邢媛媛，張飛飛

(1.山西工程技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 陽泉 045000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

煤炭自燃是在一定條件下伴隨著煤氧吸附、氧化自熱、熱量積聚而導(dǎo)致發(fā)火的一種極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程[1]。煤炭自燃涉及到的影響因素眾多，目前主要選取的預(yù)測指標(biāo)有煤的性質(zhì)、標(biāo)志性氣體、地質(zhì)條件、工作面參數(shù)、通風(fēng)方式、抽采措施等。評價方法采用多指標(biāo)綜合評價法進(jìn)行預(yù)測，如灰色理論[2]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]、突變理論[4]、粗糙集和支持向量集[5]、集對分析理論[6]、層次分析法[7]、可拓理論[8]、熵權(quán)可拓評價法[9]等。但由于井工開采中采空區(qū)的復(fù)雜性和模糊性，目前的研究還存在以下問題：多指標(biāo)預(yù)測中指標(biāo)量化的問題，由于影響煤炭自燃的指標(biāo)賦值差異性較大，需要對各指標(biāo)的取值進(jìn)行量化，進(jìn)而客觀確定權(quán)重大?。荒壳斑€沒有找到可靠的預(yù)測方法準(zhǔn)確地預(yù)測自燃發(fā)展趨勢，因此探討新的預(yù)測方法是十分必要的。鑒于此，為了提高煤炭自燃預(yù)測的準(zhǔn)確性，筆者考慮了煤的性質(zhì)、供氧條件、蓄熱條件、浮煤厚度、氧化時間等，建立了一種新的集成評估模型。該模型采用反熵權(quán)法進(jìn)行賦權(quán)，克服了熵權(quán)法對指標(biāo)差異度敏感性較大的缺陷，采用理想點(diǎn)法進(jìn)行煤炭自燃風(fēng)險判別，并以我國典型煤礦采煤工作面為例，科學(xué)測算評估煤炭開采中的自燃風(fēng)險水平。

1 指標(biāo)體系構(gòu)建

煤炭自燃影響因素眾多，它的發(fā)生不僅取決于煤的自身性質(zhì)，還受開采、通風(fēng)、地質(zhì)等多種因素影響[10-12]。基于此，筆者綜合分析采煤工作面煤炭自燃的影響因素。

1)最短自然發(fā)火期。最短自然發(fā)火期(t1)是指煤層開采暴露在空氣中到發(fā)生自然發(fā)火所經(jīng)歷的最短時間。時間越短，表示越容易自燃。它能夠直觀地反映出煤氧化自燃熱效應(yīng)的強(qiáng)弱，是評價煤自燃危險程度的宏觀表征參數(shù)，也是自燃危險程度在特定條件下的時間表征參數(shù)[12]。

2)工作面漏風(fēng)強(qiáng)度。采空區(qū)漏風(fēng)有兩方面的作用：一是為采空區(qū)遺煤自燃提供氧氣；二是帶走遺煤自燃所產(chǎn)生的熱量。按照自燃三帶傳統(tǒng)劃分法，漏風(fēng)速度為0.1m/min≤QL≤0.24m/min為氧化帶。但是漏風(fēng)速度難以實(shí)際測量，可以通過工作面漏風(fēng)強(qiáng)度間接測算，工作面漏風(fēng)強(qiáng)度(ΔQl)和進(jìn)風(fēng)量、工作面長度、采高、采空區(qū)封閉質(zhì)量等因素有關(guān)，通過式(1)進(jìn)行測算[13]：

式中，ΔQl為工作面漏風(fēng)強(qiáng)度，m3/(m2·min)；Q進(jìn)，Q回分別為采面實(shí)測進(jìn)風(fēng)量和回風(fēng)量，m3/min；L、H采分別為工作面長度和開采高度，m；Q為采面供風(fēng)量，m3/min。

3)氧化帶持續(xù)供氧時間。氧化帶長度隨著工作面向前推進(jìn)而動態(tài)變化。氧化帶長度決定了采空區(qū)自燃的范圍，工作面對氧化帶的持續(xù)供氧時間(t2)決定了采空區(qū)自燃的可能性，持續(xù)供氧時間越長，自燃可能性越大。

4)浮煤厚度。浮煤厚度(H)是煤炭自燃發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。浮煤堆積厚度越大，發(fā)生氧化反應(yīng)所放出的熱量越大，自燃的幾率就越大。浮煤厚度與開采方式、回采率、煤層厚度、破碎程度等因素有關(guān)，可以通過間接測算方式進(jìn)行估算，放頂煤開采、一次采全高分別見式(2)、式(3)[14]。

H=K[H采(1-α)+(M-M1)(1-β)+m1]+m2(2)

H1=K[M(1-α)+m1](3)

式中，H、H1分別為放頂煤開采和一次采全高采空區(qū)浮煤厚度，m；K為煤松散系數(shù)，取1.5；α為工作面回采率；β為綜采放頂煤的頂煤回收率，一般在0.7左右；M為煤層厚度，m；m1為上部冒落范圍內(nèi)的不可采煤層的累計厚度，m；m2為上部老空區(qū)遺煤估計厚度，m。

5)區(qū)域圍巖溫度。區(qū)域圍巖溫度(T)升高，能增大煤的氧化活性，反應(yīng)速度加快，放出大量熱量，反之散熱能力降低，為煤炭自燃提供了良好的蓄熱環(huán)境。

6)工作面推進(jìn)速度。工作面推進(jìn)速度(V)快慢與地質(zhì)構(gòu)造、設(shè)備故障等因素有關(guān)，正常推進(jìn)時間可以減少連續(xù)定點(diǎn)漏風(fēng)時間，氧化帶持續(xù)供氧條件縮短，進(jìn)而降低煤炭自燃的可能性。

2 反熵權(quán)法賦權(quán)模型構(gòu)建

熵權(quán)法(Entropy Method，EM)是將熱力學(xué)中的“熵”的概念引入到信息論中，用于度量信息不確定的一種方法。傳統(tǒng)熵權(quán)法生成的權(quán)重對指標(biāo)差異度敏感性較大，在權(quán)重分配時可能會出現(xiàn)個別權(quán)重過大或過小的情況。而反熵權(quán)法[15](Anti-Entropy Method，AEM)對指標(biāo)差異度的敏感性較弱，可以避免上述情況。反熵權(quán)法的主要步驟如下：

1)建立原始數(shù)據(jù)矩陣。

式中，X為原始數(shù)據(jù)矩陣，m為評價對象的數(shù)目，n為評價指標(biāo)的數(shù)目。

2)原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。對越大越優(yōu)的指標(biāo)按式(4)處理，對越小越優(yōu)的指標(biāo)按式(5)處理，則可得到標(biāo)準(zhǔn)化處理后的矩陣Y。

3)計算第j個評價指標(biāo)的反熵值Ej。

4)根據(jù)所求得的各個指標(biāo)的反熵值，計算第j個評價指標(biāo)的權(quán)重wj。

3 集成評估模型設(shè)計

采用理想點(diǎn)法(TOPSIS)[15]對我國不同采煤工作面煤炭自燃風(fēng)險程度進(jìn)行對比和排序分析，由于本文所建立指標(biāo)均為定量指標(biāo)，理想點(diǎn)評估法可以更好地體現(xiàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)所反映的信息。理想點(diǎn)法的基本思想是通過計算待評價對象與正理想方案和負(fù)理想方案之間的歐式距離，決策待評對象的優(yōu)劣。與正理想方案之間距離越近、與負(fù)理想方案之間距離越遠(yuǎn)，方案越優(yōu)；反之，則方案越劣。步驟如下：

1)建立決策矩陣X。

2)數(shù)據(jù)無量綱化處理后得到矩陣Y。

3)計算加權(quán)規(guī)范化決策矩陣。加權(quán)規(guī)范化決策矩陣Z=(zij)m×n，其中，Zij為Zij=Y×wj。

6)計算綜合評價值。各評價方案的綜合評價值可由式(11)計算得出：

式中，Ai為第i個點(diǎn)的風(fēng)險程度，即為第i個采煤工作面的自燃風(fēng)險程度，取值為[0，1]。Ai越大，表示該樣本自燃風(fēng)險越大。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)收集及預(yù)處理

數(shù)據(jù)來源于相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)際礦井。為了消除評價指標(biāo)的量綱影響，使各評價指標(biāo)具有可比性，需對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。由上述自燃影響因素分析可知，ΔQl、t2、H、T越大時越易自燃，自燃風(fēng)險水平越高；t1、V越小越易自燃，自燃風(fēng)險水平越高。根據(jù)式(4)、式(5)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，見表1。

表1 我國典型煤礦采煤工作面煤炭自燃風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

4.2 反熵權(quán)法計算客觀權(quán)重

將表1中的數(shù)據(jù)代入式(6)，得到各個評價指標(biāo)的反熵值為：

Ej=[0.0970 0.1304 0.1089 0.1478

0.0883 0.0764]

再由式(7)求得各評價指標(biāo)的反熵權(quán)為：

wj=[0.1494 0.2010 0.1678 0.2278

指標(biāo)的權(quán)重從大到小排序?yàn)椋焊∶汉穸菻、工作面漏風(fēng)強(qiáng)度ΔQl、氧化帶可持續(xù)時間t2、最短自然發(fā)火期t1、區(qū)域圍巖溫度T、工作面推進(jìn)速度V。

4.3 基于理想點(diǎn)法的評估模型測算

根據(jù)第3小節(jié)中的計算步驟，對我國15個典型煤礦采煤工作面自燃風(fēng)險水平Ai進(jìn)行測算，測算結(jié)果見表2。Ai越接近1，自燃風(fēng)險越高，從表2中可以看出，6號樣本自燃風(fēng)險水平最高，2號樣本自燃風(fēng)險水平最低，與實(shí)際相符。煤自燃傾向性[10]反映了煤自身的物理化學(xué)性質(zhì)與其自然發(fā)火特征之間的關(guān)聯(lián)性，是煤自燃特性的重要指標(biāo)。根據(jù)煤在低溫氧化條件的吸氧量，分為易自燃Ⅰ、自燃Ⅱ、不易自燃Ⅲ3類。樣本中Ai>0.5的有6個，其中4個樣本煤炭自燃傾向性為易自燃，說明煤炭自燃傾向性高的煤層自燃風(fēng)險水平相對較高；2號樣本煤炭自燃傾向性為易自燃，但綜合評價自燃風(fēng)險最低，說明可靠的防自燃措施可以有效降低自燃風(fēng)險水平。

表2 我國典型煤礦采煤工作面煤炭自燃風(fēng)險水平測算結(jié)果

4.4 測算結(jié)果分析

不同的指標(biāo)反映不同的自燃風(fēng)險致因，預(yù)警結(jié)果得出后需要根據(jù)風(fēng)險水平進(jìn)行分級管控，對隱患進(jìn)行排查治理。自燃風(fēng)險水平相對較高的樣本中，6、12、4、15、10、9號樣本是自燃風(fēng)險嚴(yán)重的礦井，應(yīng)綜合排查防治自燃的管控措施，找到薄弱環(huán)節(jié)；12、10、15號樣本采空區(qū)浮煤厚度都較大，需要重點(diǎn)對遺煤進(jìn)行管控；4、10、13、15號樣本氧化帶持續(xù)時間t2超過煤炭最短自然發(fā)火期t1，且超出時間較長，需要追溯工作面推進(jìn)速度V變慢的原因。自燃風(fēng)險水平相對較低的樣本中，1號樣本氧化帶可持續(xù)時間t2超過最短自然發(fā)火期t1，但工作面漏風(fēng)強(qiáng)度ΔQl最低，需要查找工作面推進(jìn)速度V變慢的原因；11、14號樣本是厚煤層開采，浮煤厚度H較大，但其氧化帶長度最短，工作面推進(jìn)速度V較快，需要對遺煤進(jìn)行重點(diǎn)管控。

5 結(jié) 論

1)對影響煤炭自燃的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了量化，針對指標(biāo)體系特點(diǎn)，設(shè)計了反映客觀權(quán)重的反熵權(quán)賦權(quán)法以及基于理想點(diǎn)法的集成評估模型，避免了權(quán)重賦權(quán)中主觀因素和人為因素的影響。

2)煤炭自燃傾向性高的煤層不一定自燃風(fēng)險高，需要綜合地質(zhì)、開采、通風(fēng)等因素綜合評估；對于地質(zhì)條件復(fù)雜的高瓦斯或沖擊礦壓礦井，應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)強(qiáng)度，或通過注氮等方式稀釋采空區(qū)的氧濃度；采空區(qū)浮煤厚度、氧化帶持續(xù)供養(yǎng)時間、區(qū)域圍巖溫度等會影響采空區(qū)煤炭的最短自然發(fā)火期，尤其由于生產(chǎn)原因?qū)е卵趸瘞С掷m(xù)供氧時間變長時，應(yīng)加強(qiáng)對煤炭自燃的監(jiān)測。

3)煤礦自燃預(yù)防需要“關(guān)口”前移，此模型能科學(xué)判斷比較不同采煤工作面自燃風(fēng)險程度，以及影響自燃各指標(biāo)的表現(xiàn)和差異，有助于管理人員進(jìn)行采煤工作面自燃預(yù)測和預(yù)防措施的制定。