任江朋

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041204)

隨著社會的發(fā)展,各個(gè)國家對于環(huán)境保護(hù)意識的提高,各國都在提倡節(jié)能減排,并大力開發(fā)各種形式的清潔能源,以期代替煤炭這種不可再生的一次性能源,但是效果卻不是很理想,所以煤炭資源在未來很長一段時(shí)間內(nèi)依然是主要能源。如果能夠通過技術(shù)手段清潔高效利用,那么將會很快達(dá)到“碳中和”的目標(biāo)。電力、鋼鐵、建材以及化工行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)行業(yè),對煤炭的需求量仍然是巨大的,約占煤炭總消費(fèi)量的80%[1]。煤炭需求量的增加推動(dòng)著煤炭開采技術(shù)的迅速發(fā)展,煤炭年產(chǎn)量日趨上升,隨之而來的問題是采空區(qū)內(nèi)的遺煤總量也在逐漸增多,一旦環(huán)境條件滿足煤自燃的4個(gè)必備條件就會產(chǎn)生自然發(fā)火危險(xiǎn)。眾所周知,災(zāi)害防治遠(yuǎn)比災(zāi)后治理意義重大,因此眾多學(xué)者針對煤自燃危險(xiǎn)性評價(jià)等級進(jìn)行了大量研究,以期能夠做到有效預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃。徐精彩等[2]對標(biāo)準(zhǔn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行了改進(jìn),將改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型應(yīng)用于煤自燃特性參數(shù)的預(yù)測,取得了較好的效果;朱令起等[3]基于灰色關(guān)聯(lián)理論建立了煤自燃評判模型;張紅芬等[4]分析了影響煤自燃的因素,運(yùn)用模糊理論建立了模糊綜合評價(jià)模型,并對雞西某礦工作面進(jìn)行了自燃危險(xiǎn)等級判定;孫政等基于屬性數(shù)學(xué)理論,建立了采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)性預(yù)測及分級的屬性識別法;左云飛[5]建立了采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性評價(jià)的熵權(quán)物元可拓模型對新集二礦采空區(qū)進(jìn)行了危險(xiǎn)性評價(jià)。由于煤自燃受到多種因素和外部復(fù)雜環(huán)境的影響,所以在選取評價(jià)指標(biāo)和確定權(quán)重的過程中要具有科學(xué)性和合理性,這會直接影響最終的評價(jià)結(jié)果。層次分析法可以對定性指標(biāo)進(jìn)行定量化處理,并且仍然能夠體現(xiàn)出定性分析的科學(xué)性和定量分析的準(zhǔn)確性,不僅如此,它還是一種保證定性和定量指標(biāo)綜合評價(jià)統(tǒng)一性的一種方法[6]。由于煤自燃危險(xiǎn)性評價(jià)問題較為復(fù)雜,只靠相關(guān)數(shù)據(jù)是無法真正反應(yīng)實(shí)際情況的,因此專家及現(xiàn)場人員的經(jīng)驗(yàn)在煤自燃危險(xiǎn)性評價(jià)中起著重要作用。模糊綜合評價(jià)法可以對蘊(yùn)含模糊信息的對象做出合理、科學(xué)、貼合實(shí)際的量化評價(jià)。因此,筆者擬采用層次分析法確定自燃危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,然后利用模糊綜合評價(jià)法計(jì)算并分析危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果,以此實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)遺煤自燃危險(xiǎn)性的評價(jià)研究。

1 煤自燃危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)體系

煤自燃危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建能夠直接決定評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確與否,眾多學(xué)者從不同角度選取了影響煤自燃的指標(biāo)。王福生等[7]從內(nèi)因角度建立了煤自燃傾向性預(yù)測模型;江澤標(biāo)等[8]從煤自燃所需的供氧、蓄熱條件入手建立了評價(jià)指標(biāo)體系;牛寶云等[9]考慮了煤自燃的內(nèi)因和外因,并對外因進(jìn)行了更加詳細(xì)的劃分,評價(jià)指標(biāo)體系共分為4層;馮海明等[10]從煤自燃傾向性、地質(zhì)條件及開采技術(shù)條件3個(gè)方面進(jìn)行了指標(biāo)選取;謝振華等[11]按照煤體的氧化放熱性能、供氧條件以及煤體的蓄放熱環(huán)境對煤自燃危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了劃分。本文充分考慮了以上學(xué)者們的劃分標(biāo)準(zhǔn),遵循系統(tǒng)工程原理,按照“人-機(jī)-環(huán)-管”4方面不安全因素劃分煤自燃危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)體系,如圖1所示。

圖1 煤自燃危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)體系

2 煤自燃危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.1 判斷矩陣

根據(jù)煤自燃危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)體系建立階梯層次結(jié)構(gòu),假設(shè)第一層指標(biāo)Bi為準(zhǔn)則,第二層指標(biāo)Ci受第一層指標(biāo)Bi的支配,因此我們把Ci對于Bi的相對重要性視為權(quán)重。對指標(biāo)重要程度進(jìn)行賦值,賦值依據(jù)表1所示的標(biāo)度含義,然后依次進(jìn)行兩兩比較建立B-A、C1-6-B1、C7-11-B2、C12-16-B3、C17-20-B4等判斷矩陣,如表2～表6所示。

表1 標(biāo)度的含義

表2 B-A判斷矩陣

表3 C1-6-B1判斷矩陣

表4 C7-11-B2判斷矩陣

表5 C12-16-B3判斷矩陣

表6 C17-20- B4判斷矩陣

2.2 和積法計(jì)算權(quán)重系數(shù)

1) 比較矩陣A按照列進(jìn)行規(guī)范化處理。

(1)

(2)

3) 規(guī)范化處理(2)中的結(jié)果,得到ωi.

(3)

2.3 一致性檢驗(yàn)

1) 計(jì)算判斷矩陣的最大特征向量λmax.

(4)

2) 計(jì)算一致性指標(biāo)CI.

CI=(λmax-n)/(n-1)

(5)

3) 計(jì)算一致性比例CR,其中平均隨機(jī)一致性指標(biāo)如表7所示。

表7 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

(6)

如果CR<0.1,則認(rèn)為可以通過一致性檢驗(yàn);當(dāng)CR≥0.1時(shí),則需要對判斷矩陣做出適當(dāng)修正。

2.4 評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

3 模糊綜合評價(jià)模型

以上述對煤自燃危險(xiǎn)性因素的分析為基礎(chǔ)建立模糊綜合評價(jià)模型,評價(jià)步驟如下:

3.1 權(quán)重集

煤自燃危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)共20個(gè),各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值按照表8中的組合權(quán)值進(jìn)行賦權(quán),組成評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重集A.

表8 專家評價(jià)結(jié)果

3.2 評價(jià)集

為了能夠更加準(zhǔn)確地劃分煤自燃危險(xiǎn)性等級,將自燃危險(xiǎn)性等級劃分為很危險(xiǎn)(v1)、危險(xiǎn)(v2)、一般(v3)、較安全(v4)以及安全(v5)5個(gè)等級,以集合的形式表示為:V={v1,v2,v3,v4,v5}。

3.3 評價(jià)矩陣

邀請專家進(jìn)行打分,從而確定單一因素對煤自燃危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)的隸屬度,并將其逐行排布,寫成矩陣的形式,則可以得到評價(jià)矩陣R= (rij)20×5(i=1,2,…,20;j=a,b,c,d)。

3.4 模糊綜合評價(jià)模型

將評價(jià)指標(biāo)權(quán)重集A和模糊關(guān)系矩陣R融合,建立模糊綜合評價(jià)模型B=A·R,經(jīng)過模糊綜合評價(jià)模型計(jì)算,可以得到各評價(jià)對象的矢量結(jié)果,然后依據(jù)隸屬度最大的原則得出評價(jià)結(jié)果并結(jié)合具體工程背景做出詳盡的分析。

4 工程實(shí)例應(yīng)用

某礦井的主要開采煤層位于侏羅系中統(tǒng)延安組,煤層編號為14號煤層,傾角最大30°,平均厚度為26.42 m,屬于低變質(zhì)的長焰煤和不粘煤,煤層以中、低硫煤為主,屬于高熱值煤,煤的灰分以特低灰和低灰為主,揮發(fā)分屬于中高和高揮發(fā)分。礦井采用斜井和立井聯(lián)合開拓,由于受到斷層的影響井田被劃分成2個(gè)采區(qū),采用綜采方式開采。回采工作面采用走向長壁采煤法,采高為3.3 m,推進(jìn)速度為2.4 m/d,回采率為87%.礦井通風(fēng)方式為中央并列抽出式,總進(jìn)風(fēng)量和總回風(fēng)量均為4 548 m3/min,工作面為典型的U型通風(fēng),通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。該礦井屬于低瓦斯礦井,煤層屬于容易自燃煤層,自燃等級為Ⅰ級,煤塵爆炸指數(shù)為32.18%.為了預(yù)防采空區(qū)火災(zāi),礦井配備了束管監(jiān)測系統(tǒng)和注漿、注氮防滅火系統(tǒng)以及安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

4.1 評價(jià)集隸屬度

邀請10位煤礦領(lǐng)域內(nèi)的權(quán)威專家,依據(jù)礦井實(shí)際情況,各自以20個(gè)危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)為考察標(biāo)準(zhǔn),對煤自燃危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)。評判的隸屬度指的是針對每個(gè)危險(xiǎn)性等級的專家打分人數(shù)占專家總數(shù)的百分比,評價(jià)結(jié)果如表8所示。

將表8中的評判隸屬度數(shù)據(jù)表示成矩陣形式,即判斷矩陣:

4.2 模糊評價(jià)結(jié)果

利用B=A·R通過計(jì)算得出模糊綜合評價(jià)結(jié)果,即B=[0.303 0.324 0.245 0.143 0.087],標(biāo)準(zhǔn)化處理后為B＇=[0.28 0.30 0.22 0.13 0.07]。由B＇可以直觀地看出,0.30為隸屬度矢量中的最大值,又因?yàn)?.30所對應(yīng)的危險(xiǎn)性等級為危險(xiǎn),故最終的模糊綜合評價(jià)結(jié)果為開采煤層的自燃危險(xiǎn)性屬于危險(xiǎn)等級。經(jīng)查閱相關(guān)資料得知,此礦井改擴(kuò)建5年來發(fā)生過2次自燃事故,在之后的生產(chǎn)過程中由于采取的技術(shù)得當(dāng),及時(shí)抑制了煤自燃的進(jìn)一步發(fā)展,消除了煤自燃隱患。因此說明本文的模糊綜合評價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際自燃情況相吻合。

5 結(jié) 語

1) 本文從“人-機(jī)-環(huán)-管”4個(gè)方面不安全因素進(jìn)行詳細(xì)分析,建立了4個(gè)一級指標(biāo),又進(jìn)一步對一級指標(biāo)進(jìn)行了更深層次的劃分,并將煤自燃危險(xiǎn)性等級劃分為5級,能夠更加全面、準(zhǔn)確地反映煤的自燃危險(xiǎn)程度。

2) 采用層次法對各層次評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行了計(jì)算,將非定量事件作為定量事件進(jìn)行分析,能夠保證定性分析的科學(xué)性和定量分析的精確性,克服了傳統(tǒng)權(quán)重系數(shù)確定方法的主觀性。

3) 模糊綜合評價(jià)模型的評價(jià)結(jié)果與礦井煤自燃實(shí)際情況相吻合,充分說明了該模型的合理性和可行性。