采空區(qū)煤炭自燃危險性模糊綜合評價方法及應(yīng)用

劉 勇，戴廣龍

(安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

礦井火災(zāi)嚴(yán)重威脅著我國煤礦的安全生產(chǎn)，煤礦火災(zāi)主要以內(nèi)因火災(zāi)為主，尤其是采空區(qū)自燃火災(zāi)。據(jù)統(tǒng)計，在煤礦井下內(nèi)因火災(zāi)事故中，60%的自燃火災(zāi)發(fā)生在采空區(qū)[1]。由于采空區(qū)自燃火災(zāi)是動態(tài)的、復(fù)雜的過程，其影響因素眾多。為了綜合處理多項指標(biāo)，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，采用模糊綜合評價法對采空區(qū)自燃危險性進行了評價，做出了客觀的分析，對采空區(qū)自燃防滅火措施的制定和控制自燃火災(zāi)的危險源提供了理論的參考。

1 采空區(qū)煤炭自燃危險性評價指標(biāo)體系

目前，煤礦安全評價是指安全事故發(fā)生的相對危險性評價。相對危險性評價采用的是間接的方法評價事故的危險程度，通過對影響事故發(fā)生可能性的內(nèi)因和外因的分析，得到能反映危險性大小的評價指標(biāo)。采煤工作面采空區(qū)自然發(fā)火的危險性評價，也是對采空區(qū)自然發(fā)火的相對危險性評價，可以從采空區(qū)自然發(fā)火影響因素的分析入手。分析采空區(qū)自燃火災(zāi)危險性的“人”、“機”、“環(huán)境”三個方面的影響影響因素，包括煤層自燃傾向性、煤層地質(zhì)賦存條件、開采通風(fēng)因素和自燃防治因素等。根據(jù)分析的結(jié)果，對影響因素進行重要性的篩選，建立多層次結(jié)構(gòu)的自燃危險性評價指標(biāo)體系。其指標(biāo)體系如表1所示。

表1 采空區(qū)煤炭自然發(fā)火評價指標(biāo)

2 采空區(qū)自燃危險性評價指標(biāo)權(quán)重分配與計算

2.1 層次分析法的原理

層次分析法是一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法。其特點是將復(fù)雜的問題簡單化，以定量的方法確定權(quán)重的問題。層次分析法的步驟[2-3]如下所示。

1) 建立層次結(jié)構(gòu)模型。首先要把問題進行條理化、層次化，構(gòu)造出一個有層次的結(jié)構(gòu)模型。2) 根據(jù)標(biāo)度理論，構(gòu)造出兩兩比較的判斷矩陣A

A=(aij)n×n(i,j=1,2,…,n)

式中

aii=1,aij=1/aji。

本文采用比較科學(xué)的1-9標(biāo)度理論，其的含義如表2[4]所示。

表2 1～9標(biāo)度理論

3) 將判斷矩陣A的各列歸一化處理

4) 求判斷矩陣A的各行元素之和并對作歸一化處理得到wi

6) 一致性檢驗。為確保權(quán)重計算結(jié)果的可靠性，就必須對判斷矩陣進行一致性檢驗。隨機一致性比例：CR=CI/RI。。當(dāng)CR<0.1時，則判斷矩陣A符合要求，否則對A作修正處理。其中，CI為一致性指標(biāo)：CI=(λmax-n)/(n-1)，RI為平均隨機一致性指標(biāo)，其值由表3[5]所示。

表3 平均隨機一致性指標(biāo)

2.2 采空區(qū)自燃危險性評價指標(biāo)權(quán)重的計算

根據(jù)上述的層次分析法的原理，建立表1所示的評價指標(biāo)體系。各指標(biāo)的權(quán)重通過現(xiàn)場專家調(diào)查，并用層次分析法建立各層次的判斷矩陣。

2.2.1 一級指標(biāo)權(quán)系數(shù)的確定

一級指標(biāo)包含5個因素子集煤層自燃傾向性u1,煤層地質(zhì)賦存條件u2,開拓開采因素u3,通風(fēng)因素u4和自燃防治因素u5,其判斷矩陣如表4所示。

計算得判斷矩陣最大特征值λmax=5.137，CR=0.031<0.1,符合一致性檢驗條件，歸一化后得到權(quán)重向量為w=(0.324,0.144,0.211,0.211,0.109)。

表4 一級指標(biāo)判斷矩陣

2.2.2 二級指標(biāo)權(quán)系數(shù)的確定

二級指標(biāo)體系總共有22個指標(biāo),分別屬于煤層地質(zhì)賦存條件u2，開拓開采因素u3，通風(fēng)因素u4和自燃防治因素u5一級指標(biāo)?，F(xiàn)以煤層地質(zhì)賦存條件u2為例,其包括5個指標(biāo),分別為煤層埋藏深度u21、煤層厚度和傾角u22、地質(zhì)構(gòu)造u23、圍巖性質(zhì)u24和圍巖溫度u25。其判斷矩陣如表5所示。

表5 煤層地質(zhì)賦存條件指標(biāo)權(quán)系數(shù)

計算得u2對應(yīng)的λmax=5.183，CR=0.041<0.1,符合一致性檢驗條件，歸一化后得到權(quán)重向量為w2=(0.061,0.483,0.241,0.146,0.070)。

同理，可得到開拓開采因素，通風(fēng)因素和自燃防治因素的權(quán)重向量分別為

w3=(0.073,0.073,0.312,0.073,0.312,0.128)

w4=(0.286,0.286,0.286,0.143)

w5=

(0.312,0.085,0.312,0.063,0.032,0.040,0.156)

3 采空區(qū)自燃危險性綜合評價模型

3.1 多級模糊評價的步驟[6-8]

3) 將每個ui作為一個元素來看，Bi作為ui的單因素評價的結(jié)果，則有RT={B1,B2,…,Bn},假設(shè)綜合因素ui(i=1,2,…,s)的模糊權(quán)重為W={a1,a2,…,as},則得總目標(biāo)模糊綜合評價結(jié)果B=W·R=(b1,b2,…,bs)。

4) 求最終評價的總得分f,f=B·ST。其中ST為與評價集對應(yīng)的分?jǐn)?shù)向量ST=(1，3，5，7，9)=(極差，差，一般，好，很好)。

5) 根據(jù)最終評價的總得分值，可將采空區(qū)自燃危險性等級劃分為如下5個等級，見表6。

表6 采空區(qū)自燃危險性等級

3.2 隸屬度的確定

根據(jù)建立模糊關(guān)系矩陣的原則，采用10分制，請諸多專家及現(xiàn)場工程技術(shù)人員為每一指標(biāo)uij進行評分，每項指標(biāo)得分取算術(shù)平均值作為打分結(jié)果，最后將每項指標(biāo)得分代入相應(yīng)的隸屬函數(shù)中計算出隸屬度。假定采空區(qū)自燃危險性評價指標(biāo)的評分值為x(x∈[0～10]),則評語集對應(yīng)的隸屬函數(shù)為v1(x),v2(x),v3(x),v4(x),v5(x)。

4 實例應(yīng)用

以顧橋煤礦1122(3)工作面采空區(qū)為例。該工作面煤層自燃傾向性為自燃；埋深為750m以下，地溫較高，風(fēng)量為2250m3/min，深部開采地壓大、采動裂隙的增加，增加了漏風(fēng)供氧條件；煤層厚度較厚且變化較大，工作面的日產(chǎn)量為10000t，因此采空區(qū)遺煤量大大地增加。這些因素都大大地增加了采空區(qū)的自燃的危險性。因此有必要對該采空區(qū)自燃危險性進行評價。

1) 根據(jù)采空區(qū)的實際情況和采取的安全措施，請專家及現(xiàn)場工程技術(shù)人員打分，計算出每項指標(biāo)得分的平均值，并代入相應(yīng)的隸屬函數(shù)中計算出每項指標(biāo)的隸屬度。

2) 根據(jù)公式Bi=wi·Ri,得各個因素評價矩陣。

3) 得到一級指標(biāo)隸屬度矩陣

4) 總評價矩陣

B=W·RT=

(0.324,0.144,0.211,0.211,0.109)·

(0.234,0.394,0.205,0.320,0.164)

5) 總得分

f=B·ST=0.234×1+0.394×3+

0.205×5+0.320×7+0.164×9

=6.159

則總得分位于5～7區(qū)間內(nèi),對照采空區(qū)自燃危險性等級表判定1122(3)工作面采空區(qū)自燃危險性的安全等級為“一般”。

5 結(jié)論

1) 采空區(qū)自燃危險性模糊綜合評價的關(guān)鍵是安全評價指標(biāo)體系的建立,因此必須做到全面反映問題的真實情況。

2) 根據(jù)模糊綜合評判方法可以判斷采空區(qū)自燃危險性的相對安全狀態(tài),可以根據(jù)評價的結(jié)果,制定相應(yīng)的防滅火技術(shù)措施,達到降低采空區(qū)自燃的可能性。

3) 專家對對每項指標(biāo)的打分,構(gòu)造隸屬度矩陣時,應(yīng)根據(jù)采空區(qū)實際情況,客觀、科學(xué)地給出評分,期望得到的評價結(jié)果與實際情況比較符合。

4) 顧橋煤礦1122(3)工作面采空區(qū)自燃危險性評價的結(jié)果為“一般”,說明情況不是太嚴(yán)重。但由于采空區(qū)的變化是動態(tài)的,在回采期間可能會遇到預(yù)先沒有識別出的安全隱患,因此決不可以掉以輕心,采空區(qū)的管理必須嚴(yán)格,應(yīng)以預(yù)防為主。

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