采空區遺煤自燃影響因素分析及風險評價

武澤偉，汪 偉,2*，祁 云,2，梁 然

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西大同 037003；2.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，遼寧阜新 123000）

隨著采煤技術的發展，采煤效率也在提升，而采空區遺煤量大、漏風分布復雜、冒落空間大等問題層出不群，使得采空區遺煤自然發火時有發生[1-3]。很多學者對煤自燃風險評價開展了研究，評價結果的準確性不斷提高[4-7]。這些研究對預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，評價結果只是對煤自燃危險性進行評價定級[8-9]。

鑒于此，有必要建立一套較為全面的采空區煤炭自燃風險指標體系。層次分析法（AHP）的評價指標權值差距大，忽略權值小的指標的重要性，而決策實驗與評價實驗室法（DEMATEL）可分析各指標間相互影響的關系；采用DEMATEL法難以分析風險因素的影響程度，而AHP 法重點分析各指標對評價對象的權重。筆者擬采用DEMATEL 和AHP 兩種方法相耦合的方式，增加評價的客觀性，以期為采空區遺煤自燃風險評價提供經驗借鑒和理論依據[10]。

1 采空區自燃風險評價指標體系

采空區遺煤自燃需要3個條件：①煤具有自燃傾向，以破碎狀態存在；②持續供氧條件；③有積聚氧化熱的環境[11-12]。

東古城井田主要開采的22號煤層變質階段為1/3 JM，煤層平均含硫量為1.72%，原煤揮發分為38.87%～42.22%，浮煤揮發分在37.82%～41.92%，屬高揮發分煤。井田的地質構造簡單，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火期為80 d。結合東古城煤礦Z109綜采工作面的實際情況和查閱資料，將影響采空區自燃的原因分為開拓開采技術、煤的自然傾向性、采空區的漏風、蓄熱環境下持續氧化共四類，四個條件共存，存在時間比煤自然發火期長，就會引發遺煤自燃。具體采空區自燃風險評價指標層次結構如圖1。

圖1 采空區自燃發火評價指標層次結構

2 基于DEMATLE-AHP 模型的自燃風險評價方法

2.1 決策試驗與評價實驗室分析法

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

（1）確定每個要素之間的直接影響程度。邀請10 名相關從事煤礦安全方面專家，采用專家打分法形成風險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的因素進行歸一化，根據式(2)得到規范影響矩陣B，見表2。

表2 規范化直接影響矩陣

（3）構建綜合影響矩陣Z，表示系統因素間直接和間接影響的組合結果[16]。規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指本因素在系統中的影響力。被影響度li指系統中其它因素對自身的影響力。中心度xi指因素在系統中所起作用的大小。原因度yi大于0，為原因要素，否則為結果要素[17]。上述公式如式（4），計算可得到表4。以中心度xi為橫坐標，原因度yi為縱坐標，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均壓技術措施、C17頂板垮落及性質、C20最短發火期的中心度和原因度都較大，表明這五個因素對采空區自燃的影響較大。

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，分解為各個目標，化整為零，通過指標的模糊定量方法計算層次權重，將其作為優化決策目標的系統方法[18]。

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

式中：n為因子個數；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,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，是指導實際生產所必不可少的參數[1]。

最大特征根計算公式為：

一致性比例計算公式為：

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

表5 RI 值

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

通過一級、二級判斷矩陣可知：影響東古城煤礦采空區自燃的一級指標中，蓄熱環境下持續氧化的權重較大；在二級指標中，C2采煤方法、C10煤的吸氧速率、C11通風系統安全性、C15漏風通道封堵、C20最短發火期的權重較大，表明這5個因素對采空區自燃的影響較大。

3 綜合評價

3.1 綜合影響度計算

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，將決策實驗法和層次分析法的影響進行綜合，利用式(8)計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為二級指標權重；Wj為一級指標權重；i,j=1,2,…,n。

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

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 評價結果計算

根據東古城煤礦安全現狀，制定采空區自燃安全性評價等級，見表7。

表7 采空區自燃評價因素評分標準

對東古城煤礦采空區遺煤自燃安全性進行評分，其結果為：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為采空區煤自燃火災安全性總得分。結合表8可知，采空區煤自燃危險級別為Ⅱ級，容易發生火災。

表8 自燃火災安全等級劃分

4 結論

（1）針對東古城煤礦Z109 綜采工作面的實際情況，選取了20 個評價指標構建采空區自燃風險評估指標體系，通過耦合DEMATEL 法與AHP 法，建立DEMATEL-AHP 采空區自燃風險評價模型，減少了使用單一評價方法主觀性，更加符合實際，最終計算綜合影響度得到了較準確的采空區自燃影響指標權重，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遺煤自燃危險性提供了依據，為評價采空區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工作面推進速度、C20最短發火期等5個指標綜合權重大，對東古城煤礦采空區自燃影響較大。東古城煤礦應該針對自燃影響重大因素，加強和改進采空區自燃火災防控措施，避免煤礦火災的發生。

（3）結合Z109綜采工作面安全現狀，對采空區遺煤自燃安全性評價結果為79.76，得出采空區遺煤自燃危險等級為Ⅱ級，屬于容易發生火災，符合東古城煤礦的實際情況。伴隨著動態因素如采動、地壓等的影響，應加強采空區遺煤自燃監測和防治工作。