基于模糊综合评价模型的煤自燃危险性评价研究

2023-09-14任江朋

煤 2023年9期

任江朋

(山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司,山西临汾 041204)

随着社会的发展,各个国家对于环境保护意识的提高,各国都在提倡节能减排,并大力开发各种形式的清洁能源,以期代替煤炭这种不可再生的一次性能源,但是效果却不是很理想,所以煤炭资源在未来很长一段时间内依然是主要能源。如果能够通过技术手段清洁高效利用,那么将会很快达到“碳中和”的目标。电力、钢铁、建材以及化工行业作为国民经济的重要基础行业,对煤炭的需求量仍然是巨大的,约占煤炭总消费量的80%[1]。煤炭需求量的增加推动着煤炭开采技术的迅速发展,煤炭年产量日趋上升,随之而来的问题是采空区内的遗煤总量也在逐渐增多,一旦环境条件满足煤自燃的4个必备条件就会产生自然发火危险。众所周知,灾害防治远比灾后治理意义重大,因此众多学者针对煤自燃危险性评价等级进行了大量研究,以期能够做到有效预防采空区遗煤自燃。徐精彩等[2]对标准BP神经网络算法进行了改进,将改进的BP神经网络预测模型应用于煤自燃特性参数的预测,取得了较好的效果;朱令起等[3]基于灰色关联理论建立了煤自燃评判模型;张红芬等[4]分析了影响煤自燃的因素,运用模糊理论建立了模糊综合评价模型,并对鸡西某矿工作面进行了自燃危险等级判定;孙政等基于属性数学理论,建立了采空区煤自燃危险性预测及分级的属性识别法;左云飞[5]建立了采空区自燃危险性评价的熵权物元可拓模型对新集二矿采空区进行了危险性评价。由于煤自燃受到多种因素和外部复杂环境的影响,所以在选取评价指标和确定权重的过程中要具有科学性和合理性,这会直接影响最终的评价结果。层次分析法可以对定性指标进行定量化处理,并且仍然能够体现出定性分析的科学性和定量分析的准确性,不仅如此,它还是一种保证定性和定量指标综合评价统一性的一种方法[6]。由于煤自燃危险性评价问题较为复杂,只靠相关数据是无法真正反应实际情况的,因此专家及现场人员的经验在煤自燃危险性评价中起着重要作用。模糊综合评价法可以对蕴含模糊信息的对象做出合理、科学、贴合实际的量化评价。因此,笔者拟采用层次分析法确定自燃危险性评价指标的权重,然后利用模糊综合评价法计算并分析危险性评价结果,以此实现对采空区遗煤自燃危险性的评价研究。

1 煤自燃危险性评价指标体系

煤自燃危险性评价指标体系的构建能够直接决定评价结果的准确与否,众多学者从不同角度选取了影响煤自燃的指标。王福生等[7]从内因角度建立了煤自燃倾向性预测模型;江泽标等[8]从煤自燃所需的供氧、蓄热条件入手建立了评价指标体系;牛宝云等[9]考虑了煤自燃的内因和外因,并对外因进行了更加详细的划分,评价指标体系共分为4层;冯海明等[10]从煤自燃倾向性、地质条件及开采技术条件3个方面进行了指标选取;谢振华等[11]按照煤体的氧化放热性能、供氧条件以及煤体的蓄放热环境对煤自燃危险性评价指标进行了划分。本文充分考虑了以上学者们的划分标准,遵循系统工程原理,按照“人-机-环-管”4方面不安全因素划分煤自燃危险性评价指标体系,如图1所示。

图1 煤自燃危险性评价指标体系

2 煤自燃危险性评价指标权重

2.1 判断矩阵

根据煤自燃危险性评价指标体系建立阶梯层次结构,假设第一层指标Bi为准则,第二层指标Ci受第一层指标Bi的支配,因此我们把Ci对于Bi的相对重要性视为权重。对指标重要程度进行赋值,赋值依据表1所示的标度含义,然后依次进行两两比较建立B-A、C1-6-B1、C7-11-B2、C12-16-B3、C17-20-B4等判断矩阵,如表2～表6所示。

表1 标度的含义

表2 B-A判断矩阵

表3 C1-6-B1判断矩阵

表4 C7-11-B2判断矩阵

表5 C12-16-B3判断矩阵

表6 C17-20- B4判断矩阵

2.2 和积法计算权重系数

1) 比较矩阵A按照列进行规范化处理。

(1)

(2)

3) 规范化处理(2)中的结果,得到ωi.

(3)

2.3 一致性检验

1) 计算判断矩阵的最大特征向量λmax.

(4)

2) 计算一致性指标CI.

CI=(λmax-n)/(n-1)

(5)

3) 计算一致性比例CR,其中平均随机一致性指标如表7所示。

表7 平均随机一致性指标

(6)

如果CR<0.1,则认为可以通过一致性检验;当CR≥0.1时,则需要对判断矩阵做出适当修正。

2.4 评价指标的权重系数

3 模糊综合评价模型

以上述对煤自燃危险性因素的分析为基础建立模糊综合评价模型,评价步骤如下:

3.1 权重集

煤自燃危险性评价指标共20个,各个评价指标的权重值按照表8中的组合权值进行赋权,组成评价指标的权重集A.

表8 专家评价结果

3.2 评价集

为了能够更加准确地划分煤自燃危险性等级,将自燃危险性等级划分为很危险(v1)、危险(v2)、一般(v3)、较安全(v4)以及安全(v5)5个等级,以集合的形式表示为:V={v1,v2,v3,v4,v5}。

3.3 评价矩阵

邀请专家进行打分,从而确定单一因素对煤自燃危险性评价指标的隶属度,并将其逐行排布,写成矩阵的形式,则可以得到评价矩阵R= (rij)20×5(i=1,2,…,20;j=a,b,c,d)。

3.4 模糊综合评价模型

将评价指标权重集A和模糊关系矩阵R融合,建立模糊综合评价模型B=A·R,经过模糊综合评价模型计算,可以得到各评价对象的矢量结果,然后依据隶属度最大的原则得出评价结果并结合具体工程背景做出详尽的分析。

4 工程实例应用

某矿井的主要开采煤层位于侏罗系中统延安组,煤层编号为14号煤层,倾角最大30°,平均厚度为26.42 m,属于低变质的长焰煤和不粘煤,煤层以中、低硫煤为主,属于高热值煤,煤的灰分以特低灰和低灰为主,挥发分属于中高和高挥发分。矿井采用斜井和立井联合开拓,由于受到断层的影响井田被划分成2个采区,采用综采方式开采。回采工作面采用走向长壁采煤法,采高为3.3 m,推进速度为2.4 m/d,回采率为87%.矿井通风方式为中央并列抽出式,总进风量和总回风量均为4 548 m3/min,工作面为典型的U型通风,通风系统稳定可靠。该矿井属于低瓦斯矿井,煤层属于容易自燃煤层,自燃等级为Ⅰ级,煤尘爆炸指数为32.18%.为了预防采空区火灾,矿井配备了束管监测系统和注浆、注氮防灭火系统以及安全监测监控系统。

4.1 评价集隶属度

邀请10位煤矿领域内的权威专家,依据矿井实际情况,各自以20个危险性评价指标为考察标准,对煤自燃危险性进行评价。评判的隶属度指的是针对每个危险性等级的专家打分人数占专家总数的百分比,评价结果如表8所示。

将表8中的评判隶属度数据表示成矩阵形式,即判断矩阵:

4.2 模糊评价结果

利用B=A·R通过计算得出模糊综合评价结果,即B=[0.303 0.324 0.245 0.143 0.087],标准化处理后为B＇=[0.28 0.30 0.22 0.13 0.07]。由B＇可以直观地看出,0.30为隶属度矢量中的最大值,又因为0.30所对应的危险性等级为危险,故最终的模糊综合评价结果为开采煤层的自燃危险性属于危险等级。经查阅相关资料得知,此矿井改扩建5年来发生过2次自燃事故,在之后的生产过程中由于采取的技术得当,及时抑制了煤自燃的进一步发展,消除了煤自燃隐患。因此说明本文的模糊综合评价结果与现场实际自燃情况相吻合。