基于可拓理論的煤礦安全風險預警與評估

華攸金，李希建

(1.貴州大學 礦業(yè)學院，貴州 貴陽 550025；2.復雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽 550025；3.貴州大學 瓦斯災害防治與煤層氣開發(fā)研究所，貴州 貴陽 550025)

煤炭是我國的主要能源，煤炭主體能源地位在今后很長的一段時期內(nèi)不會改變。中國工程院重點咨詢項目《我國煤炭資源高效回收及節(jié)能戰(zhàn)略研究》預測2020年、2030年、2050年我國煤炭產(chǎn)能分別為44億t、40億t、34億t[1]。煤礦目前作為高風險行業(yè)，其主要的災害因素包括瓦斯、水害、火災及煤塵等，具有突然、急劇、猛烈等特點，不僅危害程度大，影響面廣，且容易誘發(fā)其他重特大事故[2]。為了加強辨識煤礦生產(chǎn)過程中的各類危險源，判別其安全風險大小，且進一步規(guī)范煤礦安全生產(chǎn)管理工作，體現(xiàn)預防為主的思想，實現(xiàn)對風險的超前預控，減少事故的發(fā)生，亟需開展煤礦安全風險預警等級評判及預警的研究。

煤礦安全風險預警就是對生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)及發(fā)展趨勢進行分析，對可能出現(xiàn)的偏差進行適時預警和及時報警，通過相應的安全技術(shù)對策實現(xiàn)對煤礦安全生產(chǎn)過程中災害風險的“早期識別”和事故的“事先預防”，保障安全生產(chǎn)[3]。目前，國內(nèi)外關(guān)于煤礦安全預警評估的研究，取得了一系列的成果，主要包括模糊層次分析[4，5]、灰色理論分析[6]、改進加權(quán)C-F模型[7]、概率神經(jīng)網(wǎng)絡[8]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡[9，10]等。這些理論成果推動著煤礦安全風險預警評估的發(fā)展，為煤礦行業(yè)的穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展奠定了良好的安全保障。但目前安全風險理論及方法體系還不夠完善，同時工程應用推廣還面臨著較大困難。鑒于此，為加強煤礦安全風險預警評估和完善風險預警理論及方法，本文將可拓論引入到煤礦安全風險的預警與評估中，從定性和定量兩個方面，利用物元的可拓分析理論進行定性分析，同時借助可拓集合論的關(guān)聯(lián)函數(shù)進行定量計算，通過構(gòu)建煤礦安全風險預警評估模型，將指標轉(zhuǎn)化為一種相容的問題，然后進行評估。結(jié)合熵權(quán)法確定各預警指標的權(quán)重，避免傳統(tǒng)經(jīng)驗的主觀性。通過工程應用，基于可拓論的煤礦安全風險預警與評估模型具有精準性及可操作性等優(yōu)點，而且較神經(jīng)網(wǎng)絡計算簡便，所以應用可拓論來建立煤礦安全預警評估模型具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

1 建立風險預警指標體系

1.1 建立風險預警指標體系

根據(jù)煤礦危險源的判識與分析，參照相關(guān)文獻[11-13]，并遵循科學性、完整性、可操作性等原則，從人員、設備、環(huán)境、管理及信息五個方面分析影響煤礦安全的風險因素，構(gòu)建煤礦安全風險預警指標體系，見表1。

表1 煤礦安全風險預警指標體系

1.2 安全風險預警等級及臨界值

根據(jù)相關(guān)行業(yè)標準、規(guī)程，將風險等級劃分為5個級別[14]，即Ⅰ級(輕警)、Ⅱ級(低警)、Ⅲ級(中警)、Ⅳ級(重警)及Ⅴ級(巨警)，分別對應風險程度很弱、弱、一般、高及很高。礦井指標類型及臨界值依據(jù)行業(yè)內(nèi)相關(guān)規(guī)程確定[15]，見表2。

表2 底層指標類型及臨界值

2 建立煤礦安全風險可拓模型

基于可拓論[16]，構(gòu)建煤礦安全風險預警評估的經(jīng)典域、節(jié)域和待評物元矩陣；在此基礎上，對煤礦安全風險進行關(guān)聯(lián)函數(shù)值計算和關(guān)聯(lián)度分析，進而確定煤礦風險等級。

2.1 確定預警指標物元

假設安全風險預警等級分為m個等級，安全風險預警指標為n個，則經(jīng)典域表示為：

式中，Nj(j= 1，2，…，m) 表示風險等級；ci(i=1，2，…，n) 表示預警指標；vji表示在j等級中的第i個預警指標的量值區(qū)間；aji和bji表示風險等級與預警指標量值區(qū)間內(nèi)的最小值和最大值。

假設風險等級為p，則節(jié)域表示為：

式中，p表示風險等級的全體；Np為風險等級p的預警對象；vpi表示p關(guān)于預警指標特征ci的取值范圍，即節(jié)域。

假設預警對象為P，建立待評物元為：

式中，ci表示預警指標；vi為ci的實際量化指標值。

2.2 預警指標的量化處理

基于各預警指標特征向量的量綱有所差別，不容易通過比較得出精確值，因此，需要對預警指標值進行量化處理，處理方法如下：

2.3 計算預警指標的關(guān)聯(lián)度

預警指標的關(guān)聯(lián)函數(shù)表達式為：

點vi到有限區(qū)間vji的距離為ρ(vi，vji)，點vi到有限區(qū)間vpi的距離為ρ(vi，vpi)，其中，vi，vji，vpi分別為待評物元的量化指標值、經(jīng)典域的量值區(qū)間和節(jié)域的量值區(qū)間。則預警指標i與風險等級j的關(guān)聯(lián)函數(shù)kj(vi)的定義為：

2.4 計算各預警指標權(quán)重

熵權(quán)法計算指標的權(quán)重，假設kj(vi)=rji，構(gòu)建矩陣為：

R=(rji)m×n，(j=1，2，…，m；i=1，2，…，n)

(7)

預警指標的熵Hi定義為：

預警指標權(quán)重Wi定義為：

2.5 確定綜合關(guān)聯(lián)度及風險等級

預警對象p與等級j的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(p)定義為：

關(guān)聯(lián)度是表征兩個事物之間的關(guān)聯(lián)程度，且關(guān)聯(lián)度值越接近1，說明相關(guān)性越好，由關(guān)聯(lián)度最大原則，判定預警對象的風險等級Kj0(p)，其表達式為：

Kj0(p)=maxKj(p)

(11)

3 工程應用

本文以貴州省黔西縣L煤礦為例進行安全風險預警分析，該礦井設計能力為120萬t/a，井田內(nèi)煤層埋藏深度較淺，傾角平緩；以中厚煤層為主，局部厚煤層；煤層結(jié)構(gòu)較簡單，賦存穩(wěn)定；地質(zhì)構(gòu)造屬中等復雜程度；水文地質(zhì)條件屬中等偏復雜型；為煤與瓦斯突出礦井，煤層屬不易自燃煤層；煤層及頂?shù)装鍘r性較軟。根據(jù)該礦的實際安全風險現(xiàn)狀及預警指標體系，采用數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計最常用的問卷調(diào)查法，問卷均采用正向計分，分值越高表示越符合實際情況。為保證問卷數(shù)據(jù)的科學性，參與問卷調(diào)查人員由外聘專家人員、企業(yè)管理人員及企業(yè)技術(shù)人員組成，分別組建專家組N1、管理組N2及技術(shù)組N3三個評判小組，將以各個小組為單位發(fā)放調(diào)查問卷，共計發(fā)放112份，回收有效問卷96份，并對有效問卷數(shù)據(jù)分別作統(tǒng)計分析，得出各個評判小組的預警指標數(shù)據(jù)Vij見表3。

表3 預警指標權(quán)重及關(guān)聯(lián)度

3.1 確定經(jīng)典域、節(jié)域及待評物元

在確定安全風險預警等級的基礎上，通過預警指標對應風險等級的取值區(qū)間建立經(jīng)典域Rj；預警指標對應全部風險等級的取值區(qū)間建立節(jié)域Rp，把收集到的實際預警指標數(shù)據(jù)建立待評物元R0。經(jīng)過對Ⅰ-Ⅴ級預警指標數(shù)據(jù)進行量化處理，建立風險評估物元為：

3.2 計算關(guān)聯(lián)度及權(quán)重

結(jié)合式(5)、式(6)，使用Matlab軟件求出各預警指標與風險等級的關(guān)聯(lián)度，其中kj(vi)表示第i個預警指標與風險等級j的關(guān)聯(lián)度。以專家組為預警對象分析，人員三違章率預警指標與風險等級的關(guān)聯(lián)度kj(vi)= (0.1500，-0.1500，-0.7167，-0.8300，-0.8786)，依據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則，該預警指標與風險等級的最大關(guān)聯(lián)度為0.1500，指標風險等級為Ⅰ級，屬于“輕警”狀態(tài)。各預警指標與風險等級的關(guān)聯(lián)度值見表3。

結(jié)合式(8)、式(9)，求出各預警指標加權(quán)后的權(quán)重，進而求出二級指標各因素的權(quán)重，即：wi′= (0.1600，0.4076，0.1879，0.2121，0.0324)，其中，人員因素指標權(quán)重w1= 0.1138+0.0200+0.0262=0.1600。經(jīng)計算分析得出，設備因素指標權(quán)重值最大，管理因素、環(huán)境因素及人員因素指標權(quán)重值為中等，信息因素指標權(quán)重值最小，說明設備因素相對煤礦安全風險的影響最為重要，管理因素、環(huán)境因素及人員因素次之，而信息因素的相對重要性最不明顯。因此，在煤礦安全風險預警管理的過程中，應當重點、優(yōu)先加強設備的維護管理水平，不斷提高設備運行率，提升設備系統(tǒng)的保障能力。依據(jù)逐級逆序分析，由二級指標向三級指標逐層分析得出，防滅火設備完好率指標權(quán)重值為0.2841，其在二級設備因素指標及全部三級因素指標中權(quán)重值均為最大值，說明該因素相對于設備和煤礦安全風險的影響最重要，亟需重點加強防滅火設備維護與保養(yǎng)，提升防滅火系統(tǒng)完好率及利用率，從而實現(xiàn)更具有針對性、經(jīng)濟性地控制煤礦企業(yè)的安全風險。

依據(jù)式(10)、式(11)，求出各二級指標、總目標層與風險等級的關(guān)聯(lián)度。依據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則，得出各風險評估物元的綜合關(guān)聯(lián)度及安全風險預警等級，見表4。經(jīng)計算，專家組綜合安全風險預警等級的最大關(guān)聯(lián)度為-0.3026，風險等級為Ⅱ級，屬于“低警”狀態(tài)。同理可得，管理組、技術(shù)組綜合安全風險預警等級的最大關(guān)聯(lián)度分別為-0.1382、-0.2515，風險等級均為Ⅱ級，屬于“低警”狀態(tài)。依據(jù)關(guān)聯(lián)度分析，信息指標與風險等級的關(guān)聯(lián)度最大，且對應預警等級為Ⅳ級，屬于“巨警”狀態(tài)，風險程度很高，需立即采取相關(guān)措施以提高系統(tǒng)的信息化程度及信息辨識程度；人員指標與風險等級的關(guān)聯(lián)度次之，對應預警等級為Ⅲ級，屬于“中警”狀態(tài)，風險程度一般，需要進一步完善規(guī)章制度及作業(yè)規(guī)程。各個評判小組的二級指標、一級指標及總目標層的綜合安全風險預警等級的關(guān)聯(lián)度見表5。

表4 二級指標與風險等級的關(guān)聯(lián)度

表5 煤礦風險評估物元的綜合關(guān)聯(lián)度

結(jié)合企業(yè)安全風險排查及隱患整改情況，目前該礦各生產(chǎn)系統(tǒng)均能滿足安全生產(chǎn)需要。前期，隨著開采深度逐步加深，瓦斯、粉塵、頂板、水災等問題較為突出，但采用相應有力的措施之下，各種問題得到解決。相比于企業(yè)內(nèi)部采用的檢查表自查，本文基于煤礦安全風險預警評估模型更具有精準性及可操作性，同時可以避免傳統(tǒng)經(jīng)驗的主觀性，從而實現(xiàn)煤礦安全風險的定量評估。結(jié)果表明，該礦綜合安全風險預警對應“低警”狀態(tài)，與實際情況相一致。表示煤礦企業(yè)總體的風險程度表示可以接受，但還需進行進一步優(yōu)化。

4 結(jié) 論

1)基于煤礦危險的影響因素，從人員、設備、環(huán)境、管理及信息五個方面共選取22項預警指標進行風險評估，通過可拓理論建模及熵權(quán)法確定權(quán)重，建立更具有精準性及可操作性的煤礦安全風險預警評估模型。

2)依據(jù)綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算得出，該煤礦綜合安全風險預警等級為Ⅱ級，對應“低警”狀態(tài)，其風險程度較弱，該煤礦企業(yè)總體的風險程度表示可以接受，但還需進行進一步優(yōu)化。本文構(gòu)建的煤礦安全風險預警評估模型的評價結(jié)果與實際情況相一致，研究表明該理論及方法可以為煤礦安全風險預警與評估提供參考依據(jù)。

3)本文基于可拓論的煤礦安全風險預警評估模型僅對單個對象進行預警分析，不能代表其他煤礦企業(yè)安全風險狀況。因此，當該模型應用不同對象或多個對象時，為確保預評結(jié)果的精度，相應的預警指標體系及預警模型還需進一步優(yōu)化。