补连塔矿工作面低氧主控原因分析

2021-12-21汪腾蛟裴艳宇张立辉杨小彬

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2021年5期

汪腾蛟，裴艳宇，张立辉，杨小彬

（1. 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新 123000；2. 中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083；3. 神东煤炭集团公司上湾矿，内蒙古鄂尔多斯 017209）

0 引言

综采工作面低氧事件是井下瓦斯、供氧、风流等多因素作用的结果，严重威胁着井下工人人身安全和矿井安全.如何有效分析、识别、评估低氧事件发生的主控原因，对安全生产有重要意义.文献[1]～文献[5]依靠工程经验对低氧事件定性分析，并未系统梳理分析主控原因，且鲜有关于各原因对低氧事件影响程度的定量分析.

对于低氧问题影响因素，事故树图能够表示导致事件发生的基本原因和事故的逻辑关系，以及它们如何组合导致事故发生[6].文献[7]、文献[8]将事故树用于煤矿井下事故及危险因素分析领域识别、梳理事故根源原因.找到事故的原因，利用层次分析法能科学评估底层指标的重要程度和顶层目标的风险水平，故该方法也广泛应用于煤矿的危险识别和安全评价方面[9-10].文献[11]、文献[12]将事故树、层次分析法结合起来使用，通过编制事故树对煤矿井下的危险进行识别，梳理得到根源原因，发现其内在关联；用层次分析法对事件分析分配权重，定量化计算、评估每个危险因素的危险程度，得到对应的权重系数，利于制定合理、高效的危险防范措施.

本文通过调研分析补连塔矿综采工作面低氧事件原因，并收集工作面气体测试数据，利用事故树分析法结合层次分析法建立综采工作面低氧预测模型，对低氧事件的原因进行分析，计算原因权重，确定补连塔矿工作面低氧主控因素，为工作面低氧防治提供理论支持.

1 工程概况及问题分析

补连塔煤矿属瓦斯矿井，采用“U”型抽出通风方式，一次采全高后退式开采，全部垮落法管理顶板，煤层自燃倾向性为Ⅰ级，22306工作面易发生低氧现象，工作面宽311.8 m，推进长度4 684 m，采空区面积740 m2，上覆基岩厚度110～230 m，松散层厚度8～23 m.与上覆采空区相距30～62 m，平均47 m，面积1 200 m2，回采时采空区、顶板均有裂缝，最宽处1.3 m.工作面绝对CH4涌出量4.42 m3/min，相对CH4涌出量0.09 m3/t，绝对CO2涌出量7.92 m3/min，相对CO2涌出量0.16 m3/t，属瓦斯矿井.

经现场调研，发现低氧现象多发生于刮板输送机回风隅角处、机尾处、工作面处.回风隅角处采空区及开采过程产生的气体导致回风流中氧气浓度降低，加之“U”型通风方式的回风隅角处气流易发生涡流，不利于气体流动，瓦斯、二氧化碳等气体聚集，导致氧气浓度降低；刮板输送机机尾处由于三角区垮落不及时、悬顶面积大，导致氧气浓度降低；工作面处由于开采方式为一次采全高全部垮落法，瓦斯等煤层赋存气体大量涌出，同时后退式开采法及抽出式通风导致采空区气体涌出，发生低氧现象.三处低氧现象发生原因各有侧重，为便于系统定量化分析原因，构建事故树-层次分析法模型.

2 事故树-层次分析法分析模型

2.1 分析模型框架

首先确定目标事件即低氧事件，使用事故树分析法（FTA）分析低氧事件发生原因，构建事故树并计算基本事件结构重要度.用层次分析法（AHP）对准则层中间事件、指标层基本事件求比较因子，构造判别矩阵，计算各因素权重，见图1.

图1 低氧事件分析模型 Fig.1 analysis model of low oxygen event

2.2 编制低氧事件事故树

煤矿井下低氧现象为事故树顶事件，根据低氧现象发生机理将顶事件T1向下分解为3个中间事件，产生源头A1、涌出动力A2、涌出途径A3.进一步对3个因素分解得到13个基本事件，所建事故树见图2，中间事件及基本事件含义见表1.

表1 低氧事件事故树的事件及含义 Tab.1 event and meaning of low oxygen event FTA

图2 低氧事件事故树 Fig.2 fault tree of low oxygen event

根据所建事故树得到事故的15个最小割集，分别为：P1={X1，X8，X9，X10，X11}、P2={X1，X8，X9，X11，X12}、P3={X1，X8，X9，X11，X13}、P4={X2，X8，X9，X10，X11}、P5={X2，X8，X9，X11，X12}、P6={X2，X8，X9，X11，X13}、P7={X3，X8，X9，X10，X11}、P8={X3，X8，X9，X11，X12}、P9={X3，X8，X9，X11，X13}、P10={X4，X5，X8，X9，X10，X11}、P11={X4，X5，X8，X9，X11，X12}、P12={X4，X5，X8，X9，X11，X13}、P13={X4，X6，X7，X8，X9，X10，X11}、P14={X4，X6，X7，X8，X9，X11，X12}、P15={X4，X6，X7，X8，X9，X11，X13}.

根据最小割集计算各个事件的结构重要度：

由计算结果可以看出，基本事件X8、X9、X11的结构重要度最大，X6、X7的结构重要度最小.

2.3 建立低氧事件层次分析模型

依据建立的低氧现象事故树建立低氧事件层次分析模型，将事故树顶上事件低氧现象作目标层，中间事件产生源头、涌出动力、涌出途径作准则层，相应基本事件作指标层，具体见表2.

表2 低氧事件层次分析模型 Tab.2 AHP model of low oxygen event

（1）计算基本事件的判别因子

计算基本事件的结构重要度分母的最小公倍数λ，各基本事件的判别因子为

计算结果见表3.

表3 基本事件判别因子 Tab.3 discriminant factors of basic event

（2）计算准则层判别因子

首先，建立评价体系准则层的比较矩阵A，假设评价体系准则层存在一个评价指标ai，为所包含的各个基本指标的判别因子之和，计算式为

计算结果见表4.

表4 准则层事件判别因子 Tab.4 event discriminant factors of criterion layer

（3）构造比较矩阵

将准则层及各个准则对应的指标层的判断因子两两作比获得比较矩阵，见表5～表8.

表5 准则层比较矩阵 Tab.5 comparison matrix of criterion layer

表6 指标层A1比较矩阵 Tab.6 comparison matrix of A1 index layer

表7 指标层A2比较矩阵 Tab.7 comparison matrix of A2 index layer

表8 A3指标层比较矩阵 Tab.8 comparison matrix of A3 index layer

（4）矩阵处理

为将差异的因素相互区分并利于一致性检验，对比较矩阵进行处理，先找出矩阵内比值大于1的值，进行归一化处理，采用九元标度法重新赋值，对值较接近的赋予相同值，处理步骤如下.先观察比较矩阵，比值大于等于1的值包括：1、5/4、6/5、9/5、21/10、3.对这些值进行归一化处理后变为0.000、0.120、0.125、0.400、0.550、1.000，其中0.125与0.100差值较小，在采用九元标度法时赋予相同值，见表9.

表9 低氧事件矩阵赋值处理过程 Tab.9 process of low oxygen event matrix

根据新权重更新各矩阵值，将表5～表8内的值进行更新，原值为6/5的变为3，5/6的变为1/3.

（5）结果检验及分析

对转换后的矩阵进行一致性检验，除低氧事件A2所属指标层的比较矩阵为二阶外，其他矩阵的一致性检验结果CI＜0.1、CR＜0.1，通过了一致性检验.对各个准则层、指标层的权重进行计算，结果见表10.

表10 各指标权重 Tab.10 weights of each index

3 主控因素分析及防治对策

根据表10模型所得各准则、指标的权重，对工作面低氧主控原因进行分析并据此提出防治对策.

在准则层3个因素：产生源头A1、涌出动力A2、涌出途径A3中，产生源头A1占比最高对低氧现象影响最大，即低氧防治要着重从源头入手.

在产生源头指标中，埋深浅X6和岩石坚固性差X7在所有指标中占比排在首位为20.80%，应着重考虑.对埋深浅X6，应加强地表回填质量，对地表土层稳定应注意维护和监测；岩石坚固性系数差X7应加固围岩并监测围岩稳定.在产生源头指标中煤具有较强自燃倾向性X4和工作面漏风X5，在总指标中占比为9.62%，排第二.对于煤自燃倾向性较强X4和工作面漏风X5，应注意预防煤自燃措施同时加强井下密闭防止漏风.

涌出动力的影响因素中，负压通风X8与大气压下降X9对低氧事件的影响相同，在总体指标中占比8.00%，排第三，由于负压通风方式改变困难，因而需要注意对大气压的影响进行关注，如对大气压进行监测，在大气压变化较大时，采取总体风量调控和工作面局部通风补偿的协同措施，以减小其影响.

涌出途径中，老顶、直接顶不稳固存在裂隙X10、联络巷密闭不严或受压垮塌X12、隔离煤柱受压垮塌X13占比5.14%排第四，远远大于采空区碎石裂隙X11的影响.因而，应当注意维护顶板，并对联络巷密闭、隔离煤柱进行加固、维护，防止出现贯通本采空区、邻近采空区、上覆采空区通道.