FTA-AHP法在爆破飛石事故原因分析中的綜合應(yīng)用

黃勝松，張義平，趙明生，茍倩倩，趙珂劼

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550025)

爆破飛石是爆破施工中主要危險(xiǎn)源之一。有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，在我國(guó)僅露天礦山爆破飛石事故在整個(gè)爆破事故中所占的比例高達(dá)27%[1]。因此，對(duì)產(chǎn)生爆破飛石的各因素進(jìn)行影響程度分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性預(yù)防和控制，對(duì)防預(yù)爆破飛石事故的發(fā)生具有重要意義。

數(shù)學(xué)分析方法在爆破飛石安全事故分析中應(yīng)用較為廣泛。潘濤等[2]采用未確知測(cè)度方法，對(duì)爆破飛石的安全評(píng)價(jià)模型分析，通過(guò)對(duì)爆破飛石危害效應(yīng)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)提出了更為客觀的控制措施；賈玉潔等[3]應(yīng)用層次分析方法(AHP)通過(guò)對(duì)爆破飛石故障樹(shù)模型進(jìn)行分析、計(jì)算，得出導(dǎo)致飛石的主要原因并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。陶明等[4]利用事故樹(shù)分析方法(FTA)對(duì)一起飛石事故案例進(jìn)行分析找到引起飛石飛主要原因并提出相應(yīng)的預(yù)防措施；劉慶等[5]通過(guò)建立爆破飛石預(yù)測(cè)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)爆破飛石最遠(yuǎn)距離進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。

各種數(shù)學(xué)分析方法在爆破飛石危害分中的廣泛應(yīng)用，為預(yù)防和控制飛石危害提供了新的途徑[6]。然而導(dǎo)致飛石的因素較為復(fù)雜，僅采用單一的數(shù)學(xué)分析方法分析時(shí)仍存在不足，如：?jiǎn)为?dú)使用FTA時(shí)，在各基本事件的發(fā)生概率難以準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)的情況下，無(wú)法確定各基本事件對(duì)頂上事件影響的重要程度[7]；單獨(dú)使用AHP時(shí)，由于在構(gòu)造判斷矩陣時(shí)通常采用專(zhuān)家打分法，其結(jié)果與專(zhuān)家對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)程度有關(guān)，存在一定的主觀性[8]，且需對(duì)構(gòu)造的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，只有當(dāng)CR<0.1時(shí)才認(rèn)為構(gòu)造的判斷矩陣符合一致性要求，否則需要調(diào)整[9]。為此，提出采用FTA-AHP綜合分析方法對(duì)爆破飛石安全事故進(jìn)行分析，彌補(bǔ)了單獨(dú)使用FTA或AHP時(shí)的不足[10-11]。

1 FTA-AHP綜合分析方法

FTA-AHP綜合分析方法是以FAT分析方法為基礎(chǔ)，采用邏輯演繹方法找出影響頂上事件發(fā)生的各基本事件并繪制出相應(yīng)的事故樹(shù)，計(jì)算出最小割集或最小徑集。將事故樹(shù)中的基本事件與層次分析法中的指標(biāo)層相對(duì)應(yīng)，通過(guò)事故樹(shù)的結(jié)構(gòu)重要度兩兩比較構(gòu)造判斷矩陣，隨后進(jìn)行權(quán)值計(jì)算確定各基本事件對(duì)頂上事件的影響程度并按大小進(jìn)行排序，其分析步驟如下所述[12]。

1) 確定頂上事件，構(gòu)造并繪制出事故樹(shù)。

2) 對(duì)事故樹(shù)進(jìn)行定性分析求出最小割集或最小徑集。

3) 構(gòu)造層次分析模型，以事故樹(shù)頂事件為目標(biāo)層，最小割集或最小徑集為準(zhǔn)則層，基本事件為指標(biāo)層，根據(jù)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度來(lái)構(gòu)造判斷矩陣。

4) 判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。

5) 根據(jù)計(jì)算得到的權(quán)重值進(jìn)行排序。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

本工程位于某機(jī)場(chǎng)東圍界外側(cè)，爆破開(kāi)挖區(qū)為場(chǎng)區(qū)外側(cè)A、B、C三座山體(約280萬(wàn)m3)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，場(chǎng)地地貌上屬溶蝕盆地，覆蓋層分布厚薄不均，含有泥夾石構(gòu)造，場(chǎng)地巖體較為破碎，巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)里分布很不規(guī)則，以中風(fēng)化石灰?guī)r為主，巖石硬度系數(shù)f為6.0～8.0，硬度分布不均勻，部分地區(qū)軟弱夾層巖質(zhì)呈砂石狀。工程重難點(diǎn)：嚴(yán)格控制爆破飛石，保證爆破安全，不影響機(jī)場(chǎng)通航；同時(shí)爆破區(qū)域安全距離范圍內(nèi)，高峰期有大量的施工機(jī)械和施工人員在場(chǎng)區(qū)內(nèi)施工，爆破施工必須采取一定的防范措施，爆破飛石必須控制在安全范圍內(nèi)，不傷及施工人員和機(jī)械設(shè)備。

2.2 爆破飛石事故樹(shù)的建立

結(jié)合本工程的特點(diǎn)，將爆破飛石事故作為頂上事件[13]，繪制相應(yīng)的事故樹(shù)(圖1)，各基本事件具體含義見(jiàn)表1，事故樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)見(jiàn)式(1)。

T=M1+M2=M3+M4+M6M7=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+(X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18)(X19+X20)=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10X19+X11X19+X12X19+X13X19+X14X19+X15X19+X16X19+X17X19+X18X19+X10X20+X11X20+X12X20+X13X20+X14X20+X15X20+X16X20+X17X20+X18X20

(1)

圖1 爆破飛石事故樹(shù)Fig.1 Blasting flying stone accident tree

表1 基本事件表Table 1 Basic event table

代號(hào)基本事件代號(hào)基本事件T爆破飛石X6起爆前通知不全M1警戒區(qū)內(nèi)飛石傷人X7起爆前未清點(diǎn)人數(shù)

續(xù)表1Table1continued

代號(hào)基本事件代號(hào)基本事件M2警戒區(qū)外飛石傷人X8操作過(guò)程失誤M3人未撤離警戒區(qū)X9外來(lái)電流干擾M4人員出現(xiàn)在警戒區(qū)X10網(wǎng)孔參數(shù)不合理M5發(fā)生早爆X11抵抗線設(shè)計(jì)不合理M6爆破設(shè)計(jì)施工不規(guī)范X12裝藥量過(guò)大M7安全防護(hù)問(wèn)題X13一起起爆藥量過(guò)大M8地質(zhì)條件不明X14未按規(guī)定起爆順序起爆M9爆破參數(shù)不合理X15網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤X1未設(shè)置警戒范圍X16軟夾層X(jué)2警戒范圍過(guò)小X17節(jié)理X3無(wú)警戒信號(hào)X18裂縫X4警戒信號(hào)不明X19未按防護(hù)等級(jí)防護(hù)X5起爆前未通知X20防護(hù)材料不符合要求

2.3 事故樹(shù)結(jié)構(gòu)重要度分析

由事故樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)可以看出該事故樹(shù)的或門(mén)邏輯關(guān)系較多，用最小割集方法計(jì)算基本事件的結(jié)構(gòu)重要度比較復(fù)雜。將事故樹(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槌晒?shù)以后，可用求最小徑集的方法計(jì)算各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度[14]，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：k為最小徑集數(shù)目；m為包含基本事件Xi的最小徑集數(shù)目；nj為基本事件Xi所屬的第j個(gè)最小徑集中基本事件的數(shù)目。

經(jīng)計(jì)算得出兩個(gè)最小徑集分別為P1、P2，見(jiàn)式(2)～(3)。

(2)

由此，計(jì)算出各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，見(jiàn)式(4)～(6)。

Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(5)=Iφ(6)

=Iφ(7)=Iφ(8)=Iφ(9)= 29/396(4)

Iφ(19)=Iφ(20)=1/22(5)

Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(12)=Iφ(13)=Iφ(14)=Iφ(15)=

Iφ(16)=Iφ(17)=Iφ(18)=1/36(6)

2.4 爆破飛石事故的層次分析模型構(gòu)建

為更好地分析各基本事件對(duì)頂上事件的影響程度，將爆破飛石安全事故作為層次分析模型的目標(biāo)層，爆破設(shè)計(jì)及施工、地質(zhì)條件、環(huán)境及安全管理為準(zhǔn)則層、各基本事件為指標(biāo)層構(gòu)建層次分析模型，見(jiàn)圖2。

圖2 爆破飛石安全事故層次分析模型Fig.2 Hierarchical analysis model of blasting flying stone safety accident

2.5 判斷矩陣的構(gòu)造及權(quán)值計(jì)算

基于結(jié)構(gòu)重要度和權(quán)值的一致性，因此使用基本事件的結(jié)構(gòu)重要度來(lái)構(gòu)造判斷矩陣。目標(biāo)層(A)下含有3個(gè)準(zhǔn)則層(B)，每個(gè)準(zhǔn)則層的結(jié)構(gòu)重要度由各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度的和來(lái)表示，則準(zhǔn)則層通過(guò)對(duì)準(zhǔn)則層的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造目標(biāo)層與準(zhǔn)則層之間判斷矩陣[15]。準(zhǔn)則層下含有20個(gè)指標(biāo)層因素，將各事件的結(jié)構(gòu)重要度兩兩比較，構(gòu)造出準(zhǔn)則層(B)與指標(biāo)層(C)之間判斷矩陣。在確定判斷矩陣中各因素?cái)?shù)值大小一般選用 1-9標(biāo)度法[16]，目標(biāo)層與準(zhǔn)則層的構(gòu)造矩陣(A)見(jiàn)表2。同理可構(gòu)造準(zhǔn)則層與指標(biāo)層的判斷矩陣B1-C、B2-C、B3-C，并計(jì)算相應(yīng)的最大特征值λmax和權(quán)向量W、一致性指標(biāo)CI、隨機(jī)一致性指標(biāo)RI、一致性比率CR等。

表2 使用事故樹(shù)構(gòu)造的準(zhǔn)則層判斷矩陣Table 2 Criterion layer judgment matrix constructedby accident tree

2.6 判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)

根據(jù)構(gòu)造的判斷矩陣應(yīng)用MATLAB計(jì)算相應(yīng)的最大特征值和特征向量，一致性指標(biāo)CI值及隨機(jī)一致性比率CR分別采用式(7)和式(8)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

(7)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為矩陣階數(shù)；CI為一致性指標(biāo)；CR為隨機(jī)一致性比率；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為構(gòu)造的判斷矩陣的一致性是可以接受的；CR>0.1時(shí),認(rèn)為判斷矩陣不符合一致性要求，需要進(jìn)行調(diào)整直到滿足一致性要求為止。從表3可以看出所構(gòu)造的判斷矩陣的CR值均小0.1，可認(rèn)為所構(gòu)造的判斷矩陣符合一致性要求。

表3 判斷矩陣的最大特征值及一致性檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Maximum eigenvalues and consistencytest results of judgment matrix

根據(jù)層次單排序情況及一致性檢驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。為確定各因素對(duì)目標(biāo)層的影響程度，需計(jì)算出各因素對(duì)目標(biāo)層的組合權(quán)值W。經(jīng)計(jì)算其值分別為(0.0835；0.0835；0.0835；0.0835；0.0835；0.0835；0.0835；0.0644；0.0835；0.0215；0.0215；0.0215；0.0215；0.0215；0.0215；0.0278；0.0278；0.0278；0.0278；0.0278)。

3 結(jié)果分析

采用事故樹(shù)分析方法分析得出各基本事件結(jié)構(gòu)重要度并對(duì)其大小進(jìn)行排序。

Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(8)=Iφ(9)>Iφ(19)=Iφ(20)>Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(12)=Iφ(13)=Iφ(14)=Iφ(15)=Iφ(16)=Iφ(17)=Iφ(18)。

FTA分析結(jié)果表明事件X1～X9的結(jié)構(gòu)重要度最大，事件X19～X20的結(jié)構(gòu)重要度次之，事件X10～X18的結(jié)構(gòu)重要度最小。

FTA-AHP綜合分析方法求出各因素(及各基本事件)對(duì)目標(biāo)層(或頂上事件)的影響程度即權(quán)值大小，為便于識(shí)別指標(biāo)層各因素對(duì)目標(biāo)層的影響程度，分別用W1、W2、W3、……W20表示指標(biāo)層中第一個(gè)因素至第二十個(gè)因素依次對(duì)目標(biāo)層的影響程度(下同)，并按照權(quán)值大小進(jìn)行排序：W1=W2=W3=W4=W5=W6=W7=W9>W8>W16=W17=W18=W19=W20>W10=W11=W12=W13=W14=W15。

FTA-AHP綜合分析結(jié)果表明X1～X7、X9的權(quán)值最大，制訂預(yù)防措施時(shí)必須首先考慮，事件X8次之，事件X16～X20排在第三，事件X10～X15排在第四?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明FTA-AHP綜合分析結(jié)果更加符合實(shí)際。

4 結(jié) 論

1) FTA-AHP綜合分析方法彌補(bǔ)了單獨(dú)使用FTA方法時(shí)因各基本事件發(fā)生概率難以準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)而無(wú)法確定其對(duì)頂上事件的影響程度的不足，使分析結(jié)果更加科學(xué)。

2) 權(quán)值最大的基本事件分別是未設(shè)置警戒范圍、警戒范圍過(guò)小、無(wú)警戒信號(hào)、警戒信號(hào)不明、起爆前未通知、起爆前通知不全、起爆前未清點(diǎn)人數(shù)。由此可以看出人的因素在爆破飛石事故中占主要地位。因此防預(yù)爆破飛石事故必須加強(qiáng)對(duì)每位工作人員的安全管理及教育培訓(xùn)，提高安全意識(shí)，從而有效預(yù)防事故的發(fā)生。

第八屆“全國(guó)礦業(yè)工作者日”活動(dòng)在京舉行

2019年2月15日，由中國(guó)礦業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國(guó)地質(zhì)博物館共同主辦的第八屆“全國(guó)礦業(yè)工作者日”活動(dòng)在中國(guó)地質(zhì)博物館舉行。活動(dòng)以“弘揚(yáng)礦業(yè)文化 推進(jìn)生態(tài)文明”為主題，旨在彰顯礦業(yè)工作者共克時(shí)艱的奮斗精神，將豐富的礦業(yè)文化作為新時(shí)代礦業(yè)發(fā)展的新引擎，深入交流礦業(yè)科學(xué)發(fā)展的寶貴經(jīng)驗(yàn)，探討礦業(yè)綠色發(fā)展的新路徑。

會(huì)上，中國(guó)礦業(yè)聯(lián)合會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)史軍宣讀中國(guó)礦業(yè)聯(lián)合會(huì)致全國(guó)礦業(yè)工作者的賀信。中國(guó)冶金地質(zhì)總局第一地質(zhì)勘查院副院長(zhǎng)兼總工程師胥燕輝、華夏建龍控股公司承德寶通礦業(yè)有限公司總經(jīng)理陳海彬以及中國(guó)礦業(yè)報(bào)社副社長(zhǎng)兼副總編趙臘平，分別代表地勘單位、礦山企業(yè)和礦業(yè)文化單位作了發(fā)言。據(jù)了解，來(lái)自自然資源部相關(guān)司局及事業(yè)單位、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局、中國(guó)地質(zhì)博物館、相關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)，中國(guó)礦業(yè)聯(lián)合會(huì)分支機(jī)構(gòu)，北京及周邊礦業(yè)企業(yè)單位等100多名代表參加了活動(dòng)。