采空区煤炭自燃综合评价方法及应用.pdf

2 0 1 2 年8 月 矿 业安 全 与环保 第3 9 卷第4 期 采空区煤炭 自燃综合评价方法及应用 骆大勇， 易俊 重庆工程职业技术学院， 重庆 4 0 0 0 3 7 摘要 根据采空区煤炭 自燃的特点， 结合矿井火灾评价指标 ， 建立 了采空 区煤炭 自燃危险性评价 因 素集。运用模糊数学的理论和方法， 确定 了煤炭 自燃评价指标特征值 、 隶属 函数及权重的求解方法， 建 立了煤炭 自燃危险性的模糊评价模型， 并应用此模型对某矿采 空区煤炭 自燃危 险性进行 了评价， 评价结 果 与现场实际一致。 关键词 采空区； 煤炭 自燃 ； 危险性评价 中图分类号 T D 7 5 2 ． 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 2 0 4 0 0 3 4 - 0 3 矿井火灾是煤矿的重大灾害之一 。矿井火灾事 故的发生 ， 轻则造成矿山资源的重大浪费， 设备的损 失 ， 重则引发瓦斯及煤尘爆炸 ， 造成人员伤亡。由于 煤的 自燃性 ， 使矿井 系统 中不可避免地存在火灾危 险性 ， 要完全消 除这些火灾 危险性是非 常困难 的。 要实现矿井安全生产 ， 就必须采取各种有效措 施来 控制矿井系统中的火灾危险源 。为了控制危险源并 降低其火灾的危险性 ， 必须及时发现危险源 ， 确定系 统的危险程度 ， 掌握系统火灾危 险的影 响因素和薄 弱环节 。矿井火灾危险性评价是控制火灾危险源和 降低火灾危险性 的有效措施 之一 ， 对保证矿井安全 生产有着十分 重要 的意义 。目前 ， 我 国煤矿煤炭 自 燃主要发生在采空区。为了更好地防止采空区煤炭 自燃火灾的发生 ， 在已有研究成果的基础上 ， 对采空 区煤炭 自燃危险性进行 了评价。 l 评价项 目和评 价类 目的确定 评价项 目的合理设置直接影响着评价模型的合 理性 ， 是建立模型的首要工作 。根据理论分析和现 场调查 ， 把影响采空 区煤炭 自燃的主要因素确定为 1 5个评价项 目， 并把 每个项 目划分 为 3个 类 目， 共 4 5个类 目， 用 ， ， ⋯ ， 表示各项 目， 用 C i 1 ， 2 ， ⋯， 1 5 ； 1 ， 2 ， 3 表示各类 目。 1 ， 煤的变质程度。C 煤的变质程度低 ， 煤 炭趋于容易 自燃 ； C 煤的变质程度一般 ， 煤炭趋于 收稿 日期 2 0 l 1 1 0 0 8 ； 2 0 1 2 0 3 1 2修订 作者简 介 骆 大勇 1 9 8 3 一 ， 男 ， 重庆万 州人 ， 讲 师， 主 要 从事煤矿安全理论及技术方面的研究工作。E - ma i l d a y l u o 1 63． c 0 m 3 4 自燃 ； C 煤的变质程度高， 煤炭趋于不易 自燃 。 2 煤的分子结构。C 煤的分子结构中含 氧官 能 团多、 分 子结 构酥 松 ， 煤 炭趋 于容 易 自燃 ； c 煤 的分子结构 中含氧官能团较 多 、 分子结构较 酥松 ， 煤炭趋于 自燃 ； C ， 煤 的分子结构 中含氧官能 团少 、 分子结构紧密 ， 煤炭趋于不易 自燃。 3 煤岩成分。C 镜煤和亮煤含量较多， 煤 炭趋于容易 自燃 ； C 镜煤和亮煤含量较少 ， 煤炭趋 于 自燃 ； C 3 3 暗煤含量较多， 煤炭趋于不易 自燃。 4 煤的含硫量及其他矿物质成分。C ， 煤 的含硫量大于 3 ％， 煤炭趋于容易 自燃 ； C 煤 的含 硫量小于 3 ％ ， 煤炭趋于 自燃 ； C 煤中不含硫 ， 煤炭 趋于不易 自燃。 5 煤 中水分。C 。 煤中水分少 ， 煤炭趋于容 易 自燃 ； C 煤中水分较多 ， 煤炭趋于 自燃 ； C ， 煤中 水分多 ， 煤炭趋于不易 自燃 。 6 煤的孔 隙率 和脆性。C 煤的孑 L 隙率和 脆性大 ， 煤炭趋于容易 自燃 ； C 煤的孔 隙率和脆性 较大， 煤炭趋 于 自燃 ； C 煤 的孔 隙率 和脆性小 ， 煤 炭趋于不易 自燃。 7 煤层瓦斯含量 。C ， 。 煤层瓦斯含量小 ， 吸 氧量大 ， 煤炭趋 于容易 自燃 ； C 煤层 瓦斯含 量较 大， 吸氧量较少 ， 煤炭趋 于 自燃 ； C 煤 层瓦斯含量 大 ， 吸氧量少 ， 煤炭趋于不易 自燃 。 8 煤层厚度。C 煤层厚度大 ， 煤炭趋于容 易 自燃 ； C 煤层厚度较大 ， 煤炭趋于 自燃 ； C 煤层 厚度小 ， 煤炭趋于不易 自燃 。 9 煤层倾角。C 煤层倾角大 ， 煤炭趋于容 易自燃； C 煤层倾角较大， 煤炭趋于自燃； C 。 煤层 倾角小 ， 煤炭趋于不易 自燃。 2 0 1 2 年 8月 矿 业安 全 与 环 保 第 3 9卷第4期 1 0 。 煤层顶板岩性 。c 坚硬难垮落型顶 板 ， 煤炭趋于容易 自燃 ； C ， ∞ 坚硬较难垮 落型顶板 ， 煤炭趋于 自燃 ； c 。 松软易垮落型顶板 ， 煤炭趋于不 易 自燃 。 1 1 地质构造。C ⋯ 地质构造 复杂 ， 断层 、 褶皱多， 煤炭趋 于容易 自燃 ； C 地质构造较复杂 ， 断层 、 褶皱较多， 煤炭趋于 自燃 ； C ⋯ 地质构造简单 ， 断层 、 褶皱少 ， 煤炭趋于不易 自燃。 1 2 开采技术 因素。C 工作面推进速度 慢 ， 采空区遗煤多， 煤炭趋于容易 自燃 ； C 工 作 面 推进速 度较 快 ， 采空 区遗 煤较 少 ， 煤炭 趋于 自燃 ； C ， 工作面推进速度快， 采空区遗煤少， 煤炭趋于不 易 自燃 。 1 3 ， 漏 风 强度 。C 漏 风 强 度 为 0 ． 4～ 0 ． 8 m ／ m i n m ， 煤 炭趋 于容 易 自燃 ； C 漏 风强度为 0 ． 0 6～0 ． 4 m ／ mi n m 和漏风强度为 0 ． 81 ． 2 m ／ mi n m ， 煤炭趋于 自燃 ； C I 3 3 漏风 强度 大 于 1 ． 2 m ／ ra i n m 和 漏 风 强 度 小 于 0 ． 0 6 m 。 ／ mi n m。 ， 煤炭趋于不易 自燃。 1 4 预防措施。C 没有采取预防措施 或 预防措施无效 ， 煤炭趋于容易 自燃 ； C 预防措施效 果不好 ， 煤炭趋于 自燃 ； C 预 防措施有效 ， 煤 炭趋 于不易 自燃。 1 5 安全管理 。c 监测设备不齐全 、 管理 人员素质低 ， 煤炭趋于容易 白燃 ； C 。 监测设备较齐 全、 管理人员素质较 高， 煤炭趋于 自燃 ； C 监测设 备齐全 、 管理人员素质高， 煤炭趋于不易 自燃。 2 评价步骤 2 ． 1 评价指标 影响采空区煤炭 自燃的论域确定为 l 5个评价指 标 ， 且 U { l ， 2 ， ⋯， } { 1 ， 戈 2 ， ⋯， l 5 } { 煤的变质程度、 煤的分子结构 、 煤岩成分 、 煤的含硫 量及其他矿物质 成分 、 煤 中水 分 、 煤 的孔 隙率 和脆 性 、 煤层瓦斯含量 、 煤层厚度 、 煤层倾角 、 煤层顶板岩 性 、 地质构造 、 开采技术 因素 、 漏风强度 、 预防措施 、 安全管理 } 。 2 ． 2 评价等级 把采空区煤炭 自燃危险性划分为 3个等级 危 险、 较危 险、 安全 ， 即 V { 。 ， ， } { 危险 ， 较 危险 ， 安全 } 。 2 ． 3 评价 因素 以评价论域中的 ％ 安全管理 为例 ， 某煤矿的 安全管理并不是属于 C 、 C 和 C 中的一类 ， 也就 是说安全管理对 以上 3个模糊集合 的属性并 不是 “ 非此即彼 ” ， 而往往是“ 亦此亦彼 ” 。为此 ， 先从 单 方面 指标 考虑 ， 即单因素评价 ， 然后再综合得到总 的评价结果。 可以聘请一批专家 ， 采用专家评价法。以 为 例 ， 为了得到 l 对 C 。 5 。 、 C 、 C 3 的隶属度 ， 请 n位 专家进行评价 ， 认为某个煤 的变质程度属于 C 的 有 n 人 ， 认为属于 C 的有 n 人 ， 认为属于 C 的 有 n 3人 ， 可以用 n 1 ／ 、 凡 2 ／ n 、 n 3 ／ n作为 1 5 对 C 、 C l 5 2 、 C l 5 3 的隶属度 ， 即R 1 5 {r l 5 l ， 5 2 ， r l 5 3 }{n l ， n ／ n ， n 。 ／ n} 。其他评价指标 同样 可以得到各 自的隶 属度 ， 即可得到模糊关系矩阵 R R R I U1 R J “ 2 ● R I u p F1 I ri 2 F 2l F2 2 ● ● F pl F p 2 2 ． 4 权 向量 确定评价因素的模糊权向量 Aa ， a ，⋯ ， a 。模糊权 向量的确定 多采 用专家估计 法，即请 几位专家分别估计 出评价指标 对采空区煤炭 自燃 的隶属度， 然后对不 同专家 的估计结果求平均并归 一 化就可以得到 A 。 2 ． 5 评价结果 利用合适的合成算子将 A与各被评事物的模糊 关系矩阵 合成 ， 得 到各被评事物的模糊综合评价 结果 向量 曰。采用 M， ① 算子进 行模糊变换 ， 即 P P b j ∑ 0 ， r m i n i 1 ， ∑a i r } ， 1 ， 2 ， ⋯， m 由此可得 B A。 R 口 1 ， a 2 ， ⋯， a 。 3 实例应用 F I I T1 2 r21 F 2 2 ； rp l Fp 2 3 ． 1矿 井概 况 某矿 A． 煤层煤炭 自然发火严重 ， 自然发火期最 短只有 1 5 d 。工作面走向长 1 5 0 0 m， 倾斜长 4 0 m， 煤层总厚 3 ． 2 m， 无夹矸 ， 煤层倾 角 6 5 。 。采用柔性 掩护支架采煤法。A 煤层为黑 色、 块 状， 具沥青一 油脂光泽 ， 属半光亮型、 煤层结构简单 、 发育稳定 的 中厚煤层。煤层直接顶粉砂岩厚2 ． 9 m， 呈灰色、 块 ． 3S ． ； ● ● ●●● ● ● ● ● ● ● ● ； ● ● ●●● ● 2 0 1 2年8月 矿 业安 全 与 环 保 第3 9卷第4期 状 ， 层面含 白云母片 ， 中夹少量细砂条带 ， 含泥质结 核 ， 节理不发育。直接底粉砂岩厚 1 ． 9 I n ， 呈灰色 、 块状 ， 富含白云母片 ， 顶部富根茎化石。本段煤层走 向 3 0 3 。 ～ 3 0 5 。 ， 倾角 N E／6 5 。 ， 为急倾斜单斜煤层。 煤层结构不受大 的断层影 响。由于受采动影 响， 本 段煤层产生垮落带和裂隙带。A 煤层 底板为太原 群灰岩含水层。A 煤层 煤样的 自燃倾 向性鉴定实 验结果如表 1所示。 表 1 A 煤层煤样的 自燃倾 向性鉴定结果 3 ． 2 评 价 结果 确定模糊关 系矩阵 R R 0． 7 0． 5 0． 5 0． 8 O． 2 0． 5 0． 3 0 ． 8 0． 9 0 ． 6 0． 5 0． 6 0． 6 0． 2 0． 1 0． 3 0． 4 0． 3 0． 2 0． 5 0． 4 0． 5 0 ． 2 0 ．1 0 ． 3 0． 4 0． 4 0． 3 0． 5 0． 3 A n l ， 口 2 ， ⋯ ， 0 8 0 ． 1 0， 0 ． 0 5 ， 0 ． 0 6 ， 0 ． 0 8 ， 0． 0 3， 0． 0 4， 0 ． 03， 0 ． 0 7， 0． 0 9， 0． 08， 0 ．1 1，0 ．1 1， 0．1 0， 0 ． 0 4 ， 0 ． 0 1 ， 则模糊综合评价结果 向量 B B A。 R 0 ． 5 9 9 ， 0 ． 3 1 8 ， 0 ． 0 8 3 4 综合评价结果分析 采用最大隶属度原则求 。 m81 。 2 y m - 1 舯 1 1 1 L ／ J , J b ’ m 和 ∑ ∑ 一 中的第二大分量。 0 ． 6 2 6 ， 求 出的 0 0 ． 6 2 6 0 ． 5， 最大隶属度原则是有效的。 由评价结果可以看出， 该矿的采空区煤炭 自燃 危险性等级为危险。现场对该采空区煤炭 自燃危险 性判断亦属于危险， 评价结果与实际结果一致 。 5 结语 根据模糊数学 的原理和方法 ， 建立 了采空 区煤 炭 自燃危 险性 的模糊综 合评价模 型。研究 实例表 明 ， 应用此模型能够较好地对采空区煤炭 自燃危 险 性进行评价 ， 采用加权平均法确定 采空区煤炭 自燃 危险性等级 可 以较好地利用综 合评判所 得到 的信 息 。通过对采空 区煤炭 自燃 的评价 ， 可 以较好地控 制煤炭 自燃危险 ， 有利于对煤矿火灾危险的管理。 参考文献 [ 1 ]张国枢． 通风安全学 [ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社， 2 00 3． [ 2 ]胡永宏， 贺思辉． 综合评价方法 [ M] ． 北京 科学 出版 社 ， 2 0 0 0 ． [ 3 ]骆大勇， 张国枢．模糊综合评价在煤层注水效果分析中 的应用 [ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 0 7 ， 3 4 3 4 7 4 9 ． 责任编辑 吴 自立 本 刊声 明 本刊有出版印刷版 、 电子版 、 网络版等权力， 所刊 用 的稿件 将 进 入“中 国期刊 网 h t t p ／ ／ w w w ． e n k i ． n e t 、 中国学术期刊 光盘版 ” ， “ 万方数据一 数字 化期刊群 h t t p ／ ／ w w w ． p e r i o d i c a l s ． n e t ． e n ” ， “ 维普 咨 询系统中文科技期刊数据库 h t t p ． ／ ／w w w ． e q v i p ． 3 6 c o i n ” ， 以数字化方式复制、 汇编 、 发行、 信息网络传播 本刊全文。上述作者著作权使用费 已包含在本刊所 付稿酬 中， 并一次性付清。凡有不同意者， 请另投他 刊或在投稿时特别注明， 本刊将作适当处理。 矿业安全 与环保 编辑部 璧 一 l 2 3 1 2 1 l 1 3 6 0 0 o 0 0 c；