近距离煤层群联合开采煤自燃危险性分析

张 丹 付 栋

（1.山西世德孙家沟煤矿有限公司，山西 忻州 036604；2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454000）

煤与空气接触后在一定条件下自身氧化升温而自燃，煤自燃过程是一个非常复杂的动态过程，且受多种因素影响。我国是煤自然发火比较严重的国家，据统计[1]，我国重点煤矿中，自然发火矿井占51%，所有开采大倾角煤层、厚及特厚煤层的矿井大都存在自然发火的问题，每年由煤的自燃而形成的矿井火灾360余次。尤其是近距离煤层，由于其开采条件的复杂性和特殊性，使近距离煤层联合开采采空区内部遗煤经常发生自燃隐患，轻则影响生产，重则导致工作面封闭，甚至引起采空区内积聚的瓦斯爆炸，极大地威胁矿工的生命安全。为此，本文结合孙家沟煤矿近距离煤层开采实际情况，利用层次分析方法将影响煤自燃的因素从定性描述转化为定量表示，确定出影响近距离煤层采空区自燃灾害主要因素，对于防治采空区自然发火具有重要的指导意义。

1 综采面煤自燃影响因素的层次分析

1.1 层次分析法

层次分析法（AHP）是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法，它把一个复杂问题分解成若干组成因素，并按支配关系形成层次结构，然后应用两两比较的方法确定决策指标的相对重要性。

1.2 采面概况

11#煤层位于L2灰岩下5m左右，平均厚度2.19m；13#煤层位于L2灰岩下19m左右，上距11#煤层14m左右，煤层平均厚度为13.05m。

1.3 建立评价层次结构模型

通过对孙家沟煤矿开采的11#和13#煤采煤面的实地考察，收集并阅读大量相关资料，参照指标确定的原则和系统评价的一般要求，建立评价指标的层次结构模型，如图1所示。

图1 综采面采空区煤自燃层次分析结构图

每一个评价因素的含义如下[2-4]：

（1）煤自燃特性。指煤本身所具有的特性，这种特性反映出煤升温氧化所具备的能力。

（2）生产管理。指管理者亲自参与组织预防煤自燃的关键性活动，积极开展防治煤自燃的技术措施，增强防治煤自燃的安全理念，采取均压、预灌浆、堵漏等主动措施来控制采空区遗煤自燃。

（3）采面生产布局。指通过人为的控制层间采面布局，在开采设计初期就把防治煤自燃统筹考虑，在开采过程中通过人为的控制采面推进速度，使已升温氧化的煤抛到窒息带内，并减少层间贯通和漏风。

（4）煤层地质条件。指煤层自身的赋存条件，由于地质构造、煤层倾角等煤层赋存条件的复杂性，不仅影响工作面的推进速度，也容易造成漏风和大量的丢煤，为煤自燃提供条件。

1.4 构造判断矩阵

构造判断矩阵是将结构模型转换为数量模型，它是将同一层次中两两因素间，相对于上一层中的一个因素目标的重要性，给出一定量化的判断。全部比较的结果可用一个矩阵的形式表示出来，具体构造方法如下：

此时A就称为正互反矩阵。

判断矩阵有多种标度方法，文中所用的是较为科学的1～9标度方法，其含义见表1。

表1 判断矩阵标度的含义

各层判断矩阵，判断矩阵中各个因素相互之间的重要性，由有关专家以及该矿工程技术人员共同确定给出。

1.5 计算评价指标的权值

构造判断矩阵后，为求各个因素的权值，要对判断矩阵进行量化计算。对于判断矩阵B，以下采用方根法计算特征向量[5]。

（1）将矩阵O-B每一列列向量归一化得：

式中：

Wij-判断矩阵归一化后得到的矩阵；

Bij-判断矩阵的元素；

N-判断矩阵的阶数，n=4。

由（1）式得：

对于O-B矩阵，所求得特征向量为

e=(0.063,0.131,0.279,0.527)T。

1.6 评价指标的一致性检验

层次分析法（AHP）是根据每个评价指标的相对重要性的主观判断。层次分析法的应用过程中，保持判断的一致性是非常重要的，因此，我们需要检查判断矩阵的一致性。一致性检验的步骤如下。

（1）计算判断矩阵的最大特征根λmax

（3）计算判断矩阵的随机一致性比例CR

式中：

CI-判断矩阵的一致性检验指标；

RI-判断矩阵的平均随机一致性指标。

1～9阶矩阵的平均随机一致性指标如表2所示。

表2 判断矩阵的平均随机一致性指标

当CR越小时，判断矩阵的一致性越好，一般认为：当CR＜0.1时，就认为判断矩阵完全符合一致性条件，属于可以接受的程度。

由表2知，当n=4时，RI=0.90

所以由（2）式得：

同理可计算出：

B1-C矩阵：特征向量= (0.098,0.568,0.334)T

λmax=3.025；CI=0.012；CR=0.0.021＜0.1

B2-C矩阵：特征向量=(0.130,0.342,0.342,0.130,0.056 )T

λmax=5.055；CI=0.014；CR=0.012＜0.1.

B3-C矩阵：特征向量=( 0.089,0.587,0.324 )T

λmax=3.010；CI=0.005；CR=0.009＜0.1

B4-C矩阵：特征向量=(0.159,0.214,0.382,0.059,0.159)T

λmax=5.146；CI=0.037；CR=0.033＜0.1

因此，上述各判断矩阵均符合一致性检验条件，属于可接受程度。

1.7 层次总排序及一致性检验

在同一水平上的单个排序的结果的基础上，最后一级可以计算该层次对近距离煤层联合开采综采面采空区煤自燃影响因素的重要性的权值，然后进行层次总排序。层次总排序[2]就是利用同一层次中所有层次单排序的结果，计算针对目标层而言，本层次各元素的重要性权值，然后自上而下将单准则下的权重进行组合。层次总排序的一致性检验：

由计算结果可知，层次总排序符合一致性检验条件，说明计算结果满足要求。

在分析近距离煤层联合开采影响煤自燃因素的基础上，判断矩阵B符合一致性检验条件。因此，从以上分析得到的判断矩阵的特征向量与B的试验条件一致。对所求得的权重向量进行层次总排序由大到小依次为：工作推进速度、煤层间距、煤层含硫量、层间压差、地质构造、煤的吸氧量、预灌浆处理、采空区堵漏、煤层倾角、采煤方法、煤变质程度、稳定通风系统、通风方式、煤的吸热放热。

2 结果与分析

根据层次分析法对各因素的权重进行总排序，结果表明工作推进速度的优先权数最大，说明该因素对采空区煤自燃危险的影响程度是最高的，是影响采空区煤自燃的主要因素，工作面推进速度快慢与否，影响到遗煤在氧化带内氧化时间。若推进速度快，氧化带内的遗煤很快就进入窒息带，减少了煤与氧接触时间，延长采空区煤的自然发火期，从本质上降低煤自然发火的概率。

其次是煤层间距，在该矿区，因上下煤层同时开采，间距大小势必造成采空区间相互贯通，层间漏风大，是导致该矿区煤易自燃的主要因素之一。

地质构造也是影响煤自燃的重要因素，因该采面地质比较复杂，采面断层多，煤层节理、裂隙发育，煤质较软。在遇构造复杂处煤易脆化，当工作面推过这些地方时，形成大量的浮煤而氧化自燃。同时对于近距离联合开采煤层，通风方式也是影响煤自燃的重要因素，通风方式的正确选择，不仅有利于减小采空区的漏风，而且也可以缩短氧化带宽度。

上述几个因素的权重较大，是防治近距离煤层联合开采采空区遗煤自燃的切入点，对于现场预防自燃火灾具有一定的指导作用，为主动地采取预防措施提供合理依据。