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基于AHP的隧道煤与瓦斯突出风险评估张杰，蔡俊杰?（1贵州省能源技术安全中心，贵州贵阳550 0 2 5;2 贵州大学矿业学院，贵州贵阳550 0 2 5）摘要：为有效评估掌子面前方煤与瓦斯突出的危险性，通过采用TSP和超前探孔组合的物探方法,探测掌子面前方地质水文情况。根据物探结果确定穿煤段隧道煤与瓦斯突出影响的因素，结合模糊层次评价法建立突出危险等级预测模型,对该穿煤段煤与瓦斯突出风险进行综合评估。结果表明：地质因素对煤与瓦斯突出的影响最大，煤体因素次之；该隧道穿煤段煤与瓦斯突出的整体评价风险值为1.8 32 8,对应突出风险级别为2 级,属于中等突出风险,与现场瓦斯的动力现象相符。可见基于综合物探结果的模糊层次评价方法更加科学，对瓦斯隧道突出的风险评估有较好的可靠性和实践意义。关键词：穿煤隧道；模糊层次评价；煤与瓦斯突出；安全评价中图分类号：F406.3;TD15随着我国西南山区隧道工程建设激增，穿煤段瓦斯隧道的瓦斯突出逐渐成为重点关注的施工安全问题。所以,确定与之相关煤与瓦斯突出指标,进行煤与瓦斯突出的危险性预测，对保证施工和财产安全至关重要。张东明2-3 等基于模糊层次评价和超前地质预报结果,对隧道灾害风险进行评估,为隧道施工提供了有效指导。邱成虎4-5 等依据专家调查法、经验打分方式，利用模糊层次评价方法，获得对瓦斯隧道施工风险等级评价。张江山6 等基于FAHP建立了长大公路瓦斯隧道通风系统的评价模型，可为管理人员优化通风系统提供决策依据。前人对瓦斯隧道风险预测做了许多工作，利用层次分析方法进行风险评价的方法也较为成熟,由于影响穿煤段瓦斯隧道中煤与瓦斯突出因素权重的判据主要依赖于现场人员的经验及地勘资料,因此难以避免不科学的因素权重判定和不科学的打分制，且煤与瓦斯突出是多因素共同作用下的地质动力现象，一旦遇到深埋等复杂地质隧道就更加难以预测。综上所述，本文以贵州省某在建瓦斯隧道为例,拟利用TSP（T u n n e lSe i s m i c Pr e d i c t i o n）和超前钻孔综合地质预报结果，考虑煤层地质因素、瓦斯赋存条件和围岩力学性能，基于模糊层次分析法（FAHP：f u z z yanalyticalhierarchyprocess），针对深埋长复杂地质条件下的瓦斯隧道，建立突出风险等级预测模型，对该隧道穿煤段的突出风险进行评价。1地质概况该隧道地处黔北高原北部,场区地貌形态构造及岩性组合控制明显，总体上呈“撮箕”地形，以二叠系中统栖霞和茅口组灰岩组成向斜两翼及扬起端山岭，文献标识码：A文章编号：10 0 8-0 155(2 0 2 3)13-0 0 13-0 3在山岭边缘软质岩区受风化剥蚀作用呈带状浅切槽谷地形。隧道穿越向斜核部,地形起伏的变化大，岩性复杂，贯穿煤层、高瓦斯、高地应力段，面临着地温、岩溶、地下水地面塌陷等不良地质的风险。由于煤与瓦斯突出因素复杂多样，针对本段隧道开挖可能遇到的复杂地质情形，采用TSP和超前钻孔综合预报手段，获取穿煤段的水文、地质相关情况，定性判定影响穿煤段瓦斯隧道煤与瓦斯突出的危险因素，结合模糊层次评价方法定量评估该隧道煤与瓦斯突出风险。1.1超前钻孔探测在该隧道进口左幅在掌子面里程ZK58+580处，钻3个超前探孔，钻孔参数如表1所示。钻孔过程中遇到的煤层瓦斯动力现象如表2 所示。表1超前探孔参数孔号与拱底距离/m与轴向夹角/倾角钻孔长度/m11.121.8532表2 超前探孔瓦斯动力现象编号钻孔深度/m156.24 60.04 247.88 50.16368.40 70.68422.89 25.181.2TSP超前预报隧道地震弹性波法超前预报（TSP）原理是利用地震反射波和绕射波原理，对隧道掌子面前方的地质条件进行探测，既可以快速提供掌子面前方断层等不良地质体的情况，又可对水文信息完善补充。测线示意130012里程范围ZK58+633ZK58+650ZK58+627ZK58+650ZK58+630ZK58+655ZK58+600ZK58+61042010瓦斯动力现象有轻微喷孔现象出现严重喷孔顶钻现象出现严重喷孔顶钻现象遇岩石有卡钻现象，不属于瓦斯动力现象100.3279.897.28如图1所示。图1TSP超前预报测线示意图根据超前钻孔结果，参照高树全利用TSP在高瓦斯隧道做的超前探测，ZK58+620ZK 58+7 51段的TSP探测结果如表3所示。表3TSP预报结果分析编号里程范围1ZK58+620ZK58+6522ZK58+652ZK58+6933ZK58+693ZK58+7054ZK58+705ZK58+7512穿煤段隧道瓦斯突出危险性模糊层次评价模糊层次评价是模糊综合评价法和层次分析法合二为一的系统评价手段,是将定性分析与定量计算相结合的一种评价模型。首先依照模糊综合评判法对评价对象建立因素集和评判集，然后通过层次分析法确定各评价因素相较于评价对象的权重，再利用专家打分的方式生成评判矩阵,最后通过合适的模糊算子进行综合评价，以下对本隧道穿煤段煤与瓦斯突出问题进行模糊层次评价。参考勘察设计资料、地表地质调查等得到掌子面前方的地质信息，了解到穿煤区段ZK58+620ZK58+655，出现瓦斯严重喷孔顶钻等现象，且节理裂隙发育，岩体破碎。在施工扰动的影响下,极可能诱发此区段煤与瓦斯突出,并导致地质灾害事故发生。因此,在超前预报结果的基础上，定性评价突出因素指标的危险性，结合模糊层次评价对隧道施工中可能遇到的地质灾害及整体风险程度进行评估，确定风险等级，提早预测预防，保证施工安全。2.1穿煤段隧道瓦斯突出危险性评价指标根据地质预报结果，结合与隧道相关的地质资料可以确定，,ZK58+620ZK58+655里程段内可能导致14煤与瓦斯突出发生风险因素有瓦斯因素、地质因素以及煤体因素，建立因素集如表4所示。表4煤与瓦斯突出危险性评价指标一级指标二级指标一是煤与瓦斯突出重要的动力表征，压力越大突瓦斯压力出风险越高煤与瓦斯突出跟瓦斯含量存在一定线性关系，瓦斯因素瓦斯含量瓦斯含量高，突出风险通常高反映着瓦斯逸散能力和渗流规律，其值越大，破瓦斯放散初速度碎煤块能力越强，突出风险越高煤系地层周围岩溶裂隙发育时，往往煤层瓦斯岩溶发育情况逸散路径丰富，含量低地下水和瓦斯不相容，排挤于同一空间，地下水富水情况发育时则瓦斯含量小地质因素煤层围岩破碎时透气性良好，则瓦斯易流失；反围岩破碎情况之，瓦斯易赋存埋深增加，地应力和构造应力增大，间接导致瓦隧道埋深斯压力增大，利于突出煤层倾角大时采后易冒落，利于邻近层瓦斯涌煤层倾角出，增大突出风险煤层厚瓦斯扩散路径远、阻碍系数大，利于瓦斯煤层厚度储存，增大突出风险煤体因素分析结果煤体坚固性固性系数小时，利于煤与瓦斯突出纵波速度值起伏较大，横波速度值呈下降趋势，同时强反射异常界面极为密集，节理裂隙发育，岩体破碎,地下水弱发育纵波速度值起伏较大，岩体整体较破碎，局部破碎，推测存在溶蚀裂隙的可能性较大纵波速度值呈上升趋势，节理裂隙发育，局部溶蚀裂隙发育纵波速度值呈明显下降趋势，该段围岩节理裂隙发育，局部溶蚀裂隙发育，岩体整体破碎指标纳入依据国内外众多研究结果及实践证明，通常煤的坚通常煤层透气性差，瓦斯不易扩散，利于储存，煤层透气性增大突出风险基于以上分析,将瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯放散初速度归结为瓦斯因素；岩溶发育情况、富水情况、围岩破碎情况、隧道埋深归结为地质因素；煤层倾角、煤层厚度、煤体坚固性、煤层透气性归结为煤体因素。瓦斯因素、地质因素、煤体因素三个指标形成准则层，评价对象煤与瓦斯突出风险为目标层，层次指标体系如图2 所示。煤与瓦斯突出风险瓦斯因素地质因素瓦斯压力瓦斯含量2.2建立评价集本模型将突出风险分为三个等级,即低风险、中等风险、高风险,对应的风险值如表5所示。风险值K=BST,式中B为模糊综合评价矩阵;S为风险值向量。表5突出风险评价集风险等级低风险风险值11.52.3建立风险因素权重集下面以瓦斯因素的权重计算为例。结合勘察设计煤体因素瓦斯放散初速度岩溶发育情况富水情况国岩破碎情况图2指标体系图中等风险1.5 2.5煤层倾角媒层厚度煤体坚固性煤层透气性高风险2.53资料和表6 中对各突出影响因素的实时状态判定结果,对各因素进行打分,如表6 所示,并构造影响瓦斯因素的判断矩阵。通过归一化处理，得到各影响因素权重，其权重向量为：W,=(0.1634,0.2970,0.5396)。表6 瓦斯因素判断矩阵判断项瓦斯压力瓦斯含量瓦斯压力1瓦斯含量2瓦斯放散初速度3为保证该权重的有效性，需要检验矩阵的一致性。因此，LAW=3入max入mm-n3-3CI=0n-13-1n=3,查表可知 RI=0.58,所以 CR=CI/RI=00.1,满足一致性检验,构造的瓦斯影响因素矩阵合理，可以计算各指标权重。2.4进行模糊层次评价2.4.1一级指标综合评价参照勘察设计资料并根据TSP和超前钻探分析结果,对瓦斯因素进行单因素评价，得出单因素评价矩阵：(0.20.3R,=0.20.50.3(0.20.40.4则 B,=W,R,=(0.2,0.4134,0.3867)。类似的可以分别得到地质因素和煤体因素穿煤段隧道瓦斯突出危险性单因素评价如下：地质因素：B,=(0.5129,0.3433,0.1437)煤体因素：B=（0.346 5,0.3915,0.2 6 2 1)2.4.2二级指标综合评价由以上可以得到总评判矩阵为：(0.20000.41340.3867R=0.51290.34330.1437(0.34650.39150.2621煤与瓦斯突出模糊综合评价：B=WR=(0.3939,0.3789,0.2269)K=BST=(0.3939,0.3789,0.2269)(1 2 3)=1.8328因此该穿煤隧道段，煤与瓦斯突出的整体综合评价风险为2 级，属于中等突出风险。计算结果表明,该隧道段为煤与瓦斯中等突出危险，与综合超前地质预报实践一致，与开挖时突出危险等级相符，说明根据综合物探结果进行打分，再结合模糊综合评价模型对该隧道煤与瓦斯突出风险等级预测结果准确，分别得出煤层地质因素、瓦斯赋存条件情况的重要度排序，指导现场施工。3结论结合现场超前地质预报,以地勘资料为基础,对应选择超前探孔以及TSP相补充的组合物探方法，揭示瓦斯放散初速度1/21/311/221nW;0.5)了掌子面前方穿煤段的地质水文条件。依据综合物探预报结果确定了诱发该穿煤段瓦斯隧道煤与瓦斯突出等多个关键因素，包括瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯放散初速度、岩溶发育情况、富水情况、围岩破碎情况、隧道埋深、煤层倾角、煤层厚度、煤体坚固性和煤层透气性。本文建立的瓦斯隧道突出风险评估模型，预测结果表明,地质因素对煤与瓦斯突出的影响最大，煤体因素次之；该隧道穿煤段煤与瓦斯突出的整体评价风险值为1.8 32 8,对应突出风险级别为2 级，属于中等突出风险，与实际情况相符。参考文献：1智刚.煤层瓦斯隧道中开展TSP探测工作的研究与探索J.物探化探计算技术,2 0 19,41(0 1）：47-54.2张东明，白永杰，白鑫，等.深埋长隧道施工地质灾害风险模糊层次评价J.安全与环境学报，2 0 18,18（0 1）：50-55.3韩明.隧道瓦斯灾害危险性评价研究D.中南大学，2 0 12.4邱成虎，陈寿根，谭信荣，等.基于模糊层次分析法的瓦斯隧道施工风险评价J.地下空间与工程学报，2 0 15，11(03):774780.5陈刘瑜，李希建，毕娟，等.基于AHP-TOPSIS的冲击型煤与瓦斯突出倾向性预测J.中国安全科学学报，2020,30(04):47-52.6张江山，高世强，刘伟，等.基于AHP模糊综合方法的长大公路瓦斯隧道通风系统评价研究J.世界科技研究与发展,2 0 16,38(0 4):7 7 8-7 8 2.基金项目：国家自然科学基金资助项目（52 16 40 15）；贵州省省级科技计划资助项目（黔科合支撑【2 0 2 2】一般2 31。作者简介：张杰（198 1-），男，河北固安县人，硕士，工程师，研究方向：煤与瓦斯突出防治。15