回采工作面安全評(píng)價(jià)研究

王志豪

摘要：當(dāng)前煤礦安全評(píng)價(jià)大多以整個(gè)煤礦作為評(píng)價(jià)目標(biāo)，通過(guò)評(píng)價(jià)能大致了解煤礦的整體安全狀況，但影響煤礦安全的災(zāi)害種類較多，這類評(píng)價(jià)針對(duì)性不強(qiáng)且無(wú)法突出重點(diǎn)。為了解決這一問(wèn)題，從回采工作面這一角度出發(fā)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，建立安全評(píng)價(jià)模型對(duì)突出礦井回采工作面進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。運(yùn)用模糊層次分析（FAHP）和熵權(quán)法結(jié)合的主客觀綜合權(quán)重法確定各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，建立隸屬度函數(shù)計(jì)算相對(duì)應(yīng)的評(píng)語(yǔ)集，將各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重值與相對(duì)應(yīng)的評(píng)語(yǔ)集合成計(jì)算，得到評(píng)價(jià)結(jié)果。通過(guò)九里山煤礦16051回采工作面對(duì)該模型進(jìn)行了實(shí)證分析，結(jié)果表明該模型評(píng)價(jià)結(jié)果符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，可用于其他工作面。

Abstract： Most of the current coal mine safety assessments use the entire coal mine as the evaluation target. Through evaluation， the overall safety status of the coal mine can be roughly understood， but there are many types of disasters affecting coal mine safety， and such evaluations are not targeted and cannot highlight the force. In order to solve this problem， from the perspective of mining face， the fuzzy comprehensive evaluation method is used to establish a safety evaluation model to evaluate the safety of the mining face. The subjective and objective comprehensive weighting method combined with fuzzy analytic hierarchy process （FAHP） and entropy weight method is used to determine the weight of each level of indicators， and the membership function is used to calculate the corresponding set of comments， and the weights of the indicators at each level are combined with the corresponding comments to get the evaluation result. The model is tested by the 16051 mining work of Jiulishan Coal Mine. The results show that the model evaluation results are in line with the actual situation and can be used for other working surfaces.

關(guān)鍵詞：煤與瓦斯突出;回采工作面;綜合權(quán)重;模糊綜合評(píng)價(jià)法;隸屬度函數(shù)

Key words： coal and gas outburst;mining face;comprehensive weight;fuzzy comprehensive evaluation method;membership function

0? 引言

目前我國(guó)煤礦安全評(píng)價(jià)研究的成果主要集中在兩個(gè)方面：煤礦安全評(píng)價(jià)模型的研究和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立。從煤礦安全評(píng)價(jià)的現(xiàn)狀總結(jié)當(dāng)前所存在的主要問(wèn)題是;第一，選用單一評(píng)價(jià)方法建立安全評(píng)價(jià)模型，會(huì)使得評(píng)價(jià)結(jié)果包含過(guò)強(qiáng)的主觀性或是客觀性，評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏科學(xué)性;第二，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取不夠完整，評(píng)價(jià)應(yīng)該要體現(xiàn)出煤礦的整體性，而當(dāng)前的評(píng)價(jià)，指標(biāo)的選取過(guò)于籠統(tǒng)，評(píng)價(jià)結(jié)果并不能很好的體現(xiàn)出煤礦安全的整體性;第三，評(píng)語(yǔ)集的確定多采用專家打分法，這樣既使得評(píng)語(yǔ)集主觀性過(guò)強(qiáng)，也沒(méi)有有效的利用指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

1? 安全評(píng)價(jià)模型的建立

為了解決上述問(wèn)題，本文從以下幾個(gè)角度出發(fā)建立安全評(píng)價(jià)模型。第一，權(quán)重集的確定采用了主客觀結(jié)合的方法，所得到的綜合權(quán)重既包含專家的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，又能挖掘出數(shù)據(jù)本身攜帶的信息;第二，選擇了煤與瓦斯突出礦井的回采工作面作為評(píng)價(jià)目標(biāo)，從煤與瓦斯突出這一災(zāi)害角度出發(fā)，針對(duì)同類型回采工作面建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，能夠較為全面的體現(xiàn)出其完整性;第三，評(píng)語(yǔ)集的確定，利用了數(shù)據(jù)指標(biāo)分級(jí)并建立相應(yīng)的正態(tài)型隸屬度函數(shù)，這樣可以充分利用指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，使得評(píng)語(yǔ)集也同時(shí)綜合了主客觀因素。

1.1 安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

依據(jù)瓦斯突出綜合作用假說(shuō)機(jī)理，結(jié)合“人-機(jī)-環(huán)境-管理”系統(tǒng)研究方法，對(duì)回采工作面的危險(xiǎn)有害因素進(jìn)行了分析，以此建立安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1。

1.2 權(quán)重計(jì)算方法的確定

常規(guī)的權(quán)重確定方法有數(shù)十種之多，這些方法大致可以分為三類：一類為主觀賦權(quán)法，一類為客觀賦權(quán)法，一類為主客觀組合權(quán)重賦權(quán)法。在分析煤與瓦斯突出這一災(zāi)害的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算更加精簡(jiǎn)、準(zhǔn)確度更高;既能真實(shí)反映專家意見(jiàn)，又能充分分析數(shù)據(jù)本身蘊(yùn)含的信息的權(quán)重計(jì)算方法，即主客觀組合權(quán)重賦權(quán)法。

1.3 安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

1.3.1 主觀評(píng)價(jià)法權(quán)重確定

第一步，利用專家打分法，通過(guò)表1的0.1～0.9標(biāo)度法來(lái)表示因素間重要性兩兩比較的值;

第二步，將模糊矩陣轉(zhuǎn)換成一致陣。對(duì)模糊矩陣按行求和記為

1.3.2 客觀評(píng)價(jià)法權(quán)重確定

第一步，按照熵權(quán)法的要求將模糊判斷矩陣去模糊化得到非模糊化矩陣[6]。按照所選用的標(biāo)度，利用公式[7]：

1.3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重確定

FAHP確定了決策者的主觀偏好，熵權(quán)法的重點(diǎn)在于挖掘出數(shù)據(jù)本身蘊(yùn)含的客觀信息[9]，因此將兩種權(quán)重組合得到組合權(quán)重是比較科學(xué)合理的。采用加權(quán)平均法確定組合權(quán)重為[10]。

2? 建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

模糊綜合評(píng)價(jià)是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論的安全評(píng)價(jià)方法。在做出任何風(fēng)險(xiǎn)決策時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)相關(guān)影響指標(biāo)。模糊綜合評(píng)價(jià)的，解決多因素、多層次決策問(wèn)題。模糊綜合評(píng)價(jià)法三要素：因素集、權(quán)重集和評(píng)語(yǔ)集[11]。

模糊綜合評(píng)價(jià)的核心是評(píng)語(yǔ)集的確定。評(píng)語(yǔ)集的確定一般采用專家打分法，將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為5～7個(gè)安全等級(jí)，邀請(qǐng)數(shù)位專家對(duì)其進(jìn)行打分，綜合評(píng)分結(jié)果得到評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的評(píng)語(yǔ)集。本文采用隸屬度函數(shù)的方式確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)語(yǔ)集。首先，根據(jù)瓦斯地質(zhì)復(fù)雜程度與瓦斯突出防治經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合煤礦生產(chǎn)有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)法律法規(guī)、規(guī)范規(guī)程并查閱相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化分級(jí)。如表2將評(píng)價(jià)目標(biāo)按照從危險(xiǎn)到安全的等級(jí)劃分為{v5，v4，v3，v2，v1}，即{極危險(xiǎn)、危險(xiǎn)、較危險(xiǎn)、較安全、安全}。

2.2 建立隸屬度函數(shù)

隸屬度函數(shù)描述了論域上各元素對(duì)模糊概念的隸屬程度，是確定模糊關(guān)系、進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵步驟之一[12]。隸屬度函數(shù)的種類很多，針對(duì)不同的研究對(duì)象選用不同的隸屬度函數(shù)模型計(jì)算隸屬度矩陣。隸屬度函數(shù)應(yīng)該和所研究的對(duì)象具有密切相關(guān)性，對(duì)回采工作面安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)而言，最合適的隸屬度函數(shù)是正態(tài)型隸屬度函數(shù)。

在構(gòu)造隸屬度函數(shù)時(shí)，指標(biāo)值每個(gè)區(qū)間的分界點(diǎn)即區(qū)間端點(diǎn)是最模糊的點(diǎn)，對(duì)相鄰兩個(gè)等級(jí)的隸屬度均為0.5;而區(qū)段的中點(diǎn)是最清晰的點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的隸屬度為1。正態(tài)型隸屬度函數(shù)的一般形式如下：

由表2所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)表可知，指標(biāo)值分段區(qū)間存在開(kāi)區(qū)間。對(duì)于開(kāi)區(qū)間上的點(diǎn)而言，越向兩側(cè)發(fā)展離區(qū)間中點(diǎn)越遠(yuǎn)，其對(duì)不利等級(jí)的隸屬度應(yīng)該保持為1。而如果對(duì)開(kāi)區(qū)間采用和閉區(qū)間一樣的方法確定其隸屬度函數(shù)，其結(jié)果是不合理的，所以在指標(biāo)值的左右開(kāi)區(qū)間選擇升半梯形和降半梯形函數(shù)的思想進(jìn)行處理。結(jié)合上述分析及表1得到瓦斯突出煤體特征下各子因素的隸屬度函數(shù)：

2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

在因素集、權(quán)重集、評(píng)語(yǔ)集確定之后，即可得出各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的評(píng)語(yǔ)等級(jí)，用模糊評(píng)價(jià)矩陣來(lái)表示：

3? 實(shí)例分析

選取九里山16051回采工作面對(duì)所建立的安全評(píng)價(jià)模型進(jìn)行驗(yàn)證。首先根據(jù)工作面概況，請(qǐng)專家按表1的0.1～0.9標(biāo)度法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行打分，建立互補(bǔ)判斷矩陣，計(jì)算出各指標(biāo)的綜合權(quán)重如表3。

第二步，根據(jù)表2的安全指標(biāo)分級(jí)表推導(dǎo)出的各子因素的隸屬度函數(shù)，結(jié)合工作面概況中16051回采工作面的各項(xiàng)指標(biāo)具體數(shù)據(jù)以及專家的安全評(píng)分，計(jì)算因素的評(píng)語(yǔ)集。如瓦斯突出煤體特征下各子因素的評(píng)語(yǔ)集RA

對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)果的分析，通常采用最大隸屬度原則確定評(píng)價(jià)目標(biāo)的安全等級(jí)，評(píng)語(yǔ)集依據(jù)從危險(xiǎn)到安全的等級(jí)，v5

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果得到k0=4，則判斷所評(píng)價(jià)目標(biāo)的安全性屬于2級(jí)，即16051回采工作面安全性屬于較安全，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)狀況。

4? 結(jié)論

①以回采工作面作為評(píng)價(jià)目標(biāo)，評(píng)價(jià)目標(biāo)的細(xì)化使得評(píng)價(jià)過(guò)程變得簡(jiǎn)單容易，也使得評(píng)價(jià)目標(biāo)存在的危險(xiǎn)有害因素的分析和辨識(shí)變得直接和明了?；诩?xì)化，由點(diǎn)成面，使其整體評(píng)價(jià)更具有統(tǒng)一性。

②研究分析表明，模糊層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合綜合確定權(quán)重的方法，不僅充分考慮了原始數(shù)據(jù)中的全部信息，還吸取了模糊層次分析法中依賴專家經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，從而克服了模糊層析分析法的主觀不確定性和熵權(quán)法中不能反映專家經(jīng)驗(yàn)的缺陷。

③模糊綜合評(píng)價(jià)的建模中使用了隸屬度函數(shù)確定評(píng)語(yǔ)集，并且結(jié)合瓦斯地質(zhì)復(fù)雜程度與瓦斯突出防治經(jīng)驗(yàn)，建立了適合回采工作面的指標(biāo)分級(jí)表，并根據(jù)此表計(jì)算出相應(yīng)的隸屬度函數(shù)。這樣得到的安全評(píng)價(jià)模型，針對(duì)性更強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

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