陳小林

（1. 中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2. 天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

0 引言

礦井火災(zāi)對(duì)井下作業(yè)人員和環(huán)境造成很大危害，還可引發(fā)瓦斯爆炸、煤塵爆炸等二次事故，給煤礦安全生產(chǎn)帶來巨大威脅[1-2]。為有效遏制礦井火災(zāi)事故發(fā)生，需要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)礦井火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[3-6]。目前，許多學(xué)者對(duì)礦井火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。杜振宇等[7]應(yīng)用可拓優(yōu)度法對(duì)礦井火災(zāi)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將多指標(biāo)評(píng)價(jià)歸結(jié)為單目標(biāo)決策，給出定量的評(píng)價(jià)結(jié)果，但存在評(píng)價(jià)指標(biāo)復(fù)雜的問題。白雯等[8]將熵權(quán)法融入到物元可拓理論中，采用熵權(quán)物元可拓模型對(duì)礦井火災(zāi)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，但評(píng)價(jià)結(jié)果的定性程度較高，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)微小變化無法反映在評(píng)價(jià)結(jié)果上。張順堂等[9]將熵權(quán)法和可變模糊評(píng)價(jià)方法進(jìn)行耦合，利用熵權(quán)可變模糊評(píng)價(jià)模型對(duì)礦井火災(zāi)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，但評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不完善。張怡[10]應(yīng)用Apriori算法構(gòu)建數(shù)據(jù)挖掘模型，結(jié)合影響礦井火災(zāi)的因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井火災(zāi)事故的預(yù)測(cè)，但數(shù)據(jù)挖掘針對(duì)性及準(zhǔn)確性直接影響預(yù)測(cè)效果。

根據(jù)礦井火災(zāi)發(fā)生機(jī)理，礦井火災(zāi)分為內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)[11]。本文以采煤工作面為研究對(duì)象，圍繞內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)，提出了一種采煤工作面火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)階段性多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法。該方法將內(nèi)因火災(zāi)階段性演變過程中風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與外因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)全過程動(dòng)態(tài)綜合評(píng)價(jià)，對(duì)礦井采煤工作面火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防控具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)發(fā)展過程分為潛伏期、自熱期、燃燒期3個(gè)階段，因此圍繞各階段進(jìn)行采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

1.1 采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)潛伏期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

1.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取及評(píng)價(jià)模型建立

考慮采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)潛伏期影響煤自然發(fā)火的內(nèi)在因素（煤本身的物理性質(zhì)和化學(xué)組成等）和外在因素（煤層賦存狀態(tài)和開采、通風(fēng)條件等），結(jié)合《礦井防滅火規(guī)范》，選取自燃傾向性、自然發(fā)火期、百萬噸發(fā)火率、煤層厚度、煤層傾角、地質(zhì)構(gòu)造、煤層瓦斯等級(jí)、采煤工藝、采空區(qū)處理方法、采煤工作面上下行風(fēng)壓差、防滅火措施有效性作為采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)潛伏期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用層次分析法建立采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)潛伏期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，如圖1所示。

1.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分規(guī)則設(shè)定

將被評(píng)價(jià)的采煤工作面的評(píng)價(jià)指標(biāo)取值逐一與參考值進(jìn)行對(duì)照：當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)取值與參考值對(duì)應(yīng)時(shí)，取參考值對(duì)應(yīng)的評(píng)分；當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)取值與參考值不對(duì)應(yīng)時(shí)，采用插值法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分。采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)潛伏期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分規(guī)則見表1。

表1 采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)潛伏期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分規(guī)則Table 1 Scoring rule for risk evaluation indexes of incubation period of internal fire in coal working face

1.1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分計(jì)算

對(duì)于連續(xù)變化的的量化指標(biāo)，可根據(jù)實(shí)際情況預(yù)先按順序（本文為從小到大）設(shè)定其部分取值c1，c2，…，ci，cj，…，cn，并給出對(duì)應(yīng)的評(píng)分s1，s2，…，si，sj，…，sn。當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值c處于[ci，cj]內(nèi)時(shí)，根據(jù)線性插值法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際評(píng)分：

若實(shí)際值c落在預(yù)先設(shè)定的區(qū)間外，則使用線性外推法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際評(píng)分：

針對(duì)離散變化的量化指標(biāo)或非量化指標(biāo)，一般只需列出其所有可能的取值，參照評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分規(guī)則，找到對(duì)應(yīng)指標(biāo)評(píng)分并賦予相應(yīng)的權(quán)重即可。

1.1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)

基于采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)發(fā)生機(jī)理、規(guī)律及行業(yè)專家對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性的理解，對(duì)同一層中各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣，從而計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，若通過一致性檢驗(yàn)（一致性指標(biāo)＜0.1），代表評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重符合要求。以煤的易發(fā)火性對(duì)應(yīng)的自燃傾向性、自然發(fā)火期及百萬噸發(fā)火率3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為例，其權(quán)重計(jì)算過程如下。

（1） 對(duì)煤的易發(fā)火性的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比，構(gòu)造判斷矩陣：

（2） 計(jì)算判斷矩陣各行元素乘積的n（n為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量）次方根：

式中aij為判斷矩陣元素。

則行向量M=[M1M2M3]T=[0.794 0.794 1.587]T。

（3） 對(duì)M進(jìn)行歸一化處理，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重：

則權(quán)重向量w=[w1w2w3]T=[0.250 0.250 0.500]T。

（4） 計(jì)算判斷矩陣的最大特征根：

（5） 計(jì)算一致性指標(biāo)：

由于C=0＜0.1，表明構(gòu)造的判斷矩陣具有很好的一致性，不需要修正。

根據(jù)上述計(jì)算，煤的易發(fā)火性對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重見表2。

表2 煤的易發(fā)火性對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重Table 2 Judgment matrix and weight of evaluation indexes corresponding to coal flammability

同理可得煤層賦存、開采技術(shù)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重（表3、表4），以及目標(biāo)層評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣及權(quán)重（表5）。

表3 煤層賦存對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重Table 3 Judgment matrix and weight of evaluation indexes corresponding to coal seam occurrence

表4 開采技術(shù)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重Table 4 Judgment matrix and weight of evaluation indexes corresponding to mining technology

表5 目標(biāo)層評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重Table 5 Judgment matrix and weight of evaluation indexes of target layer

1.1.5 采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)潛伏期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)總得分

根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分規(guī)則、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及權(quán)重，計(jì)算得出煤的易發(fā)火性、煤層賦存、開采技術(shù)、防滅火措施得分，進(jìn)而獲得采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)潛伏期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)總得分。

1.2 采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)自熱期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

煤進(jìn)入自熱期會(huì)顯現(xiàn)出相應(yīng)的表征，除溫度外還會(huì)產(chǎn)生CO，CO2等氣體，這些氣體在不同階段有不同的顯現(xiàn)規(guī)律，因此被作為預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火的標(biāo)志，稱為標(biāo)志性氣體[12]。國內(nèi)外對(duì)預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體指標(biāo)已有較多研究，建立了判斷煤自然發(fā)火階段的Graham指數(shù)等指標(biāo)。

Graham指數(shù)即流經(jīng)火源或自熱源風(fēng)流中CO體積分?jǐn)?shù)增加量與O2體積分?jǐn)?shù)減少量之比[13-14]：

式中：ICO為Graham指數(shù)；Δφ（CO）為回風(fēng)側(cè)CO體積分?jǐn)?shù)增加量，%；Δφ（O2）為回風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)減少量，%；φ（N2）為回風(fēng)側(cè)N2體積分?jǐn)?shù)，%；φ（O2）為回風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)，%。

采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)自熱期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分規(guī)則見表6。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇其中1個(gè)指標(biāo)即可。

表6 采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)自熱期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分規(guī)則Table 6 Scoring rules for risk evaluation indexes of self-heating period of internal fire in coal working face

通過采煤工作面回風(fēng)側(cè)通風(fēng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取CO，O2，N2體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)式（8）可得Graham指數(shù)；對(duì)照采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)自熱期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分規(guī)則，應(yīng)用線性插值法計(jì)算采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)自熱期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)得分。

1.3 采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)燃燒期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

當(dāng)通過人的感知、火災(zāi)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判定采煤工作面已經(jīng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，采煤工作面發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)很高，將采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分設(shè)為0。另外，當(dāng)存在以下情形，表明采煤工作面自然發(fā)火嚴(yán)重，未采取有效措施，這時(shí)應(yīng)直接將采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分設(shè)為0：開采容易自燃和自燃的采煤工作面時(shí)，未編制防止自然發(fā)火設(shè)計(jì)方案或未按設(shè)計(jì)方案組織生產(chǎn)建設(shè)；高瓦斯礦井采用放頂煤采煤法不能有效防治煤層自然發(fā)火；有自然發(fā)火征兆但沒有采取相應(yīng)的安全防范措施并繼續(xù)生產(chǎn)建設(shè)。

1.4 采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)階段性評(píng)價(jià)

采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)潛伏期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)得分大于50分時(shí)，該評(píng)分作為采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)最終評(píng)分，否則進(jìn)入自熱期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)自熱期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)得分大于50分時(shí)，該評(píng)分作為采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)最終評(píng)分，否則進(jìn)入燃燒期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；當(dāng)進(jìn)入燃燒期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，直接將采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分設(shè)為0。

2 采煤工作面外因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)形成的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)管控要求[15]，圍繞火災(zāi)在線監(jiān)測(cè)及安全檢查2個(gè)方面，應(yīng)用層次分析法建立采煤工作面外因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，如圖2所示。

圖2 采煤工作面外因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型Fig. 2 Risk evaluation model for external fire in coal working face

采煤工作面外因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分規(guī)則見表7。

表7 采煤工作面外因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分規(guī)則Table 7 Scoring rules for risk evaluation indexes of external fire in coal working face

從安全管控系統(tǒng)獲取隱患超期未接單、隱患超期未整改、隱患復(fù)查不合格等隱患排查治理數(shù)據(jù)，以及風(fēng)險(xiǎn)管控措施超期未反饋、風(fēng)險(xiǎn)管控措施超期未復(fù)查、風(fēng)險(xiǎn)管控措施復(fù)查不合格等風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控?cái)?shù)據(jù)；從火災(zāi)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取溫度、O2體積分?jǐn)?shù)、CO體積分?jǐn)?shù)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)火災(zāi)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)異常報(bào)警時(shí)，采煤工作面外因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分為0；當(dāng)火災(zāi)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警與預(yù)警結(jié)束及安全管控系統(tǒng)的安全檢查數(shù)據(jù)正常后，采煤工作面外因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分為

式中：sy1為溫度預(yù)警評(píng)分，fy1為溫度預(yù)警次數(shù)；sy2為O2體積分?jǐn)?shù)預(yù)警評(píng)分；fy2為O2體積分?jǐn)?shù)預(yù)警次數(shù)；sy3為CO體積分?jǐn)?shù)預(yù)警評(píng)分；fy3為CO體積分?jǐn)?shù)預(yù)警次數(shù)；sh1為隱患超期未接單指標(biāo)評(píng)分；fh1為隱患超期未接單次數(shù)；sh2為隱患超期未整改指標(biāo)評(píng)分；fh2為隱患超期未整改次數(shù)；sh3為隱患復(fù)查不合格指標(biāo)評(píng)分；fh3為隱患復(fù)查不合格次數(shù)；sr1為風(fēng)險(xiǎn)管控措施超期未反饋指標(biāo)評(píng)分；fr1為風(fēng)險(xiǎn)管控措施超期未反饋次數(shù)；sr2為風(fēng)險(xiǎn)管控措施超期未復(fù)查指標(biāo)評(píng)分；fr2為風(fēng)險(xiǎn)管控措施超期未復(fù)查次數(shù)；sr3為風(fēng)險(xiǎn)管控措施復(fù)查不合格指標(biāo)評(píng)分；fr3為風(fēng)險(xiǎn)管控措施復(fù)查不合格次數(shù)。

3 采煤工作面火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)木桶原理，采煤工作面火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分由內(nèi)因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分和外因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分的最低值確定：在采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)潛伏期，將潛伏期火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分與外因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分進(jìn)行對(duì)比，取評(píng)分最低值作為采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)潛伏期階段最終評(píng)分；在采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)自熱期，將自熱期火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分與外因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分進(jìn)行對(duì)比，取評(píng)分最低值作為采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)自熱期階段最終評(píng)分；在采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)燃燒期，采煤工作面火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分直接設(shè)為0。

4 結(jié)語

利用層次分析法、插值法構(gòu)建了采煤工作面火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。針對(duì)煤自然發(fā)火的潛伏期、自熱期和燃燒期3個(gè)階段進(jìn)行采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)階段性評(píng)分；依托風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控及隱患排查治理數(shù)據(jù)、火災(zāi)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)采煤工作面外因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)分；以采煤工作面內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分最低值作為采煤工作面火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分，該評(píng)分越高，表明采煤工作面火災(zāi)危險(xiǎn)程度越低。