近距離煤層群聯(lián)合開(kāi)采煤自燃危險(xiǎn)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(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)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(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，且受多種因素影響。我國(guó)是煤自然發(fā)火比較嚴(yán)重的國(guó)家，據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，我國(guó)重點(diǎn)煤礦中，自然發(fā)火礦井占51%，所有開(kāi)采大傾角煤層、厚及特厚煤層的礦井大都存在自然發(fā)火的問(wèn)題，每年由煤的自燃而形成的礦井火災(zāi)360余次。尤其是近距離煤層，由于其開(kāi)采條件的復(fù)雜性和特殊性，使近距離煤層聯(lián)合開(kāi)采采空區(qū)內(nèi)部遺煤經(jīng)常發(fā)生自燃隱患，輕則影響生產(chǎn)，重則導(dǎo)致工作面封閉，甚至引起采空區(qū)內(nèi)積聚的瓦斯爆炸，極大地威脅礦工的生命安全。為此，本文結(jié)合孫家溝煤礦近距離煤層開(kāi)采實(shí)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(zhuǎn)化為定量表示，確定出影響近距離煤層采空區(qū)自燃災(zāi)害主要因素，對(duì)于防治采空區(qū)自然發(fā)火具有重要的指導(dǎo)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(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法，它把一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題分解成若干組成因素，并按支配關(guān)系形成層次結(jié)構(gòu)，然后應(yīng)用兩兩比較的方法確定決策指標(biāo)的相對(duì)重要性。

1.2 采面概況

11#煤層位于L2灰?guī)r下5m左右，平均厚度2.19m；13#煤層位于L2灰?guī)r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(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型

通過(guò)對(duì)孫家溝煤礦開(kāi)采的11#和13#煤采煤面的實(shí)地考察，收集并閱讀大量相關(guān)資料，參照指標(biāo)確定的原則和系統(tǒng)評(píng)價(jià)的一般要求，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 綜采面采空區(qū)煤自燃層次分析結(jié)構(gòu)圖

每一個(gè)評(píng)價(jià)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(chǎn)管理。指管理者親自參與組織預(yù)防煤自燃的關(guān)鍵性活動(dòng)，積極開(kāi)展防治煤自燃的技術(shù)措施，增強(qiáng)防治煤自燃的安全理念，采取均壓、預(yù)灌漿、堵漏等主動(dòng)措施來(lái)控制采空區(qū)遺煤自燃。

（3）采面生產(chǎn)布局。指通過(guò)人為的控制層間采面布局，在開(kāi)采設(shè)計(jì)初期就把防治煤自燃統(tǒng)籌考慮，在開(kāi)采過(guò)程中通過(guò)人為的控制采面推進(jìn)速度，使已升溫氧化的煤拋到窒息帶內(nèi)，并減少層間貫通和漏風(fēng)。

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

1.4 構(gòu)造判斷矩陣

構(gòu)造判斷矩陣是將結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為數(shù)量模型，它是將同一層次中兩兩因素間，相對(duì)于上一層中的一個(gè)因素目標(biāo)的重要性，給出一定量化的判斷。全部比較的結(jié)果可用一個(gè)矩陣的形式表示出來(lái)，具體構(gòu)造方法如下：

此時(shí)A就稱(chēng)為正互反矩陣。

判斷矩陣有多種標(biāo)度方法，文中所用的是較為科學(xué)的1～9標(biāo)度方法，其含義見(jiàn)表1。

表1 判斷矩陣標(biāo)度的含義

各層判斷矩陣，判斷矩陣中各個(gè)因素相互之間的重要性，由有關(guān)專(zhuān)家以及該礦工程技術(shù)人員共同確定給出。

1.5 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值

構(gòu)造判斷矩陣后，為求各個(gè)因素的權(quán)值，要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行量化計(jì)算。對(duì)于判斷矩陣B，以下采用方根法計(jì)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(shù)，n=4。

由（1）式得：

對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)的一致性檢驗(yàn)

層次分析法（AHP）是根據(jù)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性的主觀判斷。層次分析法的應(yīng)用過(guò)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(yàn)的步驟如下。

（1）計(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax

（3）計(jì)算判斷矩陣的隨機(jī)一致性比例CR

式中：

CI-判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)指標(biāo)；

RI-判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

1～9階矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)如表2所示。

表2 判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

當(dāng)CR越小時(shí)，判斷矩陣的一致性越好，一般認(rèn)為：當(dāng)CR＜0.1時(shí)，就認(rèn)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(dāng)n=4時(shí)，RI=0.90

所以由（2）式得：

同理可計(jì)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(yàn)條件，屬于可接受程度。

1.7 層次總排序及一致性檢驗(yàn)

在同一水平上的單個(gè)排序的結(jié)果的基礎(chǔ)上，最后一級(jí)可以計(jì)算該層次對(duì)近距離煤層聯(lián)合開(kāi)采綜采面采空區(qū)煤自燃影響因素的重要性的權(quán)值，然后進(jìn)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(jié)果，計(jì)算針對(duì)目標(biāo)層而言，本層次各元素的重要性權(quán)值，然后自上而下將單準(zhǔn)則下的權(quán)重進(jìn)行組合。層次總排序的一致性檢驗(yàn)：

由計(jì)算結(jié)果可知，層次總排序符合一致性檢驗(yàn)條件，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果滿足要求。

在分析近距離煤層聯(lián)合開(kāi)采影響煤自燃因素的基礎(chǔ)上，判斷矩陣B符合一致性檢驗(yàn)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(yàn)條件一致。對(duì)所求得的權(quán)重向量進(jìn)行層次總排序由大到小依次為：工作推進(jìn)速度、煤層間距、煤層含硫量、層間壓差、地質(zhì)構(gòu)造、煤的吸氧量、預(yù)灌漿處理、采空區(qū)堵漏、煤層傾角、采煤方法、煤變質(zhì)程度、穩(wěn)定通風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)方式、煤的吸熱放熱。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)層次分析法對(duì)各因素的權(quán)重進(jìn)行總排序，結(jié)果表明工作推進(jìn)速度的優(yōu)先權(quán)數(shù)最大，說(shuō)明該因素對(duì)采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)的影響程度是最高的，是影響采空區(qū)煤自燃的主要因素，工作面推進(jìn)速度快慢與否，影響到遺煤在氧化帶內(nèi)氧化時(shí)間。若推進(jìn)速度快，氧化帶內(nèi)的遺煤很快就進(jìn)入窒息帶，減少了煤與氧接觸時(shí)間，延長(zhǎng)采空區(qū)煤的自然發(fā)火期，從本質(zhì)上降低煤自然發(fā)火的概率。

其次是煤層間距，在該礦區(qū)，因上下煤層同時(shí)開(kāi)采，間距大小勢(shì)必造成采空區(qū)間相互貫通，層間漏風(fēng)大，是導(dǎo)致該礦區(qū)煤易自燃的主要因素之一。

地質(zhì)構(gòu)造也是影響煤自燃的重要因素，因該采面地質(zhì)比較復(fù)雜，采面斷層多，煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育，煤質(zhì)較軟。在遇構(gòu)造復(fù)雜處煤易脆化，當(dāng)工作面推過(guò)這些地方時(shí)，形成大量的浮煤而氧化自燃。同時(shí)對(duì)于近距離聯(lián)合開(kāi)采煤層，通風(fēng)方式也是影響煤自燃的重要因素，通風(fēng)方式的正確選擇，不僅有利于減小采空區(qū)的漏風(fēng)，而且也可以縮短氧化帶寬度。

上述幾個(gè)因素的權(quán)重較大，是防治近距離煤層聯(lián)合開(kāi)采采空區(qū)遺煤自燃的切入點(diǎn)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防自燃火災(zāi)具有一定的指導(dǎo)作用，為主動(dòng)地采取預(yù)防措施提供合理依據(jù)。