采空區(qū)遺煤自燃影響因素分析及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

武澤偉，汪 偉,2*，祁 云,2，梁 然

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000）

隨著采煤技術(shù)的發(fā)展，采煤效率也在提升，而采空區(qū)遺煤量大、漏風(fēng)分布復(fù)雜、冒落空間大等問題層出不群，使得采空區(qū)遺煤自然發(fā)火時有發(fā)生[1-3]。很多學(xué)者對煤自燃風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)開展了研究，評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性不斷提高[4-7]。這些研究對預(yù)防煤自燃起到推動作用，但由于分析影響煤自燃的主次因素不夠明確，大小排序籠統(tǒng)，評價(jià)結(jié)果只是對煤自燃危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)定級[8-9]。

鑒于此，有必要建立一套較為全面的采空區(qū)煤炭自燃風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。層次分析法（AHP）的評價(jià)指標(biāo)權(quán)值差距大，忽略權(quán)值小的指標(biāo)的重要性，而決策實(shí)驗(yàn)與評價(jià)實(shí)驗(yàn)室法（DEMATEL）可分析各指標(biāo)間相互影響的關(guān)系；采用DEMATEL法難以分析風(fēng)險(xiǎn)因素的影響程度，而AHP 法重點(diǎn)分析各指標(biāo)對評價(jià)對象的權(quán)重。筆者擬采用DEMATEL 和AHP 兩種方法相耦合的方式，增加評價(jià)的客觀性，以期為采空區(qū)遺煤自燃風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒和理論依據(jù)[10]。

1 采空區(qū)自燃風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

采空區(qū)遺煤自燃需要3個條件：①煤具有自燃傾向，以破碎狀態(tài)存在；②持續(xù)供氧條件；③有積聚氧化熱的環(huán)境[11-12]。

東古城井田主要開采的22號煤層變質(zhì)階段為1/3 JM，煤層平均含硫量為1.72%，原煤揮發(fā)分為38.87%～42.22%，浮煤揮發(fā)分在37.82%～41.92%，屬高揮發(fā)分煤。井田的地質(zhì)構(gòu)造簡單，斷層很少，無巖漿巖侵入，各煤層比較疏松，孔隙率也較大，還具有一定的脆性，開采傾角2°～8°的厚煤層采用長臂式采煤法后退式回采，回采工作面最短自然發(fā)火期為80 d。結(jié)合東古城煤礦Z109綜采工作面的實(shí)際情況和查閱資料，將影響采空區(qū)自燃的原因分為開拓開采技術(shù)、煤的自然傾向性、采空區(qū)的漏風(fēng)、蓄熱環(huán)境下持續(xù)氧化共四類，四個條件共存，存在時間比煤自然發(fā)火期長，就會引發(fā)遺煤自燃。具體采空區(qū)自燃風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 采空區(qū)自燃發(fā)火評價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)

2 基于DEMATLE-AHP 模型的自燃風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

2.1 決策試驗(yàn)與評價(jià)實(shí)驗(yàn)室分析法

DEMATEL 是一種基于圖論和矩陣下的系統(tǒng)分析方法[13]，主要分析系統(tǒng)中各要素之間的邏輯關(guān)系和對應(yīng)的關(guān)聯(lián)，建立直接影響矩陣，在此基礎(chǔ)上計(jì)算各要素的影響度、被影響度、中心度和原因度，最終得出要素之間的因果關(guān)系以及各要素在系統(tǒng)中的權(quán)重和因果關(guān)系[14-15]。

（1）確定每個要素之間的直接影響程度。邀請10 名相關(guān)從事煤礦安全方面專家，采用專家打分法形成風(fēng)險(xiǎn)影響因素直接影響矩陣C：

式中：cij為因素ci對cj的直接影響程度,i，j=1,2,3,…,n。

（2）對直接影響矩陣進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化的直接影響矩陣。采用行和最大值法對矩陣C的因素進(jìn)行歸一化，根據(jù)式(2)得到規(guī)范影響矩陣B，見表2。

表2 規(guī)范化直接影響矩陣

（3）構(gòu)建綜合影響矩陣Z，表示系統(tǒng)因素間直接和間接影響的組合結(jié)果[16]。規(guī)范影響矩陣一直自乘后，矩陣所有值都將接近0，即。因此，綜合影響矩陣Z由式(3)得到，見表3。

表3 綜合影響矩陣

式中：I為單位矩陣。

（4）計(jì)算每個要素的影響度hi、被影響度li、中心度xi以及原因度yi。影響度hi指本因素在系統(tǒng)中的影響力。被影響度li指系統(tǒng)中其它因素對自身的影響力。中心度xi指因素在系統(tǒng)中所起作用的大小。原因度yi大于0，為原因要素，否則為結(jié)果要素[17]。上述公式如式（4），計(jì)算可得到表4。以中心度xi為橫坐標(biāo)，原因度yi為縱坐標(biāo)，繪制因果圖，如圖2。

表4 影響度、被影響度、中心度以及原因度

圖2 影響因素原因結(jié)果

綜合表4 和圖2 可知，C4煤巖的成分、C6煤層含水量、C14均壓技術(shù)措施、C17頂板垮落及性質(zhì)、C20最短發(fā)火期的中心度和原因度都較大，表明這五個因素對采空區(qū)自燃的影響較大。

2.2 層次分析法

層次分析法就是將所研究的問題作為一個系統(tǒng)，分解為各個目標(biāo)，化整為零，通過指標(biāo)的模糊定量方法計(jì)算層次權(quán)重，將其作為優(yōu)化決策目標(biāo)的系統(tǒng)方法[18]。

采用專家打分原則，構(gòu)建判斷矩陣。比較各級指標(biāo)因素得到判斷矩陣，并采用四舍五入法近似確定準(zhǔn)則層的判斷矩陣，使得判斷矩陣中的aij為整數(shù)，用同樣的方法得到指標(biāo)層的判斷矩陣和各指標(biāo)的權(quán)重。要求判斷矩陣必須通過一致性檢驗(yàn)。一致性指標(biāo)公式為：

式中：n為因子個數(shù)；λmax為最大特征根。

平衡水分是研究金銀花干燥特性和安全貯藏的重要參數(shù),它的高低代表金銀花吸收水分和放出水分的難易程度。在金銀花干燥和貯藏過程中,平衡含水率不但決定了在一定干燥條件下所能達(dá)到的最低水分,而且直接影響金銀花的干燥速度。同時，平衡含水率還決定金銀花在貯藏過程中能否安全貯藏，是指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)所必不可少的參數(shù)[1]。

最大特征根計(jì)算公式為：

一致性比例計(jì)算公式為：

式中：RI是平均隨機(jī)性一致指標(biāo)，取值見表5；CR＜0.1時，判斷矩陣通過一致性檢查。

表5 RI 值

通過上述計(jì)算，可得一級指標(biāo)的判斷矩陣A～B，二級判斷矩陣B1～(C1～C3)，B2～(C4～C10)，B3～(C11～C15)，B4～(C16～C20)以及各項(xiàng)權(quán)重矩陣、最大特征根、一致性指標(biāo)如下：

通過一級、二級判斷矩陣可知：影響東古城煤礦采空區(qū)自燃的一級指標(biāo)中，蓄熱環(huán)境下持續(xù)氧化的權(quán)重較大；在二級指標(biāo)中，C2采煤方法、C10煤的吸氧速率、C11通風(fēng)系統(tǒng)安全性、C15漏風(fēng)通道封堵、C20最短發(fā)火期的權(quán)重較大，表明這5個因素對采空區(qū)自燃的影響較大。

3 綜合評價(jià)

3.1 綜合影響度計(jì)算

DEMATEL 法和AHP 法都采用專家打分原則，為了避免主觀片面性，筆者采用兩者耦合，將決策實(shí)驗(yàn)法和層次分析法的影響進(jìn)行綜合，利用式(8)計(jì)算出綜合影響度見表6。

表6 綜合影響度

式中：Xi為中心度；Wi為二級指標(biāo)權(quán)重；Wj為一級指標(biāo)權(quán)重；i,j=1,2,…,n。

由表6 可以得出結(jié)論：C8粒度孔隙率、C10煤的吸氧速率、C18煤層埋藏深度、C19工作面推進(jìn)速度、C20最短發(fā)火期的影響采空區(qū)自然發(fā)火的權(quán)重分別占到了0.0644、0.0782、0.0791、0.1024、0.1613，說明對采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性影響較大。

針對東古城礦得出最底層各影響因素C1、C2、…、C20對最高層因素A的影響權(quán)重向量為：Q=[0.0189,0.0526,0.0290,0.0229,0.041,0.0315,0.0263,0.0644,0.0264,0.0782,0.0556,0.0332,0.0186,0.0202,0.0512,0.0517,0.0355,0.0791,0.1024,0.1613]T。

3.2 評價(jià)結(jié)果計(jì)算

根據(jù)東古城煤礦安全現(xiàn)狀，制定采空區(qū)自燃安全性評價(jià)等級，見表7。

表7 采空區(qū)自燃評價(jià)因素評分標(biāo)準(zhǔn)

對東古城煤礦采空區(qū)遺煤自燃安全性進(jìn)行評分，其結(jié)果為：P=[P1,P2,P3,…,P20]T=[80,80,75,85,80,85,90,75,70,75,80,85,80,85,75,80,75,80,85,80]T，其綜合得分為：F=QTP=[0.0189,0.0526,0.029,0.0229,0.041,0.0315,0.0263,0.0644,0.0264,0.0782,0.0556,0.0332,0.0186,0.0202,0.0512,0.0517,0.0355,0.0791,0.1024,0.1613]×[80,80,75,85,80,85,90,75,70,75,80,85,80,85,75,80,75,80,85,80]T=79.7585，其中F為采空區(qū)煤自燃火災(zāi)安全性總得分。結(jié)合表8可知，采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)級別為Ⅱ級，容易發(fā)生火災(zāi)。

表8 自燃火災(zāi)安全等級劃分

4 結(jié)論

（1）針對東古城煤礦Z109 綜采工作面的實(shí)際情況，選取了20 個評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建采空區(qū)自燃風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系，通過耦合DEMATEL 法與AHP 法，建立DEMATEL-AHP 采空區(qū)自燃風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，減少了使用單一評價(jià)方法主觀性，更加符合實(shí)際，最終計(jì)算綜合影響度得到了較準(zhǔn)確的采空區(qū)自燃影響指標(biāo)權(quán)重，不僅適用于東古城煤礦Z109工作面，也為其它工作面的采空區(qū)遺煤自燃危險(xiǎn)性提供了依據(jù)，為評價(jià)采空區(qū)遺煤自燃提供了一種新方法。

（2）C8粒度孔隙率、C10煤的吸氧速率、C18煤層埋藏深度、C19工作面推進(jìn)速度、C20最短發(fā)火期等5個指標(biāo)綜合權(quán)重大，對東古城煤礦采空區(qū)自燃影響較大。東古城煤礦應(yīng)該針對自燃影響重大因素，加強(qiáng)和改進(jìn)采空區(qū)自燃火災(zāi)防控措施，避免煤礦火災(zāi)的發(fā)生。

（3）結(jié)合Z109綜采工作面安全現(xiàn)狀，對采空區(qū)遺煤自燃安全性評價(jià)結(jié)果為79.76，得出采空區(qū)遺煤自燃危險(xiǎn)等級為Ⅱ級，屬于容易發(fā)生火災(zāi)，符合東古城煤礦的實(shí)際情況。伴隨著動態(tài)因素如采動、地壓等的影響，應(yīng)加強(qiáng)采空區(qū)遺煤自燃監(jiān)測和防治工作。