陈小林

（1. 中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 213015；2. 天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 213015）

0 引言

矿井火灾对井下作业人员和环境造成很大危害，还可引发瓦斯爆炸、煤尘爆炸等二次事故，给煤矿安全生产带来巨大威胁[1-2]。为有效遏制矿井火灾事故发生，需要准确评价矿井火灾风险[3-6]。目前，许多学者对矿井火灾风险评价进行了研究。杜振宇等[7]应用可拓优度法对矿井火灾安全风险进行评价，将多指标评价归结为单目标决策，给出定量的评价结果，但存在评价指标复杂的问题。白雯等[8]将熵权法融入到物元可拓理论中，采用熵权物元可拓模型对矿井火灾安全风险进行评价，但评价结果的定性程度较高，监测数据的连续微小变化无法反映在评价结果上。张顺堂等[9]将熵权法和可变模糊评价方法进行耦合，利用熵权可变模糊评价模型对矿井火灾安全性进行评价，但评价指标体系不完善。张怡[10]应用Apriori算法构建数据挖掘模型，结合影响矿井火灾的因素之间的关联关系实现对矿井火灾事故的预测，但数据挖掘针对性及准确性直接影响预测效果。

根据矿井火灾发生机理，矿井火灾分为内因火灾和外因火灾[11]。本文以采煤工作面为研究对象，围绕内因火灾和外因火灾，提出了一种采煤工作面火灾风险阶段性多指标综合评价方法。该方法将内因火灾阶段性演变过程中风险评价与外因火灾风险评价相结合，可实现火灾风险全过程动态综合评价，对矿井采煤工作面火灾风险防控具有较强的指导意义。

1 采煤工作面内因火灾风险评价

采煤工作面内因火灾发展过程分为潜伏期、自热期、燃烧期3个阶段，因此围绕各阶段进行采煤工作面内因火灾风险评价。

1.1 采煤工作面内因火灾潜伏期风险评价

1.1.1 评价指标选取及评价模型建立

考虑采煤工作面内因火灾潜伏期影响煤自然发火的内在因素（煤本身的物理性质和化学组成等）和外在因素（煤层赋存状态和开采、通风条件等），结合《矿井防灭火规范》，选取自燃倾向性、自然发火期、百万吨发火率、煤层厚度、煤层倾角、地质构造、煤层瓦斯等级、采煤工艺、采空区处理方法、采煤工作面上下行风压差、防灭火措施有效性作为采煤工作面内因火灾潜伏期风险评价指标。

根据评价指标，利用层次分析法建立采煤工作面内因火灾潜伏期风险评价模型，如图1所示。

1.1.2 评价指标评分规则设定

将被评价的采煤工作面的评价指标取值逐一与参考值进行对照：当评价指标取值与参考值对应时，取参考值对应的评分；当评价指标取值与参考值不对应时，采用插值法计算评价指标评分。采煤工作面内因火灾潜伏期风险评价指标评分规则见表1。

表1 采煤工作面内因火灾潜伏期风险评价指标评分规则Table 1 Scoring rule for risk evaluation indexes of incubation period of internal fire in coal working face

1.1.3 评价指标评分计算

对于连续变化的的量化指标，可根据实际情况预先按顺序（本文为从小到大）设定其部分取值c1，c2，…，ci，cj，…，cn，并给出对应的评分s1，s2，…，si，sj，…，sn。当评价指标实际值c处于[ci，cj]内时，根据线性插值法计算评价指标实际评分：

若实际值c落在预先设定的区间外，则使用线性外推法计算评价指标实际评分：

针对离散变化的量化指标或非量化指标，一般只需列出其所有可能的取值，参照评价指标的评分规则，找到对应指标评分并赋予相应的权重即可。

1.1.4 评价指标赋权

基于采煤工作面内因火灾发生机理、规律及行业专家对火灾风险相关评价指标重要性的理解，对同一层中各评价指标进行两两比较，构建判断矩阵，从而计算各评价指标的权重，若通过一致性检验（一致性指标＜0.1），代表评价指标权重符合要求。以煤的易发火性对应的自燃倾向性、自然发火期及百万吨发火率3个评价指标为例，其权重计算过程如下。

（1） 对煤的易发火性的3个评价指标进行两两对比，构造判断矩阵：

（2） 计算判断矩阵各行元素乘积的n（n为评价指标数量）次方根：

式中aij为判断矩阵元素。

则行向量M=[M1M2M3]T=[0.794 0.794 1.587]T。

（3） 对M进行归一化处理，得到各评价指标权重：

则权重向量w=[w1w2w3]T=[0.250 0.250 0.500]T。

（4） 计算判断矩阵的最大特征根：

（5） 计算一致性指标：

由于C=0＜0.1，表明构造的判断矩阵具有很好的一致性，不需要修正。

根据上述计算，煤的易发火性对应的评价指标判断矩阵及权重见表2。

表2 煤的易发火性对应的评价指标判断矩阵及权重Table 2 Judgment matrix and weight of evaluation indexes corresponding to coal flammability

同理可得煤层赋存、开采技术对应的评价指标判断矩阵及权重（表3、表4），以及目标层评价指标的判断矩阵及权重（表5）。

表3 煤层赋存对应的评价指标判断矩阵及权重Table 3 Judgment matrix and weight of evaluation indexes corresponding to coal seam occurrence

表4 开采技术对应的评价指标判断矩阵及权重Table 4 Judgment matrix and weight of evaluation indexes corresponding to mining technology

表5 目标层评价指标判断矩阵及权重Table 5 Judgment matrix and weight of evaluation indexes of target layer

1.1.5 采煤工作面内因火灾潜伏期风险评价总得分

根据各评价指标的评分规则、监测数据及权重，计算得出煤的易发火性、煤层赋存、开采技术、防灭火措施得分，进而获得采煤工作面内因火灾潜伏期风险评价总得分。

1.2 采煤工作面内因火灾自热期风险评价

煤进入自热期会显现出相应的表征，除温度外还会产生CO，CO2等气体，这些气体在不同阶段有不同的显现规律，因此被作为预测煤自然发火的标志，称为标志性气体[12]。国内外对预测煤自然发火的标志性气体指标已有较多研究，建立了判断煤自然发火阶段的Graham指数等指标。

Graham指数即流经火源或自热源风流中CO体积分数增加量与O2体积分数减少量之比[13-14]：

式中：ICO为Graham指数；Δφ（CO）为回风侧CO体积分数增加量，%；Δφ（O2）为回风侧O2体积分数减少量，%；φ（N2）为回风侧N2体积分数，%；φ（O2）为回风侧O2体积分数，%。

采煤工作面内因火灾自热期风险评价指标评分规则见表6。在实际应用中，选择其中1个指标即可。

表6 采煤工作面内因火灾自热期风险评价指标评分规则Table 6 Scoring rules for risk evaluation indexes of self-heating period of internal fire in coal working face

通过采煤工作面回风侧通风系统的监测数据获取CO，O2，N2体积分数，根据式（8）可得Graham指数；对照采煤工作面内因火灾自热期风险评价指标评分规则，应用线性插值法计算采煤工作面内因火灾自热期风险评价得分。

1.3 采煤工作面内因火灾燃烧期风险评价

当通过人的感知、火灾在线监测系统判定采煤工作面已经发生火灾时，采煤工作面发生火灾的风险已经很高，将采煤工作面内因火灾风险评分设为0。另外，当存在以下情形，表明采煤工作面自然发火严重，未采取有效措施，这时应直接将采煤工作面内因火灾风险评分设为0：开采容易自燃和自燃的采煤工作面时，未编制防止自然发火设计方案或未按设计方案组织生产建设；高瓦斯矿井采用放顶煤采煤法不能有效防治煤层自然发火；有自然发火征兆但没有采取相应的安全防范措施并继续生产建设。

1.4 采煤工作面内因火灾风险阶段性评价

采煤工作面内因火灾潜伏期风险评价得分大于50分时，该评分作为采煤工作面内因火灾风险最终评分，否则进入自热期风险评价；采煤工作面内因火灾自热期风险评价得分大于50分时，该评分作为采煤工作面内因火灾风险最终评分，否则进入燃烧期风险评价；当进入燃烧期风险评价时，直接将采煤工作面内因火灾风险评分设为0。

2 采煤工作面外因火灾风险评价

根据风险辨识形成的相关风险管控要求[15]，围绕火灾在线监测及安全检查2个方面，应用层次分析法建立采煤工作面外因火灾风险评价模型，如图2所示。

图2 采煤工作面外因火灾风险评价模型Fig. 2 Risk evaluation model for external fire in coal working face

采煤工作面外因火灾风险评价指标评分规则见表7。

表7 采煤工作面外因火灾风险评价指标评分规则Table 7 Scoring rules for risk evaluation indexes of external fire in coal working face

从安全管控系统获取隐患超期未接单、隐患超期未整改、隐患复查不合格等隐患排查治理数据，以及风险管控措施超期未反馈、风险管控措施超期未复查、风险管控措施复查不合格等风险分级管控数据；从火灾在线监测系统获取温度、O2体积分数、CO体积分数等监测数据。当火灾在线监测系统出现异常报警时，采煤工作面外因火灾风险评分为0；当火灾在线监测系统的报警与预警结束及安全管控系统的安全检查数据正常后，采煤工作面外因火灾风险评分为

式中：sy1为温度预警评分，fy1为温度预警次数；sy2为O2体积分数预警评分；fy2为O2体积分数预警次数；sy3为CO体积分数预警评分；fy3为CO体积分数预警次数；sh1为隐患超期未接单指标评分；fh1为隐患超期未接单次数；sh2为隐患超期未整改指标评分；fh2为隐患超期未整改次数；sh3为隐患复查不合格指标评分；fh3为隐患复查不合格次数；sr1为风险管控措施超期未反馈指标评分；fr1为风险管控措施超期未反馈次数；sr2为风险管控措施超期未复查指标评分；fr2为风险管控措施超期未复查次数；sr3为风险管控措施复查不合格指标评分；fr3为风险管控措施复查不合格次数。

3 采煤工作面火灾风险综合评价

根据木桶原理，采煤工作面火灾风险评分由内因火灾风险评分和外因火灾风险评分的最低值确定：在采煤工作面内因火灾潜伏期，将潜伏期火灾风险评分与外因火灾风险评分进行对比，取评分最低值作为采煤工作面内因火灾潜伏期阶段最终评分；在采煤工作面内因火灾自热期，将自热期火灾风险评分与外因火灾风险评分进行对比，取评分最低值作为采煤工作面内因火灾自热期阶段最终评分；在采煤工作面内因火灾燃烧期，采煤工作面火灾风险评分直接设为0。

4 结语

利用层次分析法、插值法构建了采煤工作面火灾风险评价模型。针对煤自然发火的潜伏期、自热期和燃烧期3个阶段进行采煤工作面内因火灾风险阶段性评分；依托风险分级管控及隐患排查治理数据、火灾在线监测数据，对采煤工作面外因火灾风险进行评分；以采煤工作面内因火灾和外因火灾风险评分最低值作为采煤工作面火灾风险评分，该评分越高，表明采煤工作面火灾危险程度越低。