郭 民郁鐘銘

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,貴州省貴陽市,550003; 2.貴州民族學(xué)院,貴州省貴陽市,550025)

★煤礦安全 ★

煤與瓦斯突出影響因素的安全評價研究

郭 民1郁鐘銘2

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,貴州省貴陽市,550003; 2.貴州民族學(xué)院,貴州省貴陽市,550025)

介紹了煤與瓦斯突出的危害,通過層次分析法初步進(jìn)行了煤與瓦斯突出防治的優(yōu)先權(quán)探討,給出一種評價因素的權(quán)重集,評判出應(yīng)著重考慮的煤與瓦斯突出影響因素。

煤與瓦斯突出 層次分析 災(zāi)害預(yù)防

AbstractFirst introducing the harmfulness of coal/gas outbursts,this paper takes advantage of stratification analysis in a tentative discussion about the priority of coal/gas outbursts prevention and control and provides a set of assessment factor weightings.In this way,the more important factors relating to coal/gas outbursts calling for greater attention are decided.

Key wordscoal/gas outburst,stratification analysis,disaster prevention

我國是世界上最大的產(chǎn)煤國,也是煤礦瓦斯災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。在礦井瓦斯災(zāi)害中,煤與瓦斯突出所造成的危害尤為嚴(yán)重,我國許多學(xué)者對煤與瓦斯突出的促因及治理進(jìn)行了深入的研究,取得了豐碩成果。但就影響煤與瓦斯突出的眾多因素優(yōu)先權(quán)尚無定論。本文通過層次分析法,初步探討各個影響因素對煤與瓦斯突出的優(yōu)先權(quán),并對湖南省某礦“6·8”重大煤與瓦斯突出事故進(jìn)行分析,提出在預(yù)防煤與瓦斯突出時需首要考慮的一些重要突出因素,由此為煤礦防突工作提供一定的依據(jù)。

1 煤與瓦斯突出因素指標(biāo)分析

不同礦區(qū)煤與瓦斯突出因素指標(biāo)和權(quán)重基本相同,其評估要素即準(zhǔn)則層為突出預(yù)兆顯現(xiàn)區(qū)、特殊地應(yīng)力特征、瓦斯特征及煤體特征。各要素又分為小項組成因素層。

(1)突出預(yù)兆顯現(xiàn)區(qū)B1。煤體中出現(xiàn)悶雷場C11,煤變軟變暗 C12,瓦斯?jié)舛仍龃驝13,煤層層理紊亂C14,打鉆時頂鉆夾鉆 C15,支架來壓掉渣C16,片幫或掉渣C17,基本頂提前來壓C18。

(2)特殊地應(yīng)力特征B2。背斜傾覆端C21,向斜仰起端C22,斷層走向變化處C23,斷層尖滅處C24,構(gòu)造復(fù)合部位C25。

(3)瓦斯特征B3。瓦斯壓力 C31,瓦斯含量C32,瓦斯儲量C33。

(4)煤體特征B4。破壞類型 C41,軟硬煤比C42,堅固性系數(shù)C43。

煤與瓦斯突出事故層次結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 礦井煤與瓦斯突出分析結(jié)構(gòu)模型

2 層次分析法在煤與瓦斯突出安全評價研究中的應(yīng)用

2.1 層次分析法的原理及步驟

(1)建立判斷矩陣及標(biāo)度。首先根據(jù)各層次關(guān)系建立判斷矩陣B,然后專家或管理人員采用美國匹茲堡大學(xué)教授撒泰 (A.L.Saaty)提出的 1～9標(biāo)度法對矩陣進(jìn)行相對比較估計,即對矩陣中的兩兩指標(biāo)進(jìn)行比較,看其重要性的倍數(shù)。表1說明了相對重要性的比例標(biāo)度。

表1 相對重要性的比例標(biāo)度

2.2 方根法確定各指標(biāo)權(quán)重

(1)計算判斷矩陣B每行元素的連乘積Mi

(2)求Mi的n次方根

2.3 計算判斷矩陣的最大特征值

式中:(B W)i為判斷矩陣B與特征向量W乘積的第i項分量。

2.4 一致性檢驗

(1)偏離一致性指標(biāo)CI。

CI=(λmax-n)·(n-1)-1,n為矩陣的階數(shù)

(2)應(yīng)用一致性比率CR。1～9階判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI如表2所示。

表2 1～9階RI值

對于3階和3階以上的判斷矩陣,其應(yīng)用一致性比率CR,CR=CI/RI。當(dāng)CR<0.10時,矩陣具有滿意的一致性。

3 模型求解

3.1 確定各指標(biāo)的權(quán)重

準(zhǔn)則層指標(biāo)相對目標(biāo)層指標(biāo)的判斷矩陣見表3,各因素層指標(biāo)相對準(zhǔn)則層指標(biāo)的判斷矩陣見表4～7。

表3A-B判斷矩陣

表4B1-C1i判斷矩陣

表5B2-C2i判斷矩陣

表6B3-C3i判斷矩陣

表7B4-C4i判斷矩陣

3.2 總體排序

以上構(gòu)造的是各層次元素的比較判斷矩陣,進(jìn)行的是單排序計算。從以上計算可以看出,單排序具有滿意的一致性。對于指標(biāo)層C相對于整個準(zhǔn)則層B總排序計算,需要用準(zhǔn)則B各元素本身相對于總目標(biāo)的排序權(quán)值加權(quán)綜合,才能計算出指標(biāo)層C相對于整個準(zhǔn)則層B,也即相對于煤與瓦斯突出這個總目標(biāo)的相對重要性權(quán)值。層次總排序計算一般寫成表8的形式。

表8 目標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)計算及排序

3.3 層次總排序后的一致性檢驗

則CR=CI/RI=0.042<0.1(滿足一致性要求)

4 實例分析

以2005年6月8日,湖南省某礦發(fā)生一起煤與瓦斯突出事故,造成22人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失1100.3萬元。

4.1 礦井基本概況

礦井位于冷水江礦區(qū)向斜南部,井田內(nèi)構(gòu)造簡單,斷層不發(fā)育,區(qū)內(nèi)含煤7層,其中可采煤層4層 (2#、3#、4#、5#煤層)。從1975年有記載以來,全井共發(fā)生煤與瓦斯突出283次,其中突出煤量超過1000 t的有6次,最大一次達(dá)4000 t。礦井絕對瓦斯涌出量16.85 m3/min,相對瓦斯涌出量39.97 m3/min。屬煤與瓦斯突出礦井。礦井水文地質(zhì)條件屬中等類型,煤塵無爆炸危險,煤層不易自燃。

礦井采用中央分列式通風(fēng),有2個進(jìn)風(fēng)井、1個回風(fēng)井,風(fēng)井安裝2臺軸流式通風(fēng)機(jī)。礦井總進(jìn)風(fēng)量為2786 m3/min,總回風(fēng)量為2814 m3/min。4.2 事故地點(diǎn)概況

煤與瓦斯突出事故發(fā)生在303采區(qū)-200 m水平四石門。303采區(qū)可采煤層4層 (2#、3#、4#、5#煤),6#煤層不可采。煤層傾角平均為22°。區(qū)內(nèi)小斷層、小褶皺發(fā)育。采區(qū)有1個回采、3個掘進(jìn)和3個維修工作面。采區(qū)有兩路進(jìn)風(fēng),一路來自主平硐,一路來自主立井,總進(jìn)風(fēng)量為1195 m3/min。采區(qū)內(nèi)布置了軌道上山、帶式輸送機(jī)上山和回風(fēng)上山3條底板巖石上山。四石門局部通風(fēng)機(jī) (11 kW)安裝在-200 m水平大巷 (進(jìn)風(fēng)巷),乏風(fēng)直接進(jìn)入回風(fēng)上山。四石門進(jìn)風(fēng)側(cè)構(gòu)筑了兩道正反向風(fēng)門,外側(cè)反向風(fēng)門為雙葉門結(jié)構(gòu)。四石門開門口設(shè)有避災(zāi)硐室。

4.3 事故發(fā)生前的預(yù)兆

巷道施工進(jìn)入煤系地層后,進(jìn)行了3次長鉆孔探測。第1次孔深18 m,未見6#煤層;掘進(jìn)12.7 m進(jìn)行第2次長探,第2次孔深20 m,于8.5 m處見6#煤層,煤厚0.1 m;掘進(jìn)3 m后進(jìn)行第3次長探,第三次孔深8.1 m,于4 m處見6#煤層,因卡鉆未再布孔長探。

巷道進(jìn)入煤系地層后,頂板出現(xiàn)松軟破碎。2005年6月7日早班 (8∶00-16∶00)放炮后,垮落近50車矸石 (正常為12車矸石),其中還有油土 (表明已接近煤層),工作面和回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸?(分別為3.0%和1.8%),并聽到頻繁的煤炮聲。中班 (16∶00-24∶00)出矸石15車,晚班 (次日0∶00-8∶00)矸石20車。作業(yè)人員在出矸過程中不斷聽到煤炮聲。

6月8日9時,四石門作業(yè)人員來到工作面裝矸石,裝到半車時,發(fā)現(xiàn)距工作面1.5 m未支護(hù),且出現(xiàn)空頂,冒落高度達(dá)1.5 m,并有掉渣現(xiàn)象。10時55分左右,發(fā)生煤與瓦斯突出。

4.4 事故原因分析

該礦屬煤與瓦斯突出礦井,煤層的瓦斯含量高、涌出量大,但礦井沒有建立瓦斯抽放系統(tǒng),井下避災(zāi)硐室無壓風(fēng)自救系統(tǒng),掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)沒有實現(xiàn)“三專兩閉鎖”,礦井沒有設(shè)立瓦斯治理機(jī)構(gòu)和專門的防突隊伍,也沒有配備專業(yè)防突技術(shù)人員。

6月7日早班放炮后,工作面瓦斯?jié)舛壬?、頻繁響煤炮、頂板掉渣,表明有煤與瓦斯突出預(yù)兆。在這種情況下,礦方?jīng)]有停止掘進(jìn)、撤出人員并關(guān)好反向風(fēng)門,仍繼續(xù)安排作業(yè)人員出矸,發(fā)生煤礦與瓦斯突出時,因沒有關(guān)上反向風(fēng)門,使大量煤與瓦斯逆流進(jìn)入礦井總進(jìn)風(fēng)巷,導(dǎo)致井下大范圍內(nèi)的作業(yè)人員因高濃度瓦斯窒息死亡或者受傷。

5 結(jié)論

結(jié)合實例,由表 8可以看出,通過指標(biāo)層(C)中各指標(biāo) C1,C2,…,C43相對于總目標(biāo)(A)煤與瓦斯突出的權(quán)值大小可進(jìn)行各指標(biāo)相對總目標(biāo)的重要性排序,由此得出如下4條結(jié)論。

(1)影響煤與瓦斯突出因素的優(yōu)先權(quán)順序為:瓦斯含量>瓦斯壓力>堅固性系數(shù)>瓦斯儲量>打鉆時頂鉆夾鉆>瓦斯?jié)舛仍黾?向傾仰起端>軟硬煤比>煤體中出現(xiàn)悶雷聲=煤變軟變硬=煤層層理紊亂>斷層走向變化處=構(gòu)造復(fù)合部位>片幫或掉渣>基本頂提前來壓>煤體中出現(xiàn)悶雷場>支架來壓掉渣>背斜傾覆端>斷層尖滅處。

(2)瓦斯含量、瓦斯壓力、堅固性系數(shù)、瓦斯儲量的權(quán)重最大,優(yōu)先權(quán)較高,是提前進(jìn)行煤與瓦斯突出前采取防治措施的重點(diǎn),是煤礦在防治煤與瓦斯突出的措施中應(yīng)著重考慮的影響因素。

(3)突出預(yù)兆顯現(xiàn)在防治煤與瓦斯突出工作中起著非常重要的作用,特別是在突出前人員能迅速撤離,可以減少突出發(fā)生時人員的傷亡。鑒于此,煤礦應(yīng)當(dāng)重視對工人進(jìn)行專門培訓(xùn),讓他們了解煤與瓦斯突出前的各種預(yù)兆,提高工人意識,防患于未然。

(4)地質(zhì)構(gòu)造會影響煤與瓦斯突出,各個礦井應(yīng)針對具體地質(zhì)情況,對于有煤與瓦斯突出危險的構(gòu)造地帶應(yīng)事先進(jìn)行防突處理,防止發(fā)生事故。

[1]薛華成.管理信息系統(tǒng) (第四版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003

[2]林柏泉,崔恒信.礦井瓦斯防治理論與技術(shù) [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1998

[3]蔣國安等.礦井安全評價方法的分析與探討 [D].煤礦安全系統(tǒng)工程學(xué)術(shù)會議論文集,山東省出版總社泰安分社,1992

[4]郁鐘銘,張?zhí)?層次分析法實現(xiàn)礦區(qū)環(huán)境治理子系統(tǒng)的項目優(yōu)先權(quán)設(shè)置 [J].礦業(yè)研究與開發(fā),2006(8)

(責(zé)任編輯 梁子榮)

A safety assessment research on factors that may lead to coal/gas outbursts

Guo Min1,Yu Zhongming2
(1.Mining College of Guizhou University,Guiyang,Guizhou province 550003,China; 2.Guizhou University for Nationalities,Guiyang,Guizhou province 550025,China)

TD713

A

郭民 (1981-),男,碩士,貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院碩士研究生,研究方向為礦業(yè)系統(tǒng)工程。