采空区遗煤自燃影响因素分析及风险评价.pdf

第39卷第4期2023年8月山西大同大学学报（自然科学版）Journal of Shanxi Datong University(Natural Science Edition)Vol.39 No.4Aug.2023采空区遗煤自燃影响因素分析及风险评价武泽伟1，汪伟1,2*，祁云1,2，梁然1（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）摘要：目的目的 为了预防采空区遗煤自燃火灾的发生。方法方法 通过文献查询、现场勘查、专家访谈确定煤自燃影响因素，选取20个因素构建煤自燃风险评价指标体系，考虑到评价方法具有很强的主观性，故采用决策试验与评价实验室法（DEMATEL）和层次分析法（AHP）进行耦合确定各项指标的综合权重，并分析各个指标对采空区遗煤自燃的影响大小，最终在山西焦煤东古城煤矿进行实例应用。结果结果 粒度孔隙率、煤的吸氧速率、煤层埋藏深度、工作面推进速度和最短自然发火期等五个因素对采空区煤自燃的影响较大；计算得出Z109综采工作面采空区自燃火灾安全性总得分为79.76。结论结论 自燃风险级别为级，容易发生遗煤自燃，评价结果与实际情况相符，为东古城煤矿进行防灭火工作提供了理论依据。关键词：采空区自燃；风险评价；决策实验与评价实验室（DEMATEL）；层次分析法(AHP)中图分类号：X936文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1674-0874.2023.04.023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：煤具有自燃倾向，以破碎状态存在；持续供氧条件；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1/3JM，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。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。收稿日期：2023-03-16作者简介：武泽伟（1997-），山西大同人，硕士研究生，研究方向：矿井火灾及防治技术。汪伟（1991-），河北玉田人，博士，讲师，通信作者。E-mail:文章编号：1674-0874（2023）04-0116-072023年（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：Cn n=(cij)n n=c11c12c1nc21c2ncn1cn2cnn（1）式中：cij为因素ci对cj的直接影响程度,i，j=1,2,3,n。由于因素与自身比较无影响，故满足最后cii=0，cij不同取值的含义，取值为1，2，3，4，5时，分别表示两者影响弱、影响较弱、影响一般、影响较强、影响很强。通过取10位专家分数的算术平均值获得的直接影响矩阵，见表1。表1 直接影响矩阵指标C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12C13C14C15C16C17C18C19C20C102421112321203431123C230133231222311202031C325012201312023142222C413201222231322121220C542410313031232313132C614321012111202125423C703232302332224333231C812123120233223213234C920112223023023121122C1022123213102213302321C1121031332330212222203C1222022342003025241322C1313420132341201332232C1431134213031250341212C1510230232213031024304C1623302322232302103333C1723230313232213450112C1832125323323303124025C1912233340312223203203C2024032321231213212230开拓开采技术B1煤的自然倾向性B2采空区的漏风B3蓄热环境下持续氧化B4开拓方式C1采煤方法C2回采方向顺序C3煤岩的成分C4煤的炭化程度C5煤层含水量C6煤中的灰分量C7粒度孔隙率C8含硫量C9煤的吸氧速率C10通风系统安全性C11通风管理措施C12均压技术措施C14工作面风压风量C13漏风通道封堵C15遗煤厚度及粒度C16顶板垮落及性质C17煤层埋藏深度C18工作面推进速度C19最短发火期C20采空区自燃发火评价指标体系A图1 采空区自燃发火评价指标层次结构武泽伟等：采空区遗煤自燃影响因素分析及风险评价117山西大同大学学报(自然科学版)2023年（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。B=cijmax()j=1ncij（2）表2 规范化直接影响矩阵指标C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12C13C14C15C16C17C18C19C20C100.0410.0820.0410.0200.0200.0200.0410.0610.0410.0200.04100.0610.0820.0610.0200.0200.0410.061C20.06100.0200.1020.0610.0410.0610.0200.0410.0410.0410.0610.0200.0200.04100.0410.0000.0610.020C30.0410.10200.0200.0410.04100.0200.0610.0200.0410.0000.0410.0610.0200.0820.0410.0410.0410.041C40.0200.0610.04100.0200.0410.0410.0410.0410.0610.0200.0610.0410.0410.0200.0410.0200.0410.0410C50.0820.0410.0820.02000.0610.0200.06100.0610.0200.0410.0610.0410.1020.0200.0610.0200.0610.041C60.0200.0820.0610.0410.02000.0200.0410.0200.0200.0200.04100.0410.0200.0410.1020.0820.0410.061C700.0610.0410.0610.0410.06100.0410.0610.0610.0410.0410.0410.0820.0610.0610.0610.0410.0610.020C80.0200.0410.0200.0410.0610.0200.04100.0410.0610.0610.0410.0410.0610.0410.0200.0610.0410.0610.082C90.04100.0200.0200.0410.0410.0410.06100.0410.06100.0410.0610.0200.0410.0200.0200.0410.041C100.0410.0410.0200.0410.0610.0410.0200.0610.02000.0410.0410.0200.0610.06100.0410.0610.0410.020C110.0410.02000.0610.0200.0610.0610.0410.0610.06100.0410.0200.0410.0410.0410.0410.04100.061C120.0410.04100.0410.0410.0610.0820.102000.06100.0410.1020.0410.0820.0200.0610.0410.041C130.0200.0610.0820.04100.0200.0610.0410.0610.0820.0200.04100.0200.0610.0610.0410.0410.0610.041C140.0610.0200.0200.0610.0820.0410.0200.06100.0610.0200.0410.10200.0610.0820.0200.0410.0200.041C150.02000.0410.06100.0410.0610.0410.0410.0200.06100.0610.02000.0410.0820.06100.082C160.0410.0610.06100.0410.0610.0410.0410.0410.0610.0410.06100.0410.02000.0610.0610.0610.061C170.0410.0610.0410.06100.0610.0200.0610.0410.0610.0410.0410.0200.0610.0820.10200.0200.0200.041C180.0610.0410.0200.0410.1020.0610.0410.0610.0610.0410.0610.06100.0610.0200.0410.08200.0410.102C190.0200.0410.0410.0610.0610.0610.08200.0610.0200.0410.0410.0410.0610.04100.0610.04100.061C200.0410.08200.0610.0410.0610.0410.0200.0410.0610.0200.0410.0200.0610.0410.0200.0410.0410.0610（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limk Bk=0。因此，综合影响矩阵Z由式(3)得到，见表3。Z=()B+B2+.+Bk=k=1Bk=B()I-B-1（3）式中：I为单位矩阵。表3 综合影响矩阵指标C1C2C3C4C5C6C7C8C10.1500.2230.2170.2230.1800.2060.1790.215C20.2020.1800.1610.2780.2100.2210.2160.195C30.1900.2770.1410.2020.1970.2220.1580.192C40.1580.2280.1690.1700.1690.2100.1870.204C50.2500.2570.2460.2370.1810.2720.2050.262C60.1780.2710.2010.2330.1880.1940.1840.222C70.1840.2820.2120.2840.2340.2860.1950.256C80.1900.2460.1770.2500.2380.2320.2200.200C90.1680.1600.1440.1790.1770.1990.1760.211C100.1870.2160.1580.2210.2150.2200.1760.233C110.1860.2020.1390.2400.1770.2420.2150.217C120.2190.2610.1730.2630.2350.2830.2710.310C130.1840.2640.2320.2440.1800.2270.2360.234C140.2280.2310.1880.2630.2550.2480.2010.260C150.1620.1840.1750.2370.1520.2200.2110.210C160.2110.2690.2160.2120.2230.2710.2190.240C170.2070.2660.1980.2660.1800.2670.2010.258C180.2570.2810.2040.2810.3050.3040.2460.292C190.1840.2430.1950.2630.2310.2640.2520.197C200.1950.2670.1490.2540.2070.2520.2070.2051182023年续表3指标C9C10C11C12C13C14C15C16C17C18C19C20C10.2110.2190.1740.1900.1340.2630.2550.2300.2100.1830.2020.247C20.1890.2160.1870.2100.1500.2220.2190.1690.2230.1590.2180.200C30.2090.2000.1880.1550.1650.2550.1970.2430.2260.1950.2020.224C40.1790.2230.1620.2010.1590.2280.1850.1960.1950.1890.1910.173C50.1820.2670.1980.2170.2100.2760.3100.2220.2820.2110.2470.262C60.1790.2070.1780.2010.1330.2510.2060.2180.2930.2420.2080.253C70.2430.2800.2260.2280.2010.3250.2780.2680.2920.2380.2570.249C80.2110.2650.2290.2140.1880.2890.2460.2120.2710.2210.2420.288C90.1330.2000.1890.1350.1530.2350.1790.1870.1860.1610.1810.204C100.1680.1770.1880.1900.1500.2570.2370.1680.2260.2160.1970.207C110.2080.2390.1510.1930.1470.2430.2170.2090.2270.2010.1630.243C120.1860.2240.2410.1910.1980.3420.2580.2840.2530.2550.2380.271C130.2310.2770.1920.2090.1440.2490.2560.2470.2510.2200.2410.247C140.1740.2670.1910.2170.2430.2290.2660.2700.2380.2250.2090.254C150.1920.2010.2050.1520.1810.2180.1730.2090.2620.2160.1590.260C160.2120.2610.2130.2340.1460.2740.2250.1930.2750.2410.2440.273C170.2120.2630.2120.2150.1660.2870.2780.2890.2160.2060.2040.253C180.2550.2780.2560.2620.1720.3280.2620.2630.3250.2100.2540.342C190.2260.2210.2050.2080.1850.2830.2390.1930.2670.2160.1790.261C200.1960.2460.1780.2020.1560.2700.2290.1960.2370.2070.2290.193（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。hi=j=1nzij，li=i=1nzij，xi=hi+li，yi=hi-li（4）表4 影响度、被影响度、中心度以及原因度因素ciC1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12C13C14C15C16C17C18C19C20影响度hi3.8904.8083.6954.8004.1344.8404.1554.6133.9964.7313.9634.0243.3815.3244.7154.4664.9554.2124.2654.904被影响度li4.1114.0254.0383.7764.7944.2405.0184.6293.5574.0074.0594.9564.5654.6573.9794.6524.6445.3774.5124.275中心度xi8.0018.8337.7338.5768.9289.0809.1739.2427.5538.7388.0228.9807.9469.9818.6949.1189.5999.5898.7779.179原因度yi-0.2210.783-0.3431.024-0.6600.600-0.863-0.0160.4390.724-0.096-0.932-1.1840.6670.736-0.1860.311-1.165-0.2470.6297.58.08.59.09.510.0-1.5-1.0-0.50.00.51.0原因度中心度C9C4C15C10C2C6C20C14C17C8C16C18C7C3C11C1C19C13C5C12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：CI=max-nn-1（5）武泽伟等：采空区遗煤自燃影响因素分析及风险评价119山西大同大学学报(自然科学版)2023年式中：n为因子个数；max为最大特征根。最大特征根计算公式为：max=1ni=1n()AWiwi（6）式中：W=w1,w2,w3,.wnT为列向量归一化的权重矩阵；wi为权重矩阵W的元素；i为编号数。一致性比例计算公式为：CR=CIRI（7）式中：RI是平均随机性一致指标，取值见表5；CR0.1时，判断矩阵通过一致性检查。表5 RI值nRI102030.5240.8951.1261.2671.3681.4191.46通过上述计算，可得一级指标的判断矩阵AB，二 级 判 断 矩 阵 B1(C1C3)，B2(C4C10)，B3(C11C15)，B4(C16C20)以及各项权重矩阵、最大特征根、一致性指标如下：A B=11 31 21 33121 221 211 23221W=0.1070.2930.1850.415T=4.071,CI=0.023,CR=0.026B1()C1C3=11 21 221221 21W=0.1960.4930.311T=3.0536,CI=0.026,CR=0.046B2()C4 C10=11 221 21 31 21 321221 321 31 21 2121 221 321 21 211 21 21 23322121 221 21 221 211 23332221W=0.081 0.139 0.105 0.087 0.211 0.106 0.271T=7.605,CI=0.101,CR=0.076B3()C11 C15=123221 21231 31 312121 31 21 31 211 21 23321W=0.3320.1770.0020.0970.282T=5.3582,CI=0.089,CR=0.079B4(C16 C20)=121 21 21 31 211 21 31 42211 21 223211 234221W=0.1210.0790.1760.2490.375T=5.084,CI=0.021,CR=0.018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。Qi=XiWiWji,j=1nXiWiWj（8）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=0.0189,0.0526,0.0290,0.0229,0.041,0.0315,0.0263,0.0644,0.0264,0.0782,0.0556,0.0332,0.0186,0.0202,0.0512,0.0517,0.0355,0.0791,0.1024,0.1613T。1202023年表6 综合影响度Xi8.0018.8337.7338.5768.9289.0809.1739.2427.5538.7388.0228.9807.9469.9818.6949.1189.5999.5898.7779.179Wi0.1960.4930.3110.0810.1390.1050.0870.2110.1060.2710.3320.1770.1120.0970.2820.1210.0790.1760.2490.375Wj0.1070.2930.1850.415XiWiWj0.167 60.466 20.257 10.203 20.363 10.279 00.233 50.570 60.234 30.692 90.492 60.294 00.164 60.179 10.453 40.458 40.315 10.701 20.908 01.430 2Qi0.018 90.052 60.029 00.022 90.041 00.031 50.026 30.064 40.026 40.078 20.055 60.033 20.018 60.020 20.051 20.051 70.035 50.079 10.102 40.161 33.2 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采空区自燃安全性采空区状况很好采空区状况良好采空区状况较差采空区状况很差评分区间90 10080 8970 790 69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,P20T=80,80,75,85,80,85,90,75,70,75,80,85,80,85,75,80,75,80,85,80T，其综合得分为：F=QTP=0.0189,0.0526,0.029,0.0229,0.041,0.0315,0.0263,0.0644,0.0264,0.0782,0.0556,0.0332,0.0186,0.0202,0.0512,0.0517,0.0355,0.0791,0.1024,0.161380,80,75,85,80,85,90,75,70,75,80,85,80,85,75,80,75,80,85,80T=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级，容易发生火灾。表8 自燃火灾安全等级划分得分 6566 8586 9596 100危险级别危险程度极易发生火灾容易发生火灾可能发生火灾不易发生火灾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。参考文献1 贾宝山，汪伟，祁云，等.晋牛矿 1303综放面采空区注氮方案研究及数值模拟 J.中国安全生产科学技术，2018，14（3）:82-88.2 刘辉.复合抽采条件下综放采空区遗煤自燃与瓦斯运移研究 D.阜新:辽宁工程技术大学，2017.3 周亮，戴广龙，秦汝祥.高瓦斯易自燃煤层采空区遗煤自燃影响因素研究 J.中国安全科学学报，2018，28（2）:122-127.4 汪伟.基于改进 CRITIC-G2-TOPSIS的采空区自燃动态预测与数值模拟研究 D.阜新:辽宁工程技术大学，2020.5 段军，王录苹，赵阳，等.基于 AHP的煤炭自燃火灾危险性安全评价研究 J.煤，2013，22（3）:3-5.6 祁云，齐庆杰，汪伟，等.基于集值统计-Entropy的采空区自燃危险性预测模型及应用 J.安全与环境学报，2019，19（5）:1526-1531.武泽伟等：采空区遗煤自燃影响因素分析及风险评价121山西大同大学学报(自然科学版)2023年7 翟小伟，张伟霞，王凯，等.基于 SEM的矿井煤自燃危险性综合评价研究 J.煤炭工程，2020，52（2）:101-105.8 王明重，刘泽功，张箫剑，等.基于 AHP和扩展集对理论的采空区遗煤自燃危险性评价研究 J.中国安全生产科学技术，2014，10（8）:182-188.9 王民华，牛显.基于数据重构增强的采空区遗煤自燃预测模型 J.煤矿安全，2022，53（9）:86-93.10 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goaf.Methods The influencing factors ofcoal spontaneous combustion were determined by reference,field survey and expert interview,and 20 factors were selected to con-struct the risk evaluation index system of coal spontaneous combustion.Considering the strong subjectivity of the evaluation meth-od,the decision test and evaluation laboratory method(DEMATEL)and analytic hierarchy process(AHP)were used to determinethe comprehensive weight of each index,and the impact of each index on the spontaneous combustion of residual coal in goaf wasanalyzed.Finally,it was applied in Donggucheng Coal Mine of Shanxi Coking Coal Group.Results The grain size porosity,theoxygen absorption rate of coal,the buried depth of coal seam,the advancing speed of working face and the shortest spontaneouscombustion period have great influence on the spontaneous combustion of coal in goaf;the total score of spontaneous combustionfire safety in goaf of Z109 fully mechanized mining face is 79.76.Conclusion The risk level of spontaneous combustion is ClassII,and the spontaneous combustion of residual coal is easy to occur.The evaluation results are consistent with the actual situation,which provides a theoretical basis for the fire prevention work in Donggucheng Coal Mine.Key words:spontaneous combustion in goaf;risk assessment;laboratory for decision experiment and evaluation(DEMATEL);analytic hierarchy process(AHP)责任编辑 王东122