近距离煤层群联合开采煤自燃危险性分析.pdf

892018 年第 1 期 近距离煤层群联合开采煤自燃危险性分析 张 丹 1 付 栋2 （1. 山西世德孙家沟煤矿有限公司，山西 忻州 036604； 2. 河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454000） 摘 要 通过对影响近距离煤层自燃因素的分析，应用层次分析法的基本原理建立近距离煤层群联合开采煤自燃的评价 层次模型，获得了工作面推进速度是影响该矿煤自燃的首要因素，其次是煤层间距、煤层倾角、层间压差和地质构造等， 为矿井主动地选择煤自燃防治措施提供依据。 关键词 自然发火 联合开采 矿井火灾 层次分析法 评价模型 中图分类号 TD752.2 文献标识码 A doi10.3969/j.issn.1005-2801.2018.01.037 Risk Analysis of Spontaneous Combustion of Coal in Combined Mining of Short Distance Coal Seams Zhang Dan1 Fu Dong2 1.Shanxi Shide Sunjiagou Coal Mine Co., Ltd.,Shanxi Xinzhou 036604； 2. Department of Safety Science Engineering, Henan Polytechnic University, Henan Jiaozuo 454000 Abstract Through analysis of factors affecting spontaneous combustion in close distance coal seam, the uation hierarchy model of coal spontaneous combustion in near distance seams is established by applying the basic principle of analytic hierarchy process AHP. The speed of working face is the primary factor affecting the coal spontaneous combustion, followed by coal seam spacing,dip angle of coal seam the interlayer pressure difference and geological structure etc, which provides choice for mine coal spontaneous combustion prevention measures. Key wordsspontaneous combustion combined mining mine fire AHP uation mode 收稿日期 2017-08-31 基金项目 国家自然科学基金 51304070,51674103 作者简介 张丹（1971-），男，工程师，目前主要从事矿井通 风与安全工作。 煤与空气接触后在一定条件下自身氧化升温而 自燃，煤自燃过程是一个非常复杂的动态过程，且 受多种因素影响。我国是煤自然发火比较严重的国 家，据统计 [1]，我国重点煤矿中，自然发火矿井占 51，所有开采大倾角煤层、厚及特厚煤层的矿井 大都存在自然发火的问题，每年由煤的自燃而形成 的矿井火灾 360 余次。尤其是近距离煤层，由于其 开采条件的复杂性和特殊性，使近距离煤层联合开 采采空区内部遗煤经常发生自燃隐患，轻则影响生 产，重则导致工作面封闭，甚至引起采空区内积聚 的瓦斯爆炸，极大地威胁矿工的生命安全。为此， 本文结合孙家沟煤矿近距离煤层开采实际情况，利 用层次分析方法将影响煤自燃的因素从定性描述转 化为定量表示，确定出影响近距离煤层采空区自燃 灾害主要因素，对于防治采空区自然发火具有重要 的指导意义。 1 综采面煤自燃影响因素的层次分析 1.1 层次分析法 层次分析法（AHP）是一种定性和定量相结合 的、系统化、层次化的分析方法，它把一个复杂问 题分解成若干组成因素，并按支配关系形成层次结 构，然后应用两两比较的方法确定决策指标的相对 重要性。 1.2 采面概况 11煤层位于 L2 灰岩下 5m 左右，平均厚度 2.19m；13煤层位于 L2 灰岩下 19m 左右，上距 11 煤层 14m 左右，煤层平均厚度为 13.05m。 1.3 建立评价层次结构模型 通过对孙家沟煤矿开采的 11和 13煤采煤面 的实地考察，收集并阅读大量相关资料，参照指标 确定的原则和系统评价的一般要求，建立评价指标 的层次结构模型，如图 1 所示。 902018 年第 1 期 图 1 综采面采空区煤自燃层次分析结构图 每一个评价因素的含义如下 [2-4] （1）煤自燃特性。指煤本身所具有的特性， 这种特性反映出煤升温氧化所具备的能力。 （2）生产管理。指管理者亲自参与组织预防 煤自燃的关键性活动，积极开展防治煤自燃的技术 措施，增强防治煤自燃的安全理念，采取均压、预 灌浆、堵漏等主动措施来控制采空区遗煤自燃。 （3）采面生产布局。指通过人为的控制层间 采面布局，在开采设计初期就把防治煤自燃统筹考 虑，在开采过程中通过人为的控制采面推进速度， 使已升温氧化的煤抛到窒息带内，并减少层间贯通 和漏风。 （4）煤层地质条件。指煤层自身的赋存条件， 由于地质构造、煤层倾角等煤层赋存条件的复杂性， 不仅影响工作面的推进速度，也容易造成漏风和大 量的丢煤，为煤自燃提供条件。 1.4 构造判断矩阵 构造判断矩阵是将结构模型转换为数量模型， 它是将同一层次中两两因素间，相对于上一层中的 一个因素目标的重要性，给出一定量化的判断。全 部比较的结果可用一个矩阵的形式表示出来，具体 构造方法如下 ijijij n n ji 1 A a,a0,a a 此时 A 就称为正互反矩阵。 判断矩阵有多种标度方法，文中所用的是较为 科学的 19 标度方法，其含义见表 1。 表 1 判断矩阵标度的含义 标度值135792、4、6、8 重要性同等略重要 明显 重要 强烈 重要 极端 重要 介于每两者之间 各层判断矩阵，判断矩阵中各个因素相互之间 的重要性，由有关专家以及该矿工程技术人员共同 确定给出。 1.5 计算评价指标的权值 构造判断矩阵后，为求各个因素的权值，要对 判断矩阵进行量化计算。对于判断矩阵 B，以下采 用方根法计算特征向量 [5]。 （1）将矩阵 O-B 每一列列向量归一化得 1 w n ijijij i BB ∑i1，2，3，，n （1） 式中 Wij- 判断矩阵归一化后得到的矩阵； Bij- 判断矩阵的元素； N- 判断矩阵的阶数，n4。 由（1）式得 0.062 0.067 0.054 0.067 0.125 0.133 0.135 0.133 0.313 0.267 0.270 0.267 0.500 0.533 0.541 0.533       （2）对 Wij按行求和得 0.250 0.526 1.117 2.107 ij Q       作归一化处理， 求得特征向量为 0.063 0.131 0.279 0.527 e       对于 O-B 矩阵，所求得特征向量为 e0.063,0.131,0.279,0.527T。 1.6 评价指标的一致性检验 层次分析法（AHP）是根据每个评价指标的相 对重要性的主观判断。层次分析法的应用过程中， 保持判断的一致性是非常重要的，因此，我们需要 检查判断矩阵的一致性。一致性检验的步骤如下。 （1）计算判断矩阵的最大特征根 λmax n max i 1 i e i1 ne B λ ⋅∑ 式中 0.251 0.528 1.120 2.113 B e       代入式中得 max 10.2510.5281.1202.113 4.010 40.0630.1310.2790.527 λ    （2）计算判断矩阵的一致性指标 CI max 0.0033 1 n CI n λ− − （3）计算判断矩阵的随机一致性比例 CR CI CR RI （2） 式中 CI- 判断矩阵的一致性检验指标； 912018 年第 1 期 RI- 判断矩阵的平均随机一致性指标。 19阶矩阵的平均随机一致性指标如表2所示。 表 2 判断矩阵的平均随机一致性指标 阶数123456789 RI000.580.901.121.241.321.411.45 当 CR 越小时，判断矩阵的一致性越好，一般 认为当 CR0.1 时，就认为判断矩阵完全符合一 致性条件，属于可以接受的程度。 由表 2 知，当 n4 时，RI0.90 所以由（2）式得 0.0033 0.0037 0.1 0.90 CR 同理可计算出 B1-C 矩阵特征向量 0.098,0.568,0.334T λmax3.025；CI0.012；CR0.0.0210.1 B2-C 矩阵特征向量 0.130,0.342,0.342,0.130, 0.056 T λmax5.055；CI0.014；CR0.0120.1. B3-C 矩阵特征向量 0.089,0.587,0.324 T λmax3.010；CI0.005；CR0.0090.1 B4-C 矩 阵 特 征 向 量 0.159,0.214,0.382, 0.059,0.159T λmax5.146；CI0.037；CR0.0330.1 因此，上述各判断矩阵均符合一致性检验条件， 属于可接受程度。 1.7 层次总排序及一致性检验 在同一水平上的单个排序的结果的基础上，最 后一级可以计算该层次对近距离煤层联合开采综采 面采空区煤自燃影响因素的重要性的权值，然后进 行层次总排序。层次总排序 [2] 就是利用同一层次中 所有层次单排序的结果，计算针对目标层而言，本 层次各元素的重要性权值，然后自上而下将单准则 下的权重进行组合。层次总排序的一致性检验 3 11 0.006 n ziiii ii CIwCIwCI ∑∑ 3 11 0.6952 n ziiii ii RIwRIwRI ∑∑ 0.043 0.00860.1 1.132 z z z CI CR RI 由计算结果可知，层次总排序符合一致性检验 条件，说明计算结果满足要求。 在分析近距离煤层联合开采影响煤自燃因素的 基础上，判断矩阵 B 符合一致性检验条件。因此， 从以上分析得到的判断矩阵的特征向量与 B 的试验 条件一致。对所求得的权重向量进行层次总排序由 大到小依次为工作推进速度、煤层间距、煤层含 硫量、层间压差、地质构造、煤的吸氧量、预灌浆 处理、采空区堵漏、煤层倾角、采煤方法、煤变质 程度、稳定通风系统、通风方式、煤的吸热放热。 2 结果与分析 根据层次分析法对各因素的权重进行总排序， 结果表明工作推进速度的优先权数最大，说明该因 素对采空区煤自燃危险的影响程度是最高的，是影 响采空区煤自燃的主要因素，工作面推进速度快慢 与否，影响到遗煤在氧化带内氧化时间。若推进速 度快，氧化带内的遗煤很快就进入窒息带，减少了 煤与氧接触时间，延长采空区煤的自然发火期，从 本质上降低煤自然发火的概率。 其次是煤层间距，在该矿区，因上下煤层同时 开采，间距大小势必造成采空区间相互贯通，层间 漏风大，是导致该矿区煤易自燃的主要因素之一。 地质构造也是影响煤自燃的重要因素，因该采 面地质比较复杂， 采面断层多， 煤层节理、 裂隙发育， 煤质较软。在遇构造复杂处煤易脆化，当工作面推 过这些地方时，形成大量的浮煤而氧化自燃。同时 对于近距离联合开采煤层，通风方式也是影响煤自 燃的重要因素，通风方式的正确选择，不仅有利于 减小采空区的漏风，而且也可以缩短氧化带宽度。 上述几个因素的权重较大，是防治近距离煤层 联合开采采空区遗煤自燃的切入点，对于现场预防 自燃火灾具有一定的指导作用，为主动地采取预防 措施提供合理依据。 【参考文献】 ［1］ 王捷帆 , 李文俊 . 中国煤矿事故暨专家点评集 [M]. 北京 煤炭工业出版社 ,20021511-1512. ［2］ 王玉怀 , 潘德祥 , 李祥仪 . 应用层次分析法及 模糊评价进行煤矿安全评价研究 [J]. 煤炭工 程 ,2005360-62. ［3］ 余明高 , 潘荣锟 , 黄照 , 等 . 乌达煤矿采空区 煤自燃影响因素评价分析 [J]. 中国安全科学学 报 ,2006,16497-101. ［4］ Pan Rongkun, Cheng Yuanping, Yu Minggao, et al. 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