基于SEM的矿井煤自燃危险性综合评价研究

翟小伟，张伟霞，王 凯，王 博

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3.陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

矿井火灾是煤矿的主要灾害之一，据统计，我国90%以上矿井火灾是煤自燃造成的[1]。煤炭开采中，由于煤层开采强度的增大，开采水平的延深，浮煤增多，地温升高，同时还伴随着复杂的漏风情况，从而使煤更易发生自燃，引发矿井火灾，造成人员伤亡和财产损失。一般认为煤自燃的要素有四个：呈破碎状堆积的浮煤具有自燃倾向性、持续接触氧气、良好的储热环境以及煤发生氧化反应所需的时间。在煤实际燃烧过程中，存在许多影响煤自燃的因素，且因素间又相互联系，实质上煤的自燃是多种因素综合作用的结果。目前许多学者对煤自燃危险性进行了综合评价研究。王明重等[2]结合采空区遗煤自燃特点，综合层次分析法和集对分析法理论，建立了煤自然发火危险性分析模型。邓军[3]、刘勇[4]、骆大勇[5]等结合采空区煤自燃影响因素，建立了评价采空区煤自燃危险性的模糊综合评价模型。许波云[6]通过研究煤自燃指标参数，运用模糊聚类分析法对煤自燃危险性进行综合评价。朱红青等[7]基于对煤自燃的机理研究，分析煤自燃的影响因素，建立了对煤矿火灾综合评价的人工神经网络模型。王金宝等[8]基于熵权理论构建了熵权可拓综合评价模型，并将该模型应用于实际矿井煤自然发火情况研究。朱昱辰等[9]基于对粗糙集理论的研究，构建了对煤自然发火危险性评价的综合模型。张迎新等[10]通过对煤自燃危险性进行定性、定量的分析，并根据信息熵和未确知测度理论建立了煤自燃危险性评价模型。李同锁等[11]综合系统工程原理和集对分析理论，构建了评价煤自燃危险性的综合模型。桂祥友等[12]研究总结了前人确立的煤自然发火预测指标，构建了基于BP神经网络的时间序列预测模型，并将该模型应用于对采空区煤自然发火情况的评价。总结前人对煤自燃危险性评价方法的研究，目前应用SEM(结构方程模型)对煤自燃危险性进行定量评价的研究还较少。SEM作为一种多因素分析方法，既可以假定相关、不相关的潜在因素，又可以考虑自变量和潜变量之间的误差，由于煤自燃影响因素的多重性以及各影响因素之间的关联性，利用结构方程模型，可以全面考虑煤自燃危险性的影响因素，对煤自燃进行合理定位，做出贴近实际的分析，为煤矿防灭火提供理论指导和有效措施，具有重要的现实意义。

1 理论研究

1.1 煤自燃危险性影响因素确定

为科学、客观地评价煤自燃的危险性，首先需确定煤自燃危险性评价指标体系，煤自燃影响因素是确定煤自燃危险性评价指标的主要依据。综合文献[2-10]对煤自燃危险性评价指标的划分，结合系统工程原理，本文确定的煤自燃危险性的影响因素包括：煤自燃倾向性、煤层地质结构、开采工艺设计、煤自燃预测预报及防灭火技术措施5个。

1.2 研究假设

根据结构方程模型的基本理论，为研究煤自燃危险性，本文确定了煤自燃倾向性、煤层地质结构、开采工艺设计、煤自燃预测预报及防灭火技术措施5个维度，并根据煤自燃和煤矿自燃事故的特点，对煤自燃危险性影响因素之间的相互关系做出相应的假设。综合分析，假设如下：H1：煤自燃倾向性和煤自燃的危险性存在正相关关系；H2：煤层地质结构和煤自燃的危险性存在正相关关系；H3：开采工艺设计和煤自燃危险性存在正相关关系；H4：防灭火技术措施和煤自燃危险性存在负相关关系；H5：煤自燃预测预报和煤自燃危险性存在负相关关系；H6：煤层地质结构和开采工艺设计存在正相关关系；H7：开采工艺设计和防灭火技术措施存在负相关关系；H8：煤自燃预测预报和开采工艺设计存在正相关关系；H9：煤自燃预测预报和防灭火技术措施存在正相关关系。

2 调查结果分析

2.1 量表设计

综合结构方程模型理论和本文的研究目标，在研究相关文献的基础上，参考煤矿井下工作人员的工作特点以及本行业专家、学者的意见，设计了煤自燃危险性测量量表(表1)。

2.2 样本统计分析

选取宁夏某煤矿进行现场调研，该矿井开采煤层属于变质程度较低的易自燃煤层。本研究的调查问卷除了受访者的年龄、学历、工龄等信息外，还包括根据上述测量指标设计的问题。本文采用李克特五点计分法，用1—5分别表示 “同意”“比较同意”“不确定”“不太同意”“不同意”。

表1 煤自燃危险性指标变量表

本次调研的人员主要包括该矿的中高层管理人员、技术人员、一线矿工等。共发放了360份调查问卷，收回319份，本次调查问卷回收率为88.6%，删去填写缺项、不合格等无效问卷后，剩余有效问卷308份，有效问卷率达96.2%。本次调研的有效问卷包括45人中高层管理人员，51人技术人员，一线人员173人及其他人员38人，所选择人员的工种、工龄及文化程度等结构都与正太分布规律相一致，说明本次调研的样本比较合理。

2.3 样本信效度分析

本文使用SPSS21.0软件检验调查问卷的信度及效度。首先检验调查问卷的信度，计算每个量表的Cronbach’a值，总量表信度系数是0.979，煤自燃倾向性为0.891、煤层地质结构为0.871、开采工艺设计为0.930、煤自燃预测预报为0.859、防灭火技术措施为0.953，各维度量表的Cronbach′a系数在 0.871～0.979之间，因此该量表具有较高的信度。

其次采用因子分析法进行问卷的结构效度检验，因子分析前通过 KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验和 Bartlett′s 检验各测量指标的有效性，结果得知Bartlett′s检验其近似卡方值为11246.618，且该量表各维度变量的显著性水平均小于0.005，同时KMO值均大于0.8，基于和Kaiser定义的常用来度量KMO标准的对比，可知该量表可以进一步做因子分析。问卷信效度统计见表2。

表2 问卷信效度统计

3 模型验证

3.1 结构方程模型简介

结构方程模型(SEM)是在因子分析和路径分析等的基础上，通过融合分析、叠加处理等方法逐步发展出来的。该方法是集数据测量和理论分析为一体的验证分析方法，通过建立潜在变量和和观测变量的模型关系，实现抽象变量的具体化，所以又称为潜在变量分析方法或验证性因素分析方法。具体的分析步骤如图1所示。

图1 SEM流程图

3.2 模型设定

综合结构方程模型原理和本文煤自燃危险性影响因素的相关假设，设定煤自燃危险性影响因素的初始模型，如图2所示。

3.3 模型拟合修正

运用Amos21.0软件拟合煤自燃危险性影响因素的初始模型，其验证结果见表3。

在AMOS的路径分析中，CR值(临界值)绝对值大于1.96，同时P值小于0.05则说明路径显著，即有显著影响。从表4中看出煤自燃危险性结构模型中，有7条路径CR绝对值大于1.96，且P值小于0.05，符合显著性检验。而煤自燃预测预报和开采工艺设计、煤自燃预测预报和防灭火技术措施两条路径的CR绝对值小于1.96，且P值大于0.05，未通过显著性检验。

根据拟合结果对煤自燃危险性影响因素初始模型进行修正。经过对初始模型的多次拟合修正，确定最终的煤自燃危险性影响因素模型，如图3所示。初始模型和修正模型的主要拟合指标和拟合优度指数标准见表4，可以看出该模型整体的拟合效果比较良好。

4 综合评价

4.1 权重确定

权重指的就是在综合评价体系中每个评价维度对评价目标的影响程度。目前常用的权重确定方法有层次分析法、专家打分法等，实际上这些方法在分析时都存在主观因素的影响，本文用结构方程模型来确定煤自燃危险性评价指标的权重，依据调查的原始数据给每个指标分配权值，避免了主观因素的影响，使每个指标的权重更加科学、客观。

图2 煤自燃危险性影响因素初始模型

表3 初始模型验证结果

图3 煤自燃危险性影响因素分析最终模型

表4 拟合结果

根据结构方程模型中的潜变量和观测变量的路径系数，对煤自燃危险性评价指标的权值进行计算。把结构方程模型中每个潜变量的路径系数相加，再用每个潜变量的路径系数除以相加后的总和，所得就是该潜在变量的权重。根据最终的煤自燃危险性影响因素模型，可知煤自燃倾向性、煤层地质结构、开采工艺设计、煤自燃预测预报、防灭火技术措施的路径系数分别为0.69、0.90、0.45、0.39、0.53，它们的和为2.96，从而可知煤自燃倾向性对于煤自燃危险性的权重为0.69/2.96=0.233，根据该计算方法可以得知其他4个指标的权重分别是0.304、0.152、0.132、0.179，据此也可计算出每个观测变量的权重，见表5。

表5 煤自燃危险性评价指标的权重

4.2 评价结果

确定了煤自燃危险性各影响因素的权重之后，再根据本次调研的数据计算各影响因素的综合值，最后计算出煤自燃危险性影响因素的综合值，基于原始数据的计算使得该结果可以客观地反映煤自燃的危险性。

设定每个观测变量对其所对应的潜变量的权重为：Qi(i=1，2，3…)，每个观测变量的综合平均分数为：Xi(i=1，2，3…)，每个影响因素的综合值为P。可知P=ΣXiQi(i=1，2，3…)。由此可得，煤自燃倾向性、煤层地质结构、开采工艺设计、煤自燃预测预报、防灭火技术措施的均值分别为3.54、3.53、3.51、3.62、3.48，煤自燃危险性的综合值为3.54×0.233+3.53×0.304+3.51×0.152+3.62×0.132+3.48×0.179=3.53。综合煤矿的实际情况与该评价结果，发现本次对该矿煤自然发火情况的评价非常准确。

5 结 论

1)综合煤自燃特点和系统工程原理，把煤自燃危险性评价指标划分为五个，分别为煤自燃倾向性、煤层地质结构、开采工艺设计、煤自燃预测预报及防灭火技术措施。

2)综合结构方程模型路径系数计算并确定了煤自燃危险性评价指标的权重，结果表明各因素对煤自燃危险性的影响程度从大到小分别为煤层地质结构、煤自燃倾向性、防灭火技术措施、开采工艺设计、煤自燃预测预报。根据各因素对煤自燃危险性影响程度的不同，煤矿企业可以针对性地采取措施，降低煤炭开采中发生自燃事故的可能性。

3)建立结构方程模型对煤自燃危险性进行综合评价，其分析结果与实际矿井生产中发生煤炭自燃事故的危险性相一致，由此可知该模型可以很好的应用于煤炭开采中煤自燃危险性的综合评价。