采空区遗煤自燃影响因素分析及风险评价

武泽伟，汪 伟,2*，祁 云,2，梁 然

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003；2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新 123000）

随着采煤技术的发展，采煤效率也在提升，而采空区遗煤量大、漏风分布复杂、冒落空间大等问题层出不群，使得采空区遗煤自然发火时有发生[1-3]。很多学者对煤自燃风险评价开展了研究，评价结果的准确性不断提高[4-7]。这些研究对预防煤自燃起到推动作用，但由于分析影响煤自燃的主次因素不够明确，大小排序笼统，评价结果只是对煤自燃危险性进行评价定级[8-9]。

鉴于此，有必要建立一套较为全面的采空区煤炭自燃风险指标体系。层次分析法（AHP）的评价指标权值差距大，忽略权值小的指标的重要性，而决策实验与评价实验室法（DEMATEL）可分析各指标间相互影响的关系；采用DEMATEL法难以分析风险因素的影响程度，而AHP 法重点分析各指标对评价对象的权重。笔者拟采用DEMATEL 和AHP 两种方法相耦合的方式，增加评价的客观性，以期为采空区遗煤自燃风险评价提供经验借鉴和理论依据[10]。

1 采空区自燃风险评价指标体系

采空区遗煤自燃需要3个条件：①煤具有自燃倾向，以破碎状态存在；②持续供氧条件；③有积聚氧化热的环境[11-12]。

东古城井田主要开采的22号煤层变质阶段为1/3 JM，煤层平均含硫量为1.72%，原煤挥发分为38.87%～42.22%，浮煤挥发分在37.82%～41.92%，属高挥发分煤。井田的地质构造简单，断层很少，无岩浆岩侵入，各煤层比较疏松，孔隙率也较大，还具有一定的脆性，开采倾角2°～8°的厚煤层采用长臂式采煤法后退式回采，回采工作面最短自然发火期为80 d。结合东古城煤矿Z109综采工作面的实际情况和查阅资料，将影响采空区自燃的原因分为开拓开采技术、煤的自然倾向性、采空区的漏风、蓄热环境下持续氧化共四类，四个条件共存，存在时间比煤自然发火期长，就会引发遗煤自燃。具体采空区自燃风险评价指标层次结构如图1。

图1 采空区自燃发火评价指标层次结构

2 基于DEMATLE-AHP 模型的自燃风险评价方法

2.1 决策试验与评价实验室分析法

DEMATEL 是一种基于图论和矩阵下的系统分析方法[13]，主要分析系统中各要素之间的逻辑关系和对应的关联，建立直接影响矩阵，在此基础上计算各要素的影响度、被影响度、中心度和原因度，最终得出要素之间的因果关系以及各要素在系统中的权重和因果关系[14-15]。

（1）确定每个要素之间的直接影响程度。邀请10 名相关从事煤矿安全方面专家，采用专家打分法形成风险影响因素直接影响矩阵C：

式中：cij为因素ci对cj的直接影响程度,i，j=1,2,3,…,n。

（2）对直接影响矩阵进行归一化处理，得到归一化的直接影响矩阵。采用行和最大值法对矩阵C的因素进行归一化，根据式(2)得到规范影响矩阵B，见表2。

表2 规范化直接影响矩阵

（3）构建综合影响矩阵Z，表示系统因素间直接和间接影响的组合结果[16]。规范影响矩阵一直自乘后，矩阵所有值都将接近0，即。因此，综合影响矩阵Z由式(3)得到，见表3。

表3 综合影响矩阵

式中：I为单位矩阵。

（4）计算每个要素的影响度hi、被影响度li、中心度xi以及原因度yi。影响度hi指本因素在系统中的影响力。被影响度li指系统中其它因素对自身的影响力。中心度xi指因素在系统中所起作用的大小。原因度yi大于0，为原因要素，否则为结果要素[17]。上述公式如式（4），计算可得到表4。以中心度xi为横坐标，原因度yi为纵坐标，绘制因果图，如图2。

表4 影响度、被影响度、中心度以及原因度

图2 影响因素原因结果

综合表4 和图2 可知，C4煤岩的成分、C6煤层含水量、C14均压技术措施、C17顶板垮落及性质、C20最短发火期的中心度和原因度都较大，表明这五个因素对采空区自燃的影响较大。

2.2 层次分析法

层次分析法就是将所研究的问题作为一个系统，分解为各个目标，化整为零，通过指标的模糊定量方法计算层次权重，将其作为优化决策目标的系统方法[18]。

采用专家打分原则，构建判断矩阵。比较各级指标因素得到判断矩阵，并采用四舍五入法近似确定准则层的判断矩阵，使得判断矩阵中的aij为整数，用同样的方法得到指标层的判断矩阵和各指标的权重。要求判断矩阵必须通过一致性检验。一致性指标公式为：

式中：n为因子个数；λmax为最大特征根。

平衡水分是研究金银花干燥特性和安全贮藏的重要参数,它的高低代表金银花吸收水分和放出水分的难易程度。在金银花干燥和贮藏过程中,平衡含水率不但决定了在一定干燥条件下所能达到的最低水分,而且直接影响金银花的干燥速度。同时，平衡含水率还决定金银花在贮藏过程中能否安全贮藏，是指导实际生产所必不可少的参数[1]。

最大特征根计算公式为：

一致性比例计算公式为：

式中：RI是平均随机性一致指标，取值见表5；CR＜0.1时，判断矩阵通过一致性检查。

表5 RI 值

通过上述计算，可得一级指标的判断矩阵A～B，二级判断矩阵B1～(C1～C3)，B2～(C4～C10)，B3～(C11～C15)，B4～(C16～C20)以及各项权重矩阵、最大特征根、一致性指标如下：

通过一级、二级判断矩阵可知：影响东古城煤矿采空区自燃的一级指标中，蓄热环境下持续氧化的权重较大；在二级指标中，C2采煤方法、C10煤的吸氧速率、C11通风系统安全性、C15漏风通道封堵、C20最短发火期的权重较大，表明这5个因素对采空区自燃的影响较大。

3 综合评价

3.1 综合影响度计算

DEMATEL 法和AHP 法都采用专家打分原则，为了避免主观片面性，笔者采用两者耦合，将决策实验法和层次分析法的影响进行综合，利用式(8)计算出综合影响度见表6。

表6 综合影响度

式中：Xi为中心度；Wi为二级指标权重；Wj为一级指标权重；i,j=1,2,…,n。

由表6 可以得出结论：C8粒度孔隙率、C10煤的吸氧速率、C18煤层埋藏深度、C19工作面推进速度、C20最短发火期的影响采空区自然发火的权重分别占到了0.0644、0.0782、0.0791、0.1024、0.1613，说明对采空区自燃危险性影响较大。

针对东古城矿得出最底层各影响因素C1、C2、…、C20对最高层因素A的影响权重向量为：Q=[0.0189,0.0526,0.0290,0.0229,0.041,0.0315,0.0263,0.0644,0.0264,0.0782,0.0556,0.0332,0.0186,0.0202,0.0512,0.0517,0.0355,0.0791,0.1024,0.1613]T。

3.2 评价结果计算

根据东古城煤矿安全现状，制定采空区自燃安全性评价等级，见表7。

表7 采空区自燃评价因素评分标准

对东古城煤矿采空区遗煤自燃安全性进行评分，其结果为：P=[P1,P2,P3,…,P20]T=[80,80,75,85,80,85,90,75,70,75,80,85,80,85,75,80,75,80,85,80]T，其综合得分为：F=QTP=[0.0189,0.0526,0.029,0.0229,0.041,0.0315,0.0263,0.0644,0.0264,0.0782,0.0556,0.0332,0.0186,0.0202,0.0512,0.0517,0.0355,0.0791,0.1024,0.1613]×[80,80,75,85,80,85,90,75,70,75,80,85,80,85,75,80,75,80,85,80]T=79.7585，其中F为采空区煤自燃火灾安全性总得分。结合表8可知，采空区煤自燃危险级别为Ⅱ级，容易发生火灾。

表8 自燃火灾安全等级划分

4 结论

（1）针对东古城煤矿Z109 综采工作面的实际情况，选取了20 个评价指标构建采空区自燃风险评估指标体系，通过耦合DEMATEL 法与AHP 法，建立DEMATEL-AHP 采空区自燃风险评价模型，减少了使用单一评价方法主观性，更加符合实际，最终计算综合影响度得到了较准确的采空区自燃影响指标权重，不仅适用于东古城煤矿Z109工作面，也为其它工作面的采空区遗煤自燃危险性提供了依据，为评价采空区遗煤自燃提供了一种新方法。

（2）C8粒度孔隙率、C10煤的吸氧速率、C18煤层埋藏深度、C19工作面推进速度、C20最短发火期等5个指标综合权重大，对东古城煤矿采空区自燃影响较大。东古城煤矿应该针对自燃影响重大因素，加强和改进采空区自燃火灾防控措施，避免煤矿火灾的发生。

（3）结合Z109综采工作面安全现状，对采空区遗煤自燃安全性评价结果为79.76，得出采空区遗煤自燃危险等级为Ⅱ级，属于容易发生火灾，符合东古城煤矿的实际情况。伴随着动态因素如采动、地压等的影响，应加强采空区遗煤自燃监测和防治工作。