基于ISM的礦井內因火災危險性分析?

李 巖,施式亮,2,陳曉勇

(1．湖南科技大學 資源環境與安全工程學院, 湖南 湘潭市 411201;2．煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室, 湖南 湘潭市 411201)

0 引 言

礦井火災是煤礦主要災害之一,據資料統計,我國56%的礦井都具有煤炭自燃的現象,這其中60%的可采煤層會引發自然發火。在礦井火災中,90%是煤炭自燃引發的,且礦井內因火災的發火初期不產生明顯的火焰,不容易被察覺,一旦發生火災會使大量煤炭因火區而凍結造成巨大的經濟損失,也對井下工作人員的生命健康造成嚴重的威脅,甚至可能引發煤塵、瓦斯爆炸等更大的災難。因此礦井火災也成為了制約礦井安全生產與發展的重要因素之一。

礦井火災的危險性分析是保證礦井安全生產的重要措施,目前開展礦井內因火災危險性研究的學者和成果較多,并取得了一定成效:鄧軍[1]等運用層次分析法分析了礦井煤自燃危險性,牛寶云[2]等運用VB軟件實現了煤層自然發火危險性綜合評估體系的計算機可視界面,張永來[3]等建立了評估礦井災害水平的層次結構模型,謝振華[4]等運用模糊綜合評價法預測煤炭自燃。江澤標[5]等建立了基于BP神經網絡的煤層自燃危險性評價模型。伍愛友[6]等運用模糊評價建立了礦井火災危險性評價指標體系。以上評價方法具有的共同特點是:建立指標體系,通過權重的計算分析出危險等級,較少地考慮采用系統的結構模型分析系統中各要素間存在怎樣的關系,以及影響礦井內因火災的直接、間接及深層次原因。筆者針對上述礦井內因火災危險性評價中存在的不足,應用系統工程中的解釋結構模型(Interpretative Structural Modeling,ISM)深入分析了影響礦井內因火災的26個因素之間的相互關聯,建立了礦井內因火災的解釋結構模型;深刻揭示各因素之間的橫向和縱向關系,對礦井內因火災的危險性進行評價,最后針對這些影響因素提出有效的預防措施,為礦井安全生產作出貢獻。

1 礦井內因火災影響因素及其指標體系

通過對全國礦井火災相關事故和相關文獻資料分析,整理得出導致礦井內因火災的各個影響因素及影響因素間相互的聯系。筆者綜合考慮最終確定礦井內因火災主要受安全管理、監控系統、防滅火技術條件、開拓開采技術條件、煤層地質賦存條件、自燃傾向性6個層面共26個因素的影響,影響因素指標及隸屬關系見表1。

2 基于ISM的礦井內因火災危險性評價

運用解釋結構模型,利用矩陣等工具,分析處理影響內因火災危險性因素,抓住問題的本質。

2．1 建立鄰接矩陣

通過查閱相關資料和專家打分,根據表1所列的影響因素建立鄰接矩陣,鄰接矩陣描述了系統各要素兩兩之間的直接關系,若Si對Sj有影響,也即表明從Si到Sj有長度為1的通路,則用1表示,若Si對Sj無影響,沒有直接關系,用0表示,若兩者相互影響,取影響大的一方為影響關系,經多次討論,深入分析了表1中26個因素之間的關系,建立鄰接矩陣A,如表2所示。

表1 礦井內因火災危險性影響因素指標

2．2 生成可達矩陣

建立可達矩陣見表3。可達矩陣(Reachability Matrix,用R表示)是指用矩陣形式來描述有向鄰接圖各節點之間經過一定長度的通路后可以到達的程度。可達矩陣的元素rij代表了Si到Sj間是否存在可到達的路徑,其表示了各指標之間所有直接和間接關系。其計算方法為通過matlab進行(A＋I)冪運算,直至A＋I≠(A＋I)2≠(A＋I)3≠…≠ (A＋I)r＝(A＋I)r＋1成立,其中r＝4。

表2 鄰接矩陣表A

表3 可達矩陣R

續表3

2．3 劃分各因素的層次關系

對可達矩陣進行區域與級間劃分。以可達矩陣為準則,將系統的所有要素劃分成不同級(層)次。規定R(Si)為要素Si的可達集,A(Si)為Si的先行集。求滿足R(Si)＝R(Si)∩A(Si)條件的要素集Li,Li中的要素處于有向圖的第一級。然后,從原來的可達矩陣R中刪去對應Li中要素的行和列,得到矩陣R′,對R′進行同樣操作確定屬于第二級L2的要素。以后重復同樣的操作,依次求出L3,L4,…,從而把各要素分派到相應的級別上,結果見表4。

從表4中可以看出Li＝R(Si)∩A(Si)的要素有S2,S5,S7,S12,S14,S16,S18,S22,S24,故認為這9個要素為第一級要素。重復上述操作可依次得出第二、三、四、五、六可達集、先行集和交集。用同樣的方法可劃分出后面級位要素,在此不贅述,劃分結果在圖1中可以清晰顯示。

2．4 建立解釋結構模型

根據上述圖表的計算和分析,得出礦井內因火災危險性影響因素ISM模型,如圖1所示。

2．5 結構模型分析

由圖1可知,礦井內因火災危險性影響因素體系是一個復雜系統,具有多層遞階結構,將風險影響因素主要分為3個大的層次:

(1)最頂層的9個因素對礦井內因火災危險性的影響最為直接,分別為安全檢查(S2)、系統可靠性(S5)、傳感器(S7)、采煤工作面掘進及推進速度(S12)、采空區漏風狀況(S14)、頂板管理(S16)、地質構造(S18)、含硫量(S22)、灰分(S24)。顯而易見,若想系統非常可靠,就需要加強系統校驗及管理(S6),合適的開拓方式(S11)對于傳感器的放置是非常重要的,而采煤工作面掘進及推進速度(S12)和頂板管理(S16)等因素會直接影響到回采方向及順序(S15),頂板巖性(S21)的復雜性也影響到了采空區漏風狀況(S14)和頂板管理(S16),綜合的一系列因素會導致礦井內因火災危險性增大。

表4 第一級可達集、先行集和交集

圖1 礦井內因火災危險性影響因素解釋結構模型

(2)再從第三大層級到第四大層級進行分析,安全生產責任制(S1)、人員素質(S3),等是屬于管理及人的因素和礦井內因火災危險性有一定的間接關系,進而產生影響。采煤方法(S13)、水分(S23)、煤的碳化程度(S25)、煤層厚度(S17)、煤的粒度、孔隙率、脆度和硬度(S26)等屬于煤層相關特性對于煤層本身自燃有一定的影響。

(3)最后,安全教育(S4)作為礦井內因火災危險性影響因素最重要的原因,也啟發了需要注重員工的安全教育,提高員工的防火意識,對于火災的預測與預報做到及時處理。通過對防滅火隊伍(S10)的綜合訓練以求提高處理火災的速度及效率。因此這些因素反而成為了最重要的原因。

3 結 論

(1)由礦井內因火災危險性模型可知,安全檢查、系統的可靠性、防滅火設備、頂板管理、采空區漏風狀況等是影響礦井火災危險性的最直接最重要因素。因此,在火災的預測預報方面,要確保各系統穩定可靠;并且處理采空區漏風狀況及時檢查,以最有效的辦法確保礦井火災的不發生。

(2)安全生產責任制、采煤方法等作為間接影響因素也應受到重視。只有明確的生產責任制度和合適的采煤方法才能使礦井所有的事務能夠有條不紊的進行,每個員工和領導安全意識才會不斷增強,對于礦井火災的防范工作也會做到位,真正做到按時到相關地點進行檢查。

(3)安全教育作為影響火災危險性的最根本影響因素,應該受到更大的重視。建立健全普適的安全理念,廣泛開展安全宣傳教育,加強防滅火隊伍建設,讓人們由被動安全意識轉變為主動安全意識,自身思想上安全意識的提高更有助于降低礦井火災危險性。