矿井火灾进行分析评价论文

1、. . . . 目录1 绪论 11.1引言 11.2问题的提出 41.3煤炭的自然发火机理研究现状 51.4 国外研究现状 82 矿井火灾事故树分析 1021 事故树分析概述 102. 2 事故树分析与编制 112.2.1 事故树的分析程序 112.2.2 事故树的编制过程 1323 事故树的符号与其意义 142.3.1 事件与事件符号 152.3.2 逻辑门与其符号 162.3.3 转移符号 1824 煤炭自燃事故树定性分析 182.4.1 编制说明与事故树图 182.4.2 事故树定性分析 2125 结论 303 煤层自然发火危险程度的综合评价 3131 引言 3132 应用模糊聚类分析的

2、基本理论基础 3133 煤层自然发火模型概况 363.3.1 荆各庄矿煤层地质概况 363.3.2 荆各庄矿煤层自然发火情况 4134 煤层自然发火危险程度指标体系的建立 443.4.1 煤的自燃倾向性指标体系的建立 443.4.2 煤层地质赋存条件评价指标体系的建立443.4.3 开采技术因素评价指标体系的建立 463.4.4 通风因素评价指标体系的建立 483.4.5 预防措施评价指标体系的建立 4935 模糊聚类分析 533.5.1 数据的处理 563.5.2 逐步聚类分析法的基本思想 573.5.3 标定（建立模糊相似关系） 593.5.4 聚类 593.6 样本的聚类检验分析 613

3、7 总结 634 结论 64致 66参 考 文 献 671绪论11 引言能源是经济发展、社会进步的主要支撑条件，在世界一次能源消费中，化石能源（煤炭、石油、天然气）占90%以上。而在世界石化能源探明可采储量中，煤炭约占2/3，石油、天然气分别占1/6。众所周知，我国是世界上少数几个一次能源为主的国家，煤炭是我国的第一能源，也是重要的工业原料。目前，全国约有75%的工业原料，76%的电能，80%的民用商品以与60%的化工原料依靠煤炭。预测我国社会经济发展对能源的需求时，有关专家认为，到2050年化石能源仍是我国的主要能源，其中煤炭至少要占到50%。因此，煤炭工业是支持经济发展和保障人民生活的基础

4、产业。我国已探明的煤炭储量9000亿吨，占一次能源探明储量的90%，煤炭在能源结构中的优势近十年来不断上升，原煤产量以平均每年5.7%的速度增长，目前年产煤炭达12亿吨，以后还会增长。然而，伴随着煤炭产量的不断增加，可采围的不断缩小，许多安全问题也随之产生。瓦斯、火灾、粉尘、噪声、高温正在困扰着企业的正常发展。矿井火灾是煤矿的重大自然灾害之一。矿井火灾不仅能使矿井遭受巨大的物质损失，同时它也是导致井下职工伤亡的重要根源。矿井火灾根据引火的热源不同分为外因火灾和因火灾（也称自燃火灾）。外因火灾一般发生突然、来势迅猛，如果不能与时发现和控制，往往会酿成重大事故。但是外因火灾的火焰一般是在燃烧物的表

5、面，如果能与时发现和扑救，是容易熄灭的。与外因火灾相比，因火灾的发生，往往伴有一个蕴育的过程，根据预兆能够早期予以发现。但是因火灾火源比较隐蔽，经常发生在人们难以进入的采空区或煤柱，要想精确找到火源并非易事。因此难以扑灭，以至火灾可以持续数月，数年甚至几十年至上百年之久，长期威胁着矿井的安全生产。有时燃烧的围逐渐蔓延扩大，烧毁大量煤炭，冻结大量资源，使自然资源造成极大的浪费。如煤田露头煤的燃烧已持续300多年，至今尚未完全熄灭。因此，致力于火的研究一直是众多专家和学者的重要课题。众所周知，发生火灾的原因是极为复杂的，单一学科、理想的研究方法已经不能适应现代化生产与科研的需要。因此本文尝试着对其

6、进行定性和定量分析评价。首先对矿井火灾的国外情况做了一般介绍，同时对预测自然发火的方法作了客观评价，提出应用事故树进行定性分析和应用模糊数学方法进行定量分析评价的必要性。其次对矿井火灾进行事故树定性分析，介绍了事故树分析的基本理论和定性分析，发现危险因素，得出相应的预防措施。然后应用模糊数学对煤层自然发火危险程度进行定量评价。先对模糊数学的模糊聚类分析方法作了深入的介绍， 进而建立样本进行定量评价。12 问题的提出我国56%的矿井开采易自燃煤层，百万吨自然发火率近年来虽然有所下降，但仍高居不下，达1%强。矿井火灾是一大突出危害，尤其是近年来，重大火灾事故还时有发生，给煤炭企业带来难以估量的负面

7、影响，不仅有损于煤炭行业的社会形象，也严重制约着煤炭企业的经济效益。据统计，在矿井火灾事故中，自燃火灾占总数的94%以上，其中60%发生在采空区。火灾的发生与发展不仅影响安全生产和周围环境，而且极易引起煤尘、瓦斯爆炸，而且随着采深的不断增加，煤的自燃发火期逐渐缩短，开采时间的不断增加，使煤柱、采空区遗煤的氧化程度不断加深，更缩短了煤的自燃发火期。因此，火灾防治工作仍然是企业领导的一项常抓不懈、重要而艰巨的任务，国外许多专家和学者也都致力于煤炭自然发火规律的研究。13 煤炭的自然发火机理研究现状煤炭能够自然发火是煤所具有的共性之一，只是不同的煤种具有不同的呈现，不同的条件具有不同的反映。煤炭自然

8、发火是一个极为复杂的物理化学变化过程。对于这个过程的前期是如何开始的，温度是怎样提高到发生氧化反应必不可少的温度60的两个问题还存在争论。早在本世纪前半时期Dr Plot提出了黄铁矿作用学说。他认为煤的自燃是由于煤层中的黄铁矿（FeS2）与空气中的水分和氧相互作用、发生热反应引起的。其反应式为：而硫酸亚铁在潮湿的环境中可能被氧化成硫酸铁：硫酸铁在潮湿的环境中作为氧化剂又和黄铁矿反应：以上的反应都是放热反应，再者，黄铁矿在潮湿的环境中被氧化成SO2、CO2、CO、H2S气体时，也都是放热反应。但其反对者也列举了不含硫的煤也发生自燃的实例。五十年代波兰学者Olpinsk.W对波兰烟煤的考察表明：只

9、有当煤中硫铁矿含量较高时（大于1.5%），才具有自燃倾向性。Muck认为属于斜方晶系的硫化铁变态白铁矿在煤的自燃过程中起着主导作用。 1927年英国人Potter.M.C提出了煤自燃的细菌作用学说。他认为在细菌的作用下，煤在发酵过程放出一定热量对煤的自燃起了决定的作用。但在后来人们的实验中认为：细菌不起任何作用。前联的B.B TponB于1940年提出酚基作用学说。他认为煤的自燃是由于煤体不饱和酚基化合物强烈吸附空气中的氧，同时放出一定量的热量造成的。该学说的建立是基于对各种煤体中的有机物进行实验后，发现酚基类是最易氧化的。不仅在纯氧中可以氧化，而且与其它氧化剂接触也可以发生作用。以上各种学说

10、的建立是基于某一特定条件下而得出的结论，均有其局限性，目前绝大多数学者都赞同的一种学说为煤氧复合作用学说。煤氧复合作用学说认为煤的自燃是氧化过程自身加速的最后阶段，并非任何一种煤的氧化都能导致自燃，只有在稳定的条件下，在低温、绝热条件下，氧化过程的自身加速才能导致自燃。低温氧化过程的持续发展使反应过程的自身加速作用增大，最后如果生成的热量不能与时放散，从而就会引起自热阶段的开始。因而煤发生自燃的必要条件是：1)以易于低温氧化的粉煤或碎煤的堆积；2)存在着适宜的通风供氧条件；3）存在着蓄热的环境条件。一般认为，煤暴露于空气中后，由于其表面具有较强的吸附氧的能力，会在煤的表面形成氧气吸附层，在吸附

11、动力平衡的过程中，煤的表面与氧相互作用而在煤表面形成一种中间产物，学科上称为氧化基或过氧络合物。此期间煤的氧化处于缓慢状态，生成的热量与煤温的变化都微乎其微，一般极难检测出；由于吸附空气中的氧，煤重略有增加，此阶段的活化能在煤的整个自热过程中最小，据研究为14.23T/mol左右，这一阶段通常被称为煤自燃潜伏期。潜伏期煤的结构没有变化，唯一的表现是化学活性增强；这种化学活性增强的程度主要受煤自身的物理化学性质的影响；经过潜伏期后，煤的氧化速度加快，表面中间产物开始分解成一氧化碳、二氧化碳与水等产物，同时释放出较多的热量，煤温开始上升，煤重有所下降，此时煤的自燃过程进入被称为自燃期的阶段，此阶段

12、末期煤温达到自燃临界温度，煤温急剧上升，失重加速，同时释放出某些芳香族的碳氢化合物气体，显现出煤自燃自热期的全部征兆。煤自燃过程处于本阶段时，如果得不到抑制（其本身在属性所定和外在环境条件的制约），进一步发展即会导致煤温上升带到着火温度点，进入煤自燃的最终阶段明火燃烧阶段。由此可见，煤的自燃乃是由于煤在常温下首先与空气中的氧相互作用（物理吸附、化学吸附、氧化）并自动加速，当其氧化速度加快到氧化产生的热量积聚起来不能散发时就导致自燃。同时，这种氧化反应主要是煤中含碳物质与空气中氧的反应，煤中黄铁矿的氧化和水分也产生热量，黄铁矿氧化产生了体积很大的产物，使煤体更为破碎，暴露出更大的表面积空间。但这

13、些都仅是促进了煤自热。只有当硫化矿物含量超过5%10%，且分布颗粒较小时才会成为煤自热的主要因素之一。事实上，煤自然发火是一个放热反应和散热反应过程相互矛盾而又统一共存的物理化学现象。图1.1显示了这一过程。图1-1 煤自燃发展过程曲线14 国外研究现状煤层开采之前能否对煤层的自燃危险性程度进行综合预测，这对即将开采煤层的开拓布置、开采工艺的选择与采取相应的预防自燃措施具有重要的指导意义。 目前国对煤层自燃危险性的评价一直沿用联的. . 方法，即自燃倾向性鉴定法，但现场实践证明该方法不能全面反映煤层自燃发火危险性程度，仅用煤层自燃倾向性这一单项指标作为鉴别标准在生产中存在一定局限性。 国外学者

14、在煤层自燃危险性预测方面做了大量的研究工作。波兰Olpinski1罗列出影响自燃的诸因素，根据各因素对自燃的影响程度人为评分，得出了用于煤层自燃危险性分类的Olpinski指标； RNSingh和SDemirbirek2根据实测数据的研究，结合现场发火记录，提出了绝热升温率(h)指标；英国Feng，Chakravarty和Cochrance3根据煤的在因素和煤损、破碎程度以与通风压差等环境指标，提出了一个综合指标。联学者对生产系统煤层得出了自燃危险性预测的线性方程。 上述提与的方法都力图定量精确地对煤层的自燃危险性提出分类指标，从而达到预测目的。但各类自燃危险性之间的临界值准以精确地确定，而且

15、这些方法只适用于已生产煤层的自燃危险性评价。在井田精查勘探阶段，通过钻孔取样，鉴别出煤层的自燃倾向等级、分析出煤中的含硫量，煤厚和倾角均已探明，根据这些已探明的赋存因素，在煤层开采之前对自燃危险性进行综合预测，这将比自燃倾向性单项指标更可靠、更符合实际。为了解决影响煤层自燃因素的复杂性与预测指标精确性之间的矛盾，使预测方法具有适用性，且能真正反映煤层的自燃危险性，本文运用了模糊聚类分析法，综合煤层自燃倾向性、地质赋存条件、开采技术因素和预防措施这五个指标参数对煤层自然发火危险程度进行综合评价。2 矿井火灾事故树分析21 事故树分析概述事故树分析（Fault Tree Analysis，简称FT

16、A）是安全系统工程中常用的一种分析方法。1961年，美国贝尔研究所的维森（H.A.Watson）首创了FTA并应用于研究民兵式导弹发射控制系统的安全评价中，用它来预测导弹发射的随机故障概率。接着，美国波音飞机公司的哈斯尔（Hassle）等人对这个方法有做了重大的改进，并采用电子计算机进行辅助分析和计算。1974年，美国原子能委员会应用FTA对商用核电站进行了风险评估，发表了拉斯姆逊报告（Rasmussen Report），引起世界各国的关注。目前事故树分析法已从宇航、核工业进入一般电子、化工、机械、交通等领域，它可以进行故障诊断、分析系统的薄弱环节，指导系统的安全运行和维修，实现系统的优化设计

17、。事故树分析（FTA）是一种演绎推理法，这种方法把系统可能发生的某种事故与导致事故发生的各种原因之间的逻辑关系用一种称为事故树的树形图表示，通过对事故树的定性与定量分析，找出事故发生的主要原因，为确定安全对策提供可靠依据，以达到预测预防事故发生的目的。FTA法具有以下特点：（1）事故树分析是一种图形演绎方法，是事故事件在一定条件下的逻辑推理方法。它可以围绕某特定的事故作层层深入的分析，因而在清晰的事故树图形下，表达了系统部事件间的在联系，并指出单元故障与系统事故之间的逻辑关系，便于找出系统的薄弱环节。（2）FTA具有很大的灵活性，不仅可以分析某些单元故障对系统的影响，还可以对导致系统事故的特殊

18、原因如人为因素、环境影响进行分析。（3）进行FTA的过程，是一个对系统更深入认识的过程，它要求分析人员把握系统各要素间的在联系，弄清各种潜在因素对事故发生影响的途径和程度，因而许多问题分析的过程中就被发现和解决了，从而提高了系统的安全性。（4）利用事故树模型可以定量计算复杂系统发生事故的概率，为改善和评价系统安全性提供了定量依据。事故树还存在很多不足之处，主要是：FTA需要花费大量的人力、物力和时间；FTA的难度较大，建树过程复杂，需要经验丰富的技术人员参加，即使这样，也难免发生遗漏和错误；FTA只考虑（0，1）状态的事件，而大部分系统存在局部正常、局部故障的状态，因而建立数学模型时，会产生较

19、大误差；FTA虽然可以考虑人的因素，但人的失误很难量化。事故树分析仍处在发展和完善中。目前，事故树分析在自动编制、多状态系统FTA、相依事件的FTA、FTA的组合爆炸、数据库的建立与FTA技术的实际应用等方面待进一步分析研究，以求新的发展和突破。2. 2 事故树分析与编制事故树分析是根据系统可能发生的事故或以与发生的事故所提供的信息，去寻找同事故发生有关的原因，从而采取有效的防措施，防止事故发生。其分析程序与编制过程如下。2.2.1 事故树的分析程序事故树的分析目的，是为了防止同类事故的重演。要做到这一点，必须首先要了解事故发生的主要宏观趋势和规律。另一方面，要通过调查现有的与以往发生的事故，

20、追查其原因，达到直接借鉴的目的。通常一个事故树分析的重要容与程序，如图2-1所示。图2-1 事故树的分析程序（1）确定顶上事件顶上事件是不希望有的事件（事故或故障），它是分析的对象。顶上事件的确定是以事故调查与事故统计为基础的。事故调查的目的主要是查清事实，因为原因是基于事实而导出的。通过事故统计，在众多的事故中筛分出主要分析对象与其发生概率。（2）充分了解系统生产系统是分析对象（或事故）的存在条件，要对系统中人、物、管理与环境四大组成因素进行详细的了解。（3）调查事故原因从系统中的人、物、管理与环境缺陷中，寻求构成事故的原因。在构成事故的各种因素中，既要重视具有因果关系的因素，也要重视相关关

21、系的因素。（4）确定控制目标依据事故统计所得出的事故发生概率与事故的严重程度。确定控制事故发生的概率目标值。（5）构成事故树在认真分析顶上事件、中间关联事件与基本事件关系的基础上，按照演绎（推理）分析的方法逐级追究原因，将各种事件用逻辑符号予以连接，构成 完整的事故树。（6）定性分析依据事故树列出逻辑表达式，求得构成事故的最小割集，防止事故发生的最小径集，确定出各基本事件的结构重要度排序。（7）定量分析依据各基本事件的发生概率，求解顶上事件的发生概率。若计算的概率与实际统计概率不符时，应作进一步的检查。在输出顶上事件概率的基础上，求解各基本事件的概率重要度与临界重要度。（8）改善系统依据上述分

22、析结果与安全投入的可能，寻求降低事故概率的最佳方案，以便达到预定概率目标的要求。2.2.2 事故树的编制过程一个事故树的编制过程，从根本上讲，是分析者不断追究一个事故（或故障）的成因是什么结果。一个事故的发生往往是由许多危险事件连续发生的结果。通常一个事故树的构成过程如图2-2所示。最上是顶上事件，下部是引起顶上事件发生的中间关联事件，这些关联事件是由一些基本事件组合的结果。例如，两辆汽车相撞，不仅仅取决于驾驶者的操作，同事和机械运行与交通拥挤情况有关。汽车相撞时顶上事件。操作失误、刹车失灵、交通拥挤等是关联事件，而这些事件往往是由更多的基本事件引起的。一个事故树的编制过程，是从顶上事件开始，

23、经关联事件到基本事件逐个完成的。每个下部事件是上部事件形成的原因；上部事件是下部事件发生的结果。从形式上看，它是一个塔式因果链，故称事故树。图2-2 事故树的构成示意图23 事故树的符号与其意义事故树采用的符号包括事件符号、逻辑门符号和转移符号三大类。2.3.1 事件与事件符号在事故树分析中各种非正常状态或不正常情况皆称事故事件，各种完好状态或正常状况皆称成功事件，两者均皆称为事件。事故树中的每一个节点都表示一个事件。（1）结果事件结果事件是由其他事件或事件组合所导致的事件，它总是位于某个逻辑门的输出端。用矩形符号表示结果事件，如图2-3a所示。结果事件分为顶事件和中间事件。图2-3 事件符号

24、顶事件是事故树分析中所关心的结果事件，位于事故树的顶端，它总是所讨论事故树中逻辑门的输出事件而不是输入事件，即系统可能发生的或实际已发生的事故结果。中间事件是位于事故树顶事件和底事件之间的结果事件。它既是某个逻辑门的输出事件，又是其他逻辑门的输入事件。（2）底事件底事件是导致其他事件的原因事件，位于事故树的底部，它总是某个逻辑门的输入事件而不是输出事件。底事件又分为基本原因事件和省略事件。基本原因事件表示导致顶事件发生的最基本的或不能再向下分析的原因或缺陷事件。用图2-3b中的圆形符号表示。省略事件表示没有必要进一步向下分析或其原因不明确的原因事件。另外，省略事件还表示二次事件，即不是本系统的

25、原因事件，而是来自系统之外的原因事件，用2-3c中的菱形符合表示。（3）特殊事件特殊事件是指在事故树分析中需要表明其特殊性或引起注意的事件。特殊事件有分为开关事件和条件事件。开关事件，又称正常事件。它是在正常工作条件下必然发生或必然不发生的事件。用图2-3d中房形符号表示。条件事件，是限制逻辑门开启的事件，用图2-3e中的椭圆形符号表示。2.3.2 逻辑门与其符号逻辑门是连接各事件并表示其逻辑关系的符号。（1）与门与门可以连接数个输入事件E1 、E2，En和一个输出事件E，来表示仅当所有输入事件都发生时，输出事件E才发生的逻辑关系。与门符号如图2-4a所示。图2-4 逻辑门符号（2）或门或门可

26、以连接数个输入事件E1 、E2，En和一个输出事件E，表示至少一个输入事件发生时，输出事件E就发生。与门符号如图2-4b所示。（3）非门非门表示输出事件是输入事件的对立事件。非门符号如图2-4c所示。（4）特殊门表决门，表示仅当输入事件有m（）个或m个以上事件同时发生时，输出事件才发生。表决门符号如图2-5a所示。显然，或门和与门都是表决门的特例。或门是m=1时的表决门；与门是m=n时的表决门。图2-5 特殊门符号异或门，表示仅当单个输入事件发生时，输出事件才发生，异或门符号如图2-5b所示。禁门，表示仅当条件事件发生时，输入事件的发生方导致输出事件的发生。禁门符号如图2-5c所示。条件与门，

27、表示输入事件不仅同时发生，而且还必须满足条件A，才会有输出事件发生。条件与门符号如图2-5d所示。条件或门，表示输入事件中至少有一个发生，在满足条件A情况下，输出事件才发生。条件或门符号如图2-5e所示。2.3.3 转移符号转移符号如图2-6所示。转移符号的作用是表示部分事故树的转入和转出。当事故树规模很大或整个事故树中多处包含有一样的部分树图时，为了简化整个树图，便可用转入和转出符号。图2-6 转移符号24 煤炭自燃事故树定性分析矿井火灾是煤矿生产的主要灾害之一。火灾发生的大量有害气体能严重危与井下工人的生命安全；大火能烧毁井下的设备、材料；煤炭的燃烧与防火煤柱的损失使资源受到严重损失；回采

28、煤量长期封闭在火灾隔绝区中不能开采，不仅破坏了正常的生产秩序，而且使煤炭资源受到破坏；在有瓦斯、煤尘突出危险的矿井中发生火灾，往往会引燃瓦斯爆炸、扩大灾害围，引起更为惨重的损失；另外，矿井火灾的灭火费用、巷道的修复费用，火灾后采掘停产而造成矿井减产以与火灾引起工人心理恐惧导致生产效率降低。因此，在煤矿生产中，一定要严防火灾的发生。2.4.1 编制说明与事故树图煤炭自燃，主要是有煤的氧化性能；空气的供给条件；煤与周围物质热交换三因素的综合结果。它的形成必须满足3个基本条件：存在有具备自燃倾向性的、呈碎裂状态堆积的煤炭；有一定的供氧条件以维持煤的氧化过程；在煤的氧化过程中生成积蓄的热量难以与时散发

29、。因此，我们在分析时，应从上述三方面入手。煤炭自燃事故树分析如图2-7所示。2.4.2 事故树定性分析为方便分析与讨论，本节将对煤炭自燃事故的事故树图分解成多个子树进行讨论。砌碹巷道煤炭自燃（1）事故树分析图（示意图）从图2-7中可分割出该事故的事故树示意图如图2-8所示。（2）求解最小割（径）集最小割集求解 图2-8砌碹巷道煤炭自燃事故树示意图故得该子树的3个最小割集如下：最小径集的求解首先做出图2-8的对偶树成功树（如图2-9），然后求出成功树的最小割集，它们就是事故树的最小割集。 图2-9 图2-8的对偶树示意图故得该子树的最小径集为3个：（3）结构重要度分析经解算，得各基本事件结构重要

30、度排序如下：； ；。（4）结果分析该子事故树直观给出导致事件发生发生的初始原因事件有6个。其中，x1，x2，x3对顶上事件的影响较大，理应把它们作为重点预防，然而，由于x1（煤炭具有自燃倾向性）和x3（煤壁煤体破碎）是客观存在事件，不好做为控制事件。x2（早期预兆得不到发现与处理）事件，如果人们经过努力是可以对其实行控制的，所以可以作为重点预防。为增大预防的可靠性，除把x2（即P2）做为重点预防外，尚应采取措施，控制住x4，x5，x6的发生。预防对策简述如下：认真做好群防工作，加强对职工的安全教育，使广大职工能了解和掌握煤炭自燃的初期征兆，以能对自燃预兆与时识别和判断，一经发现，就与时汇报处理

31、。 提高通风安全专业人员的技术素质和工作责任心，加强对煤炭自燃的预测预报工作；与时发现和处理。砌墙要砌实砌密，保证质量；砌碹壁要充填严实；经常性检查，对损坏的砌壁应与时修补。 采空区（报废采区）遗煤引起的煤炭自燃发火事故分析（1）事故树分析示意图从图2-7中可分割出其事故树示意图如图2-10所示。图2-10 采空区（报废采区）遗煤引起的煤炭自燃事故树示意图68 / 68（2）最小割（径）集的求解利用最小割（径）集判定式可得，该子树的最小割集数为289个，最小径集为4个，故采用最小径集分析较方便。求解最小径集时，先作出图2-10事故树的成功数（从略），利用布尔代数化简化，则：分解代换上式，可求得

32、4个最小径集如下：P1=（x14，x15，x16，x17，x18，x19，x20，x21，x22，x23，x24，x25，x26，x27，x28，x29，x30，x31，x32，x33，x34，x35，x36，x37，x38，x39，x40)；P2=（x41，x42，x43，x44，x45，x46，x47，x48，x49，x50，x51)；P3=（x2)； P4=（x1)。（3）结构重要度求解经计算，得各基本事件结构重要度排序:（4）结果分析从该子事故树的结构上可直观地观察到由采空区（已报废）遗煤引起自然发火的各基本事件与其之间的逻辑关系。从图上可见，如果采空区的遗煤多，且漏风（供风）充足，则

33、采空区的遗煤就具备了氧化生热条件。在煤的氧化生热过程中，若无与时发现预兆，或发现预兆后无与时处理，热量聚集到着火温度，则自燃发生。因而，该系统顶上事件要发生，则需同时满足4个条件：遗煤多（P2）；漏风量足（P1）；无与时发现预兆处理（P3）；煤炭具有自燃倾向性（P1）。显然，若上述4个条件中任一条件被破坏，则事故就不会发生。所以说，它们所对应的，可供预防的途径分别为P1、P2、P3、P4。从结构重要度而言，x1、x2的结构重要度最大，对顶上事件发生影响最重要，是关键的基本事件；其次是P2中的各基本事件；再着是P1中的各基本事件。显然，若x1（P4）和x2（P3）能控制，则事故可以避免。但x1（

34、煤炭具有自燃倾向性）是客观存在事件（因若煤炭不具有自燃倾向性，则不会自燃），所以不能作为控制事件；对x2而言，它是人为努力可以控制的，故应把它（P3）做为重点控制径集。即只要与时发现预兆和处理，把煤炭氧化控制于自燃期之前，则事故可以避免。但从生产现场的情况看，光控制一个x2的可靠性尚不能达到100%，所以，在考虑制定预防措施时，除了重点控制x2外，还需考虑控制其它事件。从结构重要度而言，P2中的各基本事件结构度较大于P1中的各基本事件，本可选择P2作为控制集，但从各基本事件的分布看，P2（即控制遗煤多）中的各基本事件难于控制。因造成采空区有足够的遗煤的基本事件是在采空区开采时遗留下来的，所以，

35、对于该系统的P2中的各基本事件难以控制，因而对“已报废采区煤炭自燃”事故的预防，第二个措施应放在对P1集的控制上。根据上述分析，本事故的预防对策简述如下：认真做好群防工作，加强对职工的安全教育，使广大职工能了解和掌握煤炭自燃的初期征兆，以能对自燃预兆与时识别和判断，一经发现，就与时汇报处理。提高通风安全专业人员的技术素质和工作责任心，加强对煤炭自燃的预测预报工作；与时发现和处理。 对报废采空区一定要与时封闭，封闭采空区的密闭墙，一定要达到质量要求。密闭墙要严实，并经常检查，发现有裂缝等不合要求现象时要与时修补。必要时要进行预防性灌浆，浆料的配制要合理；保证灌浆质量，保证有足够的浆料进入采空区包

36、裹媒体。对钻孔与灌浆孔要与时封闭，不能出现有漏风与封闭不严实的现象。减少漏风通道。 尽量降低采空区（报废采区）进回风侧的风压差。对于压差大的采空区，可采用“调压法”等技术措施进行处理，达到减少采空区进回风侧风压差的目的。风门、调节风窗等通风构筑物安设位置一定要选择在合理正确位置，并要求通风构筑物的质量要保证。要经常检查通风构筑物的使用情况，有不符合质量要求者，应与时修好。工人对通风构筑物的位置不能随意改变。要加强日常管理，保证风门均处于关闭状态。保证矿井通风系统完善良好。做好井巷的维护工作，以降低井巷风阻。在有可能情况下，尽量减少矿井通风能耗。采区（正在开采）煤炭自燃事故分析（1）事故树示意图

37、从图2-7中可分割出该事故的子事故树如图2-11所示。图2-11 采区（正在开采）煤炭自燃事故的事故树示意图（2）最小径集的求解用最小割（径）集个数判定式可得，该子树最小割集数为260个，最小径集为5个，故利用最小径集分析较为方便。该系统的5个最小径集求得如下示：P1=（x1)； P2=（x2)； P3=（x74)；P4=（x41，x42，x43，x44，x45，x46，x47，x48，x49，x50，x51，x71，x72)；P5=（x18，x19，x20，x21，x36，x37，x38，x39，x40 ，x52，x53，x54，x55，x56，x57，x58，x59，x60，x61，x62

38、，x63，x64 ，x65，x66，x67，x68)。（3）结构重要度求解经计算，可得各基本事件结构重要度排序：。（4）结果分析从上述结果可见，可供预防的途径有5条。在各事件中，x1、x2、x74对顶上事件的影响最大，其次是P4中的各基本事件；再者是P5中的各基本事件。由最小径集的定义可知，若彻底控制Pi中的任一个，不让其发生，则顶上事件不发生。但从预防的可能性、可靠性和结构重要度综合考虑，本事故宜同时采取三条预防途径，即选取P2、P3、P4做为制定预防措施的依据，其预防对策简述如下：认真做好群防工作，加强对职工的安全教育，使广大职工能了解和掌握煤炭自燃的初期征兆，以能对自燃预兆与时识别和判断

39、，一经发现，就与时汇报处理。提高通风安全专业人员的技术素质和工作责任心，加强对煤炭自燃的预测预报工作；与时发现和处理。 对x74的控制，应合理布置采区，在具有自燃倾向性煤层中布置采区时，要根据煤层自然发火期的长短和回采速度来确定采区的大小。加快回采速度，保证煤层自然发火之前回采完并进行封闭。杜绝采区布置时不考虑煤层自然发火期而盲目加大采区尺寸的现象。 对P4的控制若采区冒顶，对其遗煤要尽可能清理干净；主要巷道不应布置在煤层中；对于区段煤柱、断层煤柱要留得合理，区的煤柱在技术可行的前提下尽量少留；对于开采条件复杂的煤层，要采取一定的措施，尽量把煤采干净、出干净；对于浮煤，要清理，而且应清理干净；

40、提高工人的技术水平，保证尽量少丢煤；采煤方法选择要充分考虑煤层自燃性，要选用回采率高、回采速度快、采空区容易封闭的采煤法；应坚持正规循环作业。报废巷道与停工停风独头巷道煤炭自燃事故分析（1）事故树示意图从图2-7事故树分析图可分割出其事故树示意图如图2-12所示。图2-12 报废巷道与停工停风独头巷道煤炭自燃事故树示意图（2）最小径集求解做出图2-11的成功树（从略），用布尔代数化简法求解，得：分解后可得：P1=（x2)； P2=（x1)；P3=（x9，x10，x13)； P4=（x9，x10，x11，x12)；P5=（x7，x8，x11，x12)； P6=（x7，x8，x10，x13)。（3

41、）结构重要度求解各结构重要度排序：。（4）结果分析从上述的Pi与结构重要度排序看，P1、P2中各基本事件结构重要度最大。在选择预防径集，理应选P1、P2为重点预防对象。自x1如上面几点中所述，不宜做为控制对象。所以仍应选择P1的x2为主要控制对象。在P3、P4、P5、P6中，P3的各基本事件结构重要度较大，但由于x9，x13难于控制，故宜选P5做为预防对象，故控制最小径集为P1和P5。其预防对策简述如下：x2的控制见其它点有关叙述；报废巷道、停工停风独头巷道应与时密闭；密闭墙的质量要符合要求。25 结论对井下煤炭自燃，就其预防措施的分类而言，基本分为三大类：加强对预兆的预测预报和处理；减少采空

42、区的遗煤；减少遗煤点的漏风。选择那一类做为主要防对象，可依据地点来决定。除重点预防外，其它可能导致顶上事件发生的基本原因事件，可按煤矿安全规程的要求予以控制。只要有重点地加以预防，主次兼顾，井下煤炭自燃事故一定可以避免。3 煤层自然发火危险程度的综合评价31 引言采区煤层自然发火危险程度的综合评价预测的目的是揭示煤炭自燃的规律，以采取相应的技术决策，控制煤炭自燃，减少损失，实现安全生产。为便于对开采煤层制定相应的防治煤炭自燃的措施，人们希望能在一定的围，把自燃危险程度相识的采区煤层归类。但由于影响采区煤层自燃的因素难以定量描述，而且这类分类有具有模糊性，要客观地对采区煤层自燃进行分类并不容易。

43、因此，对系统精确的数学刻划是十分困难的。鉴于煤矿的情况极为复杂，难于把影响煤层自燃危险程度的各种因素尽可能多地加以兼顾。再者，由于存在许多不可预测的因素，因而在实际中，要对某一条件作有效、准确、完全的控制是困难的。同时由于煤层赋存条件和开采技术因素的影响，国外至今还难以用经典数学的方法将各种指标定量化。为此，本章根据前人长期积累的经验，对影响煤层自然发火危险程度的外因素，用评分的方法表达各评价因素的差异。同时根据模糊数学逐步聚类分析的思想，建立标准模式，采用模式识别方法进行分类，以判定采区煤层自然发火的危险程度。32 应用模糊聚类分析的基本理论基础任何一门学科都要通过分类来建立概念，也要通过分

44、类来发现和总结规律。分类是建立和识别模型的重要基础和手段。所谓分类，就是将事物的总体分成若干类（子集），使总体中的每一事物在且在一个类中。聚类分析是按照一定的标准对事物进行分类的数学方法。具体地说，设有n个事物的总体 X=x1，x2，xn每一个事物抽取m个特征： Xj=xj1，xj2，xjmXjk是第j个事物第k个特征的观测值。聚类分析问题就是根据实际情况，按某一个标准鉴别事物之间的接近程度，并把彼此接近的事物归为一类。但由于现实的分类往往伴随着模糊性，在多数场合，一组事物是否形成一个类群、一个事物是否属于某一个子类，都不是泾渭分明的，而是一个程度的问题。因此，用模糊数学的语言和方法来描述和解

45、决聚类问题更为自然和方便。通过建立模糊相识关系而后将事物进行分类的方法叫做模糊聚类分析。模糊聚类分析已被广泛应用于科学技术和生产过程，如天气的模糊划分、河流分类、生态系统污染状况等。本章所要研究的煤层自燃危险性的综合评价问题即是一个典型的模糊聚类分析问题。我们知道，影响煤层自燃危险性的因素很多，包括在因素和外在因素。而在外在因素中不同煤层所包含的元素也各有差异。同时由于很难对各因素对煤层自燃危险性的影响性的影响程度进行定量地划分，即不可能对样本集中各样本的特征值进行定量化。所以对于煤层自燃危险性问题可采取应用模糊聚类分析的方法解决。模糊聚类分析的步骤如下：第一步，标定（建立模糊相似关系） 所谓

46、标定，就是根据实际情况，按一个准则或某一种方法，给样本集X中的元素两两之间都赋予0，1的一个数，叫做相似系数，它的大小表征两个元素彼此接近或相似的程度。 设X= x1，x2，xn 为待分类的全体（取自不同地点的煤层样本的全体）。设每一个被分类的对象（煤样）xi是由一组数据 xi1，xi2，x im来表征的。用a ij表示xi与xj的相似系数，其中xi=(xi1，xi2，xim)xj=( xj1，xj2，xjm)i，j=1，2，naij=0，表示xi与xj截然不同，毫无相似之处；aij=1，表示它们完全相似或一样。确定aij的方法有多种，如数量积法、夹角余弦法、相关系数法、马氏距离法等。在有些场

47、合，甚至连事物特征的选择都有困难，此时可请实际经验者用打分方法，即主观评定法。由此可以构造模糊关系矩阵第二步，聚类 如果把样本集X中的样本分成c（）类，则对应每一种分法，可用一个c行n列，中均为0或1的元素来表示，由此组成一个普通c-划分矩阵。A中的元素满足：(1) j=1,2,n (2) j=1,2,c (3)如果矩阵A中的第i行中的第j列元素为1，其余皆为0，则表示样本xi属于第j类。有些样本的分类常常也是模糊的，因此在分类的过程中，可以认为某个样本以某一从属程度从属于某一类，而又以另一个从属程度从属于另一类。这样样本就不能明确地属于某一类。此时可以将普通 c划分概念加以推广，将公式（1）

48、（2）（3）改变如下： (4)j=1,2,n (5)j=1,2,c (6)这样就得到一个 c-模糊划分矩阵（也称软划分）。一个 c-模糊划分矩阵给出样本集的一个模糊划分。它将X分成c个模糊子集A1, ,Ac。在每类Ai中，将样本各特征分别取平均值，所得向量vi称为Ai的聚类中心。在普通 c-划分中，由于Ai中样本数，Ai中样本向量和为，因此聚类中心 (7)记若，则xj到聚类中心的距离为 (8)Ai中全体样本到中心距离平方和为在整个划分中，所有样本到其所在类中心距离平方和为 (9)最理想的 c-划分显然是使泛函J(A，V)取极小的A。在模糊 c-划分中，由于降低了对样本集X中的样本元素间的相似系

49、数的要求，因此，此时（7）、（8）、（9）式要做相应修正如下： (10) (11) (12)其中是空间中的任一种数，是参数，最理想的 c-模糊划分是使J(A，V)取得极小值。（参数r是为了灵活变动xj对Ai的隶属度）。对于该问题的求解，可采用Bezdek法求解相对于分类c与参数r的最优解（即逐步聚类法）。第三步，将模糊划分清晰化在求得了划分的c个类聚类中心后，就是解决如何使将要被分类的对象归属在且在某一类中的问题了。解决这一问题的过程就是将模糊划分清晰化地过程。将模糊划分清晰化的方法有两种：与中心最近原则和最大隶属度原则。在本章对煤层自燃危险性评价的过程中采用与中心最近的原则进行，即，若则将x

50、k归于第i类。也就是说，对于某一样本xk，它与哪一个聚类中心最接近，就将它归到哪一类。33 煤层自然发火模型概况3.3.1 荆各庄矿煤层地质概况荆各庄矿位于省市偏东约12公里处，南距马家沟矿6公里，距原京山铁路开平车站10公里，东距陡河发电厂4.5公里，行政区域属市开平区管辖。荆各庄矿区为一平坦的冲积平原，东南面沿陡河东岸是奥纪石灰岩构成的东北西南方向起伏伸展的低山丘陵。矿区整个煤系地层的形成时代属于石炭纪和二叠纪，煤系基底地层为中奥统马家沟组石炭岩，荆各庄矿井田主要由石炭系上统合二叠系下统组成，煤系地层总厚度约450m，共含大小19层，煤层总厚度25.3m，含煤系数为5.7，其中可采煤层共四

51、层，即煤12-2、煤12-1、煤11、煤9，平均总厚度16.22m，可采煤层集中在大庙庄组和各庄组。各煤层具体分布见下表，荆各庄矿区域地层表见表3-1。煤系地层含煤量情况表见表3-2。界系统组代号厚度（m）新生界第四系上统不整合洼里组Q08902800上古生界二叠系古冶组346下统唐家庄组180大庙庄组79续表 3-1石炭纪上统各庄组74开平组70中统组平行不整合马家沟组65下古生界奥系中统345下统亮甲山组115冶里组203寒武系上统风山组68长山组48崮山组82中统120下统馒头组150景儿峪组263元古界震旦系上统迷雾山组1200庄组400下统高于庄组600大红峪黄崖关组450太古界前震旦五台群表3-1 荆各庄矿区域地层表荆各庄矿井田位于开平向斜的西北侧，中隔凤山缸窑背斜自成一盆状向斜。向斜轴线偏居西侧，近南北延伸，中部略向西呈弧形弯曲，并向南偏东倾伏，倾伏角56°。向斜轴线西