近距離煤層群聯合開采煤自燃危險性分析

張 丹 付 棟

（1.山西世德孫家溝煤礦有限公司，山西 忻州 036604；2.河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454000）

煤與空氣接觸后在一定條件下自身氧化升溫而自燃，煤自燃過程是一個非常復雜的動態過程，且受多種因素影響。我國是煤自然發火比較嚴重的國家，據統計[1]，我國重點煤礦中，自然發火礦井占51%，所有開采大傾角煤層、厚及特厚煤層的礦井大都存在自然發火的問題，每年由煤的自燃而形成的礦井火災360余次。尤其是近距離煤層，由于其開采條件的復雜性和特殊性，使近距離煤層聯合開采采空區內部遺煤經常發生自燃隱患，輕則影響生產，重則導致工作面封閉，甚至引起采空區內積聚的瓦斯爆炸，極大地威脅礦工的生命安全。為此，本文結合孫家溝煤礦近距離煤層開采實際情況，利用層次分析方法將影響煤自燃的因素從定性描述轉化為定量表示，確定出影響近距離煤層采空區自燃災害主要因素，對于防治采空區自然發火具有重要的指導意義。

1 綜采面煤自燃影響因素的層次分析

1.1 層次分析法

層次分析法（AHP）是一種定性和定量相結合的、系統化、層次化的分析方法，它把一個復雜問題分解成若干組成因素，并按支配關系形成層次結構，然后應用兩兩比較的方法確定決策指標的相對重要性。

1.2 采面概況

11#煤層位于L2灰巖下5m左右，平均厚度2.19m；13#煤層位于L2灰巖下19m左右，上距11#煤層14m左右，煤層平均厚度為13.05m。

1.3 建立評價層次結構模型

通過對孫家溝煤礦開采的11#和13#煤采煤面的實地考察，收集并閱讀大量相關資料，參照指標確定的原則和系統評價的一般要求，建立評價指標的層次結構模型，如圖1所示。

圖1 綜采面采空區煤自燃層次分析結構圖

每一個評價因素的含義如下[2-4]：

（1）煤自燃特性。指煤本身所具有的特性，這種特性反映出煤升溫氧化所具備的能力。

（2）生產管理。指管理者親自參與組織預防煤自燃的關鍵性活動，積極開展防治煤自燃的技術措施，增強防治煤自燃的安全理念，采取均壓、預灌漿、堵漏等主動措施來控制采空區遺煤自燃。

（3）采面生產布局。指通過人為的控制層間采面布局，在開采設計初期就把防治煤自燃統籌考慮，在開采過程中通過人為的控制采面推進速度，使已升溫氧化的煤拋到窒息帶內，并減少層間貫通和漏風。

（4）煤層地質條件。指煤層自身的賦存條件，由于地質構造、煤層傾角等煤層賦存條件的復雜性，不僅影響工作面的推進速度，也容易造成漏風和大量的丟煤，為煤自燃提供條件。

1.4 構造判斷矩陣

構造判斷矩陣是將結構模型轉換為數量模型，它是將同一層次中兩兩因素間，相對于上一層中的一個因素目標的重要性，給出一定量化的判斷。全部比較的結果可用一個矩陣的形式表示出來，具體構造方法如下：

此時A就稱為正互反矩陣。

判斷矩陣有多種標度方法，文中所用的是較為科學的1～9標度方法，其含義見表1。

表1 判斷矩陣標度的含義

各層判斷矩陣，判斷矩陣中各個因素相互之間的重要性，由有關專家以及該礦工程技術人員共同確定給出。

1.5 計算評價指標的權值

構造判斷矩陣后，為求各個因素的權值，要對判斷矩陣進行量化計算。對于判斷矩陣B，以下采用方根法計算特征向量[5]。

（1）將矩陣O-B每一列列向量歸一化得：

式中：

Wij-判斷矩陣歸一化后得到的矩陣；

Bij-判斷矩陣的元素；

N-判斷矩陣的階數，n=4。

由（1）式得：

對于O-B矩陣，所求得特征向量為

e=(0.063,0.131,0.279,0.527)T。

1.6 評價指標的一致性檢驗

層次分析法（AHP）是根據每個評價指標的相對重要性的主觀判斷。層次分析法的應用過程中，保持判斷的一致性是非常重要的，因此，我們需要檢查判斷矩陣的一致性。一致性檢驗的步驟如下。

（1）計算判斷矩陣的最大特征根λmax

（3）計算判斷矩陣的隨機一致性比例CR

式中：

CI-判斷矩陣的一致性檢驗指標；

RI-判斷矩陣的平均隨機一致性指標。

1～9階矩陣的平均隨機一致性指標如表2所示。

表2 判斷矩陣的平均隨機一致性指標

當CR越小時，判斷矩陣的一致性越好，一般認為：當CR＜0.1時，就認為判斷矩陣完全符合一致性條件，屬于可以接受的程度。

由表2知，當n=4時，RI=0.90

所以由（2）式得：

同理可計算出：

B1-C矩陣：特征向量= (0.098,0.568,0.334)T

λmax=3.025；CI=0.012；CR=0.0.021＜0.1

B2-C矩陣：特征向量=(0.130,0.342,0.342,0.130,0.056 )T

λmax=5.055；CI=0.014；CR=0.012＜0.1.

B3-C矩陣：特征向量=( 0.089,0.587,0.324 )T

λmax=3.010；CI=0.005；CR=0.009＜0.1

B4-C矩陣：特征向量=(0.159,0.214,0.382,0.059,0.159)T

λmax=5.146；CI=0.037；CR=0.033＜0.1

因此，上述各判斷矩陣均符合一致性檢驗條件，屬于可接受程度。

1.7 層次總排序及一致性檢驗

在同一水平上的單個排序的結果的基礎上，最后一級可以計算該層次對近距離煤層聯合開采綜采面采空區煤自燃影響因素的重要性的權值，然后進行層次總排序。層次總排序[2]就是利用同一層次中所有層次單排序的結果，計算針對目標層而言，本層次各元素的重要性權值，然后自上而下將單準則下的權重進行組合。層次總排序的一致性檢驗：

由計算結果可知，層次總排序符合一致性檢驗條件，說明計算結果滿足要求。

在分析近距離煤層聯合開采影響煤自燃因素的基礎上，判斷矩陣B符合一致性檢驗條件。因此，從以上分析得到的判斷矩陣的特征向量與B的試驗條件一致。對所求得的權重向量進行層次總排序由大到小依次為：工作推進速度、煤層間距、煤層含硫量、層間壓差、地質構造、煤的吸氧量、預灌漿處理、采空區堵漏、煤層傾角、采煤方法、煤變質程度、穩定通風系統、通風方式、煤的吸熱放熱。

2 結果與分析

根據層次分析法對各因素的權重進行總排序，結果表明工作推進速度的優先權數最大，說明該因素對采空區煤自燃危險的影響程度是最高的，是影響采空區煤自燃的主要因素，工作面推進速度快慢與否，影響到遺煤在氧化帶內氧化時間。若推進速度快，氧化帶內的遺煤很快就進入窒息帶，減少了煤與氧接觸時間，延長采空區煤的自然發火期，從本質上降低煤自然發火的概率。

其次是煤層間距，在該礦區，因上下煤層同時開采，間距大小勢必造成采空區間相互貫通，層間漏風大，是導致該礦區煤易自燃的主要因素之一。

地質構造也是影響煤自燃的重要因素，因該采面地質比較復雜，采面斷層多，煤層節理、裂隙發育，煤質較軟。在遇構造復雜處煤易脆化，當工作面推過這些地方時，形成大量的浮煤而氧化自燃。同時對于近距離聯合開采煤層，通風方式也是影響煤自燃的重要因素，通風方式的正確選擇，不僅有利于減小采空區的漏風，而且也可以縮短氧化帶寬度。

上述幾個因素的權重較大，是防治近距離煤層聯合開采采空區遺煤自燃的切入點，對于現場預防自燃火災具有一定的指導作用，為主動地采取預防措施提供合理依據。