采空区遗煤自燃影响因素分析及风险评价.pdf

第39卷第4期2023年8月山西大同大学学报（自然科学版）Journal of Shanxi Datong University(Natural Science Edition)Vol.39 No.4Aug.2023采空区遗煤自燃影响因素分析及风险评价武泽伟1，汪伟1,2*，祁云1,2，梁然1（1.山西大同大学 煤炭工程学院，山西 大同 037003；2.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000）摘要：目的目的 为了预防采空区遗煤自燃火灾的发生。方法方法 通过文献查询、现场勘查、专家访谈确定煤自燃影响因素，选取20个因素构建煤自燃风险评价指标体系，考虑到评价方法具有很强的主观性，故采用决策试验与评价实验室法（DEMATEL）和层次分析法（AHP）进行耦合确定各项指标的综合权重，并分析各个指标对采空区遗煤自燃的影响大小，最终在山西焦煤东古城煤矿进行实例应用。结果结果 粒度孔隙率、煤的吸氧速率、煤层埋藏深度、工作面推进速度和最短自然发火期等五个因素对采空区煤自燃的影响较大；计算得出Z109综采工作面采空区自燃火灾安全性总得分为79.76。结论结论 自燃风险级别为级，容易发生遗煤自燃，评价结果与实际情况相符，为东古城煤矿进行防灭火工作提供了理论依据。关键词：采空区自燃；风险评价；决策实验与评价实验室（DEMATEL）；层次分析法(AHP)中图分类号：X936文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1674-0874.2023.04.023随着采煤技术的发展，采煤效率也在提升，而采空区遗煤量大、漏风分布复杂、冒落空间大等问题层出不群，使得采空区遗煤自然发火时有发生1-3。很多学者对煤自燃风险评价开展了研究，评价结果的准确性不断提高4-7。这些研究对预防煤自燃起到推动作用，但由于分析影响煤自燃的主次因素不够明确，大小排序笼统，评价结果只是对煤自燃危险性进行评价定级8-9。鉴于此，有必要建立一套较为全面的采空区煤炭自燃风险指标体系。层次分析法（AHP）的评价指标权值差距大，忽略权值小的指标的重要性，而决策实验与评价实验室法（DEMATEL）可分析各指标间相互影响的关系；采用DEMATEL法难以分析风险因素的影响程度，而AHP法重点分析各指标对评价对象的权重。笔者拟采用DEMATEL和AHP两种方法相耦合的方式，增加评价的客观性，以期为采空区遗煤自燃风险评价提供经验借鉴和理论依据10。1 采空区自燃风险评价指标体系采空区遗煤自燃需要3个条件：煤具有自燃倾向，以破碎状态存在；持续供氧条件；有积聚氧化热的环境11-12。东古城井田主要开采的22号煤层变质阶段为1/3JM，煤层平均含硫量为1.72%，原煤挥发分为38.87%42.22%，浮煤挥发分在 37.82%41.92%，属高挥发分煤。井田的地质构造简单，断层很少，无岩浆岩侵入，各煤层比较疏松，孔隙率也较大，还具有一定的脆性，开采倾角2 8的厚煤层采用长臂式采煤法后退式回采，回采工作面最短自然发火期为80 d。结合东古城煤矿Z109综采工作面的实际情况和查阅资料，将影响采空区自燃的原因分为开拓开采技术、煤的自然倾向性、采空区的漏风、蓄热环境下持续氧化共四类，四个条件共存，存在时间比煤自然发火期长，就会引发遗煤自燃。具体采空区自燃风险评价指标层次结构如图1。2 基于 DEMATLE-AHP 模型的自燃风险评价方法2.1 决策试验与评价实验室分析法DEMATEL是一种基于图论和矩阵下的系统分析方法13，主要分析系统中各要素之间的逻辑关系和对应的关联，建立直接影响矩阵，在此基础上计算各要素的影响度、被影响度、中心度和原因度，最终得出要素之间的因果关系以及各要素在系统中的权重和因果关系14-15。收稿日期：2023-03-16作者简介：武泽伟（1997-），山西大同人，硕士研究生，研究方向：矿井火灾及防治技术。汪伟（1991-），河北玉田人，博士，讲师，通信作者。E-mail:文章编号：1674-0874（2023）04-0116-072023年（1）确定每个要素之间的直接影响程度。邀请10名相关从事煤矿安全方面专家，采用专家打分法形成风险影响因素直接影响矩阵C：Cn n=(cij)n n=c11c12c1nc21c2ncn1cn2cnn（1）式中：cij为因素ci对cj的直接影响程度,i，j=1,2,3,n。由于因素与自身比较无影响，故满足最后cii=0，cij不同取值的含义，取值为1，2，3，4，5时，分别表示两者影响弱、影响较弱、影响一般、影响较强、影响很强。通过取10位专家分数的算术平均值获得的直接影响矩阵，见表1。表1 直接影响矩阵指标C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12C13C14C15C16C17C18C19C20C102421112321203431123C230133231222311202031C325012201312023142222C413201222231322121220C542410313031232313132C614321012111202125423C703232302332224333231C812123120233223213234C920112223023023121122C1022123213102213302321C1121031332330212222203C1222022342003025241322C1313420132341201332232C1431134213031250341212C1510230232213031024304C1623302322232302103333C1723230313232213450112C1832125323323303124025C1912233340312223203203C2024032321231213212230开拓开采技术B1煤的自然倾向性B2采空区的漏风B3蓄热环境下持续氧化B4开拓方式C1采煤方法C2回采方向顺序C3煤岩的成分C4煤的炭化程度C5煤层含水量C6煤中的灰分量C7粒度孔隙率C8含硫量C9煤的吸氧速率C10通风系统安全性C11通风管理措施C12均压技术措施C14工作面风压风量C13漏风通道封堵C15遗煤厚度及粒度C16顶板垮落及性质C17煤层埋藏深度C18工作面推进速度C19最短发火期C20采空区自燃发火评价指标体系A图1 采空区自燃发火评价指标层次结构武泽伟等：采空区遗煤自燃影响因素分析及风险评价117山西大同大学学报(自然科学版)2023年（2）对直接影响矩阵进行归一化处理，得到归一化的直接影响矩阵。采用行和最大值法对矩阵C的因素进行归一化，根据式(2)得到规范影响矩阵 B，见表2。B=cijmax()j=1ncij（2）表2 规范化直接影响矩阵指标C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12C13C14C15C16C17C18C19C20C100.0410.0820.0410.0200.0200.0200.0410.0610.0410.0200.04100.0610.0820.0610.0200.0200.0410.061C20.06100.0200.1020.0610.0410.0610.0200.0410.0410.0410.0610.0200.0200.04100.0410.0000.0610.020C30.0410.10200.0200.0410.04100.0200.0610.0200.0410.0000.0410.0610.0200.0820.0410.0410.0410.041C40.0200.0610.04100.0200.0410.0410.0410.0410.0610.0200.0610.0410.0410.0200.0410.0200.0410.0410C50.0820.0410.0820.02000.0610.0200.06100.0610.0200.0410.0610.0410.1020.0200.0610.0200.0610.041C60.0200.0820.0610.0410.02000.0200.0410.0200.0200.0200.04100.0410.0200.0410.1020.0820.0410.061C700.0610.0410.0610.0410.06100.0410.0610.0610.0410.0410.0410.0820.0610.0610.0610.0410.0610.020C80.0200.0410.0200.0410.0610.0200.04100.0410.0610.0610.0410.0410.0610.0410.0200.0610.0410.0610.082C90.04100.0200.0200.0410.0410.0410.06100.0410.06100.0410.0610.0200.0410.0200.0200.0410.041C100.0410.0410.0200.0410.0610.0410.0200.0610.02000.0410.0410.0200.0610.06100.0410.0610.0410.020C110.0410.02000.0610.0200.0610.0610.0410.0610.06100.0410.0200.0410.0410.0410.0410.04100.061C120.0410.04100.0410.0410.0610.0820.102000.06100.0410.1020.0410.0820.0200.0610.0410.041C130.0200.0610.0820.04100.0200.0610.0410.0610.0820.0200.04100.0200.0610.0610.0410.0410.0610.041C140.0610.0200.0200.0610.0820.0410.0200.06100.0610.0200.0410.10200.0610.0820.0200.0410.0200.041C150.02000.0410.06100.0410.0610.0410.0410.0200.06100.0610.02000.0410.0820.06100.082C160.0410.0610.06100.0410.0610.0410.0410.0410.0610.0410.06100.0410.02000.0610.0610.0610.061C170.0410.0610.0410.06100.0610.0200.0610.0410.0610.0410.0410.0200.0610.0820.10200.0200.0200.041C180.0610.0410.0200.0410.1020.0610.0410.0610.0610.0410.0610.06100.0610.0200.0410.08200.0410.102C190.0200.0410.0410.0610.0610.0610.08200.0610.0200.0410.0410.0410.0610.04100.0610.04100.061C200.0410.08200.0610.0410.0610.0410.0200.0410.0610.0200.0410.0200.0610.0410.0200.0410.0410.0610（3）构建综合影响矩阵Z，表示系统因素间直接和间接影响的组合结果16。规范影响矩阵一直自乘后，矩阵所有值都将接近0，即limk Bk=0。因此，综合影响矩阵Z由式(3)得到，见表3。Z=()B+B2+.+Bk=k=1Bk=B()I-B-1（3）式中：I为单位矩阵。表3 综合影响矩阵指标C1C2C3C4C5C6C7C8C10.1500.2230.2170.2230.1800.2060.1790.215C20.2020.1800.1610.2780.2100.2210.2160.195C30.1900.2770.1410.2