基于三類危險(xiǎn)源分析的瓦斯爆炸事故灰色-層次評價(jià)

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院 山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

基于三類危險(xiǎn)源分析的瓦斯爆炸事故灰色-層次評價(jià)

黃冬梅

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院 山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

在對瓦斯爆炸事故致因調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)三類危險(xiǎn)源理論對各影響因素進(jìn)行分類，構(gòu)建了瓦斯爆炸事故評價(jià)指標(biāo)體系；將層次分析法與灰色理論相結(jié)合，建立了瓦斯爆炸事故的灰色-層次評價(jià)(G-A)模型，并結(jié)合具體煤礦實(shí)例，確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，運(yùn)用G-A評價(jià)模型對該礦井瓦斯爆炸事故進(jìn)行評價(jià)，確定了風(fēng)險(xiǎn)等級及重點(diǎn)防范問題，對我國礦井瓦斯爆炸事故預(yù)警具有一定的借鑒意義。

瓦斯爆炸；危險(xiǎn)源；灰色理論；灰色-層次評價(jià)

Abstract: Based on the investigation and analysis of gas explosion accidents, various influencing factors were classified according to the theory of three kinds of hazards and an evaluation index system of gas explosion accidents was established. Then, the gray-hierarchy (G-A) evaluation model of gas explosion accidents was proposed by combining the analytic hierarchy process and grey theory. Finally, a coal mine was taken as an example to determine the weight of evaluation index and the G-A model was used to evaluate the gas explosion accidents of this coal mine to determine the risk level and key precautions. The proposed method has a certain reference to the warnings of coal mine gas explosion accidents.

Keywords: gas explosion; hazard; grey theory; grey-hierarchy evaluation

近年來隨著我國煤礦監(jiān)察、監(jiān)管及法律、法規(guī)體系的完善，煤礦安全情況有較大好轉(zhuǎn)。但由于我國煤炭生產(chǎn)絕大多數(shù)屬于井下開采，且隨著開采深度的增加，地質(zhì)構(gòu)造愈加復(fù)雜，由此引發(fā)的煤礦開采安全問題不斷凸現(xiàn)，尤其是開采過程中發(fā)生的瓦斯爆炸事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2005—2014這十年間，瓦斯爆炸事故無論從事故數(shù)量還是死亡率來看都是最多的，分別占50.83%和64.05%[1]，2001—2014年，死亡達(dá)3人以上的瓦斯事故就高達(dá)1 122起，死亡人數(shù)9 336人，分別占到煤礦事故和死亡人數(shù)的52.33%和58.95%；而瓦斯爆炸事故則占瓦斯事故總數(shù)的55.97%，死亡人數(shù)占瓦斯事故總死亡人數(shù)的70.00%[2-3]。僅2012—2015年，我國發(fā)生瓦斯事故近百起，死亡600余人[4]。瓦斯爆炸事故是礦山行業(yè)的災(zāi)難性事故，嚴(yán)重威脅到礦井的安全生產(chǎn)。因此，對瓦斯爆炸事故進(jìn)行分析和評價(jià)，從本質(zhì)上減少事故發(fā)生，提高礦井開采的安全性具有明確的作用。

當(dāng)前，我國學(xué)者在瓦斯爆炸事故領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究。施士亮等[5]結(jié)合層次分析和聚類法建立了瓦斯事故的非線性多層次評價(jià)模型；殷文濤[6]從人因角度，深入分析了瓦斯爆炸事故的動作致因；付曉等[7]對灰色分析法進(jìn)行了改進(jìn)，建立了灰色斜率關(guān)聯(lián)模型；劉芮葭[8]通過灰類-IAHP方法建立了瓦斯爆炸事故評價(jià)模型，并進(jìn)行了實(shí)例分析。國外學(xué)者TAUZIED等[9]對瓦斯爆炸危險(xiǎn)評估及預(yù)測進(jìn)行了研究，提出在礦井關(guān)閉前必須將地質(zhì)條件及井下多種影響因素作為算子，對瓦斯爆炸進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估；RAUFFLET等[10]研究了煤礦及油氣開采中可能出現(xiàn)的瓦斯爆炸問題及其預(yù)防工作；PEJIC等[11]對礦井瓦斯爆炸事故提出預(yù)測模型，并進(jìn)行了半定量評價(jià)。本研究通過分析瓦斯爆炸事故特點(diǎn)并結(jié)合礦井實(shí)際建立了評價(jià)指標(biāo)，基于灰色系統(tǒng)理論和層次分析法構(gòu)建了G-A綜合評價(jià)模型，將信息不完全的瓦斯風(fēng)險(xiǎn)灰色系統(tǒng)白化，用數(shù)理方法對不確定信息量化分析，有效解決了灰色系統(tǒng)指標(biāo)不確定性的問題。

1 基于三類危險(xiǎn)源分析的瓦斯爆炸事故評價(jià)指標(biāo)體系

對瓦斯爆炸事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，如果沒有一個指標(biāo)參照，評價(jià)效果就無法量化。而瓦斯爆炸作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其發(fā)生本質(zhì)上是由危險(xiǎn)源而導(dǎo)致的。因此，本研究綜合煤礦實(shí)際情況，并從固有、誘發(fā)因素及人因等三類危險(xiǎn)源的角度入手，建立了針對一般煤礦瓦斯爆炸危險(xiǎn)源系統(tǒng)的評價(jià)指標(biāo)體系。該體系中，一級評價(jià)指標(biāo)是影響瓦斯爆炸的目標(biāo)層，即分為固有危險(xiǎn)源(第一類危險(xiǎn)源)、誘發(fā)危險(xiǎn)源(第二類危險(xiǎn)源)和人的因素(第三類危險(xiǎn)源)；二級評價(jià)指標(biāo)是評價(jià)的指標(biāo)層，分為15個二級因素(圖1所示)。

圖1 瓦斯爆炸評價(jià)指標(biāo)體系Fig. 1 Evaluation index system of gas explosion

2 灰色-層次評價(jià)模型的建立

2.1 基于層次分析和灰色關(guān)聯(lián)分析確定權(quán)重

確定評價(jià)指標(biāo)體系后，需要確定指標(biāo)權(quán)重，也即對指標(biāo)的重要性程度進(jìn)行分類。將層次分析法嵌入到灰色系統(tǒng)分析中，并采用灰色關(guān)聯(lián)分析來驗(yàn)證權(quán)重的合理性，直至達(dá)到一致性檢驗(yàn)要求。

2.2 確定評價(jià)指標(biāo)樣本矩陣

瓦斯爆炸事故有多個方面的誘因，因此，在這里將風(fēng)險(xiǎn)等級劃分為“優(yōu)、良、中、差”四個等級，其對應(yīng)的評分分值依據(jù)白化權(quán)函數(shù)的灰類級別而確定。通過該方法將煤礦瓦斯爆炸危險(xiǎn)性中的定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)。當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)位于兩個等級之間時，相應(yīng)分值為兩個級別之間的平均值。在此基礎(chǔ)上，組織專家評分以建立評價(jià)樣本矩陣。請?jiān)u價(jià)專家按照上述評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)打分，并填寫打分表。根據(jù)專家打分dijh，求出樣本矩陣D，其中dijh代表第h個專家對第i個風(fēng)險(xiǎn)因素的第j個指標(biāo)進(jìn)行的打分。

(1)

2.3 確定評價(jià)灰類和白化權(quán)函數(shù)

設(shè)評價(jià)灰類的序號ee=1,2…g，將評價(jià)灰類分為“優(yōu)、良、中、差”4級，則g=4。其中，白化權(quán)函數(shù)[12-13]如下：

第一灰類“優(yōu)”e=1，灰數(shù)l1∈d1,∞，白化權(quán)函數(shù)為f1：

(2)

第二灰類“良”e=2，灰數(shù)l2∈0,d2,2d2，白化權(quán)函數(shù)為f2：

(3)

第三灰類“中”e=3，灰數(shù)l3∈0,d3,2d3，白化權(quán)函數(shù)為f3：

(4)

第四灰類“差”e=4，灰數(shù)l4∈0,d4,2d4，白化權(quán)函數(shù)為f4：

(5)

2.4 確定灰色評價(jià)系數(shù)

各指標(biāo)的原始評價(jià)樣本值經(jīng)過白化權(quán)處理[14-15]后，把同一灰類的白化權(quán)函數(shù)值之和作為其灰色評價(jià)系數(shù)，計(jì)算公式為

(6)

對二級指標(biāo)屬于各個灰類的總評價(jià)系數(shù)xij，其公式為

(7)

2.5 灰色評價(jià)權(quán)向量及矩陣的計(jì)算

評價(jià)專家就二級指標(biāo)Cij的第e灰類灰色評價(jià)權(quán)為：

(8)

對于二級評價(jià)指標(biāo)Cij，其各灰類的灰色評價(jià)權(quán)向量為：

rij=rij1,rij2,…,rijg。

(9)

將該級評價(jià)指標(biāo)Cij的各個評價(jià)權(quán)向量匯總整理，可得Cij的各灰類對應(yīng)的評價(jià)權(quán)矩陣Ri。

2.6 多級評價(jià)

1) 對二級評價(jià)指標(biāo)集Bi作綜合評價(jià)，其灰色評價(jià)矩陣即為：

Bi=WBi·Ri=bi1,bi2,…,big。

(10)

2) 對A作綜合評價(jià)。由式(10)可得A所屬指標(biāo)Bi的各評價(jià)灰類的灰色評價(jià)權(quán)矩陣R，結(jié)合A的評價(jià)權(quán)重WA綜合評價(jià)的結(jié)果記為A，則：

A=WA·R=b1,b2,…,bg。

(11)

3) 對項(xiàng)目進(jìn)行總評價(jià)。由于綜合評價(jià)結(jié)果是向量的方式，只有對其進(jìn)一步數(shù)值化處理，才能明確風(fēng)險(xiǎn)的大小。采用4級灰類，并按照實(shí)際情況對各灰類等級進(jìn)行賦值，則根據(jù)各評價(jià)灰類等級賦值化向量U=u1,u2,…,ug求出項(xiàng)目總目標(biāo)的評價(jià)值為：

V=AUT。

(12)

最后，可得出對應(yīng)綜合評價(jià)值V，從而確定瓦斯爆炸事故的危險(xiǎn)性等級。

表1 判斷矩陣標(biāo)度定義Tab.1 Judgement matrix for scaling definition

3 實(shí)例分析

3.1 指標(biāo)體系及權(quán)重的確定

以山東新汶礦區(qū)某礦井瓦斯異常區(qū)的工作面為例，結(jié)合礦井實(shí)際情況，依據(jù)前面的一般性瓦斯爆炸事故評價(jià)指標(biāo)建立相應(yīng)的因素集，各因素集對應(yīng)的指標(biāo)如圖1。在各級指標(biāo)權(quán)重確定時，首先以表1中對應(yīng)的1～9及其倒數(shù)為標(biāo)度[16]進(jìn)行兩兩比較，給出各層次指標(biāo)對應(yīng)的判斷矩陣。其中一級指標(biāo)的判斷矩陣為：

(13)

繼而進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，

(14)

其中，λmax為判斷矩陣的最大特征值。

經(jīng)過計(jì)算可知：λmax=2.92，代入數(shù)值可知CR=-0.076<0.10，矩陣A的一致性是可以接受的。運(yùn)用算術(shù)平均法計(jì)算權(quán)重。

(15)

根據(jù)上式和判斷矩陣，對一級指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算得出其權(quán)重為：

WA=0.120,0.272,0.608 。

(16)

同理可以計(jì)算出三類二級指標(biāo)的權(quán)重：

WB1=0.466，0.161,0.219,0.154 ，

(17)

WB2=0.100,0.060,0.288,0.245,0.115,0.192 ，

(18)

WB3=0.194,0.194,0.081,0.388,0.143。

(19)

將上述各級指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析驗(yàn)證可知，該權(quán)重計(jì)算是合理的。

3.2 確定評分矩陣

根據(jù)白化權(quán)函數(shù)的灰類級別，確定各風(fēng)險(xiǎn)等級評分分值分別為“4、3、2、1”，組織5位熟悉本礦井情況的技術(shù)人員按照評分標(biāo)準(zhǔn)對三類瓦斯危險(xiǎn)源指標(biāo)進(jìn)行打分，得出評分矩陣D，各專家評分如表2。

3.3 確定各級評價(jià)系數(shù)和評價(jià)矩陣

根據(jù)評價(jià)灰類和白化權(quán)函數(shù)公式可知，二級指標(biāo)Cij屬于第e個灰類的灰色評價(jià)系數(shù)分別是：

指標(biāo)C11C12C13C14C21C22C23C24C25C26C31C32C33C34C35專家1343431233221334專家2333432224312323專家3442341133322234專家4333431233221333專家5343432322312333

(22)

(23)

對于二級指標(biāo)C11，各灰類的總灰色評價(jià)體系x11e=1,2,3,4及對應(yīng)的灰色評價(jià)權(quán)向量r11為：

(24)

同理，可以求出其他指標(biāo)的灰色評價(jià)系數(shù)，進(jìn)而確定評價(jià)權(quán)向量，得到灰色評價(jià)權(quán)矩陣R1,R2,R3，即：

(25)

(26)

(27)

3.4 綜合評價(jià)

1)對B類評價(jià)因素做綜合評價(jià)，評價(jià)結(jié)果為：

(28)

同理，可得：

(29)

(30)

(31)

3)對系統(tǒng)總目標(biāo)進(jìn)行評價(jià)

根據(jù)前文將該礦井瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性按照風(fēng)險(xiǎn)的高低分為4個等級，其評價(jià)灰類等級賦值化向量U=4,3,2,1，則該礦井瓦斯異常區(qū)發(fā)生爆炸風(fēng)險(xiǎn)的綜合評價(jià)值為：

(32)

由灰色層次分析法計(jì)算可知：該工作面瓦斯異常區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸的可能性分?jǐn)?shù)值為2.927，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級可知該風(fēng)險(xiǎn)處于“中”和“良”之間，且靠近“良”級別較近，故其風(fēng)險(xiǎn)是可接受的。經(jīng)與實(shí)際情況對比分析可知：評價(jià)結(jié)果與該礦井瓦斯異常區(qū)工作面的實(shí)際情況吻合度較好，且核心風(fēng)險(xiǎn)因素也符合實(shí)際情況。因此，應(yīng)該看到其潛在的一些隱患，根據(jù)評價(jià)結(jié)果可知，該礦在安全投入、誘發(fā)性火源、工作面瓦斯涌出及防災(zāi)意識等方面還急需引起重視，加強(qiáng)防范措施，以保證礦井瓦斯爆炸各個影響因素的變化在可控范圍內(nèi)，盡量減少事故發(fā)生的可能性。

4 結(jié)論

將層次分析法與灰色系統(tǒng)理論結(jié)合，建立了G-A綜合評價(jià)模型，并結(jié)合礦井實(shí)例進(jìn)行了瓦斯爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，得出如下結(jié)論：

1)根據(jù)三類危險(xiǎn)源理論，獲取瓦斯爆炸事故關(guān)鍵致因，建立了一般礦井瓦斯爆炸三類危險(xiǎn)源評價(jià)指標(biāo)體系，并將層次分析法嵌入到灰色評價(jià)系數(shù)的計(jì)算中，對各級別風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序，確定指標(biāo)權(quán)重，經(jīng)灰色關(guān)聯(lián)分析驗(yàn)證了權(quán)重的合理性。

2)運(yùn)用灰色層析分析法構(gòu)建了瓦斯爆炸危險(xiǎn)源G-A綜合評價(jià)模型，該模型將定性分析通過數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)化為量化分析。并利用灰色系統(tǒng)論中的灰色白化權(quán)函數(shù)將信息不完全的瓦斯危險(xiǎn)源系統(tǒng)白化。將評價(jià)結(jié)果跟實(shí)際情況進(jìn)行對比分析可知，該評價(jià)體系是較為合理的，可為類似的事故分析及評價(jià)提供借鑒和參考。

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(責(zé)任編輯：高麗華)

Grey-hierarchyEvaluationofGasExplosionAccidentsBasedonAnalysisofThreeKindsofHazards

HUANG Dongmei

(1. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

TD712

A

1672-3767(2017)06-0103-06

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.06.015

2016-12-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51604165，51704179)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2016EEB23)；山東省高?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(J15LH02)；礦山災(zāi)害預(yù)防控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(MDPC2016ZR03)

黃冬梅(1982—)，女，山東濟(jì)寧人，講師，博士，主要從事礦山安全評價(jià)等方面的研究工作. E-mail:kmcandy@126.com