煤矿钻孔煤粉着火因素分析及防治技术

周晓庆，戚灵灵，2，3，4，王兆丰，2，3，4

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心，河南 焦作 454000；3.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454003；4.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南 焦作 454000)

矿井火灾是影响煤矿安全生产的主要灾害之一。我国国有重点煤矿中有一半以上的矿井存在自然发火危险性[1-2]。近年来，随着煤矿开采深度和开采强度不断增加，煤矿火灾发生的频次和烈度也逐渐增加[3-6]。矿井火灾中内因火灾约占总数的90%，成为矿井火灾的主要形式[7-8]。煤矿火灾产生的大量有毒有害气体，污染井下工人作业环境；由煤矿火灾引发的瓦斯爆炸、煤尘爆炸会导致更严重的二次伤害，使煤矿经济效益遭受重大损失，严重影响煤矿安全生产[9]。钻孔着火是诱发煤矿火灾的因素之一，近些年，钻孔着火事故发生频率有明显上升的趋势。通常情况下，钻孔着火发生过程较为缓慢，前期不易及时发现。国内外针对钻孔着火影响因素的研究相对较少，而其影响因素较多且相互作用，难以确定各种影响因素在火灾防治中的权重，这增加了钻孔火灾预防的盲目性。因此，需要采用一种能够对钻孔着火影响因素进行定性定量分析的方法，确定各种影响因素的重要程度，从而有效地进行钻孔火灾防控。为此，结合山西保利平山煤矿2次钻孔着火事故，采用层次分析法对钻孔煤粉着火影响因素进行定性定量分析，并以分析结果为依据提出有效的解决方法，对煤矿钻孔着火事故进行预防，进而实现安全生产的目标。

1 煤矿钻孔着火事故概况

山西保利平山煤矿发生的2次钻孔着火事故概况如下[10-11]：

1)2011年9月14日，煤层回风巷2#钻场21#钻孔在施工过程中发现大量铝土矿结核，在钻孔施工过程中破旧钻头与结核长时间高频摩擦，导致煤粉煤壁升温，作业人员发现事故后停钻但未停风，加速了煤的氧化，持续通风供氧导致钻孔最终着火。

2)2019年6月3日，在31016运输巷掘进工作面2号钻机施工182#瓦斯抽放钻孔处理卡钻、顶钻等排渣不畅过程中，反复进退钻时出现供水不足甚至停水情况，钻头、钻杆与孔内煤屑长时间摩擦，温度逐渐升高，使钻孔内煤屑高温氧化；加之当班停钻而未按规定关闭钻机压风，导致大量CO涌到巷道内，致使作业人员中毒。

2 钻孔着火原因分析及层次分析

2.1 钻孔着火原因分析

煤矿容易发生着火的钻孔一般有抽放孔、注浆孔、取样孔、探水孔，其中抽放钻孔发生着火的频率最高。在钻孔施工过程中，煤矿目前常采用的排渣方式有钻具排渣、水力排渣和风力排渣[12-14]。钻具排渣和风力排渣的钻孔施工方式容易引起钻孔着火。通过对山西保利平山煤矿进行实地考察，收集并阅读了大量相关资料，发现2次钻孔着火均为抽放钻孔煤粉着火，造成着火事故的原因是：①在处理钻孔排渣不畅的过程中，持续退钻、进钻，钻头、钻杆摩擦大量产热；②关闭钻机却持续通风供氧，为孔内粉煤与孔壁煤体提供充足的氧化条件；③造成着火事故不断扩大主要是由于监控监测不够及时，工作人员懈怠，未能及时采取有效应急处理措施，导致工作人员中毒受伤。

2.2 层次分析法

层次分析法是一种定性和定量相结合的、系统化的、层次化的分析方法，其将一个复杂问题分解成若干组成因素并按支配关系形成层次结构，然后应用两两比较的方法确定决策指标的相对重要性。层次分析法的步骤[15]：①明确问题，建立层次结构；②根据影响因素构造各层判断矩阵；③相对重要程度计算及一致性检验；④确定总层次因素的优先次序并检验总体一致性。

2.3 建立层次结构模型

燃烧“三要素”，即火源、可燃物、充足的氧气，三者同时满足时才会引起矿井火灾[16]。根据山西保利平山煤矿实际情况，以及向专家咨询选取各个指标、系统评价相关标准，本着“人—机—环”原则，构建防止钻孔煤粉着火层次结构模型，如图1所示。该模型一共有3层：目标层A，即防止钻孔煤粉着火；准则层B，包括杜绝点火源B1、良好的排粉方式B2、合格的施工人员B3；最低层C，共有12项具体评价指标。

图1 山西保利平山煤矿防止钻孔煤粉着火评价

2.4 构造判断矩阵

判断矩阵是将结构模型转换为数量模型，将同一层次中两两因素间相对重要性给出一定标度的矩阵。判断矩阵有多种标度方法，判断矩阵标度及其含义见表1。

表1 判断矩阵标度值及其含义

判断矩阵标度倒数是表示若因素i与因素j的重要性之比为aij，那么因素j与因素i重要性之比aji=1/aij。依据所建立的评价指标体系结构模型及构造判断矩阵的原则，矩阵中各个因素相互之间的重要性，是由有关专家及该矿工程技术人员共同确定给出的[17]。各层判断矩阵如表2～5所示。

表2 判断矩阵A-B

表3 判断矩阵B1-C

表4 判断矩阵B2-C

表5 判断矩阵B3-C

2.5 计算判断矩阵及一致性检验

判断矩阵要进行量化计算，以求其各个因素所占权重，判断其一致性。对判断矩阵B，采用方根法对其进行最大特征根和特征向量的计算[18]。

1)求矩阵A-B中各行元素的乘积

(1)

式中：bij为第2层判断矩阵的所有元素；n为判断矩阵的阶数，n=3。

由式(1)计算得：

w1=1×0.25×0.2=0.05；

w2=4×1×0.333=1.332；

w3=5×3×1=15。

2)求wi的n次方根

(2)

由式(2)计算得：

(3)

对于A-B矩阵，所求得特征向量ω=(0.094，0.280，0.626)T。

4)求最大特征根λmax

(4)

代入式(4)计算得：

5)求出相对一致性检验指标CR

CR=CI/RI

(5)

当CR<0.1时，表示判断矩阵构造合理，符合要求。RI随矩阵阶数n变化的取值情况见表6。

表6 判断矩阵的指标值

同理可计算出：

B1-C矩阵：Cw1=(C3，C4，C5，C6，C7，C8)T=(0.288，0.140，0.137，0.082，0.116，0.237)T；λmax=6.344；CI=0.069；CR=0.055<0.1。

B2-C矩阵：Cw2=(C1，C2，C5，C8，C9)T=(0.074，0.114，0.199，0.285，0.328)T；λmax=5.315；CI=0.079；CR=0.070<0.1。

B3-C矩阵：Cw3=(C8，C10，C11，C12)T=(0.113，0.291，0.467，0.129)T；λmax=4.258；CI=0.086；CR=0.097<0.1。

Cw1、Cw2、Cw3的CR值均小于0.1，即一致性检验通过，判断矩阵构造合理。

2.6 层次总排序及一致性检验

层次总排序指利用同一层次中所有层次单排序的结果，计算针对上一层次而言，本层次所有元素重要性的权重值。层次总排序结果见表7。

表7 指标层C对目标层A的层次总排序

对层次总排序的随机一致性CRz进行计算：

由计算结果可知，层次总排序验证合理，在可接受的范围之内。

指标层C对目标层A的权重见表8。

表8 指标层C对目标层A的权重

由表8可知，影响钻孔煤粉着火的高风险因素由高到低排序为：施工人员应急处理C11、施工人员规范作业C10、监控监测C8、标准的供风量C9、施工人员日常培训C12、钻孔施工工艺C5、钻机质量C2、煤自燃性C3、良好的通风系统C1、机械冲击与摩擦C4、明火产生源C7、煤质C6。因此，根据分析结果，可以根据排序采取有效方法进行防治，进而控制并防止钻孔施工过程中着火事故的发生。

3 预防措施与建议

根据山西保利平山煤矿钻孔煤粉着火影响因素分析结果，为了最大程度减少钻孔着火事故的发生，以促进煤矿安全生产，提出以下合理化措施与建议：

1)实行湿式钻孔施工。井下钻孔施工，要根据煤层煤质情况，进行排渣工艺和钻杆的选择，必要时，选择湿式作业。如果采用风、水混合方式进行排渣，则要严格制订专有的安全技术与防护措施，规定合理的风、水配比，水量配比达不到要求时，应停止施工；推进钻孔施工现代化，采用防着火钻孔施工设备，安装高温预警设备。

2)加强施工钻孔有害气体现场监测，及时排除安全隐患。在煤层中进行钻孔施工时，为防止井下有毒有害气体超限，必须要在钻孔下风侧2 m左右位置安装CO传感器和瓦斯传感器，对其浓度进行实时监测，一旦传感器报警，或者作业场所出现煤焦油等异常气味，应立即采取关闭电源、停止施工、停止钻孔供风、增加钻孔供水量、疏散下风侧人员等措施。

3)提高钻孔火灾事故的防范意识，杜绝干磨硬钻和长时间反复提拔钻杆、强行施工等违规操作。如果出现返水困难、不返渣、钻孔冒烟等情况，则须立刻停止施工，采取关闭钻机供风、向异常钻孔大量供水、冲洗钻孔等处理措施。

4)提高钻孔异常情况的应急处理意识，防止灾情扩大。在钻孔施工过程中或其他工序中发现钻孔出现明火，若有害气体浓度还未超限，为避免灾情扩大，则要秉持先供水断风的原则，先后打开水、风2个阀门，立即使用灭火器、黄土、水等灭火器材直接灭火。

5)加强职工培训，提高职工施工钻孔水平与应急处理技能。煤矿要定期对职工进行技能培训，对安全施工作业和技术形成条文规定，定期考核。加强钻孔施工人员钻孔施工技能培训，定期宣讲钻孔施工规程和安全处理措施；杜绝钻孔施工的随意性，严禁违章操作；制订钻孔着火应急处理预案及紧急处理方式，加强管理人员应急处理能力。

6)实行专业化管理，保障抽采工程质量。对于煤与瓦斯突出矿井，鉴于抽采工程量大、技术性强，以及抽采工程较为隐蔽、考核难度大的实际情况，建议煤矿组建专门抽采小组，使抽采工程得到专业管理。

7)定期对钻机进行检修维护保养，防止钻机老化。钻机作业过程中与岩体摩擦，破旧残缺钻机容易出现设备故障而产生大量热量或者是明火，增加事故发生危险性，因此应该制订系统的维护计划，保持钻机正常运作状态，延长使用寿命。

4 结语

1)由钻孔煤粉着火12个评价指标进行综合评定，结果表明：施工人员的应急处理、规范作业和日常培训，钻机质量、钻孔施工工艺与供风量等是防止钻孔煤粉着火优先考虑的影响因素，先后顺序为“人”—“机”—“环”。从分析结果来看，其重要性分布均在合理范围内且符合实际情况，可以从一定程度上避免灾害的发生。

2)防止钻孔煤粉着火需要从人、机、环三方面来进行治理，既需要人的监督管理与执行，也需要按规定使用机器，不能违规作业，更需要与环境条件相匹配，加强管理。煤炭企业一定要结合实际情况，采用合理的预防处理方式来避免发生火灾。

3)在实际工作中，还需对不确定因素进行综合分析考虑，最大程度地避免钻孔施工作业过程中发生火灾，以便管理者做出正确决策，实现安全生产。