基于SEM的礦井煤自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)研究

翟小偉，張偉霞，王 凱，王 博

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

礦井火災(zāi)是煤礦的主要災(zāi)害之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)90%以上礦井火災(zāi)是煤自燃造成的[1]。煤炭開(kāi)采中，由于煤層開(kāi)采強(qiáng)度的增大，開(kāi)采水平的延深，浮煤增多，地溫升高，同時(shí)還伴隨著復(fù)雜的漏風(fēng)情況，從而使煤更易發(fā)生自燃，引發(fā)礦井火災(zāi)，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。一般認(rèn)為煤自燃的要素有四個(gè)：呈破碎狀堆積的浮煤具有自燃傾向性、持續(xù)接觸氧氣、良好的儲(chǔ)熱環(huán)境以及煤發(fā)生氧化反應(yīng)所需的時(shí)間。在煤實(shí)際燃燒過(guò)程中，存在許多影響煤自燃的因素，且因素間又相互聯(lián)系，實(shí)質(zhì)上煤的自燃是多種因素綜合作用的結(jié)果。目前許多學(xué)者對(duì)煤自燃危險(xiǎn)性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)研究。王明重等[2]結(jié)合采空區(qū)遺煤自燃特點(diǎn)，綜合層次分析法和集對(duì)分析法理論，建立了煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性分析模型。鄧軍[3]、劉勇[4]、駱大勇[5]等結(jié)合采空區(qū)煤自燃影響因素，建立了評(píng)價(jià)采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)性的模糊綜合評(píng)價(jià)模型。許波云[6]通過(guò)研究煤自燃指標(biāo)參數(shù)，運(yùn)用模糊聚類(lèi)分析法對(duì)煤自燃危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。朱紅青等[7]基于對(duì)煤自燃的機(jī)理研究，分析煤自燃的影響因素，建立了對(duì)煤礦火災(zāi)綜合評(píng)價(jià)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。王金寶等[8]基于熵權(quán)理論構(gòu)建了熵權(quán)可拓綜合評(píng)價(jià)模型，并將該模型應(yīng)用于實(shí)際礦井煤自然發(fā)火情況研究。朱昱辰等[9]基于對(duì)粗糙集理論的研究，構(gòu)建了對(duì)煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的綜合模型。張迎新等[10]通過(guò)對(duì)煤自燃危險(xiǎn)性進(jìn)行定性、定量的分析，并根據(jù)信息熵和未確知測(cè)度理論建立了煤自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。李同鎖等[11]綜合系統(tǒng)工程原理和集對(duì)分析理論，構(gòu)建了評(píng)價(jià)煤自燃危險(xiǎn)性的綜合模型。桂祥友等[12]研究總結(jié)了前人確立的煤自然發(fā)火預(yù)測(cè)指標(biāo)，構(gòu)建了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型，并將該模型應(yīng)用于對(duì)采空區(qū)煤自然發(fā)火情況的評(píng)價(jià)?？偨Y(jié)前人對(duì)煤自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法的研究，目前應(yīng)用SEM(結(jié)構(gòu)方程模型)對(duì)煤自燃危險(xiǎn)性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的研究還較少。SEM作為一種多因素分析方法，既可以假定相關(guān)、不相關(guān)的潛在因素，又可以考慮自變量和潛變量之間的誤差，由于煤自燃影響因素的多重性以及各影響因素之間的關(guān)聯(lián)性，利用結(jié)構(gòu)方程模型，可以全面考慮煤自燃危險(xiǎn)性的影響因素，對(duì)煤自燃進(jìn)行合理定位，做出貼近實(shí)際的分析，為煤礦防滅火提供理論指導(dǎo)和有效措施，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 理論研究

1.1 煤自燃危險(xiǎn)性影響因素確定

為科學(xué)、客觀地評(píng)價(jià)煤自燃的危險(xiǎn)性，首先需確定煤自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，煤自燃影響因素是確定煤自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的主要依據(jù)。綜合文獻(xiàn)[2-10]對(duì)煤自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的劃分，結(jié)合系統(tǒng)工程原理，本文確定的煤自燃危險(xiǎn)性的影響因素包括：煤自燃傾向性、煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)、煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及防滅火技術(shù)措施5個(gè)。

1.2 研究假設(shè)

根據(jù)結(jié)構(gòu)方程模型的基本理論，為研究煤自燃危險(xiǎn)性，本文確定了煤自燃傾向性、煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)、煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及防滅火技術(shù)措施5個(gè)維度，并根據(jù)煤自燃和煤礦自燃事故的特點(diǎn)，對(duì)煤自燃危險(xiǎn)性影響因素之間的相互關(guān)系做出相應(yīng)的假設(shè)。綜合分析，假設(shè)如下：H1：煤自燃傾向性和煤自燃的危險(xiǎn)性存在正相關(guān)關(guān)系；H2：煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和煤自燃的危險(xiǎn)性存在正相關(guān)關(guān)系；H3：開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)和煤自燃危險(xiǎn)性存在正相關(guān)關(guān)系；H4：防滅火技術(shù)措施和煤自燃危險(xiǎn)性存在負(fù)相關(guān)關(guān)系；H5：煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和煤自燃危險(xiǎn)性存在負(fù)相關(guān)關(guān)系；H6：煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)存在正相關(guān)關(guān)系；H7：開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)和防滅火技術(shù)措施存在負(fù)相關(guān)關(guān)系；H8：煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)存在正相關(guān)關(guān)系；H9：煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防滅火技術(shù)措施存在正相關(guān)關(guān)系。

2 調(diào)查結(jié)果分析

2.1 量表設(shè)計(jì)

綜合結(jié)構(gòu)方程模型理論和本文的研究目標(biāo)，在研究相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，參考煤礦井下工作人員的工作特點(diǎn)以及本行業(yè)專(zhuān)家、學(xué)者的意見(jiàn)，設(shè)計(jì)了煤自燃危險(xiǎn)性測(cè)量量表(表1)。

2.2 樣本統(tǒng)計(jì)分析

選取寧夏某煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，該礦井開(kāi)采煤層屬于變質(zhì)程度較低的易自燃煤層。本研究的調(diào)查問(wèn)卷除了受訪者的年齡、學(xué)歷、工齡等信息外，還包括根據(jù)上述測(cè)量指標(biāo)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。本文采用李克特五點(diǎn)計(jì)分法，用1—5分別表示 “同意”“比較同意”“不確定”“不太同意”“不同意”。

表1 煤自燃危險(xiǎn)性指標(biāo)變量表

本次調(diào)研的人員主要包括該礦的中高層管理人員、技術(shù)人員、一線礦工等。共發(fā)放了360份調(diào)查問(wèn)卷，收回319份，本次調(diào)查問(wèn)卷回收率為88.6%，刪去填寫(xiě)缺項(xiàng)、不合格等無(wú)效問(wèn)卷后，剩余有效問(wèn)卷308份，有效問(wèn)卷率達(dá)96.2%。本次調(diào)研的有效問(wèn)卷包括45人中高層管理人員，51人技術(shù)人員，一線人員173人及其他人員38人，所選擇人員的工種、工齡及文化程度等結(jié)構(gòu)都與正太分布規(guī)律相一致，說(shuō)明本次調(diào)研的樣本比較合理。

2.3 樣本信效度分析

本文使用SPSS21.0軟件檢驗(yàn)調(diào)查問(wèn)卷的信度及效度。首先檢驗(yàn)調(diào)查問(wèn)卷的信度，計(jì)算每個(gè)量表的Cronbach’a值，總量表信度系數(shù)是0.979，煤自燃傾向性為0.891、煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)為0.871、開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)為0.930、煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)為0.859、防滅火技術(shù)措施為0.953，各維度量表的Cronbach′a系數(shù)在 0.871～0.979之間，因此該量表具有較高的信度。

其次采用因子分析法進(jìn)行問(wèn)卷的結(jié)構(gòu)效度檢驗(yàn)，因子分析前通過(guò) KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗(yàn)和 Bartlett′s 檢驗(yàn)各測(cè)量指標(biāo)的有效性，結(jié)果得知Bartlett′s檢驗(yàn)其近似卡方值為11246.618，且該量表各維度變量的顯著性水平均小于0.005，同時(shí)KMO值均大于0.8，基于和Kaiser定義的常用來(lái)度量KMO標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，可知該量表可以進(jìn)一步做因子分析。問(wèn)卷信效度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 問(wèn)卷信效度統(tǒng)計(jì)

3 模型驗(yàn)證

3.1 結(jié)構(gòu)方程模型簡(jiǎn)介

結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)是在因子分析和路徑分析等的基礎(chǔ)上，通過(guò)融合分析、疊加處理等方法逐步發(fā)展出來(lái)的。該方法是集數(shù)據(jù)測(cè)量和理論分析為一體的驗(yàn)證分析方法，通過(guò)建立潛在變量和和觀測(cè)變量的模型關(guān)系，實(shí)現(xiàn)抽象變量的具體化，所以又稱(chēng)為潛在變量分析方法或驗(yàn)證性因素分析方法。具體的分析步驟如圖1所示。

圖1 SEM流程圖

3.2 模型設(shè)定

綜合結(jié)構(gòu)方程模型原理和本文煤自燃危險(xiǎn)性影響因素的相關(guān)假設(shè)，設(shè)定煤自燃危險(xiǎn)性影響因素的初始模型，如圖2所示。

3.3 模型擬合修正

運(yùn)用Amos21.0軟件擬合煤自燃危險(xiǎn)性影響因素的初始模型，其驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表3。

在AMOS的路徑分析中，CR值(臨界值)絕對(duì)值大于1.96，同時(shí)P值小于0.05則說(shuō)明路徑顯著，即有顯著影響。從表4中看出煤自燃危險(xiǎn)性結(jié)構(gòu)模型中，有7條路徑CR絕對(duì)值大于1.96，且P值小于0.05，符合顯著性檢驗(yàn)。而煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)、煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防滅火技術(shù)措施兩條路徑的CR絕對(duì)值小于1.96，且P值大于0.05，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

根據(jù)擬合結(jié)果對(duì)煤自燃危險(xiǎn)性影響因素初始模型進(jìn)行修正。經(jīng)過(guò)對(duì)初始模型的多次擬合修正，確定最終的煤自燃危險(xiǎn)性影響因素模型，如圖3所示。初始模型和修正模型的主要擬合指標(biāo)和擬合優(yōu)度指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4，可以看出該模型整體的擬合效果比較良好。

4 綜合評(píng)價(jià)

4.1 權(quán)重確定

權(quán)重指的就是在綜合評(píng)價(jià)體系中每個(gè)評(píng)價(jià)維度對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響程度。目前常用的權(quán)重確定方法有層次分析法、專(zhuān)家打分法等，實(shí)際上這些方法在分析時(shí)都存在主觀因素的影響，本文用結(jié)構(gòu)方程模型來(lái)確定煤自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，依據(jù)調(diào)查的原始數(shù)據(jù)給每個(gè)指標(biāo)分配權(quán)值，避免了主觀因素的影響，使每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重更加科學(xué)、客觀。

圖2 煤自燃危險(xiǎn)性影響因素初始模型

表3 初始模型驗(yàn)證結(jié)果

圖3 煤自燃危險(xiǎn)性影響因素分析最終模型

表4 擬合結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)方程模型中的潛變量和觀測(cè)變量的路徑系數(shù)，對(duì)煤自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值進(jìn)行計(jì)算。把結(jié)構(gòu)方程模型中每個(gè)潛變量的路徑系數(shù)相加，再用每個(gè)潛變量的路徑系數(shù)除以相加后的總和，所得就是該潛在變量的權(quán)重。根據(jù)最終的煤自燃危險(xiǎn)性影響因素模型，可知煤自燃傾向性、煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)、煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、防滅火技術(shù)措施的路徑系數(shù)分別為0.69、0.90、0.45、0.39、0.53，它們的和為2.96，從而可知煤自燃傾向性對(duì)于煤自燃危險(xiǎn)性的權(quán)重為0.69/2.96=0.233，根據(jù)該計(jì)算方法可以得知其他4個(gè)指標(biāo)的權(quán)重分別是0.304、0.152、0.132、0.179，據(jù)此也可計(jì)算出每個(gè)觀測(cè)變量的權(quán)重，見(jiàn)表5。

表5 煤自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

確定了煤自燃危險(xiǎn)性各影響因素的權(quán)重之后，再根據(jù)本次調(diào)研的數(shù)據(jù)計(jì)算各影響因素的綜合值，最后計(jì)算出煤自燃危險(xiǎn)性影響因素的綜合值，基于原始數(shù)據(jù)的計(jì)算使得該結(jié)果可以客觀地反映煤自燃的危險(xiǎn)性。

設(shè)定每個(gè)觀測(cè)變量對(duì)其所對(duì)應(yīng)的潛變量的權(quán)重為：Qi(i=1，2，3…)，每個(gè)觀測(cè)變量的綜合平均分?jǐn)?shù)為：Xi(i=1，2，3…)，每個(gè)影響因素的綜合值為P。可知P=ΣXiQi(i=1，2，3…)。由此可得，煤自燃傾向性、煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)、煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、防滅火技術(shù)措施的均值分別為3.54、3.53、3.51、3.62、3.48，煤自燃危險(xiǎn)性的綜合值為3.54×0.233+3.53×0.304+3.51×0.152+3.62×0.132+3.48×0.179=3.53。綜合煤礦的實(shí)際情況與該評(píng)價(jià)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本次對(duì)該礦煤自然發(fā)火情況的評(píng)價(jià)非常準(zhǔn)確。

5 結(jié) 論

1)綜合煤自燃特點(diǎn)和系統(tǒng)工程原理，把煤自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為五個(gè)，分別為煤自燃傾向性、煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)、煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及防滅火技術(shù)措施。

2)綜合結(jié)構(gòu)方程模型路徑系數(shù)計(jì)算并確定了煤自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果表明各因素對(duì)煤自燃危險(xiǎn)性的影響程度從大到小分別為煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、煤自燃傾向性、防滅火技術(shù)措施、開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)、煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。根據(jù)各因素對(duì)煤自燃危險(xiǎn)性影響程度的不同，煤礦企業(yè)可以針對(duì)性地采取措施，降低煤炭開(kāi)采中發(fā)生自燃事故的可能性。

3)建立結(jié)構(gòu)方程模型對(duì)煤自燃危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其分析結(jié)果與實(shí)際礦井生產(chǎn)中發(fā)生煤炭自燃事故的危險(xiǎn)性相一致，由此可知該模型可以很好的應(yīng)用于煤炭開(kāi)采中煤自燃危險(xiǎn)性的綜合評(píng)價(jià)。