采空区煤炭自燃危险性模糊综合评价方法及应用

刘 勇，戴广龙

(安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

矿井火灾严重威胁着我国煤矿的安全生产，煤矿火灾主要以内因火灾为主，尤其是采空区自燃火灾。据统计，在煤矿井下内因火灾事故中，60%的自燃火灾发生在采空区[1]。由于采空区自燃火灾是动态的、复杂的过程，其影响因素众多。为了综合处理多项指标，本文在已有研究的基础上，采用模糊综合评价法对采空区自燃危险性进行了评价，做出了客观的分析，对采空区自燃防灭火措施的制定和控制自燃火灾的危险源提供了理论的参考。

1 采空区煤炭自燃危险性评价指标体系

目前，煤矿安全评价是指安全事故发生的相对危险性评价。相对危险性评价采用的是间接的方法评价事故的危险程度，通过对影响事故发生可能性的内因和外因的分析，得到能反映危险性大小的评价指标。采煤工作面采空区自然发火的危险性评价，也是对采空区自然发火的相对危险性评价，可以从采空区自然发火影响因素的分析入手。分析采空区自燃火灾危险性的“人”、“机”、“环境”三个方面的影响影响因素，包括煤层自燃倾向性、煤层地质赋存条件、开采通风因素和自燃防治因素等。根据分析的结果，对影响因素进行重要性的筛选，建立多层次结构的自燃危险性评价指标体系。其指标体系如表1所示。

表1 采空区煤炭自然发火评价指标

2 采空区自燃危险性评价指标权重分配与计算

2.1 层次分析法的原理

层次分析法是一种定性与定量分析相结合的多目标决策分析方法。其特点是将复杂的问题简单化，以定量的方法确定权重的问题。层次分析法的步骤[2-3]如下所示。

1) 建立层次结构模型。首先要把问题进行条理化、层次化，构造出一个有层次的结构模型。2) 根据标度理论，构造出两两比较的判断矩阵A

A=(aij)n×n(i,j=1,2,…,n)

式中

aii=1,aij=1/aji。

本文采用比较科学的1-9标度理论，其的含义如表2[4]所示。

表2 1～9标度理论

3) 将判断矩阵A的各列归一化处理

4) 求判断矩阵A的各行元素之和并对作归一化处理得到wi

6) 一致性检验。为确保权重计算结果的可靠性，就必须对判断矩阵进行一致性检验。随机一致性比例：CR=CI/RI。。当CR<0.1时，则判断矩阵A符合要求，否则对A作修正处理。其中，CI为一致性指标：CI=(λmax-n)/(n-1)，RI为平均随机一致性指标，其值由表3[5]所示。

表3 平均随机一致性指标

2.2 采空区自燃危险性评价指标权重的计算

根据上述的层次分析法的原理，建立表1所示的评价指标体系。各指标的权重通过现场专家调查，并用层次分析法建立各层次的判断矩阵。

2.2.1 一级指标权系数的确定

一级指标包含5个因素子集煤层自燃倾向性u1,煤层地质赋存条件u2,开拓开采因素u3,通风因素u4和自燃防治因素u5,其判断矩阵如表4所示。

计算得判断矩阵最大特征值λmax=5.137，CR=0.031<0.1,符合一致性检验条件，归一化后得到权重向量为w=(0.324,0.144,0.211,0.211,0.109)。

表4 一级指标判断矩阵

2.2.2 二级指标权系数的确定

二级指标体系总共有22个指标,分别属于煤层地质赋存条件u2，开拓开采因素u3，通风因素u4和自燃防治因素u5一级指标。现以煤层地质赋存条件u2为例,其包括5个指标,分别为煤层埋藏深度u21、煤层厚度和倾角u22、地质构造u23、围岩性质u24和围岩温度u25。其判断矩阵如表5所示。

表5 煤层地质赋存条件指标权系数

计算得u2对应的λmax=5.183，CR=0.041<0.1,符合一致性检验条件，归一化后得到权重向量为w2=(0.061,0.483,0.241,0.146,0.070)。

同理，可得到开拓开采因素，通风因素和自燃防治因素的权重向量分别为

w3=(0.073,0.073,0.312,0.073,0.312,0.128)

w4=(0.286,0.286,0.286,0.143)

w5=

(0.312,0.085,0.312,0.063,0.032,0.040,0.156)

3 采空区自燃危险性综合评价模型

3.1 多级模糊评价的步骤[6-8]

3) 将每个ui作为一个元素来看，Bi作为ui的单因素评价的结果，则有RT={B1,B2,…,Bn},假设综合因素ui(i=1,2,…,s)的模糊权重为W={a1,a2,…,as},则得总目标模糊综合评价结果B=W·R=(b1,b2,…,bs)。

4) 求最终评价的总得分f,f=B·ST。其中ST为与评价集对应的分数向量ST=(1，3，5，7，9)=(极差，差，一般，好，很好)。

5) 根据最终评价的总得分值，可将采空区自燃危险性等级划分为如下5个等级，见表6。

表6 采空区自燃危险性等级

3.2 隶属度的确定

根据建立模糊关系矩阵的原则，采用10分制，请诸多专家及现场工程技术人员为每一指标uij进行评分，每项指标得分取算术平均值作为打分结果，最后将每项指标得分代入相应的隶属函数中计算出隶属度。假定采空区自燃危险性评价指标的评分值为x(x∈[0～10]),则评语集对应的隶属函数为v1(x),v2(x),v3(x),v4(x),v5(x)。

4 实例应用

以顾桥煤矿1122(3)工作面采空区为例。该工作面煤层自燃倾向性为自燃；埋深为750m以下，地温较高，风量为2250m3/min，深部开采地压大、采动裂隙的增加，增加了漏风供氧条件；煤层厚度较厚且变化较大，工作面的日产量为10000t，因此采空区遗煤量大大地增加。这些因素都大大地增加了采空区的自燃的危险性。因此有必要对该采空区自燃危险性进行评价。

1) 根据采空区的实际情况和采取的安全措施，请专家及现场工程技术人员打分，计算出每项指标得分的平均值，并代入相应的隶属函数中计算出每项指标的隶属度。

2) 根据公式Bi=wi·Ri,得各个因素评价矩阵。

3) 得到一级指标隶属度矩阵

4) 总评价矩阵

B=W·RT=

(0.324,0.144,0.211,0.211,0.109)·

(0.234,0.394,0.205,0.320,0.164)

5) 总得分

f=B·ST=0.234×1+0.394×3+

0.205×5+0.320×7+0.164×9

=6.159

则总得分位于5～7区间内,对照采空区自燃危险性等级表判定1122(3)工作面采空区自燃危险性的安全等级为“一般”。

5 结论

1) 采空区自燃危险性模糊综合评价的关键是安全评价指标体系的建立,因此必须做到全面反映问题的真实情况。

2) 根据模糊综合评判方法可以判断采空区自燃危险性的相对安全状态,可以根据评价的结果,制定相应的防灭火技术措施,达到降低采空区自燃的可能性。

3) 专家对对每项指标的打分,构造隶属度矩阵时,应根据采空区实际情况,客观、科学地给出评分,期望得到的评价结果与实际情况比较符合。

4) 顾桥煤矿1122(3)工作面采空区自燃危险性评价的结果为“一般”,说明情况不是太严重。但由于采空区的变化是动态的,在回采期间可能会遇到预先没有识别出的安全隐患,因此决不可以掉以轻心,采空区的管理必须严格,应以预防为主。

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