本发明涉及矿井瓦斯治理及利用
技术领域：
，尤其涉及一种多分支水平井瓦斯抽采方案的评价方法。
背景技术：
：瓦斯是制约我国煤炭生产安全的重要因素之一，随着煤矿开采深度的增加，煤层瓦斯增大，这种问题愈加突出。矿井瓦斯具有一定的两面性，在煤炭生产过程中可能会引起煤与瓦斯突出和矿井瓦斯爆炸，瓦斯的主要成分为甲烷，甲烷是主要的温室气体之一，其温室效应是二氧化碳的20倍，直接将其排放到空气里会产生强烈的温室效益；同时瓦斯也是一种清结能源，随着人们生活水平的提高，对能源的需求也变的越来越大，瓦斯不仅可以作为燃料，瓦斯爆炸能带来巨大能量还可以进行发电。我国矿井瓦斯抽采可分为三类：开采前瓦斯抽采、掘进过程中瓦斯抽采和开采后瓦斯抽采，其中开采前瓦斯抽采又包含三大类：地面钻井采前瓦斯抽采、本煤层采前瓦斯抽采和邻近层采前瓦斯抽采。在多种瓦斯抽采方法中地面钻井采前所抽气体瓦斯浓度最高，利用范围最广。多分支水平井瓦斯抽采是地面钻井采前瓦斯抽采方法进行瓦斯抽采钻孔的主要布置方法，在多分支水平井施工过程中，由于多分支水平井结构复杂且需保持钻井水平段始终在煤层中，这对钻机的能力和工程师的技术水平提出了很高的要求。由于地质结构的影响煤层中常存在大量发育的机理和裂隙，在钻井过程中钻孔周围煤体卸压，钻孔开始变形，随着变形量的增大，钻孔周围出现拉应力，随之煤体裂隙变大，最终易导致钻孔的坍塌，造成重大经济损失。综上可知，多分支水平井不仅能够增大井筒控制面积、提高瓦斯采出率，还具有工程投入大、钻进风险大的特点。因此，对多分支水平井瓦斯抽采方案进行施工前综合评价具有非常重要的意义。然而目前，多分支水平井瓦斯抽采方案的评价都是通过一个或者两个指标确定，且在对钻井的一个方面进行讨论和评价，也忽略了煤岩参数，具有一定模糊性。技术实现要素：针对现有技术的缺陷，本发明提供一种多分支水平井瓦斯抽采方案的评价方法，充分考虑评价指标的模糊性问题及各评价指标对评价结果的综合影响，从待选瓦斯抽采方案中选取出最优的瓦斯抽采方案。一种多分支水平井瓦斯抽采方案的评价方法，包括以下步骤：步骤1：构建多分支水平井瓦斯抽采方案的评价指标体系；多分支水平井瓦斯抽采方案的评价指标包括：煤层瓦斯治理效果、瓦斯抽采时间、钻井产量、钻井施工难度、环境影响及工程费用；步骤2：计算多分支水平井瓦斯抽采待评价方案的模糊产能：通过查阅煤矿资料或者通过测量方法获得目标煤层瓦斯抽采参数和煤岩参数，包括恒压边界处煤层瓦斯压力煤层水平方向渗透率煤层垂直方向渗透率煤层渗透率比例系数瓦斯动力粘性系数煤层厚度和钻井到煤层顶板的距离以上各参数均为三角模糊数，同时还包括标态温度t、煤层温度tsc、煤层中气体压缩因子z和标态气体压缩因子zsc；根据目标煤层瓦斯抽采参数、煤岩参数及瓦斯抽采待评价方案的钻井参数，得到多分支水平井瓦斯抽采方案的模糊产能模糊产能的计算公式如下式所示：其中，瓦斯抽采待评价方案的钻井参数包括井筒分支数目n、主井长度lmain、分支井长度lb、分支井和主井的夹角α、供给半径re、钻井半径rw和井底流压pw；计算求得的多分支水平井瓦斯抽采待评价方案的模糊产能中包含模糊三角结构元e，公式中的模糊三角结构元e的取值为-1、0和1，得到模糊产能的下确界、核和上确界，将模糊产能简化为三角模糊数；步骤3：构建多分支水平井瓦斯抽采待评价方案的模糊评价指标值矩阵，具体方法为：假设多分支水平井瓦斯抽采有n个待评价方案，以各待评价方案的评价指标体系对瓦斯抽采方案进行评价，得到多分支水平井瓦斯抽采方案的模糊评价指标值矩阵，表示为：其中，为第j个瓦斯抽采待评价方案的第i个评价指标的模糊评价指标值，i＝1、…、6，j＝1、…、n，该模糊评价指标值为三角模糊数；步骤4：将多分支水平井瓦斯抽采待评价方案的模糊评价指标值矩阵根据归一化公式进行归一化处理，具体方法为：将瓦斯抽采待评价指标值矩阵中的模糊评价指标值表示为(aij,bij,cij)的形式，其中，aij、bij和cij分别为三角模糊数的下确界、核和上确界，通过归一化公式得到归一化后的模糊评价指标值矩阵，表示为：其中，为归一化后的第j个瓦斯抽采待评价方案的第i个评价指标的模糊评价指标值；步骤5：采用判断矩阵法对多分支水平井瓦斯抽采方案的各评价指标主观赋权，得到主观权重比矩阵，并对其进行矩阵相容性检验，最终得到各评价指标的主观权重向量w′＝(w′1,w′2,…,w′6)；步骤6：将由步骤4所得的归一化后的模糊评价指标值矩阵中的每个模糊标准评价指标值进一步做标准化处理，得到标准模糊评价指标值矩阵然后采用熵权法对多分支水平井瓦斯抽采各待评价方案的评价指标客观赋权，得到各评价指标的客观权重向量步骤7：将评价指标的主观权重向量w′和客观权重向量进行线性组合，得到评价指标的组合权重向量第i个评价指标的组合权重的计算公式如下式所示：式中，θ为主观权重占组合权重的比例；步骤8：计算多分支水平井瓦斯抽采各待评价方案的综合评价值向量，并对各待评价方案的综合评价值进行排序，得到最适宜工作面瓦斯治理的多分支井瓦斯抽采方案，具体方法为：步骤8.1：将标准模糊指标值矩阵与各评价指标的组合权重向量相乘，得到各方案的综合评价值向量，具体计算如下式所示：其中，为第j个待评价方案的综合评价值；步骤8.2：对瓦斯抽采各待评价方案的综合评价值两两进行比较，得出最优的瓦斯抽采方案；瓦斯抽采各待评价方案的综合评价值均为三角模糊数，三角模糊数比较大小采用如下公式进行比较：式中，为第j个瓦斯抽采待评价方案的综合评价值，为第j′个瓦斯抽采待评价方案的综合评价值，j′＝1、…、n，j≠j′，pj(x)和pj′(x)分别为和所对应的在[-1,1]区间内的同序单调函数；若则称拟小于若则称拟大于若则称拟等于根据上式对瓦斯抽采各评价方案的综合评价值进行基于模糊结构元的模糊数排序，越大所对应的多分支井瓦斯抽采方案越适合工作面进行瓦斯治理。进一步地，步骤3所述各待评价的瓦斯抽采方案的钻井产量评价指标值由各方案多分支水平井的模糊产能计算求得，各方案的煤层瓦斯治理效果、瓦斯抽采时间、钻井施工难度、环境影响及工程费用的评价值由专家组根据实际经验进行模糊评价打分，给出三角模糊数形式的评价值。进一步地，步骤4所述归一化公式根据评价指标类型的不同而不同，具体为：如果评价指标的数值越大评价结果越好，则该评价指标为效益型评价指标，也叫正向指标，对模糊评价指标值矩阵进行归一化采用的公式如下所示：其中，和分别表示所有瓦斯抽采待评价方案中第i个评价指标的最大下确界、最大核和最大上确界；如果评价值指标的数值越小评价结果越好，则该评价指标为成本型评价指标，也叫逆向指标，对模糊评价指标值矩阵进行归一化采用的公式如下所示：其中，和分别表示所有瓦斯抽采待评价方案中第i个评价指标的最小下确界、最小核和最小上确界。进一步地，步骤5所述得到各评价指标的主观权重向量，具体方法为：步骤5.1：由专家对多分支水平井瓦斯抽采评价体系中的评价指标两两之间进行成对比较，并给出每对评价指标的主观权重比，主观权重比的取值为1～9的整数或它们的倒数；步骤5.2：根据比较结果构造多分支水平井瓦斯抽采方案的主观权重比矩阵，表示为：其中，rii′为第i个评价指标与第i′个评价指标的主观权重比，i′＝1、…、6；步骤5.3：计算多分支水平井瓦斯抽采方案的主观权重比矩阵的特征值及特征向量，最大特征值λmax所对应的特征向量表示为w′＝(w′1,w′2,…,w′6)；步骤5.4：对多分支水平井瓦斯抽采方案的主观权重比矩阵进行矩阵相容性检验，判断主观权重比矩阵的最大特征值λmax所对应的特征向量w′是否可以作为各评价指标的主观权重向量，具体方法为：使用不相容度指标c(r)检验主观权重比矩阵的相容性，不相容度指标c(r)的计算公式如下式所示：式中，m为权重比矩阵的阶数，m＝6；如果不相容度指标c(r)≤0.1，则多分支水平井瓦斯抽采方案的主观权重比矩阵r的相容性良好，其最大特征值λmax所对应的特征向量w′可以作为各评价指标的主观权重向量，执行步骤6；如果c(r)＞0.1，则需返回步骤5.1，对多分支水平井瓦斯抽采方案中每对评价指标的主观权重比进行调整，重新构造主观权重比矩阵，然后执行步骤5.2～步骤5.4。进一步地，步骤6所述得到各评价指标的客观权重向量，具体方法为：步骤6.1：将由步骤4所得的归一化后的模糊评价指标值矩阵中的每个模糊标准评价指标值进一步做标准化处理，采用的公式如下所示：得到标准模糊评价指标值矩阵，表示为：其中，为标准化后的第j个瓦斯抽采待评价方案的第i个评价指标的标准模糊评价指标值；步骤6.2：由熵的定义及第i个评价指标在各瓦斯抽采待评价方案中的标准模糊评价指标值，得到第i个评价指标的模糊熵，计算公式如下：步骤6.3：根据熵权法及第i个评价指标的模糊熵，计算得到各评价指标的客观权重向量其中第i个评价指标的客观权重值w″i的计算公式如下式所示：由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种多分支水平井瓦斯抽采方案的评价方法，应用模糊数学的方法，摆脱了对数据非此即彼的精确性要求。该方法基于模糊结构元理论对模糊数进行表达和运算，构建多分支水平井的模糊产能计算公式；选取熵权法与判断矩阵法组合赋权，将专家多年累计的经验与客观数据联系起来，充分考虑各评价指标对评价结果的综合影响及评价指标的模糊性问题，使多分支水平井瓦斯抽采方案的评价结果更加真实可靠，能够选择出最适宜工作面瓦斯治理的抽采方案。附图说明图1为本发明实施例提供的一种多分支井瓦斯抽采方案的评价方法的流程图。具体实施方案本实施例以某矿4307工作面为研究对象，使用一种多分支井瓦斯抽采方案的评价方法对瓦斯抽采方案进行评价，选择出最适宜该煤层工作面瓦斯治理的抽采方案。一种多分支井瓦斯抽采方案的评价方法，如图1所示，包括以下步骤。步骤1：构建多分支水平井瓦斯抽采方案的评价指标体系；多分支水平井瓦斯抽采方案的评价指标包括：煤层瓦斯治理效果c1、瓦斯抽采时间c2、钻井产量c3、钻井施工难度c4、环境影响c5及工程费用c6。步骤2：计算多分支水平井瓦斯抽采各方案的模糊产能：通过查阅煤矿资料或者通过测量方法获得目标煤层瓦斯抽采参数和煤岩参数，包括恒压边界处煤层瓦斯压力煤层水平方向渗透率煤层垂直方向渗透率煤层渗透率比例系数瓦斯动力粘性系数煤层厚度和钻井到煤层顶板的距离以上各参数均为三角模糊数，同时还包括标态温度t、煤层温度tsc、煤层中气体压缩因子z和标态气体压缩因子zsc；将所述三角模糊数表示为的形式，则存在函数f(x)，使得其中f(x)为满足在区间[-1,1]上单调有界的单调有界函数，e为模糊三角结构元，单调有界函数f(x)如下式所示：式中，a、b和c分别为三角模糊数的下确界、核和上确界；三角模糊数使用模糊三角结构元e表示为：模糊三角结构元e的隶属函数如下所示：根据目标煤层瓦斯抽采参数、煤岩参数及瓦斯抽采待评价方案的钻井参数，得到多分支水平井瓦斯抽采方案的模糊产能模糊产能的计算公式如下式所示：其中，瓦斯抽采待评价方案的钻井参数包括井筒分支数目n、主井长度lmain、分支井长度lb、分支井和主井的夹角α、供给半径re、钻井半径rw和井底流压pw；计算求得的多分支水平井瓦斯抽采待评价方案的模糊产能中包含模糊三角结构元e，公式中的模糊三角结构元e的取值为-1、0和1，得到模糊产能的下确界、核和上确界，将模糊产能简化为三角模糊数；本实施例的某矿4307工作面煤岩参数如表1所示，部分参数为形式的三角模糊数；表1某矿工作面煤岩参数煤岩参数煤岩参数值煤层厚度/m(3.60,4.00,4.40)煤层水平方向孔隙率/μm2(0.55,0.60,0.64)煤层渗透率比例系数(8.70,9.30,10.00)煤层瓦斯压力/mpa(1.10,1.30,1.40)钻井到煤层顶板距离/m(1.8,4.00,4.40)井底流压/mpa(0.13,0.15,0.16)瓦斯动力粘性系数/(mpa·s)(9.70,10.80,12.00)标态温度/k273.15煤层温度/k303.15煤层中气体压缩因子0.973标态气体压缩因子0.97本实施例中多分支水平井瓦斯抽采备选方案有三种，分别为第一种瓦斯抽采待评价方案、第二种瓦斯抽采待评价方案和第三种瓦斯抽采待评价方案，每种方案的钻井参数如表2所示；表2多分支水平井瓦斯抽采各备选方案的钻井参数根据多分支水平井瓦斯抽采方案的模糊产能的计算公式、工作面的煤岩参数及多分支水平井瓦斯抽采各待评价方案的钻井参数，得到瓦斯抽采各待评价方案的模糊产能，分别为：第一种瓦斯抽采待评价方案的模糊产能为第二种瓦斯抽采待评价方案的模糊产能为第三种瓦斯抽采待评价方案的模糊产能为步骤3：构建多分支水平井瓦斯抽采待评价方案的模糊评价指标值矩阵，具体方法为：假设多分支水平井瓦斯抽采有n个待评价方案，以各待评价方案的评价指标体系对瓦斯抽采方案进行评价，得到多分支水平井瓦斯抽采方案的模糊评价指标值矩阵，表示为：其中，为第j个瓦斯抽采待评价方案的第i个评价指标的模糊评价指标值，i＝1、…、6，j＝1、…、n，该模糊评价指标值为三角模糊数；各待评价的瓦斯抽采方案的钻井产量c3评价指标值由各方案多分支水平井的模糊产能计算求得，各方案的煤层瓦斯治理效果c1、瓦斯抽采时间c2、钻井施工难度c4、环境影响c5及工程费用c6的评价值由专家组根据实际经验进行模糊评价打分，给出三角模糊数形式的评价值。本实施例中邀请专家组对各多分支水平井评价方案的治理效果c1、抽采时间c2、施工难度c4、环境影响c5及工程费用c6进行评分，结合步骤2所得的各瓦斯抽采方案的模糊产能得到各瓦斯抽采方案的钻井产量c3，得到模糊评价指标值矩阵如下式所示：步骤4：将多分支水平井瓦斯抽采待评价方案的模糊评价指标值根据归一化公式进行归一化处理，具体方法为：将瓦斯抽采待评价指标值矩阵中的模糊评价指标值表示为(aij,bij,cij)的形式，其中，aij、bij和cij分别为三角模糊数的下确界、核和上确界，通过归一化公式得到归一化后的模糊评价指标值矩阵，表示为：其中，为归一化后的第j个瓦斯抽采待评价方案的第i个评价指标的模糊评价指标值；不同类型的评价指标所采用的归一化公式有所不同，具体使用方法为：如果评价指标的数值越大评价结果越好，则该评价指标为效益型评价指标，也叫正向指标，对模糊评价指标值矩阵进行归一化采用的公式如下所示：其中，和分别表示所有瓦斯抽采待评价方案中第i个评价指标的最大下确界、最大核和最大上确界；如果评价值指标的数值越小评价结果越好，则该评价指标为成本型评价指标，也叫逆向指标，对模糊评价指标值矩阵进行归一化采用的公式如下所示：其中，和分别表示所有瓦斯抽采待评价方案中第i个评价指标的最小下确界、最小核和最小上确界。本实施例中的评价指标值越大多分支水平井方案越优，评价指标为效益型评价指标，故采用公式对模糊指标值矩阵进行归一化处理，最终得到的归一化后的模糊评价指标值矩阵，如下式所示：步骤5：采用判断矩阵法对多分支水平井瓦斯抽采方案的各评价指标主观赋权，得到主观权重比矩阵，并对其进行矩阵相容性检验，最终得到各评价指标的主观权重向量，具体方法为：步骤5.1：由专家对多分支水平井瓦斯抽采方案评价体系中的评价指标两两之间进行成对比较，并给出每对评价指标的主观权重比，主观权重比的取值为1～9的整数或它们的倒数；步骤5.2：根据比较结果构造多分支水平井瓦斯抽采方案的主观权重比矩阵，表示为：其中，rii′为第i个评价指标与第i′个评价指标的主观权重比，i′＝1、…、6；步骤5.3：计算多分支水平井瓦斯抽采方案的主观权重比矩阵的特征值及特征向量，最大特征值λmax所对应的特征向量表示为w′＝(w′1,w′2,…,w′6)；步骤5.4：对多分支水平井瓦斯抽采方案的主观权重比矩阵进行矩阵相容性检验，判断主观权重比矩阵的最大特征值λmax所对应的特征向量w′是否可以作为各评价指标的主观权重向量，具体方法为：使用不相容度指标c(r)检验矩阵r的相容性，不相容度指标c(r)的计算公式如下式所示：式中，m为权重比矩阵的阶数，m＝6；如果不相容度指标c(r)≤0.1，则多分支水平井瓦斯抽采方案的主观权重比矩阵r的相容性良好，其最大特征值λmax所对应的特征向量w′可以作为各评价指标的主观权重向量，执行步骤6；如果c(r)＞0.1，则需返回步骤5.1，对多分支水平井瓦斯抽采方案中每对评价指标的主观权重比进行调整，重新构造主观权重比矩阵，然后执行步骤5.2～步骤5.4；本实施例中专家对多分支水平井瓦斯抽采各待评价方案的评价指标两两之间进行成对比较，给出每对评价指标的主观权重比，如表3所示；表3每对评价指标的主观权重比根据专家对多分支水平井瓦斯抽采方案的评价指标给出的主观权重比，构造多分支水平井瓦斯抽采方案的主观权重比矩阵，如下式所示：求得该矩阵的最大特征值为λmax＝6.205，其所对应的特征向量为w′＝(0.389,0.042,0.113,0.278,0.059,0.119)；根据不相容度指标检验公式，计算得到多分支水平井瓦斯抽采方案的主观权重比矩阵的不相容度检验指标c(r)＝0.041≤0.1，表明主观权重比矩阵r的相容性良好，该矩阵的最大特征值λmax所对应的特征向量w′可以作为各评价指标的主观权重向量。步骤6：采用熵权法对多分支水平井瓦斯抽采各待评价方案的评价指标客观赋权，得到各评价指标的客观权重向量，具体方法为：步骤6.1：将由步骤4所得的归一化后的模糊评价指标值矩阵中的每个模糊标准评价指标值进一步做标准化处理，采用的公式如下所示：得到标准模糊评价指标值值矩阵，表示为：其中，为标准化处理后的第j个瓦斯抽采待评价方案的第i个评价指标的标准模糊评价指标值；根据步骤2所述三角模糊数与三角结构元e的公式及标准化公式，求解标准模糊评价指标值矩阵中的各标准模糊评价指标值，计算过程如下所示：以上公式求解出各评价指标在三个瓦斯抽采待评价方案中的标准模糊评价指标值，由此求出三个瓦斯抽采待评价方案的标准模糊评价值矩阵步骤6.2：由熵的定义及第i个评价指标在各瓦斯抽采待评价方案中的标准模糊评价指标值，得到第i个评价指标的模糊熵，计算公式如下：步骤6.3：根据熵权法及第i个评价指标的模糊熵，计算得到各评价指标的客观权重向量w″＝(w″1,w″2,…,w″6)，其中第i个评价指标的客观权重值w″i的计算公式如下式所示：步骤7：将评价指标的主观权重向量w′和客观权重向量进行线性组合，得到评价指标的组合权重向量第i个评价指标的组合权重的计算公式如下式所示：式中，θ为主观权重占组合权重的比例，本实施例中取θ＝0.5。步骤8：计算多分支水平井瓦斯抽采各待评价方案的综合评价值向量，并对各待评价方案的综合评价值进行排序，得到最适宜工作面瓦斯治理的多分支井瓦斯抽采方案，具体方法为：步骤8.1：将标准模糊指标值矩阵与各评价指标的组合权重向量相乘得到各方案的综合评价值向量，具体计算如下式所示：其中，为第j个评价方案的综合评价值；步骤8.2：对瓦斯抽采各评价方案的综合评价值两两进行比较，得出最优的瓦斯抽采方案；瓦斯抽采各评价方案的综合评价值均为三角模糊数，三角模糊数比较大小采用如下公式进行比较：式中，为第j个待评价方案的综合评价值，为第j′个待评价方案的综合评价值，j′＝1、…、n，j≠j′，pj(x)和pj′(x)分别为和所对应的在[-1,1]区间内的同序单调函数；若则称拟小于若则称拟大于若则称拟等于根据上式对瓦斯抽采各评价方案的综合评价值进行基于模糊结构元的模糊数排序，越大所对应的多分支井瓦斯抽采方案越适合工作面进行瓦斯治理。本实施例所得的各瓦斯抽采方案的综合评价值向量为根据三角模糊数比较大小公式比较综合评价值和的大小，计算过程如下：由三角模糊数的排序规则，得到同时综合考虑多分支水平井煤层瓦斯治理效果c1、瓦斯抽采时间c2、钻井产量c3、钻井施工难度c4、环境影响c5及工程费用c6因素，本实施例中该矿宜采用第一种瓦斯抽采方案对该工作面进行瓦斯治理。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。当前第1页12