【正文】 表面與氧相互作用而在煤表面形成一種中間產(chǎn)物，學(xué)科上稱為氧化基或過氧絡(luò)合物。由此可見，煤的自燃乃是由于煤在常溫下首先與空氣中的氧相互作用（物理吸附、化學(xué)吸附、氧化）并自動加速，當(dāng)其氧化速度加快到氧化產(chǎn)生的熱量積聚起來不能散發(fā)時就導(dǎo)致自燃。事實上，煤自然發(fā)火是一個放熱反應(yīng)和散熱反應(yīng)過程相互矛盾而又統(tǒng)一共存的物理化學(xué)現(xiàn)象。波蘭Olpinski[1]羅列出影響自燃的諸因素，根據(jù)各因素對自燃的影響程度人為評分，得出了用于煤層自燃危險性分類的Olpinski指標(biāo)； R．N．Singh和S．Demirbirek[2]根據(jù)實測數(shù)據(jù)的研究，結(jié)合現(xiàn)場發(fā)火記錄，提出了絕熱升溫率(℃／h)指標(biāo)；英國Feng，Chakravarty和Cochrance[3]根據(jù)煤的內(nèi)在因素和煤損、破碎程度以及通風(fēng)壓差等環(huán)境指標(biāo)，提出了一個綜合指標(biāo)。在井田精查勘探階段，通過鉆孔取樣，鑒別出煤層的自燃傾向等級、分析出煤中的含硫量，煤厚和傾角均已探明，根據(jù)這些已探明的賦存因素，在煤層開采之前對自燃危險性進行綜合預(yù)測，這將比自燃傾向性單項指標(biāo)更可靠、更符合實際。接著，美國波音飛機公司的哈斯?fàn)枺℉assle）等人對這個方法有做了重大的改進，并采用電子計算機進行輔助分析和計算。FTA法具有以下特點：（1）事故樹分析是一種圖形演繹方法，是事故事件在一定條件下的邏輯推理方法。（4）利用事故樹模型可以定量計算復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)生事故的概率，為改善和評價系統(tǒng)安全性提供了定量依據(jù)。2. 2 事故樹分析與編制事故樹分析是根據(jù)系統(tǒng)可能發(fā)生的事故或以及發(fā)生的事故所提供的信息，去尋找同事故發(fā)生有關(guān)的原因，從而采取有效的防范措施，防止事故發(fā)生。另一方面，要通過調(diào)查現(xiàn)有的及以往發(fā)生的事故，追查其原因，達到直接借鑒的目的。事故調(diào)查的目的主要是查清事實，因為原因是基于事實而導(dǎo)出的。在構(gòu)成事故的各種因素中，既要重視具有因果關(guān)系的因素，也要重視相關(guān)關(guān)系的因素。（6）定性分析依據(jù)事故樹列出邏輯表達式，求得構(gòu)成事故的最小割集，防止事故發(fā)生的最小徑集，確定出各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序。（8）改善系統(tǒng)依據(jù)上述分析結(jié)果及安全投入的可能，尋求降低事故概率的最佳方案，以便達到預(yù)定概率目標(biāo)的要求。最上是頂上事件，下部是引起頂上事件發(fā)生的中間關(guān)聯(lián)事件，這些關(guān)聯(lián)事件是由一些基本事件組合的結(jié)果。一個事故樹的編制過程，是從頂上事件開始，經(jīng)關(guān)聯(lián)事件到基本事件逐個完成的。 事件及事件符號在事故樹分析中各種非正常狀態(tài)或不正常情況皆稱事故事件，各種完好狀態(tài)或正常狀況皆稱成功事件，兩者均皆稱為事件。結(jié)果事件分為頂事件和中間事件。（2）底事件底事件是導(dǎo)致其他事件的原因事件，位于事故樹的底部，它總是某個邏輯門的輸入事件而不是輸出事件。省略事件表示沒有必要進一步向下分析或其原因不明確的原因事件。開關(guān)事件，又稱正常事件。 邏輯門及其符號邏輯門是連接各事件并表示其邏輯關(guān)系的符號。與門符號如圖24b所示。表決門符號如圖25a所示。禁門，表示僅當(dāng)條件事件發(fā)生時，輸入事件的發(fā)生方導(dǎo)致輸出事件的發(fā)生。條件或門，表示輸入事件中至少有一個發(fā)生，在滿足條件A情況下，輸出事件才發(fā)生。當(dāng)事故樹規(guī)模很大或整個事故樹中多處包含有相同的部分樹圖時，為了簡化整個樹圖，便可用轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出符號。 編制說明及事故樹圖煤炭自燃，主要是有煤的氧化性能；空氣的供給條件；煤與周圍物質(zhì)熱交 換三因素的綜合結(jié)果。 事故樹定性分析為方便分析與討論，本節(jié)將對煤炭自燃事故的事故樹圖分解成多個子樹進行討論。 （4）結(jié)果分析該子事故樹直觀給出導(dǎo)致事件發(fā)生發(fā)生的初始原因事件有6個。預(yù)防對策簡述如下：① 認(rèn)真做好群防工作，加強對職工的安全教育，使廣大職工能了解和掌握煤炭自燃的初期征兆，以能對自燃預(yù)兆及時識別和判斷，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，就及時匯報處理。圖210 采空區(qū)（報廢采區(qū)）遺煤引起的煤炭自燃事故樹示意圖68（2）最小割（徑）集的求解利用最小割（徑）集判定式可得，該子樹的最小割集數(shù)為289個，最小徑集為4個，故采用最小徑集分析較方便。在煤的氧化生熱過程中，若無及時發(fā)現(xiàn)預(yù)兆，或發(fā)現(xiàn)預(yù)兆后無及時處理，熱量聚集到著火溫度，則自燃發(fā)生。從結(jié)構(gòu)重要度而言，xx2的結(jié)構(gòu)重要度最大，對頂上事件發(fā)生影響最重要，是關(guān)鍵的基本事件；其次是P2中的各基本事件；再著是P1中的各基本事件。但從生產(chǎn)現(xiàn)場的情況看，光控制一個x2的可靠性尚不能達到100%，所以，在考慮制定預(yù)防措施時，除了重點控制x2外，還需考慮控制其它事件。② 提高通風(fēng)安全專業(yè)人員的技術(shù)素質(zhì)和工作責(zé)任心，加強對煤炭自燃的預(yù)測預(yù)報工作；及時發(fā)現(xiàn)和處理。對鉆孔及灌漿孔要及時封閉，不能出現(xiàn)有漏風(fēng)及封閉不嚴(yán)實的現(xiàn)象。風(fēng)門、調(diào)節(jié)風(fēng)窗等通風(fēng)構(gòu)筑物安設(shè)位置一定要選擇在合理正確位置，并要求通風(fēng)構(gòu)筑物的質(zhì)量要保證。⑤ 保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)完善良好。圖211 采區(qū)（正在開采）煤炭自燃事故的事故樹示意圖（2）最小徑集的求解用最小割（徑）集個數(shù)判定式可得，該子樹最小割集數(shù)為260個，最小徑集為5個，故利用最小徑集分析較為方便。在各事件中，xxx74對頂上事件的影響最大，其次是P4中的各基本事件；再者是P5中的各基本事件。③ 對x74的控制，應(yīng)合理布置采區(qū)，在具有自燃傾向性煤層中布置采區(qū)時，要根據(jù)煤層自然發(fā)火期的長短和回采速度來確定采區(qū)的大小。報廢巷道與停工停風(fēng)獨頭巷道煤炭自燃事故分析（1）事故樹示意圖從圖27事故樹分析圖可分割出其事故樹示意圖如圖212所示。在選擇預(yù)防徑集，理應(yīng)選PP2為重點預(yù)防對象。其預(yù)防對策簡述如下：① x2的控制見其它點有關(guān)敘述；② 報廢巷道、停工停風(fēng)獨頭巷道應(yīng)及時密閉；③ 密閉墻的質(zhì)量要符合要求。只要有重點地加以預(yù)防，主次兼顧，井下煤炭自燃事故一定可以避免。因此，對系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)刻劃是十分困難的。為此，本章根據(jù)前人長期積累的經(jīng)驗，對影響煤層自然發(fā)火危險程度的內(nèi)外因素，用評分的方法表達各評價因素的差異。所謂分類，就是將事物的總體分成若干類（子集），使總體中的每一事物在且在一個類中。但由于現(xiàn)實的分類往往伴隨著模糊性，在多數(shù)場合，一組事物是否形成一個類群、一個事物是否屬于某一個子類，都不是涇渭分明的，而是一個程度的問題。本章所要研究的煤層自燃危險性的綜合評價問題即是一個典型的模糊聚類分析問題。所以對于煤層自燃危險性問題可采取應(yīng)用模糊聚類分析的方法解決。用a ij表示xi與xj的相似系數(shù)，其中xi=(xi1，xi2，…，xim)xj=( xj1，xj2，…，xjm) i，j=1，2，…，naij=0，表示xi與xj截然不同，毫無相似之處；aij=1，表示它們完全相似或相同。A中的元素滿足： (1) j=1,2 ,…,n (2) j=1,2 ,…,c (3)如果矩陣A中的第i行中的第j列元素為1，其余皆為0，則表示樣本xi屬于第j類。一個 c模糊劃分矩陣給出樣本集的一個模糊劃分。在模糊 c劃分中，由于降低了對樣本集X中的樣本元素間的相似系數(shù)的要求，因此，此時（7）、（8）、（9）式要做相應(yīng)修正如下： (10) (11) (12)其中?是空間中的任一種范數(shù)，是參數(shù)，最理想的 c模糊劃分是使J(A，V)取得極小值。解決這一問題的過程就是將模糊劃分清晰化地過程。3．3 煤層自然發(fā)火模型概況 荊各莊礦煤層地質(zhì)概況荊各莊礦位于河北省唐山市偏東約12公里處，南距馬家溝礦6公里，距原京山鐵路開平車站10公里，行政區(qū)域?qū)偬粕绞虚_平區(qū)管轄。煤系地層含煤量情況表見表32。這種構(gòu)造特征直接影響了井田不同區(qū)域斷裂構(gòu)造的性質(zhì)和發(fā)育程度。荊各莊礦水文地質(zhì)條件屬復(fù)雜類型，有八個含水層，其中與礦井生產(chǎn)較為密切的有奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層、K2~K6砂巖裂隙承壓含水層，K6~煤12砂巖裂隙承壓含水層、煤5以上砂巖裂隙承壓含水層、第四系底部卵石空隙承壓含水層。夾矸變厚處煤層厚度明顯變薄，且上分層往往尖滅于煤層頂板，因而九煤層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層。直接頂班為粉砂巖，有明顯的水平層理或波狀文理，塊狀，含有豐富的植物葉片化石，偶見淺褐色結(jié)核，厚度變化較大，極不穩(wěn)定。煤層傾角為3~68186。直接頂板為泥巖，塊狀，致密細膩，含菱鐵質(zhì)透鏡狀結(jié)核及黃鐵礦聚集體；老頂為細砂巖，塊狀，鈣質(zhì)基底式膠結(jié)，成分以石英為主，易風(fēng)化，厚度不穩(wěn)定。煤層傾角0~65186。121煤層頂板包括直接頂板和老頂。十二（二）煤層的賦存情況122煤層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，主要含有兩層夾矸，為穩(wěn)定煤層。平均數(shù)16186。偽頂板為腐泥質(zhì)泥巖，塊狀，細膩質(zhì)輕，厚度不穩(wěn)定，時有尖滅。四個可采煤層中，除九煤層發(fā)生過自燃現(xiàn)象以外，其它煤層均未出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。九煤層采用恒底分層采煤法，因而其自燃火災(zāi)呈現(xiàn)出一個特殊的方面，即火災(zāi)多發(fā)生于一分層開采，二分層次之，三分層未發(fā)生過自燃事故。表34 荊各莊礦自然發(fā)火紀(jì)錄按發(fā)火地點分類表位 置次 數(shù)巷道密閉（老塘）回采面其它合計次數(shù)47146572所占比重%100從表中可以看出，發(fā)火地點多發(fā)生于巷道內(nèi)，其次為密閉或老塘邊。3．4 煤層自然發(fā)火危險程度指標(biāo)體系的建立為了對煤層樣本進行合理分類，保證預(yù)測的精確性，應(yīng)將反映煤層自燃的種種特性數(shù)量化，這種數(shù)量化的性質(zhì)稱為樣本的指標(biāo)。它取決于煤在常溫下氧化能力，使煤層發(fā)生自燃的基本條件。因此，我國《煤礦安全規(guī)程》要求對所有煤層均應(yīng)進行自燃傾向性鑒定。對自然發(fā)火產(chǎn)生影響的地質(zhì)因素有：（1）煤層厚度 煤層厚度越大，自燃危險性越大，其原因是：難以全部采出，遺留大量浮煤與殘柱，煤炭回收率低；采區(qū)回采時間過大，大大超過了煤層的自燃發(fā)火期；開采壓力大，煤壁受壓容易破裂，采空區(qū)不易封閉嚴(yán)密，漏風(fēng)較大。（4）煤層埋藏深度 煤層賦存太淺或太深都會增加火災(zāi)危險性。（6）頂板性質(zhì) 堅硬的煤層頂板不易冒落，煤柱最易受壓破裂，而且采空區(qū)難以冒落充填密實，冒落后還會形成和相鄰采空區(qū)甚至地面能連通的裂隙，這就為自然發(fā)火提供了充分的條件。因此可以說，開采技術(shù)因素是影響煤層自燃發(fā)火直接的或主要的因素。開拓巷道切割煤層和留煤柱多少，影響礦壓得作用和煤層的破壞程度，影響自然發(fā)火的危險性。隨著工作面的推進，這些聯(lián)絡(luò)眼連同區(qū)段煤柱遺留在采空區(qū)內(nèi)。采煤方法對自燃的影響主要表現(xiàn)在煤炭回收率的高低、回采時間的長短及其集中程度、回采速度、頂板管理方法、煤層切割情況、煤柱破壞程度、采空區(qū)封閉的難易等。（7）回采方法采用前進式回采方法開采一個采區(qū)比用后退式回采程序的漏風(fēng)大（采用巷旁充填帶的沿空留巷無煤柱開采法除外），因此，開采自燃煤層的采區(qū)，一般都采用后退式回采方法。（10）煤的易碎性煤體破裂與自燃之間的聯(lián)系首先在于地質(zhì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生大量裂隙，裂隙充滿煤粉與碎屑，也是空氣供給的通道。破碎的煤塊在位移中相互摩擦而產(chǎn)生大量的煤粉與黃鐵礦粉末，尤其是在空氣潮濕時，自燃發(fā)生的可能性更大。漏風(fēng)就是向這些地點供氧，促進煤的氧化自燃。合理地調(diào)節(jié)礦井的通風(fēng)阻力，可以大大減少礦井自燃。 預(yù)防措施評價指標(biāo)體系的建立以下三種措施對預(yù)防自燃火災(zāi)均有重要影響：（1）預(yù)防性灌漿這時防止自燃發(fā)火的傳統(tǒng)措施，也是最有成效、穩(wěn)定可靠的措施。減少或杜絕通往有遺煤堆積區(qū)域的漏風(fēng)，既可以防火也可以滅火。影響煤層自燃發(fā)火危險程度評價指標(biāo)難以定量描述，而且這種定量評價仍很模糊，加之涉及多因素綜合評價問題，為便于分析，考慮用主觀評分的方法來表述影響煤層自燃發(fā)火危險程度評價指標(biāo)的差異。為簡化計算，用單一數(shù)值表示評分指標(biāo)。25 ~ 45176。表37是各采區(qū)煤層與自燃可能性有關(guān)的各分類具體情況。為了把這些數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，變成[0，1]之間的數(shù)，為此需要采用極值標(biāo)準(zhǔn)化公式，其計算公式為： （13）其中 ；。借助于模糊集合理論，可以認(rèn)為一個樣本（煤層）可以同屬于幾個不同的類，以其從屬的可能程度作為隸屬函數(shù)。模糊分類矩陣A代表了樣本集X的一個軟劃分。式（12）中的參數(shù)r越大則分布越模糊，一般取。關(guān)于分類矩陣元素aik和各聚類中心vi的計算公式為： （15） （16）具體計算步驟如下：① 取定c：。越小，結(jié)果計算越精確，但是計算量也越大。為了管理方便，滿足預(yù)測要求和生產(chǎn)實際需要，考慮實際影響情況和通常的分類原則，擬定將煤層樣本分成三類：1類——極易自燃；2類——容易自燃；3類——可能自燃煤層。各采區(qū)煤層自燃危險程度聚類中心如表39所示。 樣本的聚類檢驗分析為檢驗?zāi)：垲惙治龇椒ㄔ诿禾孔匀嘉ｋU性識別方面的正確性、適用性和可靠性，通過對荊各莊礦主要開采的三個煤層（三個煤層的具體條件及標(biāo)準(zhǔn)化值如表310所示，其分類與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值如表311所示）進行聚類，利用（17）式進行計算，計算結(jié)果見表312所示。表310 煤層分類元素及因素標(biāo)準(zhǔn)化值表（二）分類元素及因素標(biāo)準(zhǔn)化值序號采速煤柱采向采序頂管煤碎通管通系灌漿阻化均壓9煤層1abbabbbbbab121煤層2abbabbabbab122煤層3abbabbabbab 表311 煤層分類與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值標(biāo) 因素準(zhǔn) 化元素