算工作面顶板突水危险性评价系数；

9、s6、根据评价系数对工作面顶板突水危险性进行分级。

10、进一步，所述步骤s3中计算得到的回采模拟结果包括顶板位移变化率、塑性区等效厚度变化率以及最大渗流速度变化率；

11、所述顶板位移变化率的计算公式如下：

12、

13、其中，δu表示顶板位移量的变化值，u表示参考工况下的顶板位移量，δx表示变量指标的变化值，x表示参考工况下的变量指标值；

14、所述塑性区等效厚度变化率的计算公式如下：

15、

16、其中，δtp为塑性区等效厚度的变化值，tp表示参考工况下的塑性区等效厚度值；

17、所述最大渗流速度变化率的计算公式如下：

18、

19、其中，δvmax为最大渗流速度的变化值，vmax表示参考工况下的最大渗流速度。

20、进一步，所述步骤s4中评价指标的敏感性计算公式如下：

21、q＝1/3(|qu|+|qt|+|qv|)

22、其中，qu、qt、qv分别为回采模拟结果中的顶板位移变化率、塑性区等效厚度变化率以及最大渗流速度变化率；

23、所述步骤s4中评价指标的初始权重计算公式如下：

24、

25、其中，i为评价指标的顺序，qi为第i个评价指标的敏感性，n为评价指标的总个数。

26、进一步，所述步骤s5具体包括：

27、s51、构建顶板突水静态危险性层次结构模型；

28、s52、构建顶板突水静态危险性判断矩阵；

29、s53、对顶板突水静态危险性判断矩阵进行按列归一化；

30、s54、根据归一化后的值计算各评价指标对应的权重；

31、s55、根据各评价指标对应的权重对判断矩阵进行一致性检验；

32、s56、计算工作面顶板突水危险性评价系数。

33、进一步，所述步骤s52中构建的顶板突水静态危险性判断矩阵z如下：

34、

35、

36、其中，i、j为评价指标的顺序，qi、qj分别第i个、第j个评价指标的初始权重，aij为第i个、第j个评价指标的初始权重的比值。

37、进一步，所述步骤s53中按列归一化的计算方式如下：

38、

39、

40、cij＝aij/bj

41、其中，bj为判断矩阵z中每一列元素的总和，cij为判断矩阵z中元素归一化后的值。

42、进一步，所述步骤s54中各评价指标对应的权重计算方式如下：

43、

44、

45、其中，wi为第i个评价指标对应的权重，cij为判断矩阵z中元素归一化后的值。

46、进一步，所述步骤s55中一致性检验的计算方式如下：

47、

48、

49、

50、cr＝ci/ri

51、其中，λmax为判断矩阵z的最大特征根，w为所有评价指标对应的权重集合，ci为一致性指标，ri为随机一致性指标，cr为一致性比率。

52、进一步，所述步骤s56中工作面顶板突水危险性评价系数的计算方式如下：

53、k＝a1*w1+a2*w2+…+ai*wi

54、

55、其中，k为绝对突水危险性评价系数，k为相对突水危险性评价系数，n为工作面划分的评价区域数量，ai为第i个评价指标的测量值，wi为第i个评价指标对应的权重。

56、进一步，所述步骤s6中根据评价系数对工作面顶板突水危险性进行分级的方式如下：

57、0＜k＜0.25安全区

58、0.25≤k＜0.5弱危险区

59、0.5≤k＜0.75危险区

60、0.75≤k＜1强危险区

61、其中，k为相对突水危险性评价系数。

62、与现有技术相比，本发明提供的基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法具有以下优点：(1)以评价指标敏感性为初始权重构建的顶板突水静态危险性判断矩阵的cr值为0，说明判断矩阵具有完美的一致性；(2)通过数值模拟方法得出各评价指标的敏感性计算初始权重，避免了传统专家经验法带来的主观误差；(3)数值模拟方法的使用使得该评价方法的应用场景更加广泛。

技术特征：

1.基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法，其特征在于，所述步骤s3中计算得到的回采模拟结果包括顶板位移变化率、塑性区等效厚度变化率以及最大渗流速度变化率；

3.根据权利要求1所述的基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法，其特征在于，所述步骤s4中评价指标的敏感性计算公式如下：

4.根据权利要求1所述的基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法，其特征在于，所述步骤s5具体包括：

5.根据权利要求4所述的基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法，其特征在于，所述步骤s52中构建的顶板突水静态危险性判断矩阵z如下：

6.根据权利要求4所述的基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法，其特征在于，所述步骤s53中按列归一化的计算方式如下：

7.根据权利要求4所述的基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法，其特征在于，所述步骤s54中各评价指标对应的权重计算方式如下：

8.根据权利要求4所述的基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法，其特征在于，所述步骤s55中一致性检验的计算方式如下：

9.根据权利要求4所述的基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法，其特征在于，所述步骤s56中工作面顶板突水危险性评价系数的计算方式如下：

10.根据权利要求1所述的基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法，其特征在于，所述步骤s6中根据评价系数对工作面顶板突水危险性进行分级的方式如下：

技术总结
本发明提供一种基于敏感性分析与层次分析法的顶板突水危险性评价方法，包括以下步骤：根据煤矿实际情况选取顶板突水危险性评价指标，通过地质钻孔的方法获取煤矿地质资料，采用评价指标控制变量法进行回采模拟计算得到回采模拟结果，根据回采模拟结果计算评价指标的敏感性和初始权重，根据计算得到的评价指标初始权重利用层次分析法计算工作面顶板突水危险性评价系数，根据评价系数对工作面顶板突水危险性进行分级。本方法通过数值模拟方法得出各评价指标的敏感性计算层次分析法评价时的初始权重，避免了主观因素带来的主观误差，应用场景更加广泛。

技术研发人员：井庆贺,崔义,焦扬,于斌,邹迪,陈结,蒲源源,芮艺超,陈紫阳,孟历德仁
受保护的技术使用者：扎赉诺尔煤业有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22