武澤偉，汪 偉,2*，祁 云,2，梁 然

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西大同 037003；2.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，遼寧阜新 123000）

隨著采煤技術的發(fā)展，采煤效率也在提升，而采空區(qū)遺煤量大、漏風分布復雜、冒落空間大等問題層出不群，使得采空區(qū)遺煤自然發(fā)火時有發(fā)生[1-3]。很多學者對煤自燃風險評價開展了研究，評價結果的準確性不斷提高[4-7]。這些研究對預防煤自燃起到推動作用，但由于分析影響煤自燃的主次因素不夠明確，大小排序籠統(tǒng)，評價結果只是對煤自燃危險性進行評價定級[8-9]。

鑒于此，有必要建立一套較為全面的采空區(qū)煤炭自燃風險指標體系。層次分析法（AHP）的評價指標權值差距大，忽略權值小的指標的重要性，而決策實驗與評價實驗室法（DEMATEL）可分析各指標間相互影響的關系；采用DEMATEL法難以分析風險因素的影響程度，而AHP 法重點分析各指標對評價對象的權重。筆者擬采用DEMATEL 和AHP 兩種方法相耦合的方式，增加評價的客觀性，以期為采空區(qū)遺煤自燃風險評價提供經驗借鑒和理論依據[10]。

1 采空區(qū)自燃風險評價指標體系

采空區(qū)遺煤自燃需要3個條件：①煤具有自燃傾向，以破碎狀態(tài)存在；②持續(xù)供氧條件；③有積聚氧化熱的環(huán)境[11-12]。

東古城井田主要開采的22號煤層變質階段為1/3 JM，煤層平均含硫量為1.72%，原煤揮發(fā)分為38.87%～42.22%，浮煤揮發(fā)分在37.82%～41.92%，屬高揮發(fā)分煤。井田的地質構造簡單，斷層很少，無巖漿巖侵入，各煤層比較疏松，孔隙率也較大，還具有一定的脆性，開采傾角2°～8°的厚煤層采用長臂式采煤法后退式回采，回采工作面最短自然發(fā)火期為80 d。結合東古城煤礦Z109綜采工作面的實際情況和查閱資料，將影響采空區(qū)自燃的原因分為開拓開采技術、煤的自然傾向性、采空區(qū)的漏風、蓄熱環(huán)境下持續(xù)氧化共四類，四個條件共存，存在時間比煤自然發(fā)火期長，就會引發(fā)遺煤自燃。具體采空區(qū)自燃風險評價指標層次結構如圖1。

圖1 采空區(qū)自燃發(fā)火評價指標層次結構

2 基于DEMATLE-AHP 模型的自燃風險評價方法

2.1 決策試驗與評價實驗室分析法

DEMATEL 是一種基于圖論和矩陣下的系統(tǒng)分析方法[13]，主要分析系統(tǒng)中各要素之間的邏輯關系和對應的關聯(lián)，建立直接影響矩陣，在此基礎上計算各要素的影響度、被影響度、中心度和原因度，最終得出要素之間的因果關系以及各要素在系統(tǒng)中的權重和因果關系[14-15]。

（1）確定每個要素之間的直接影響程度。邀請10 名相關從事煤礦安全方面專家，采用專家打分法形成風險影響因素直接影響矩陣C：

式中：cij為因素ci對cj的直接影響程度,i，j=1,2,3,…,n。

（2）對直接影響矩陣進行歸一化處理，得到歸一化的直接影響矩陣。采用行和最大值法對矩陣C的因素進行歸一化，根據式(2)得到規(guī)范影響矩陣B，見表2。

表2 規(guī)范化直接影響矩陣

（3）構建綜合影響矩陣Z，表示系統(tǒng)因素間直接和間接影響的組合結果[16]。規(guī)范影響矩陣一直自乘后，矩陣所有值都將接近0，即。因此，綜合影響矩陣Z由式(3)得到，見表3。

表3 綜合影響矩陣

式中：I為單位矩陣。

（4）計算每個要素的影響度hi、被影響度li、中心度xi以及原因度yi。影響度hi指本因素在系統(tǒng)中的影響力。被影響度li指系統(tǒng)中其它因素對自身的影響力。中心度xi指因素在系統(tǒng)中所起作用的大小。原因度yi大于0，為原因要素，否則為結果要素[17]。上述公式如式（4），計算可得到表4。以中心度xi為橫坐標，原因度yi為縱坐標，繪制因果圖，如圖2。

表4 影響度、被影響度、中心度以及原因度

圖2 影響因素原因結果

綜合表4 和圖2 可知，C4煤巖的成分、C6煤層含水量、C14均壓技術措施、C17頂板垮落及性質、C20最短發(fā)火期的中心度和原因度都較大，表明這五個因素對采空區(qū)自燃的影響較大。

2.2 層次分析法

層次分析法就是將所研究的問題作為一個系統(tǒng)，分解為各個目標，化整為零，通過指標的模糊定量方法計算層次權重，將其作為優(yōu)化決策目標的系統(tǒng)方法[18]。

采用專家打分原則，構建判斷矩陣。比較各級指標因素得到判斷矩陣，并采用四舍五入法近似確定準則層的判斷矩陣，使得判斷矩陣中的aij為整數(shù)，用同樣的方法得到指標層的判斷矩陣和各指標的權重。要求判斷矩陣必須通過一致性檢驗。一致性指標公式為：

式中：n為因子個數(shù)；λmax為最大特征根。

平衡水分是研究金銀花干燥特性和安全貯藏的重要參數(shù),它的高低代表金銀花吸收水分和放出水分的難易程度。在金銀花干燥和貯藏過程中,平衡含水率不但決定了在一定干燥條件下所能達到的最低水分,而且直接影響金銀花的干燥速度。同時，平衡含水率還決定金銀花在貯藏過程中能否安全貯藏，是指導實際生產所必不可少的參數(shù)[1]。

最大特征根計算公式為：

一致性比例計算公式為：

式中：RI是平均隨機性一致指標，取值見表5；CR＜0.1時，判斷矩陣通過一致性檢查。

表5 RI 值

通過上述計算，可得一級指標的判斷矩陣A～B，二級判斷矩陣B1～(C1～C3)，B2～(C4～C10)，B3～(C11～C15)，B4～(C16～C20)以及各項權重矩陣、最大特征根、一致性指標如下：

通過一級、二級判斷矩陣可知：影響東古城煤礦采空區(qū)自燃的一級指標中，蓄熱環(huán)境下持續(xù)氧化的權重較大；在二級指標中，C2采煤方法、C10煤的吸氧速率、C11通風系統(tǒng)安全性、C15漏風通道封堵、C20最短發(fā)火期的權重較大，表明這5個因素對采空區(qū)自燃的影響較大。

3 綜合評價

3.1 綜合影響度計算

DEMATEL 法和AHP 法都采用專家打分原則，為了避免主觀片面性，筆者采用兩者耦合，將決策實驗法和層次分析法的影響進行綜合，利用式(8)計算出綜合影響度見表6。

表6 綜合影響度

式中：Xi為中心度；Wi為二級指標權重；Wj為一級指標權重；i,j=1,2,…,n。

由表6 可以得出結論：C8粒度孔隙率、C10煤的吸氧速率、C18煤層埋藏深度、C19工作面推進速度、C20最短發(fā)火期的影響采空區(qū)自然發(fā)火的權重分別占到了0.0644、0.0782、0.0791、0.1024、0.1613，說明對采空區(qū)自燃危險性影響較大。

針對東古城礦得出最底層各影響因素C1、C2、…、C20對最高層因素A的影響權重向量為：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 評價結果計算

根據東古城煤礦安全現(xiàn)狀，制定采空區(qū)自燃安全性評價等級，見表7。

表7 采空區(qū)自燃評價因素評分標準

對東古城煤礦采空區(qū)遺煤自燃安全性進行評分，其結果為：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，其綜合得分為：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為采空區(qū)煤自燃火災安全性總得分。結合表8可知，采空區(qū)煤自燃危險級別為Ⅱ級，容易發(fā)生火災。

表8 自燃火災安全等級劃分

4 結論

（1）針對東古城煤礦Z109 綜采工作面的實際情況，選取了20 個評價指標構建采空區(qū)自燃風險評估指標體系，通過耦合DEMATEL 法與AHP 法，建立DEMATEL-AHP 采空區(qū)自燃風險評價模型，減少了使用單一評價方法主觀性，更加符合實際，最終計算綜合影響度得到了較準確的采空區(qū)自燃影響指標權重，不僅適用于東古城煤礦Z109工作面，也為其它工作面的采空區(qū)遺煤自燃危險性提供了依據，為評價采空區(qū)遺煤自燃提供了一種新方法。

（2）C8粒度孔隙率、C10煤的吸氧速率、C18煤層埋藏深度、C19工作面推進速度、C20最短發(fā)火期等5個指標綜合權重大，對東古城煤礦采空區(qū)自燃影響較大。東古城煤礦應該針對自燃影響重大因素，加強和改進采空區(qū)自燃火災防控措施，避免煤礦火災的發(fā)生。

（3）結合Z109綜采工作面安全現(xiàn)狀，對采空區(qū)遺煤自燃安全性評價結果為79.76，得出采空區(qū)遺煤自燃危險等級為Ⅱ級，屬于容易發(fā)生火災，符合東古城煤礦的實際情況。伴隨著動態(tài)因素如采動、地壓等的影響，應加強采空區(qū)遺煤自燃監(jiān)測和防治工作。