煤与瓦斯突出影响因素的安全评价研究

郭 民郁钟铭

(1.贵州大学矿业学院,贵州省贵阳市,550003; 2.贵州民族学院,贵州省贵阳市,550025)

★煤矿安全 ★

煤与瓦斯突出影响因素的安全评价研究

郭 民1郁钟铭2

(1.贵州大学矿业学院,贵州省贵阳市,550003; 2.贵州民族学院,贵州省贵阳市,550025)

介绍了煤与瓦斯突出的危害,通过层次分析法初步进行了煤与瓦斯突出防治的优先权探讨,给出一种评价因素的权重集,评判出应着重考虑的煤与瓦斯突出影响因素。

煤与瓦斯突出 层次分析 灾害预防

AbstractFirst introducing the harmfulness of coal/gas outbursts,this paper takes advantage of stratification analysis in a tentative discussion about the priority of coal/gas outbursts prevention and control and provides a set of assessment factor weightings.In this way,the more important factors relating to coal/gas outbursts calling for greater attention are decided.

Key wordscoal/gas outburst,stratification analysis,disaster prevention

我国是世界上最大的产煤国,也是煤矿瓦斯灾害最严重的国家之一。在矿井瓦斯灾害中,煤与瓦斯突出所造成的危害尤为严重,我国许多学者对煤与瓦斯突出的促因及治理进行了深入的研究,取得了丰硕成果。但就影响煤与瓦斯突出的众多因素优先权尚无定论。本文通过层次分析法,初步探讨各个影响因素对煤与瓦斯突出的优先权,并对湖南省某矿“6·8”重大煤与瓦斯突出事故进行分析,提出在预防煤与瓦斯突出时需首要考虑的一些重要突出因素,由此为煤矿防突工作提供一定的依据。

1 煤与瓦斯突出因素指标分析

不同矿区煤与瓦斯突出因素指标和权重基本相同,其评估要素即准则层为突出预兆显现区、特殊地应力特征、瓦斯特征及煤体特征。各要素又分为小项组成因素层。

(1)突出预兆显现区B1。煤体中出现闷雷场C11,煤变软变暗 C12,瓦斯浓度增大C13,煤层层理紊乱C14,打钻时顶钻夹钻 C15,支架来压掉渣C16,片帮或掉渣C17,基本顶提前来压C18。

(2)特殊地应力特征B2。背斜倾覆端C21,向斜仰起端C22,断层走向变化处C23,断层尖灭处C24,构造复合部位C25。

(3)瓦斯特征B3。瓦斯压力 C31,瓦斯含量C32,瓦斯储量C33。

(4)煤体特征B4。破坏类型 C41,软硬煤比C42,坚固性系数C43。

煤与瓦斯突出事故层次结构见图1。

图1 矿井煤与瓦斯突出分析结构模型

2 层次分析法在煤与瓦斯突出安全评价研究中的应用

2.1 层次分析法的原理及步骤

(1)建立判断矩阵及标度。首先根据各层次关系建立判断矩阵B,然后专家或管理人员采用美国匹兹堡大学教授撒泰 (A.L.Saaty)提出的 1～9标度法对矩阵进行相对比较估计,即对矩阵中的两两指标进行比较,看其重要性的倍数。表1说明了相对重要性的比例标度。

表1 相对重要性的比例标度

2.2 方根法确定各指标权重

(1)计算判断矩阵B每行元素的连乘积Mi

(2)求Mi的n次方根

2.3 计算判断矩阵的最大特征值

式中:(B W)i为判断矩阵B与特征向量W乘积的第i项分量。

2.4 一致性检验

(1)偏离一致性指标CI。

CI=(λmax-n)·(n-1)-1,n为矩阵的阶数

(2)应用一致性比率CR。1～9阶判断矩阵的平均随机一致性指标RI如表2所示。

表2 1～9阶RI值

对于3阶和3阶以上的判断矩阵,其应用一致性比率CR,CR=CI/RI。当CR<0.10时,矩阵具有满意的一致性。

3 模型求解

3.1 确定各指标的权重

准则层指标相对目标层指标的判断矩阵见表3,各因素层指标相对准则层指标的判断矩阵见表4～7。

表3A-B判断矩阵

表4B1-C1i判断矩阵

表5B2-C2i判断矩阵

表6B3-C3i判断矩阵

表7B4-C4i判断矩阵

3.2 总体排序

以上构造的是各层次元素的比较判断矩阵,进行的是单排序计算。从以上计算可以看出,单排序具有满意的一致性。对于指标层C相对于整个准则层B总排序计算,需要用准则B各元素本身相对于总目标的排序权值加权综合,才能计算出指标层C相对于整个准则层B,也即相对于煤与瓦斯突出这个总目标的相对重要性权值。层次总排序计算一般写成表8的形式。

表8 目标层的权重系数计算及排序

3.3 层次总排序后的一致性检验

则CR=CI/RI=0.042<0.1(满足一致性要求)

4 实例分析

以2005年6月8日,湖南省某矿发生一起煤与瓦斯突出事故,造成22人死亡,直接经济损失1100.3万元。

4.1 矿井基本概况

矿井位于冷水江矿区向斜南部,井田内构造简单,断层不发育,区内含煤7层,其中可采煤层4层 (2#、3#、4#、5#煤层)。从1975年有记载以来,全井共发生煤与瓦斯突出283次,其中突出煤量超过1000 t的有6次,最大一次达4000 t。矿井绝对瓦斯涌出量16.85 m3/min,相对瓦斯涌出量39.97 m3/min。属煤与瓦斯突出矿井。矿井水文地质条件属中等类型,煤尘无爆炸危险,煤层不易自燃。

矿井采用中央分列式通风,有2个进风井、1个回风井,风井安装2台轴流式通风机。矿井总进风量为2786 m3/min,总回风量为2814 m3/min。4.2 事故地点概况

煤与瓦斯突出事故发生在303采区-200 m水平四石门。303采区可采煤层4层 (2#、3#、4#、5#煤),6#煤层不可采。煤层倾角平均为22°。区内小断层、小褶皱发育。采区有1个回采、3个掘进和3个维修工作面。采区有两路进风,一路来自主平硐,一路来自主立井,总进风量为1195 m3/min。采区内布置了轨道上山、带式输送机上山和回风上山3条底板岩石上山。四石门局部通风机 (11 kW)安装在-200 m水平大巷 (进风巷),乏风直接进入回风上山。四石门进风侧构筑了两道正反向风门,外侧反向风门为双叶门结构。四石门开门口设有避灾硐室。

4.3 事故发生前的预兆

巷道施工进入煤系地层后,进行了3次长钻孔探测。第1次孔深18 m,未见6#煤层;掘进12.7 m进行第2次长探,第2次孔深20 m,于8.5 m处见6#煤层,煤厚0.1 m;掘进3 m后进行第3次长探,第三次孔深8.1 m,于4 m处见6#煤层,因卡钻未再布孔长探。

巷道进入煤系地层后,顶板出现松软破碎。2005年6月7日早班 (8∶00-16∶00)放炮后,垮落近50车矸石 (正常为12车矸石),其中还有油土 (表明已接近煤层),工作面和回风流中瓦斯浓度超限 (分别为3.0%和1.8%),并听到频繁的煤炮声。中班 (16∶00-24∶00)出矸石15车,晚班 (次日0∶00-8∶00)矸石20车。作业人员在出矸过程中不断听到煤炮声。

6月8日9时,四石门作业人员来到工作面装矸石,装到半车时,发现距工作面1.5 m未支护,且出现空顶,冒落高度达1.5 m,并有掉渣现象。10时55分左右,发生煤与瓦斯突出。

4.4 事故原因分析

该矿属煤与瓦斯突出矿井,煤层的瓦斯含量高、涌出量大,但矿井没有建立瓦斯抽放系统,井下避灾硐室无压风自救系统,掘进工作面局部通风机没有实现“三专两闭锁”,矿井没有设立瓦斯治理机构和专门的防突队伍,也没有配备专业防突技术人员。

6月7日早班放炮后,工作面瓦斯浓度升高、频繁响煤炮、顶板掉渣,表明有煤与瓦斯突出预兆。在这种情况下,矿方没有停止掘进、撤出人员并关好反向风门,仍继续安排作业人员出矸,发生煤矿与瓦斯突出时,因没有关上反向风门,使大量煤与瓦斯逆流进入矿井总进风巷,导致井下大范围内的作业人员因高浓度瓦斯窒息死亡或者受伤。

5 结论

结合实例,由表 8可以看出,通过指标层(C)中各指标 C1,C2,…,C43相对于总目标(A)煤与瓦斯突出的权值大小可进行各指标相对总目标的重要性排序,由此得出如下4条结论。

(1)影响煤与瓦斯突出因素的优先权顺序为:瓦斯含量>瓦斯压力>坚固性系数>瓦斯储量>打钻时顶钻夹钻>瓦斯浓度增加>向倾仰起端>软硬煤比>煤体中出现闷雷声=煤变软变硬=煤层层理紊乱>断层走向变化处=构造复合部位>片帮或掉渣>基本顶提前来压>煤体中出现闷雷场>支架来压掉渣>背斜倾覆端>断层尖灭处。

(2)瓦斯含量、瓦斯压力、坚固性系数、瓦斯储量的权重最大,优先权较高,是提前进行煤与瓦斯突出前采取防治措施的重点,是煤矿在防治煤与瓦斯突出的措施中应着重考虑的影响因素。

(3)突出预兆显现在防治煤与瓦斯突出工作中起着非常重要的作用,特别是在突出前人员能迅速撤离,可以减少突出发生时人员的伤亡。鉴于此,煤矿应当重视对工人进行专门培训,让他们了解煤与瓦斯突出前的各种预兆,提高工人意识,防患于未然。

(4)地质构造会影响煤与瓦斯突出,各个矿井应针对具体地质情况,对于有煤与瓦斯突出危险的构造地带应事先进行防突处理,防止发生事故。

[1]薛华成.管理信息系统 (第四版)[M].北京:清华大学出版社,2003

[2]林柏泉,崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术 [M].徐州:中国矿业大学出版社,1998

[3]蒋国安等.矿井安全评价方法的分析与探讨 [D].煤矿安全系统工程学术会议论文集,山东省出版总社泰安分社,1992

[4]郁钟铭,张田.层次分析法实现矿区环境治理子系统的项目优先权设置 [J].矿业研究与开发,2006(8)

(责任编辑 梁子荣)

A safety assessment research on factors that may lead to coal/gas outbursts

Guo Min1,Yu Zhongming2
(1.Mining College of Guizhou University,Guiyang,Guizhou province 550003,China; 2.Guizhou University for Nationalities,Guiyang,Guizhou province 550025,China)

TD713

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郭民 (1981-),男,硕士,贵州大学矿业学院硕士研究生,研究方向为矿业系统工程。