采煤工作面火災風險階段性多指標綜合評價方法

陳小林

（1. 中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2. 天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

0 引言

礦井火災對井下作業人員和環境造成很大危害，還可引發瓦斯爆炸、煤塵爆炸等二次事故，給煤礦安全生產帶來巨大威脅[1-2]。為有效遏制礦井火災事故發生，需要準確評價礦井火災風險[3-6]。目前，許多學者對礦井火災風險評價進行了研究。杜振宇等[7]應用可拓優度法對礦井火災安全風險進行評價，將多指標評價歸結為單目標決策，給出定量的評價結果，但存在評價指標復雜的問題。白雯等[8]將熵權法融入到物元可拓理論中，采用熵權物元可拓模型對礦井火災安全風險進行評價，但評價結果的定性程度較高，監測數據的連續微小變化無法反映在評價結果上。張順堂等[9]將熵權法和可變模糊評價方法進行耦合，利用熵權可變模糊評價模型對礦井火災安全性進行評價，但評價指標體系不完善。張怡[10]應用Apriori算法構建數據挖掘模型，結合影響礦井火災的因素之間的關聯關系實現對礦井火災事故的預測，但數據挖掘針對性及準確性直接影響預測效果。

根據礦井火災發生機理，礦井火災分為內因火災和外因火災[11]。本文以采煤工作面為研究對象，圍繞內因火災和外因火災，提出了一種采煤工作面火災風險階段性多指標綜合評價方法。該方法將內因火災階段性演變過程中風險評價與外因火災風險評價相結合，可實現火災風險全過程動態綜合評價，對礦井采煤工作面火災風險防控具有較強的指導意義。

1 采煤工作面內因火災風險評價

采煤工作面內因火災發展過程分為潛伏期、自熱期、燃燒期3個階段，因此圍繞各階段進行采煤工作面內因火災風險評價。

1.1 采煤工作面內因火災潛伏期風險評價

1.1.1 評價指標選取及評價模型建立

考慮采煤工作面內因火災潛伏期影響煤自然發火的內在因素（煤本身的物理性質和化學組成等）和外在因素（煤層賦存狀態和開采、通風條件等），結合《礦井防滅火規范》，選取自燃傾向性、自然發火期、百萬噸發火率、煤層厚度、煤層傾角、地質構造、煤層瓦斯等級、采煤工藝、采空區處理方法、采煤工作面上下行風壓差、防滅火措施有效性作為采煤工作面內因火災潛伏期風險評價指標。

根據評價指標，利用層次分析法建立采煤工作面內因火災潛伏期風險評價模型，如圖1所示。

1.1.2 評價指標評分規則設定

將被評價的采煤工作面的評價指標取值逐一與參考值進行對照：當評價指標取值與參考值對應時，取參考值對應的評分；當評價指標取值與參考值不對應時，采用插值法計算評價指標評分。采煤工作面內因火災潛伏期風險評價指標評分規則見表1。

表1 采煤工作面內因火災潛伏期風險評價指標評分規則Table 1 Scoring rule for risk evaluation indexes of incubation period of internal fire in coal working face

1.1.3 評價指標評分計算

對于連續變化的的量化指標，可根據實際情況預先按順序（本文為從小到大）設定其部分取值c1，c2，…，ci，cj，…，cn，并給出對應的評分s1，s2，…，si，sj，…，sn。當評價指標實際值c處于[ci，cj]內時，根據線性插值法計算評價指標實際評分：

若實際值c落在預先設定的區間外，則使用線性外推法計算評價指標實際評分：

針對離散變化的量化指標或非量化指標，一般只需列出其所有可能的取值，參照評價指標的評分規則，找到對應指標評分并賦予相應的權重即可。

1.1.4 評價指標賦權

基于采煤工作面內因火災發生機理、規律及行業專家對火災風險相關評價指標重要性的理解，對同一層中各評價指標進行兩兩比較，構建判斷矩陣，從而計算各評價指標的權重，若通過一致性檢驗（一致性指標＜0.1），代表評價指標權重符合要求。以煤的易發火性對應的自燃傾向性、自然發火期及百萬噸發火率3個評價指標為例，其權重計算過程如下。

（1） 對煤的易發火性的3個評價指標進行兩兩對比，構造判斷矩陣：

（2） 計算判斷矩陣各行元素乘積的n（n為評價指標數量）次方根：

式中aij為判斷矩陣元素。

則行向量M=[M1M2M3]T=[0.794 0.794 1.587]T。

（3） 對M進行歸一化處理，得到各評價指標權重：

則權重向量w=[w1w2w3]T=[0.250 0.250 0.500]T。

（4） 計算判斷矩陣的最大特征根：

（5） 計算一致性指標：

由于C=0＜0.1，表明構造的判斷矩陣具有很好的一致性，不需要修正。

根據上述計算，煤的易發火性對應的評價指標判斷矩陣及權重見表2。

表2 煤的易發火性對應的評價指標判斷矩陣及權重Table 2 Judgment matrix and weight of evaluation indexes corresponding to coal flammability

同理可得煤層賦存、開采技術對應的評價指標判斷矩陣及權重（表3、表4），以及目標層評價指標的判斷矩陣及權重（表5）。

表3 煤層賦存對應的評價指標判斷矩陣及權重Table 3 Judgment matrix and weight of evaluation indexes corresponding to coal seam occurrence

表4 開采技術對應的評價指標判斷矩陣及權重Table 4 Judgment matrix and weight of evaluation indexes corresponding to mining technology

表5 目標層評價指標判斷矩陣及權重Table 5 Judgment matrix and weight of evaluation indexes of target layer

1.1.5 采煤工作面內因火災潛伏期風險評價總得分

根據各評價指標的評分規則、監測數據及權重，計算得出煤的易發火性、煤層賦存、開采技術、防滅火措施得分，進而獲得采煤工作面內因火災潛伏期風險評價總得分。

1.2 采煤工作面內因火災自熱期風險評價

煤進入自熱期會顯現出相應的表征，除溫度外還會產生CO，CO2等氣體，這些氣體在不同階段有不同的顯現規律，因此被作為預測煤自然發火的標志，稱為標志性氣體[12]。國內外對預測煤自然發火的標志性氣體指標已有較多研究，建立了判斷煤自然發火階段的Graham指數等指標。

Graham指數即流經火源或自熱源風流中CO體積分數增加量與O2體積分數減少量之比[13-14]：

式中：ICO為Graham指數；Δφ（CO）為回風側CO體積分數增加量，%；Δφ（O2）為回風側O2體積分數減少量，%；φ（N2）為回風側N2體積分數，%；φ（O2）為回風側O2體積分數，%。

采煤工作面內因火災自熱期風險評價指標評分規則見表6。在實際應用中，選擇其中1個指標即可。

表6 采煤工作面內因火災自熱期風險評價指標評分規則Table 6 Scoring rules for risk evaluation indexes of self-heating period of internal fire in coal working face

通過采煤工作面回風側通風系統的監測數據獲取CO，O2，N2體積分數，根據式（8）可得Graham指數；對照采煤工作面內因火災自熱期風險評價指標評分規則，應用線性插值法計算采煤工作面內因火災自熱期風險評價得分。

1.3 采煤工作面內因火災燃燒期風險評價

當通過人的感知、火災在線監測系統判定采煤工作面已經發生火災時，采煤工作面發生火災的風險已經很高，將采煤工作面內因火災風險評分設為0。另外，當存在以下情形，表明采煤工作面自然發火嚴重，未采取有效措施，這時應直接將采煤工作面內因火災風險評分設為0：開采容易自燃和自燃的采煤工作面時，未編制防止自然發火設計方案或未按設計方案組織生產建設；高瓦斯礦井采用放頂煤采煤法不能有效防治煤層自然發火；有自然發火征兆但沒有采取相應的安全防范措施并繼續生產建設。

1.4 采煤工作面內因火災風險階段性評價

采煤工作面內因火災潛伏期風險評價得分大于50分時，該評分作為采煤工作面內因火災風險最終評分，否則進入自熱期風險評價；采煤工作面內因火災自熱期風險評價得分大于50分時，該評分作為采煤工作面內因火災風險最終評分，否則進入燃燒期風險評價；當進入燃燒期風險評價時，直接將采煤工作面內因火災風險評分設為0。

2 采煤工作面外因火災風險評價

根據風險辨識形成的相關風險管控要求[15]，圍繞火災在線監測及安全檢查2個方面，應用層次分析法建立采煤工作面外因火災風險評價模型，如圖2所示。

圖2 采煤工作面外因火災風險評價模型Fig. 2 Risk evaluation model for external fire in coal working face

采煤工作面外因火災風險評價指標評分規則見表7。

表7 采煤工作面外因火災風險評價指標評分規則Table 7 Scoring rules for risk evaluation indexes of external fire in coal working face

從安全管控系統獲取隱患超期未接單、隱患超期未整改、隱患復查不合格等隱患排查治理數據，以及風險管控措施超期未反饋、風險管控措施超期未復查、風險管控措施復查不合格等風險分級管控數據；從火災在線監測系統獲取溫度、O2體積分數、CO體積分數等監測數據。當火災在線監測系統出現異常報警時，采煤工作面外因火災風險評分為0；當火災在線監測系統的報警與預警結束及安全管控系統的安全檢查數據正常后，采煤工作面外因火災風險評分為

式中：sy1為溫度預警評分，fy1為溫度預警次數；sy2為O2體積分數預警評分；fy2為O2體積分數預警次數；sy3為CO體積分數預警評分；fy3為CO體積分數預警次數；sh1為隱患超期未接單指標評分；fh1為隱患超期未接單次數；sh2為隱患超期未整改指標評分；fh2為隱患超期未整改次數；sh3為隱患復查不合格指標評分；fh3為隱患復查不合格次數；sr1為風險管控措施超期未反饋指標評分；fr1為風險管控措施超期未反饋次數；sr2為風險管控措施超期未復查指標評分；fr2為風險管控措施超期未復查次數；sr3為風險管控措施復查不合格指標評分；fr3為風險管控措施復查不合格次數。

3 采煤工作面火災風險綜合評價

根據木桶原理，采煤工作面火災風險評分由內因火災風險評分和外因火災風險評分的最低值確定：在采煤工作面內因火災潛伏期，將潛伏期火災風險評分與外因火災風險評分進行對比，取評分最低值作為采煤工作面內因火災潛伏期階段最終評分；在采煤工作面內因火災自熱期，將自熱期火災風險評分與外因火災風險評分進行對比，取評分最低值作為采煤工作面內因火災自熱期階段最終評分；在采煤工作面內因火災燃燒期，采煤工作面火災風險評分直接設為0。

4 結語

利用層次分析法、插值法構建了采煤工作面火災風險評價模型。針對煤自然發火的潛伏期、自熱期和燃燒期3個階段進行采煤工作面內因火災風險階段性評分；依托風險分級管控及隱患排查治理數據、火災在線監測數據，對采煤工作面外因火災風險進行評分；以采煤工作面內因火災和外因火災風險評分最低值作為采煤工作面火災風險評分，該評分越高，表明采煤工作面火災危險程度越低。