基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的大傾角煤層飛矸安全評(píng)價(jià)及應(yīng)用

劉 明，李 寬，伍永平，呂文玉

（1.遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054）

近年來(lái)，隨著深部煤層和傾角較大煤層開采力度的加大和綜采技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)大傾角煤層開采礦井?dāng)?shù)目逐年增多，隨之而來(lái)的飛矸災(zāi)害事故也屢屢發(fā)生。從目前發(fā)表的文獻(xiàn)資料中不難發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)飛矸安全評(píng)價(jià)方面的研究較少。對(duì)大傾角煤層工作面飛矸安全評(píng)價(jià)是一個(gè)既復(fù)雜又系統(tǒng)的過(guò)程[1-3]。為消除評(píng)價(jià)體系中存在的主觀性和片面性，提高安全評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度，反映飛矸對(duì)工作面的實(shí)際影響狀況，采用模糊數(shù)學(xué)和層次分析法的相關(guān)理論將定量指標(biāo)和定性指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)而又系統(tǒng)的整合在一起[4-7]。

1 建立以人為本安全分析模型

以人為本的重要之處在于，人是安全系統(tǒng)中的重要的子系統(tǒng)之一。將人作為人機(jī)環(huán)管系統(tǒng)分析模型的核心，是事故分析、事故預(yù)防和安全分析的重要因素。大傾角煤層工作面飛矸事故發(fā)生的原因是多方面的，包括人、設(shè)備、環(huán)境和管理等各方面因素。如人對(duì)工作項(xiàng)目結(jié)果的誤判、操作的失誤，違章指揮及違章作業(yè)；防護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和加工等產(chǎn)生的缺陷；自然環(huán)境和作業(yè)環(huán)境的缺陷；安全管理的疏漏等，都可能導(dǎo)致飛矸事故的發(fā)生。因此，飛矸的防治與生產(chǎn)過(guò)程中的諸多環(huán)節(jié)和條件發(fā)生聯(lián)系，并受其制約，如果不考慮這些聯(lián)系和制約關(guān)系，而孤立的從個(gè)別環(huán)節(jié)或在某一局部范圍內(nèi)分析和研究安全措施，是難以奏效的。所以，必須從人、機(jī)、環(huán)境和管理4 方面來(lái)分析工作面飛矸系統(tǒng)的安全性。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在大傾角煤層飛矸傷害安全評(píng)價(jià)中應(yīng)該把抽象的評(píng)價(jià)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為具體、實(shí)在的價(jià)值判定要素。根據(jù)井下生產(chǎn)的實(shí)際狀況應(yīng)將評(píng)價(jià)體系分為人、機(jī)、環(huán)境和管理4 個(gè)方面考察[8-14]。

2.1 確定影響因素集

對(duì)系統(tǒng)的分析，將評(píng)價(jià)體系中的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)的劃分，建立相對(duì)應(yīng)的指標(biāo)體系，并確定指標(biāo)體系中的各個(gè)指標(biāo)。因素集 U=（U1，U2，…，Un）為指標(biāo)體系中的n 種指標(biāo)的集合。

2.2 評(píng)價(jià)集

根據(jù)行業(yè)準(zhǔn)則或者是相關(guān)的理論體系對(duì)各個(gè)被評(píng)價(jià)指標(biāo)確定其相應(yīng)的評(píng)價(jià)集。首先，可以將大傾角煤層開采飛矸安全評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為5 個(gè)安全等級(jí)，即Q={非常安全，安全，一般安全，比較不安全，不安全}；然后，確立評(píng)價(jià)集對(duì)應(yīng)的量化值 V=（V1，V2，…，Vn）。

2.3 指標(biāo)權(quán)重

采用層次分析法計(jì)算模型的指標(biāo)重要度。首先，采用層次分析法將系統(tǒng)中的各個(gè)要素排序，可以把系統(tǒng)中比較復(fù)雜的問題通過(guò)此方法轉(zhuǎn)換為有序的遞階層次結(jié)構(gòu)模型；其次，把同層次的要素分別兩兩對(duì)比；最后根據(jù)比較結(jié)構(gòu)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行重要性排序。其基本操作步驟如下：

2.3.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)

將待解決的問題按照系統(tǒng)層次劃分為若干區(qū)域，這樣可以將復(fù)雜的系統(tǒng)分解成由若干元素構(gòu)成的小部分，以此構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。

2.3.2 構(gòu)造比較判斷矩陣

將處于同分層中的指標(biāo)的重要性進(jìn)行兩兩對(duì)比，可以得到同分層中各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要度。在構(gòu)建比較判斷矩陣時(shí)，可采用指數(shù)標(biāo)度法構(gòu)造比較判斷矩陣 A=（aij）n×n[15]。

2.3.3 各因素權(quán)重計(jì)算及一致性檢驗(yàn)

式中：aij為比較判斷矩陣中第i 行的第j 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

式中：Wi為元素的相對(duì)重要程度，即權(quán)重值。

再次，計(jì)算比較判斷矩陣A 的最大特征值λmax：

最后，判斷矩陣偏離一致性：

式中：CI 為一致性指標(biāo)；n 為判斷矩陣階數(shù)，若n=1，2 時(shí)則不必檢驗(yàn)。

在不同階段的判斷矩陣中是否具有滿意的一致性，用平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 來(lái)度量。維度n=1 或2，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=0；n=3，RI=0.58；n=4，RI=0.94；n=5，RI=1.12；n=6，RI=1.24；n=7，RI=1.32；n=8，RI=1.41；n=9，RI=1.45。令當(dāng) CR＜0.1時(shí)，認(rèn)為比較判斷矩陣的一致性可以接受，否則需要對(duì)判斷矩陣作適當(dāng)?shù)男拚?，在通過(guò)一致性檢驗(yàn)后，最終得出各指標(biāo)的權(quán)重。

2.4 建立隸屬度矩陣

各個(gè)指標(biāo)的隸屬度由專家打分法來(lái)計(jì)算。對(duì)專職技術(shù)人員和該學(xué)術(shù)領(lǐng)域?qū)W者使用問卷調(diào)查來(lái)獲得各個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)個(gè)數(shù)，從而可以得到關(guān)系矩陣R 中各個(gè)元素rij的值。根據(jù)m 份的調(diào)查問卷和每個(gè)指標(biāo)的評(píng)語(yǔ)評(píng)價(jià)個(gè)數(shù)向量，求出隸屬函數(shù)rijz：

式中：Fijz為賦予第i 個(gè)一級(jí)指標(biāo)的第j 個(gè)二級(jí)指標(biāo)中第z 個(gè)評(píng)語(yǔ)等級(jí)的人數(shù)；m 為專職技術(shù)人員和學(xué)者調(diào)查問卷的有效份數(shù)。

2.5 計(jì)算模糊綜合評(píng)價(jià)最終值

首先，根據(jù)權(quán)重W 和隸屬度矩陣R，計(jì)算大傾角煤層工作面飛矸安全評(píng)價(jià)一級(jí)指標(biāo)向量：

式中：Hi為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)值。

其次，將Hi歸一化：

最后，得到評(píng)判值e 為：

由此得到大傾角煤層工作面飛矸安全評(píng)價(jià)的等級(jí) e。非常安全評(píng)語(yǔ)分值＞90，80＜安全＜90 ，60＜一般安全＜80 ，40＜比較不安全＜60 ，不安全＜40。

3 實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)所構(gòu)建的大傾角煤層工作面飛矸傷害安全評(píng)價(jià)指標(biāo)步驟和方法，設(shè)計(jì)相應(yīng)的安全指標(biāo)調(diào)查問卷，通過(guò)對(duì)艾維爾溝礦區(qū)新疆焦煤集團(tuán)2130 煤礦的25221 工作面工況進(jìn)行調(diào)查。對(duì)此煤礦調(diào)查發(fā)現(xiàn)，煤層為典型的大傾角煤層，基于對(duì)操作人員綜合素質(zhì)、擋矸設(shè)備可靠性、工況環(huán)境和該煤礦管理4 方面進(jìn)行影響因素分析，并確定該煤層工作面的飛矸安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其遞階層次結(jié)構(gòu)如圖1。

3.1 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

圖1 大傾角煤層飛矸安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系圖Fig.1 Diagram of evaluation index system of flying gangue safety in steeply dipping seam

根據(jù)此方法，計(jì)算各層指標(biāo)權(quán)重，例如：構(gòu)造準(zhǔn)則層指標(biāo)，即員工綜合素質(zhì)A、飛矸防護(hù)設(shè)備B、工作面環(huán)境性質(zhì)C、安全管理D 等的比較判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。指標(biāo)判斷矩陣見表1。

表1 指標(biāo)判斷矩陣Table 1 The weight table of each index

員工綜合素質(zhì)A、飛矸防護(hù)設(shè)備B、工作面環(huán)境性質(zhì) C、安全管理 D 指標(biāo)權(quán)重分別為 0.172，0.317，0.358、0.1524。CI=0.005，CR=0.005 3＜0.1，即一致性可以接受。同理可求得余下指標(biāo)因素權(quán)重（表2）。

層次分析法可以簡(jiǎn)明有效的分析出系統(tǒng)中各個(gè)指標(biāo)在該評(píng)價(jià)體系中的地位，從而識(shí)別出該體系中的重點(diǎn)和次重點(diǎn)，從而在實(shí)施飛矸防治時(shí)更有針對(duì)性。從各個(gè)指標(biāo)的結(jié)果來(lái)看，準(zhǔn)則層中，工作面性質(zhì)所占比重最大，其次是飛矸防護(hù)設(shè)備，最后才是員工綜合素質(zhì)和安全管理，由此更加強(qiáng)調(diào)了工作面環(huán)境性質(zhì)的重要性。而在方案層中，工作面傾角所占比重最大，其次是擋矸裝置完好和擋矸裝置可靠性。由層次分析法計(jì)算的權(quán)重可知，在大傾角煤層工作面上，煤層傾角大小和擋矸裝置的完好與可靠程度是員工和井下設(shè)備受到危害的較大影響因素。這些重要性排序靠前的指標(biāo)要素是影響工作面飛矸安全評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素，也是工況下監(jiān)測(cè)和監(jiān)察的重點(diǎn)。

表2 各個(gè)指標(biāo)權(quán)重表Table 2 Weight table of each index

3.2 大傾角煤層工作面飛矸安全等級(jí)計(jì)算

根據(jù)評(píng)語(yǔ)集對(duì)該工作面獨(dú)立地對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)因素指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出隸屬度矩陣。邀請(qǐng)了10 位大傾角煤層開采方面專家和專業(yè)技術(shù)人員對(duì)艾維爾溝礦區(qū)新疆焦煤集團(tuán)2130 煤礦的25221 工作面飛矸安全情況進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，并對(duì)指標(biāo)體系中的各評(píng)價(jià)因素分別給出評(píng)價(jià)等級(jí)。

1）將各因素隸屬度代入上述步驟逐層計(jì)算得：

2）分別對(duì) A、B、C、D 歸一化處理得出結(jié)果 B1、B2、B3、B4，總評(píng)價(jià)矩陣 R 為：

3）綜合因素評(píng)價(jià)矩陣為：

4）歸一化處理得：

5）系統(tǒng)總得分e 為72.802 0。查各個(gè)指標(biāo)權(quán)重表表2 可以得出，該工作面為一般安全，可能會(huì)出現(xiàn)個(gè)別飛矸現(xiàn)象，但安全在可控范圍內(nèi)，可以正常上崗。所得到的結(jié)果與歷年該工作面飛矸造成災(zāi)害的頻次大致相同。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法，結(jié)合影響大傾角煤層工作面飛矸對(duì)人員與設(shè)備傷害的諸多因素，建立了大傾角煤層工作面飛矸安全評(píng)價(jià)模型。運(yùn)用該評(píng)價(jià)模型，結(jié)合25221 工作面的環(huán)境特征和生產(chǎn)情況，對(duì)該工作面飛矸傷害進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，結(jié)果與實(shí)際情況相同，此方法對(duì)大傾角煤層開采工作面飛矸安全評(píng)價(jià)及防護(hù)具有重要的理論和實(shí)踐意義。