立体化巷道布置对综放开采煤层自燃影响的数学评价

唐仁学．立体化巷道布置对综放开采煤层自燃影响的数学评价［Ｊ］．矿业安全与环保，２０１５，４２（５）：９６－９８．文章编号：１００８－４４９５（２０１５）０５－００９６－０３立体化巷道布置对综放开采煤层自燃影响的数学评价唐仁学（重庆煤矿安全监察局，重庆４０００３１）摘要：针对综放开采过程中煤层易自然发火问题，提出采用错层位巷道布置采全厚开采方案。该方案可达到完全控制采空区漏风，提高煤炭回采率，消除易自燃浮煤，从根源上解决煤自然发火问题的目的。根据影响煤炭自燃危险性的因素，建立层次结构模型及相关因素的各层次判断矩阵，并应用定性与定量相结合的层次分析法进行分析，结果表明，采用新型巷道布置体系能够有效防止煤层自然发火事故的发生。关键词：煤层自燃；错层位；巷道布置；层次分析法；危险性评价中图分类号：ＴＤ７８　　　文献标志码：Ｂ　　　网络出版时间：２０１５－１０－０８１４：１１网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／５０．１０６２．ｔｄ．２０１５１００８．１４１１．０５０．ｈｔｍｌＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＴｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＲｏａｄｗａｙＬａｙｏｕｔｏｎＣｏａｌＳｅａｍＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇＦｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄＳｕｂｌｅｖｅｌＣａｖｉｎｇＭｉｎｉｎｇＴＡＮＧＲｅｎｘｕｅ（ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎｏｆＣｏａｌＭｉｎｅＳａｆｅｔｙＳｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｃｏｕｎｔｅｒｔｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍｓｌｉａｂｌｅｔｏｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｆｕｌｌｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｔｏｐ－ｃｏａｌｃａｖｉｎｇｍｉｎｉｎｇ，ａｓｃｈｅｍｅｏｆｆｕｌｌ－ｓｅａｍｍｉｎｉｎｇｗｉｔｈｓｔａｇｇｅｒｅｄａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｒｏａｄｗａｙｌａｙｏｕｔｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓｓｃｈｅｍｅａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｓｏｆｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｇｏｂａｉｒｌｅａｋａｇｅ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｅｏｆｃｏａｌ，ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇｆｌｏａｔｃｏａｌｌｉａｂｌｅｔｏｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎａｎｄｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｌｙｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｃｏａｌ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌａｎｄｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ’ｓｊｕｄｇｍｅｎｔｍａｔｒｉｘｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｆｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｒｉｓｋ，ａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｍａｄｅｗｉｔｈｔｈｅｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅａｎｄｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｔｉｃｈｉｅｒａｒｃｈｙｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔａｄｏｐｔｉｎｇｔｈｉｓｎｅｗ－ｔｙｐｅｒｏａｄｗａｙｌａｙｏｕｔｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｐｒｅｖｅｎｔｔｈｅｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｏｆｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎａｃｃｉｄｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｓｅａｍ；ｓｔａｇｇｅｒｅｄｌａｙｅｒ；ｒｏａｄｗａｙｌａｙｏｕｔ；ａｎａｌｙｔｉｃｈｉｅｒａｒｃｈｙｐｒｏｃｅｓｓ；ｒｉｓｋａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ收稿日期：２０１４－０９－１６；２０１５－０７－１５修订作者简介：唐仁学（１９６９—），男，重庆市人，工程师，从事煤矿“一通三防”相关技术工作。Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]。　　综合机械化放顶煤开采在厚煤层矿井中具有显著的经济效益和社会效益，但由于传统放顶煤的巷道布置及工艺特点，自然发火问题成为制约放顶煤工艺发展的主要因素之一［１－３］。为了更好地预防和控制采空区遗煤自然发火，需要通过改进传统的综放开采方式，尽可能减少易自燃浮煤，从根源上解决综放开采自然发火问题。１　综放工作面煤层自燃火灾的特点综放开采一般采用沿底板掘煤巷的方法，容易造成巷道顶煤遗留；在初采、末采阶段，工作面推进速度较慢，丢煤比较多，易导致煤的自然发火；另外，由于工作面两端不放煤以及回采工艺造成的丢煤，均会引发煤层自然发火［３－５］。２　错层位巷道布置采全厚采煤法典型的放顶煤开采的巷道布置系统都是在厚煤层的同一层位布置区段进、回风巷构成回采工作面，工作面端头及巷道顶煤不放煤，相邻工作面之间又需留设２０ｍ左右的“Ｔ”字形保护煤柱（见图１），其煤炭损失严重，松散浮煤较多，易留下自然发火的隐患。在如图２所示的厚煤层错层位采全厚采煤法的巷道布置系统［３］中，分别沿煤层顶板和底板布置区·６９·Ｖｏｌ４２Ｎｏ５Ｏｃｔ２０１５　　　　　　　　　矿业安全与环保ＭＩＮＩＮＧＳＡＦＥＴＹ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ　　　　　　　第４２卷　第５期２０１５年１０月１—区段进风巷；２—区段回风巷；３—下区段进风巷；４—上区段回风巷；５—“Ｔ”形煤损；６—专用排瓦斯巷。图１　典型放顶煤开采巷道布置示意图段回风巷和进风巷，下区段进风巷则在上一工作面垮落稳定的采空区下掘进。１—区段进风巷；２—区段回风巷；３—下区段进风巷；４—上区段回风巷；５—三角形煤柱。图２　错层位巷道布置系统示意图错层位巷道布置系统与传统放顶煤巷道布置系统相比，回采工作面的区段之间以三维立体形式相互交错搭接，工作面端头顶煤和巷道顶煤均被采出，取消了区段煤柱，大幅度提高了回采率，从根源上解决了煤炭自然发火的隐患。同时，在错层位巷道布置系统中，在煤层顶板或采空区垮落稳定的矸石下掘进区段进、回风巷，避免了高冒区的形成，防止了高冒发火情况的发生。３　自然发火危险性评价层次分析法（ＡＨＰ）是一种定性和定量相结合的系统化、层次化分析方法，能够利用决策思维过程的数学化为复杂问题提供简便的决策手段，在煤矿诸多安全问题的分析中有着广泛的应用［６－８］。笔者以山西某矿为研究背景，结合层次分析法，对不同巷道布置系统下的综放工作面采空区煤炭自然发火危险性进行综合评估［９－１０］。３１　矿井概况该矿所采的１５＃煤层位于太原组下段下部，煤层顶底板条件好，赋存稳定，倾角８°～１０°，厚度４７５～６１５ｍ，平均厚５４７ｍ。１５＃煤层绝对瓦斯涌出量为１０３ｍ３／ｍｉｎ，相对瓦斯涌出量为４５５ｍ３／ｔ，为低瓦斯矿井。煤层吸氧量０８１６７ｃｍ３／ｇ，存在自然发火危险。３２　层次分析过程３２１　建立递阶层次模型根据影响煤炭自燃危险性的因素，首先将综放工作面自然发火危险性作为目标层Ａ，然后将所涉及的相关影响因素进行分层，目标层包括５个因素，即Ａ＝｛Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５｝，中间层包括１９个因素，即：Ｂ１＝｛ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３｝；Ｂ２＝｛ｂ２１，ｂ２２，ｂ２３，ｂ２４，ｂ２５｝；Ｂ３＝｛ｂ３１，ｂ３２，ｂ３３，ｂ３４｝；Ｂ４＝｛ｂ４１，ｂ４２，ｂ４３，ｂ４４｝；Ｂ５＝｛ｂ５１，ｂ５２，ｂ５３｝。具体层次结构模型见表１。表１　综放工作面自然发火危险性分析层次结构模型评价指标指标类目Ｂ１煤的自燃倾向性ｂ１１煤岩成分ｂ１２瓦斯含量ｂ１３煤层含水量Ｂ２开采技术及地质条件ｂ２１地质构造ｂ２２通风方式ｂ２３巷道布置方式ｂ２４顶板控制及采空区处理方式ｂ２５采煤方法Ｂ３浮煤情况ｂ３１初末采损失ｂ３２工作面丢煤ｂ３３端头煤损ｂ３４遗留煤柱Ｂ４漏风供氧条件ｂ４１采空区漏风风流氧浓度ｂ４２采空区漏风风流持续时间ｂ４３采空区两侧风压差ｂ４４采空区密闭质量与漏风通道封堵Ｂ５蓄热环境ｂ５１区域围岩温度ｂ５２采空区遗煤ｂ５３自燃带长度与推进速度比３２２　确定各层次指标权重按照表１的层次结构模型，通过两两比较下一层次各因素对上一层次某元素的相对重要性，并赋予一定的分值（采用１～９阶标度法赋值，见表２），建立上下层次之间的隶属关系构造判断矩阵（见表３），采用“和积法”计算相应的权重，并做一致性检验。表２　判断矩阵标度与含义标度含义１Ｂｉ比Ｂｊ同样重要３Ｂｉ比Ｂｊ稍重要５Ｂｉ比Ｂｊ重要７Ｂｉ比Ｂｊ重要得多９Ｂｉ比Ｂｊ极为重要２、４、６、８Ｂｉ与Ｂｊ相比，重要性程度处于上述相应两个数之间１／３Ｂｉ比Ｂｊ稍次要１／５Ｂｉ比Ｂｊ次要１／７Ｂｉ比Ｂｊ次要得多１／９Ｂｉ比Ｂｊ极为次要·７９·第４２卷　第５期２０１５年１０月　　　　　　　矿业安全与环保ＭＩＮＩＮＧＳＡＦＥＴＹ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ　　　　　　　　　Ｖｏｌ４２Ｎｏ５Ｏｃｔ２０１５表３　判断矩阵数值ＡＢ１Ｂ２Ｂ３Ｂ４Ｂ５Ｂ１１１／４１／３１／２１／３Ｂ２４１２３２Ｂ３３１／２１２１Ｂ４２１／３１／２１１／２Ｂ５３１／２１２１１）按照公式（１），将每一列经正规化后的判断矩阵按行相加。每列元素Ｗｉ的正规化公式：Ｗｉ＝∑ｎｊ＝１ｂｉｊ，　ｉ，ｊ＝１，２，…，ｎ（１）计算可得到正规化向量：Ｗ＝［Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５］Ｔ＝［０３７，１８８，１０７，０６１，１０７］Ｔ２）按照向量归一化公式（２）对向量进行处理，得出所求特征向量：Ｗ＝Ｗｉ∑ｎｊ＝１Ｗｊ，　ｉ，ｊ＝１，２，…，ｎ（２）式中：Ｗｉ，Ｗｊ为正规化向量Ｗ中的元素；Ｗ为特征向量。如此，可求得特征向量：Ｗ＝［００７，０３８，０２１，０１２，０２１］Ｔ３）根据公式（３）计算判断矩阵最大特征根λｍａｘ：λｍａｘ＝１ｎ∑ｎｉ＝１（ＡＷ）ｉＷｉ＝（ＡＷ）１５Ｗ１＋（ＡＷ）２５Ｗ２＋（ＡＷ）３５Ｗ３＋（ＡＷ）４５Ｗ４＋（ＡＷ）５５Ｗ５＝５０３５８（３）式中（ＡＷ）ｉ为向量ＡＷ的第ｉ个分量。４）进行一致性检验：ＣＩ＝λｍａｘ－ｎｎ－１＝５０３５８－５５－１＝０００９（４）ＣＲ＝ＣＩＲＩ＝０００９１１２＝０００８＜０１（５）式中：ＣＩ为一致性指标，当判断矩阵具有完全一致性时，ＣＩ＝０；ＣＲ为一致性比例，当ＣＲ＜０１０时，可认为判断矩阵具有满意的一致性，否则就需要对判断矩阵进行调整；ＲＩ为平均随机一致性指标，具体数值见表４。表４　“１～９”阶矩阵ＲＩ值阶数ｎ１２３４５６７８９ＲＩ０００００００５８０９０１１２１２４１３２１４１１４５经计算可得：第１层次与第２层次之间的隶属关系判断矩阵具有满意的一致性。根据相同方法，可建立第２层次与第３层次以及总排序之间的隶属关系构造，并分别进行一致性检验，计算ＣＲ均小于０１０，判断矩阵具有满意的一致性，评价结论可靠。３３　煤炭自燃危险性等级评价根据国内学者对煤矿现场的研究，通过模糊聚类分析，可将我国煤炭自然发火危险性分为四级［１０］，其等级划分见表５。表５　煤炭自燃危险性等级划分分类危险性隶属度Ⅰ类很危险＞０５３Ⅱ类危险０５３～０３０Ⅲ类可能自燃０３０～０１５Ⅳ类不自燃＜０１５因此，可计算出传统放顶煤开采的综合评估计算值Ｕ为：Ｕ＝００７×００４９＋０１０×０００７＋…＋０４９×００５０＝０３１５对照表５可以看出，该矿若采用传统巷道布置的综放技术开采，其自然发火危险性属于Ⅱ类危险型。结合错层位巷道布置采煤法具有的优势，部分因素对于目标层的隶属度发生变化：在错层位巷道布置系统中，端头煤损为传统放顶煤损失的２５％，初、末采损失为原来的８０％；三角形煤柱煤损为相应“Ｔ”形煤柱煤损的２５％；同时，由于巷道内无高冒区，回采巷道布置方式影响因素也相应降低。该矿采用错层位巷道布置采煤法各单独因素对目标层影响系数进行打分，结果见表６。表６　各单独因素对目标层Ａ的影响系数因素ｂ１１ｂ１２ｂ１３ｂ２１ｂ２２ｂ２３ｂ２４ｂ２５ｂ３１ｂ３２系数ｋｉｊ１１１１１０２５１１０８８１因素ｂ３３ｂ３４ｂ４１ｂ４２ｂ４３ｂ４４ｂ５１ｂ５２ｂ５３系数