煤與瓦斯突出影響因素的安全評價研究

郭 民郁鐘銘

(1.貴州大學礦業學院,貴州省貴陽市,550003; 2.貴州民族學院,貴州省貴陽市,550025)

★煤礦安全 ★

煤與瓦斯突出影響因素的安全評價研究

郭 民1郁鐘銘2

(1.貴州大學礦業學院,貴州省貴陽市,550003; 2.貴州民族學院,貴州省貴陽市,550025)

介紹了煤與瓦斯突出的危害,通過層次分析法初步進行了煤與瓦斯突出防治的優先權探討,給出一種評價因素的權重集,評判出應著重考慮的煤與瓦斯突出影響因素。

煤與瓦斯突出 層次分析 災害預防

AbstractFirst introducing the harmfulness of coal/gas outbursts,this paper takes advantage of stratification analysis in a tentative discussion about the priority of coal/gas outbursts prevention and control and provides a set of assessment factor weightings.In this way,the more important factors relating to coal/gas outbursts calling for greater attention are decided.

Key wordscoal/gas outburst,stratification analysis,disaster prevention

我國是世界上最大的產煤國,也是煤礦瓦斯災害最嚴重的國家之一。在礦井瓦斯災害中,煤與瓦斯突出所造成的危害尤為嚴重,我國許多學者對煤與瓦斯突出的促因及治理進行了深入的研究,取得了豐碩成果。但就影響煤與瓦斯突出的眾多因素優先權尚無定論。本文通過層次分析法,初步探討各個影響因素對煤與瓦斯突出的優先權,并對湖南省某礦“6·8”重大煤與瓦斯突出事故進行分析,提出在預防煤與瓦斯突出時需首要考慮的一些重要突出因素,由此為煤礦防突工作提供一定的依據。

1 煤與瓦斯突出因素指標分析

不同礦區煤與瓦斯突出因素指標和權重基本相同,其評估要素即準則層為突出預兆顯現區、特殊地應力特征、瓦斯特征及煤體特征。各要素又分為小項組成因素層。

(1)突出預兆顯現區B1。煤體中出現悶雷場C11,煤變軟變暗 C12,瓦斯濃度增大C13,煤層層理紊亂C14,打鉆時頂鉆夾鉆 C15,支架來壓掉渣C16,片幫或掉渣C17,基本頂提前來壓C18。

(2)特殊地應力特征B2。背斜傾覆端C21,向斜仰起端C22,斷層走向變化處C23,斷層尖滅處C24,構造復合部位C25。

(3)瓦斯特征B3。瓦斯壓力 C31,瓦斯含量C32,瓦斯儲量C33。

(4)煤體特征B4。破壞類型 C41,軟硬煤比C42,堅固性系數C43。

煤與瓦斯突出事故層次結構見圖1。

圖1 礦井煤與瓦斯突出分析結構模型

2 層次分析法在煤與瓦斯突出安全評價研究中的應用

2.1 層次分析法的原理及步驟

(1)建立判斷矩陣及標度。首先根據各層次關系建立判斷矩陣B,然后專家或管理人員采用美國匹茲堡大學教授撒泰 (A.L.Saaty)提出的 1～9標度法對矩陣進行相對比較估計,即對矩陣中的兩兩指標進行比較,看其重要性的倍數。表1說明了相對重要性的比例標度。

表1 相對重要性的比例標度

2.2 方根法確定各指標權重

(1)計算判斷矩陣B每行元素的連乘積Mi

(2)求Mi的n次方根

2.3 計算判斷矩陣的最大特征值

式中:(B W)i為判斷矩陣B與特征向量W乘積的第i項分量。

2.4 一致性檢驗

(1)偏離一致性指標CI。

CI=(λmax-n)·(n-1)-1,n為矩陣的階數

(2)應用一致性比率CR。1～9階判斷矩陣的平均隨機一致性指標RI如表2所示。

表2 1～9階RI值

對于3階和3階以上的判斷矩陣,其應用一致性比率CR,CR=CI/RI。當CR<0.10時,矩陣具有滿意的一致性。

3 模型求解

3.1 確定各指標的權重

準則層指標相對目標層指標的判斷矩陣見表3,各因素層指標相對準則層指標的判斷矩陣見表4～7。

表3A-B判斷矩陣

表4B1-C1i判斷矩陣

表5B2-C2i判斷矩陣

表6B3-C3i判斷矩陣

表7B4-C4i判斷矩陣

3.2 總體排序

以上構造的是各層次元素的比較判斷矩陣,進行的是單排序計算。從以上計算可以看出,單排序具有滿意的一致性。對于指標層C相對于整個準則層B總排序計算,需要用準則B各元素本身相對于總目標的排序權值加權綜合,才能計算出指標層C相對于整個準則層B,也即相對于煤與瓦斯突出這個總目標的相對重要性權值。層次總排序計算一般寫成表8的形式。

表8 目標層的權重系數計算及排序

3.3 層次總排序后的一致性檢驗

則CR=CI/RI=0.042<0.1(滿足一致性要求)

4 實例分析

以2005年6月8日,湖南省某礦發生一起煤與瓦斯突出事故,造成22人死亡,直接經濟損失1100.3萬元。

4.1 礦井基本概況

礦井位于冷水江礦區向斜南部,井田內構造簡單,斷層不發育,區內含煤7層,其中可采煤層4層 (2#、3#、4#、5#煤層)。從1975年有記載以來,全井共發生煤與瓦斯突出283次,其中突出煤量超過1000 t的有6次,最大一次達4000 t。礦井絕對瓦斯涌出量16.85 m3/min,相對瓦斯涌出量39.97 m3/min。屬煤與瓦斯突出礦井。礦井水文地質條件屬中等類型,煤塵無爆炸危險,煤層不易自燃。

礦井采用中央分列式通風,有2個進風井、1個回風井,風井安裝2臺軸流式通風機。礦井總進風量為2786 m3/min,總回風量為2814 m3/min。4.2 事故地點概況

煤與瓦斯突出事故發生在303采區-200 m水平四石門。303采區可采煤層4層 (2#、3#、4#、5#煤),6#煤層不可采。煤層傾角平均為22°。區內小斷層、小褶皺發育。采區有1個回采、3個掘進和3個維修工作面。采區有兩路進風,一路來自主平硐,一路來自主立井,總進風量為1195 m3/min。采區內布置了軌道上山、帶式輸送機上山和回風上山3條底板巖石上山。四石門局部通風機 (11 kW)安裝在-200 m水平大巷 (進風巷),乏風直接進入回風上山。四石門進風側構筑了兩道正反向風門,外側反向風門為雙葉門結構。四石門開門口設有避災硐室。

4.3 事故發生前的預兆

巷道施工進入煤系地層后,進行了3次長鉆孔探測。第1次孔深18 m,未見6#煤層;掘進12.7 m進行第2次長探,第2次孔深20 m,于8.5 m處見6#煤層,煤厚0.1 m;掘進3 m后進行第3次長探,第三次孔深8.1 m,于4 m處見6#煤層,因卡鉆未再布孔長探。

巷道進入煤系地層后,頂板出現松軟破碎。2005年6月7日早班 (8∶00-16∶00)放炮后,垮落近50車矸石 (正常為12車矸石),其中還有油土 (表明已接近煤層),工作面和回風流中瓦斯濃度超限 (分別為3.0%和1.8%),并聽到頻繁的煤炮聲。中班 (16∶00-24∶00)出矸石15車,晚班 (次日0∶00-8∶00)矸石20車。作業人員在出矸過程中不斷聽到煤炮聲。

6月8日9時,四石門作業人員來到工作面裝矸石,裝到半車時,發現距工作面1.5 m未支護,且出現空頂,冒落高度達1.5 m,并有掉渣現象。10時55分左右,發生煤與瓦斯突出。

4.4 事故原因分析

該礦屬煤與瓦斯突出礦井,煤層的瓦斯含量高、涌出量大,但礦井沒有建立瓦斯抽放系統,井下避災硐室無壓風自救系統,掘進工作面局部通風機沒有實現“三專兩閉鎖”,礦井沒有設立瓦斯治理機構和專門的防突隊伍,也沒有配備專業防突技術人員。

6月7日早班放炮后,工作面瓦斯濃度升高、頻繁響煤炮、頂板掉渣,表明有煤與瓦斯突出預兆。在這種情況下,礦方沒有停止掘進、撤出人員并關好反向風門,仍繼續安排作業人員出矸,發生煤礦與瓦斯突出時,因沒有關上反向風門,使大量煤與瓦斯逆流進入礦井總進風巷,導致井下大范圍內的作業人員因高濃度瓦斯窒息死亡或者受傷。

5 結論

結合實例,由表 8可以看出,通過指標層(C)中各指標 C1,C2,…,C43相對于總目標(A)煤與瓦斯突出的權值大小可進行各指標相對總目標的重要性排序,由此得出如下4條結論。

(1)影響煤與瓦斯突出因素的優先權順序為:瓦斯含量>瓦斯壓力>堅固性系數>瓦斯儲量>打鉆時頂鉆夾鉆>瓦斯濃度增加>向傾仰起端>軟硬煤比>煤體中出現悶雷聲=煤變軟變硬=煤層層理紊亂>斷層走向變化處=構造復合部位>片幫或掉渣>基本頂提前來壓>煤體中出現悶雷場>支架來壓掉渣>背斜傾覆端>斷層尖滅處。

(2)瓦斯含量、瓦斯壓力、堅固性系數、瓦斯儲量的權重最大,優先權較高,是提前進行煤與瓦斯突出前采取防治措施的重點,是煤礦在防治煤與瓦斯突出的措施中應著重考慮的影響因素。

(3)突出預兆顯現在防治煤與瓦斯突出工作中起著非常重要的作用,特別是在突出前人員能迅速撤離,可以減少突出發生時人員的傷亡。鑒于此,煤礦應當重視對工人進行專門培訓,讓他們了解煤與瓦斯突出前的各種預兆,提高工人意識,防患于未然。

(4)地質構造會影響煤與瓦斯突出,各個礦井應針對具體地質情況,對于有煤與瓦斯突出危險的構造地帶應事先進行防突處理,防止發生事故。

[1]薛華成.管理信息系統 (第四版)[M].北京:清華大學出版社,2003

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[3]蔣國安等.礦井安全評價方法的分析與探討 [D].煤礦安全系統工程學術會議論文集,山東省出版總社泰安分社,1992

[4]郁鐘銘,張田.層次分析法實現礦區環境治理子系統的項目優先權設置 [J].礦業研究與開發,2006(8)

(責任編輯 梁子榮)

A safety assessment research on factors that may lead to coal/gas outbursts

Guo Min1,Yu Zhongming2
(1.Mining College of Guizhou University,Guiyang,Guizhou province 550003,China; 2.Guizhou University for Nationalities,Guiyang,Guizhou province 550025,China)

TD713

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郭民 (1981-),男,碩士,貴州大學礦業學院碩士研究生,研究方向為礦業系統工程。