层次分析法结合理想点法

我国北方典型矿井煤自燃危险性对比研究郝朝瑜陈艳玲汪婷顾维（1辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新123000）摘要：为了更有效地预防矿井中煤自燃引起的火灾，采取合理的措施，通过分析建立了影响煤自燃的内在和外在影响因素指标体系，结合我国东北、华北、西北典型矿井的实际情况，运用层次分析法建立典型矿井煤自燃危险性评估的数学模型，并利用理想点法建立数学模型对典型矿井煤自燃危险性进行综合评价。研究结果表明，东北地区的南山煤矿虽然煤的变质程度是气煤，煤的变质程度最高，原煤水分最小的矿井，但由于其煤层厚度大、煤层倾角大、工作面回采率低、平均回采速度小等原因，其发生煤自燃危险的程度最高；西北的酸刺沟煤矿和东北的南山煤矿煤自燃危险程度接近并略低于南山煤矿；华北的宣东煤矿由于煤层厚度小、工作面回采率高等原因，煤自燃危险性最小。分析结果能够科学定量的给出煤自燃的危险程度，并找出影响矿井煤自燃的主要因素，为矿井采取适当的措施提供依据。关键词：煤自燃；层次分析法；矿井火灾；危险性中图分类号：X936文献标识码：A文章编号：RiskanalysistypicalofnorthernChinacoalminespontaneouscombustionHaoChaoyuChenYanlingWangTingGuWei(1CollegeofSafetyScience&EngineeringLiaoningTechnicalUniversity,FuxinLiaoning123000,China)Abstract：Inordertomoreeffectivelypreventtheminecoalspontaneouscombustioncausedbythefire,takereasonablemeasures,throughtheanalysistoestablishtheinternalandexternalinfluencefactorsaffectingcoalspontaneouscombustionindexsystem,combinedwithChina'snortheast,northChina,northwesttypicalmine'sactualsituation,usingtheanalytichierarchyprocess(ahp)toestablishthemathematicalmodeloftypicalcoalminespontaneouscombustionriskassessment,andtheidealpointmethodisusedtoestablishthemathematicalmodeloftypicalcoalminespontaneouscombustionriskcomprehensiveevaluation.Theresearchresultsshowthatthenortheastregionofnanshancoalminewhilethemetamorphicdegreeofcoalisgascoal,coalmetamorphicgrade,highestrawcoalmoisturesmallestmine,butduetotheirlargethicknessofcoalseam,largedipAngleofcoalseam,miningfacerateislow,andthereasonofsmallaveragerecoveryrate,thehighestdegreeofcoalspontaneouscombustiondangerous;AcidstingditchcoalmineinthenorthwestandnortheastofNanShancoalminecoalspontaneouscombustiondangerdegreeapproachandslightlylowerthanNanShancoalmine;XuanDongcoalmineinnorthChinabecauseofthesmallthicknessofcoalseam,theminingfaceratehigher,coalspontaneouscombustionriskisminimal.Analysisresultscanscientificandquantitativeriskofcoalspontaneouscombustionisgiven,andfindoutthemainfactorsinfluencingtheminecoalspontaneouscombustion,providethebasisforminetotakeappropriatemeasures.Keywords:CoalSpontaneousCombustion;AnalyticHierarchyProcess;TheMineFire;Risk0引言煤自燃严重影响矿井的安全生产。我国的东北、华北和西北地区是全国煤炭的主要生产基地，同时又都受到煤自燃火灾的威胁。由于上述地区在煤变质程度、矿井地质条件、开采方法和通风条件等方面各不相同，因此不能定量准确的预知开采煤层煤自燃的危险程度，在防灭火技术使用上也缺乏依据，存在过度和不足并存的局面，不能做到科学合理。针对以上情况，国内外许多学者应用不同的研究方法对煤自燃危险性进行了研究。胡英俊［1］、张丑宏⑵、冯海明［3］、江泽标⑷等建立了基于BP神经网络的煤层自燃危险性评价模型，并进行实例分析。牛宝云［5］等建立了煤层自然发火危险性综合评估体系，并采用VB软件进行编程实现了可视计算界面;吴建琼侬］等用灰色系统理论建立了矿井煤炭自燃的早期灰色预测模型；谢振华口等运用模糊综合评价法预测煤炭自燃。邓军⑻等运用层次分析法等方法建立了煤自燃的危险性综合评价模型，从“人-机-环-管”系统原理角度出发，建立了多层次的煤自燃危险性评价指标体系。王明重［9］等采用层次分析法确定各评价指标的权重，构建了基于确定不确定信息的分析模型，对采空区遗煤自燃危险性进行评价研究。从以上研究结果不难看出，层次分析法的应用在近期越来越普遍，原因是煤自燃影响因素的多样性和外部影响环境的复杂性造成的，而煤自燃危险性程度研究的准确性指标的选取及权重的确定是决定性因素。层次分析法构建的阶梯层次模型逻辑清晰，考虑元素全面，因此应用较为广泛。本文利用层次分析方法，构建了综合考虑煤自燃特性的内因和地质、开采、通风等外在影响因素综合指标体系，并结合理想点法对我国北方不同矿井煤自燃的危险程度进行综合评价。研究结果能够为提高我国矿井对煤自然危险性辨识能力，采取科学合理的预防措施奠定基础。1矿井开采条件我国煤炭资源总体呈北多南少、西多东少的局面，北方（尤其是西北）是我国主要的产煤基地。在我国北方的东北、西北和华北地区，煤的变质程度与地质条件等各不相同。西北地区以内蒙西部为代表是以长焰煤为主的低变质程度烟煤，东北三省和华北地区是以弱粘煤和气煤为主的中低变质程度烟煤。地质条件方面同样存在很大差别，西北地区煤层稳定，厚度大，倾角较小，埋藏较浅；华北地区煤层埋藏较深，以中厚为主，水分与井下温度均较高；东北地区煤层倾角大，厚度变化也较大，地质条件复杂。这样的赋存条件同样造成各个地区煤层开采条件差异较大。在上述地区分别选择较为典型的矿井做进一步分析。东北地区选择鹤岗的南山煤矿、华北地区选择张家口的宣东煤矿和西北地区选择鄂尔多斯的酸刺沟煤矿。其煤的自燃特性、地质条件、开采条件和通风条件如表1所示：采工作面回采率80%95%843%掘平均回平速度20m/d32m/d84m/d诵风系统umi/多翼对角.omwt中央边界式j*.lit］,u中央边界式通风通风设施（通风系统及构筑物新旧程度完好度等）开采超过几十年的老矿井开采十几年的中年矿井新设计的特大型现代化矿井2模型的建立2.1煤自燃危险性指标体系根据影响煤自燃的内在及外在因素，采用层次分析法确定各目标的权重。目标层为煤自燃危险性，一级指标为自然属性B1、采掘技术B2、通风管理B3、地质赋存B4,即4个一级指标。煤自然属性包括煤中硫和其他矿物质含量C1、水分C2、瓦斯含量C3、煤岩成分C4、变质程度C5等5个二级指标采掘技术包括回采率C6、采掘速度C7等2个二级指标。通风管理包括通风系统C8、通风设施C9等2个二级指标。地质赋存包括煤层倾角C10、煤层厚度C11、顶板岩性C12等4个二级指标。基于上述判断，可得出煤自燃危险性层次结构，如图1所示。煤自燃危险性

A自燃属性B1采掘技术B2变质程度IC5_

煤岩成分IC4I

瓦斯含量I(33

水分庭

硫含量IC1I采掘速度IC7

回采率IC6I通风管理B3地质赋存B4通风设施C9

通风系统C8I图1煤自燃危险性分析表1矿井开采条件Tab・1Themineminingconditions因素'矿井南山煤矿盆底区北翼18层三分段综放工作而宣东煤矿209综采工作面酸刺沟煤矿6107综放工作面硫含量特低038%低065%低07%煤自然属性—原煤水分瓦斯375%高瓦斯455%突出78%瓦斯煤岩成分亮煤为主，少量暗煤夹镜煤镜煤亮煤、镜煤为主变质程度—气煤弱粘煤长焰煤煤层倾角12度5度25度地质煤层厚度12m3.8m10.97m——顶板岩性（直接顶）灰白色细砂岩2m粉砂岩7.68m含砾砂岩13.6m煤层厚度1(:1O煤层倾角C1Fig.1CoalspontaneouscombustionriskanalysisC122.2层次分析法确定评价指标权重根据图1建立阶梯层次结构，设上一单元A为准则，支配的下一单元元素为B1,B2,B3,B4，对于准则A的相对重要性即为权重。采用两两比较的方法，则相应的可以建立B-A,C1〜5-B1，C6〜7-B2,C8〜9-B3,C10〜12-B4,对矩阵中对两两重要性比较，重要程度按表2-2所示的比较尺度含义进行赋值，一般取值在1到9之间，如表2所示。表2比较尺度Tab.2Comparativescale尺度含义1第i个因素与第j个因素影响相同3第i个因素比第j个因素影响稍强5第i个因素比第j个因素影响强7第i个因素比第j个因素影响明显强9第i个因素比第j个因素影响绝对强2,4,6,8表示第i个因素对于第j个因素的影响介于上述两个相邻等级之间，不难定义以上各尺度的倒数的含义。1煤的自然属性对于其他条件起关键作用，而采掘

技术相对于通风管理对煤自燃的影响略大，而煤的

地质赋存条件相对于以上三个因素对煤自燃的影响

低一些，根据以上原因可得表3。表3煤自燃危险性Tab.3Coalspontaneouscombustionrisk煤自燃危险性A自然属性B1采掘技术通风管理地质赋存B4B2B3自然属性B11235采掘技术B21/2134通风管理B31/31/313地质赋存B41/51/41/31煤的自然属性对于煤的自燃影响时，煤的变质程度影响最强烈的，与之相反的是煤中瓦斯含量，其对于煤自燃影响很微小，比煤中瓦斯含量微强的是煤的水分，煤岩成分介于煤中硫和其他矿物质含量和水分之间，根据以上原因可得表4。表4自然属性Tab.4Nature煤中硫水分瓦斯含量煤岩成分变质程度自然属性B1C1C2C3C4C5煤中硫C115741/3水分C21/5121/31/7瓦斯含量C31/71/211/51/9煤岩成分C41/43511/5变质程度C537951采掘技术对于煤自燃的影响中，采掘速度对于煤自燃的影响稍强于回采率的大小，根据以上原因可得表5。采掘技术B2回采率C6采掘速度C7回采率C611/5采掘速度C751通风管理对于煤自燃的影响中，通风设施对于煤自燃的影响强于通风系统的影响程度，由此可得表6。表6通风管理Tab.6Ventilationmanagement通风管理B3通风系统C8通风设施C9通风系统C811/5通风设施C951地质赋存对于煤自燃的影响中，顶板岩性对于煤自燃的影响最小，其影响程度小于煤层倾角，而煤层厚度强于上两个因素，是关键因素，根据以上原因可得表7。表7地质赋存Tab.7Thegeologicaloccurrence地质赋存B4煤层倾角C10煤层厚度C11顶板岩性C12煤层倾角C1011/33煤层厚度C11315顶板岩性C121/31/512.3计算权向量并作一致性检验（1）一级指标层对目标层的权向量及一致性检验权向量：W=（w1,W2,…°n）T°n-贝k=1经计算：°=（0.423，0.328，0.180，0.069）t最大特征根：人=-况（A业n.1°,经计算：人=4.150X—n一致性指标：CI=——n—1表5采掘技术Tab.5Miningtechnology一致性比率：CR=——RI一随机一致性指标RI，Satty的结果如表20所示。表8Satty的结果Tab.20TheresultofSattyn123456RI000.580.901.121.24n7891011RI1.,321.411.451.491.51经计算：CR=0.056<0.1,通过一致性检验。（2）二级指标层对一级指标层的权向量及一致性检验，如表21所示。表9权向量及一致性检验Tab・21TheweightvectorandtheconsistencytestB1B2B3B4C10.302C20.064C30.034C40.165C50.435C60.167C70.833C80.167C90.833C100.291C110.605C120.103力5.3582.0002.0003.056CI0.0900.0000.0000.028CR0.0800.0000.0000.0482.4理想点法评价各指标根据东北南山煤矿、华北宣东煤矿、西北酸刺沟煤矿开采条件，统计出每个煤矿关于各个指标的原始数据指标矩阵A,,如表22所示。表10原始数据指标矩阵Tab.22indicatorsrawdatamatrix煤矿含硫量C1水分C2斯含ft<3媒.岩其-■TC4变质程度CS回采率C6采据速度C7通风系统C8通风设施C9煤层倾角C10煤层厚度C11项根岩性C12南山煤矿0.38%3,75%1.7172.180%2.01112122.1宣东煤矿0.65%4.55%1.41.01,795%3,21.71.853.81.0酸副沟煤矿0.7%7.8%1.01.41.0843%8.41.72.42.510.971.7其中，硫含量、水分、煤层倾角、煤层厚度是反向指标，数值越大越不好，需要逆向处理，aij=1/aij,。同趋势化后数据矩阵A如表23所示。表11同趋势化后数据矩阵Tab.23withthetrendofthedatamatrixafter含水瓦媒变回果通通煤煤顶媒疏分斯岩质采风风层板矿量含成程率速系设倾厚岩分度度统施角度性C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12南山煤矿263.15326.6671.71,72.10.82,01.01,00.0830.0832.1宣东煤矿153.84621.978141.01.70.953.21.71.80.70.2631.0酸剌洵煤矿14285712.8201.01.41.00.8431.72,40.A0.0911.7对同趋势化后的数据矩阵利用向量规范化进行归一处理，处理公式：Z..=与/栏％.，矩阵规范=1化后Z如表24所示。表12规范化后数据矩阵Tab.24thenormalizeddatamatrix煤矿含硫量C1水•分C2瓦斯言SC3煤r成分C4变质程度CS叵果辜C6果掘速度C7通风统3通风设施C9煤层倾角C10煤层厚度C11顶板岩性C12南山煤矿0.7820.7240.7030.7030.7290.5330.2170.3840.3160.1820.2860.729宣东煤矿0.4570,5960.5790.4130.5900.63303470.6530.5690.4400.9060347酸刺沟煤矿0.4240.3480.4130.5790.3470.5620.9120.6530.7590.8800.3120.590正理想解：Z+=(0.782,0.724,0.703,0.729,0.633,0.912,0.653,0.759,0.880,0.906,0.729)负理想解:Z-=(0.424,0.348,0.413,0.413,0.347,0.533,0.217,0.384,0.316,0.182,0.286,0.347)各指标权重由层次分析法，得W={0.128,0.021,0.014,0.038,0.184,0.058,0.273,0.030,0.150,0.020,0.042,0.007}，根据Zy=3人.，计算得出勺，如表25所示。表13rij值Tab.25rijvalue煤矿言疏tCl水分C2瓦斯含量C3煤岩成分C4变质程度C5回采率C6果摄速度C7通系:气C8风设施C9煤层倾角€10煤层厚度C11项板岩性C12南山煤矿6.10934.4765021418.5003.9629.1900.79512_3002.1079.1006310104.143宣东媒旷35702B3814135710.B683.20710.9141.271217673.79322.0004571<9.571酸刺沟煤矿3.31316571295001S2379.690334821.767□.06044.0007.452B4.2&6计算东北南山煤矿、华北宣东煤矿、西北酸刺沟煤矿到正负理想解的距离：='j=1\j=1计算东北南山煤矿、华北宣东煤矿、西北酸刺,Di-沟煤矿的综合评价值L.=D*°，从而得出排ii序，如表26所示。表14到正负理想解的距离、综合评价值及排序Tab.26meterdistancetothenegativeidealsolution,

acomprehensiveevaluationvalueandsorting煤矿南山煤矿宣东煤矿酸刺沟煤矿口+302.824125.544235.644DF122.19175.736101.100Li0.2870.3760.300排序3123对煤自燃的危险性分析3.1用层次分析法分析影响煤自燃危险因素所占权重在矿井灾害中，煤自燃是潜在的危险之一，若煤自燃现象产生，可能导致矿井大型火灾的发生，在影响煤自燃现象发生的因素相互作用下，倾向根据层次分析法，建立层次模型，构造出判断矩阵，进行两两比较，对各层次的指标进行权重计算，计算可知采掘速度、变质程度对煤自燃影响最大。3.2用理想点法对东北南山煤矿、华北宣东煤矿、西北酸刺沟煤矿关于各个指标综合评价根据综合评价值可以判断出东北南山煤矿煤自燃危险性最高，由于煤的内在因素和地质赋存条件无法改变，所以应适当的采取措施比如提高回采率，加快采煤速度等。仅次于东北南山煤矿煤自燃危险性的是西北酸刺沟煤矿，西北酸刺沟煤矿煤自燃危险性也较高，所以在无法改变内在因素和赋存条件的前提下，西北酸刺沟煤矿应实施适当提高回采率等。相对于东北南山煤矿、西北酸刺沟煤矿，华北宣东煤矿，煤自燃的发火期较长，危险性较低，但是也不能疏忽，做好防范工作。应用层次分析法结合理想点法对我国北方煤矿自燃危险性进行定量和定性的分析，从而对矿井自然危险进行评价。4结论综上所述，本文经过对北方三大典型矿井，东北南山煤矿，华北宣东煤矿，西北酸刺沟煤矿的煤自燃现象的认真研究，运用层次分析法结合理想点法，进一步从理性，客观的角度研究，比较，从而得出以下结论。东北南山煤矿的煤自燃现象危险性最大，由于东北南山煤矿煤层倾角为12度，明显大于华北宣东煤矿、西北酸刺沟煤矿，同时，东北南山煤矿开采年代较长，通风系统复杂，通风设施较多，因而东北矿井易自燃，煤自燃危险性大。东北南山煤矿的煤自燃危险性与西北酸刺沟相近，且略高于西北地区，主要原因是工作面推进速度较慢。华北宣东煤矿的煤自燃现象危险性最小，在煤矿开采技术中，工作面回采率对煤自燃影响较明显，而华北宣东煤矿的工作面回采率为95%，明显高于东北南山煤矿、西北酸刺沟煤矿，而且宣东煤矿煤层厚度3.8m，明显小于南山煤矿、酸刺沟煤矿，因而在本工作面发生煤自燃的危险性小。参考文献胡英俊，邹德蕴,朱丕凯，等.基于BP神经网络的煤层自燃预测[J].安全与环境学报2007，7(1):125-128HUYing-jun,ZOUDe-yun,ZhuPl-kai,etc.Coalseamspontaneouscombustionpredictionbasedonneuralnetwork[J].Journalofsafetyandenvironment,2007,7(1):125-128张丑宏.基于人工神经网络的煤炭自燃预测预报技术的研究[J].中国煤炭,2006,32(9):40-41ZHANGChou-hong.Studyontheforecastingtechniqueofcoalspontaneouscombustionbasedonartificialneuralnetwork[J].ChinaCoal,2006,32(9):40and41冯海明，金龙哲,张春芝.基于神经网络的煤炭自燃预测及在MATLAB上的实现[J].中国煤炭,2008,34(5):82-83FENGHai-ming,JINlong-zhe,ZHANGChun-zhi.TheforecastofcoalspontaneouscombustionofneuralnetworkandRealizationBasedonMATLAB[J].Chinacoal,2008,34(5):82-83江泽标，桂祥友.煤炭自燃危险性评价与预测研究[J].贵州工业大学学报(自然科学版),2008.37(2):10-14JIANGZe-biao,GUIXiang-you.Theanalysisofcoalspontaneouscombustionslopehazardsriskevaluationandprediction[J].JournalofGuizhouUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition),2008,37(2):10-14牛宝云，郭立稳,张嘉勇.煤层自燃发火危险性综合评估[J].河北理工学院学报,2006,28(3):5-9NiuBao-yun,GUOLi-wen,ZHANGJia-yong.S