基于AHP-Fuzzy法的煤礦立井凍結(jié)法施工風(fēng)險(xiǎn)管理研究

楊國梁，宋嬌嬌，張召冉，劉 杰

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100141)

煤礦建設(shè)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)是多種風(fēng)險(xiǎn)因素綜合作用的結(jié)果，具有客觀性、不確定性、隨機(jī)性等特點(diǎn)[1-3]，若不能對(duì)井筒施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效管控，使各類風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)化，就會(huì)引發(fā)凍結(jié)壁失穩(wěn)坍塌、鉆孔漏水、凍結(jié)管斷裂淹井、液氨泄漏中毒、火災(zāi)爆炸、作業(yè)人員高處墜落、機(jī)械違規(guī)操作傷人等安全事故。目前深立井建設(shè)需求增多，對(duì)施工技術(shù)、工藝和設(shè)備的要求提高，安全事故發(fā)生率也隨之上升。王建濤等[4]基于安全角度分析了超深凍結(jié)立井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素；衛(wèi)建軍等[5]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非精確原理預(yù)測凍結(jié)壁的施工參數(shù)，解決立井凍結(jié)設(shè)計(jì)存在的客觀問題，為井筒工程的安全快速施工提供技術(shù)保障；程樺等[6]在分析國內(nèi)深立井凍結(jié)法鑿井安全事故現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，從技術(shù)層面分析事故產(chǎn)生原因，并提出了相應(yīng)的解決策略。工程實(shí)踐證明，國內(nèi)學(xué)者在凍結(jié)鑿井法理論、設(shè)備與技術(shù)等領(lǐng)域研究較多，而忽視了施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)管理，因此需加強(qiáng)對(duì)凍結(jié)施工中潛在的風(fēng)險(xiǎn)事件分析和事前控制，減少安全事故的發(fā)生。由于單獨(dú)運(yùn)用AHP法存在主觀性強(qiáng)、計(jì)算精度不高等問題，本文采用的層次分析法和模糊評(píng)價(jià)法可解決此類問題[7-9]，輔助煤礦企業(yè)對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行重要性排序，由此確立安全生產(chǎn)指標(biāo)體系，為煤礦安全評(píng)價(jià)及管理決策提供可靠的依據(jù)。

1 工程概況

某煤礦地處黃河沖積平原，地形平坦，局部地形微度起伏，地勢略呈西高東低，地面標(biāo)高+40.01～+46.14 m，自然地形坡度2‰。本區(qū)水系比較發(fā)育，河流溝渠縱橫成網(wǎng)，且多為人工開掘的季節(jié)性河流。井田內(nèi)斷裂受區(qū)域構(gòu)造控制，走向基本與區(qū)域性田橋斷層一致，分帶性明顯，共查出52條大落差斷層。

該煤礦風(fēng)井井筒深度為880.01 m，凍結(jié)深度為840 m。井筒外壁施工采用“短段掘砌”施工方案；內(nèi)層井壁-815～-827 m井筒壁座加強(qiáng)段先錨網(wǎng)噴一次支護(hù)，再采用1 m段高裝配式鋼模板，3 m3底卸式灰罐下灰，從下向上連續(xù)砌筑內(nèi)層井壁；井筒采用臨時(shí)鎖口方式；井筒與回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷和井底車場連接處采用分層法施工，錨網(wǎng)噴一次支護(hù)后隨井筒井壁整體砌壁施工。該煤礦為巨厚松散層覆蓋下全隱蔽井田，含多個(gè)巖層，其中，第四系、二疊系含有中砂巖層，總體構(gòu)造復(fù)雜程度中等，在鉆孔施工及用水過程中，易受礦壓及采動(dòng)影響，鉆孔速度易受到用蠻力推氣腿影響。井筒凍結(jié)選用液態(tài)氨，采用外圈孔、中圈孔、內(nèi)圈孔加防片孔凍結(jié)方式，凍結(jié)孔深度較深在775～840 m之間、凍結(jié)孔圈徑較大在15～29 m之間，加之外圈孔、中圈孔、內(nèi)圈孔共計(jì)約100個(gè)凍結(jié)孔。因地下水滲流作用和地層的富水性，缺乏系統(tǒng)的溫度場分布規(guī)律研究，該礦井580 m以下沖積層要求凍結(jié)壁厚度厚、強(qiáng)度高，凍結(jié)管內(nèi)鹽水循環(huán)一直采用正循環(huán)，優(yōu)先加強(qiáng)下部凍結(jié)。井筒掘砌施工前，對(duì)抓巖司機(jī)和翻矸平臺(tái)作業(yè)人員進(jìn)行崗前安全培訓(xùn)、傘鉆工打干眼前做好防塵安全保護(hù)、爆破工執(zhí)行“一炮三檢”，井筒掘砌需跟凍結(jié)的速度保持一致，適時(shí)調(diào)整混凝土配合比，避免發(fā)生混凝土離析現(xiàn)象；內(nèi)外井壁間選用的夾層材料防水效果須達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；凍土揭露易產(chǎn)生局部化凍，當(dāng)繼續(xù)凍結(jié)時(shí)，對(duì)于產(chǎn)生的較小凍脹力，采取在井壁與凍土之間鋪設(shè)泡沫板的措施。為了確保立井凍結(jié)施工項(xiàng)目質(zhì)量、工期和成本三大目標(biāo)最優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析及控制。

2 煤礦立井凍結(jié)法施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

根據(jù)該煤礦的實(shí)際工程特點(diǎn)，通過調(diào)研相關(guān)施工技術(shù)資料，進(jìn)行土工試驗(yàn)和凍土試驗(yàn)，以調(diào)查問卷的形式通過專家打分進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，首先向20位專家進(jìn)行立井凍結(jié)施工風(fēng)險(xiǎn)因素征集，經(jīng)過3輪專家意見調(diào)整與反饋，最終識(shí)別出凍結(jié)法施工過程中風(fēng)險(xiǎn)因素主要包含一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)5個(gè)，二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)16個(gè)，建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表1。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

通過模糊-層次法對(duì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素及整個(gè)工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行定性與定量相結(jié)合的分析與評(píng)價(jià)。根據(jù)表1建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，依次建立各層次的判斷矩陣。其中，對(duì)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)層B各元素關(guān)于目標(biāo)層A的重要性進(jìn)行兩兩比較，建立判斷矩陣，見表2。

表1 煤礦立井凍結(jié)法施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)B層次判斷矩陣

2.3 計(jì)算權(quán)重向量及一致性檢驗(yàn)

根據(jù)判斷矩陣計(jì)算每一指標(biāo)對(duì)于上一層次指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重[10]，由式(1)和式(2)并結(jié)合表3，確定一致性比率CR值，檢驗(yàn)判斷矩陣是否符合一致性要求，即CR<0.1，滿足一致性要求。

(1)

(2)

式中：λmax為判斷矩陣最大特征值；n為判斷矩陣階數(shù)。

計(jì)算一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)層B對(duì)于目標(biāo)層A的最大特征值λmax=5.037 9，權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表4。

由式(1)和式(2)計(jì)算得CI=0.009 475，檢驗(yàn)系數(shù)CR=0.008 46<0.1，即滿足一致性要求。

同理，構(gòu)建第三層指標(biāo)判斷矩陣，計(jì)算其相對(duì)于二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)層權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。通過計(jì)算得：B1-Ci(i=1，2)層次判斷矩陣的相對(duì)應(yīng)的權(quán)重W=(0.833，0.167)；B2-Ci(i=3，4)層次判斷矩陣的相對(duì)應(yīng)的權(quán)重W=(0.667，0.333)；B3-Ci(i=5，6)層次判斷矩陣的相對(duì)應(yīng)的權(quán)重W=(0.667，0.333)；B4-Ci(i=7，8)層次判斷矩陣的相對(duì)應(yīng)的權(quán)重W=(0.667，0.333)；B5-Ci(i=9，10，…，16)層次判斷矩陣的相對(duì)應(yīng)的權(quán)重W=(0.304，0.057，0.057，0.303，0.038，0.074，0.109，0.057)，且各判斷矩陣均滿足一致性要求。

通過首先合成單一標(biāo)準(zhǔn)層的權(quán)重，并逐層進(jìn)行整體一致性檢驗(yàn)，最后得到遞階層次結(jié)構(gòu)中每一層中所有指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)A的相對(duì)權(quán)重，見表5。

2.4 風(fēng)險(xiǎn)因素隸屬度確定

依據(jù)上述某煤礦立井凍結(jié)法施工風(fēng)險(xiǎn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重，結(jié)合20位專家的評(píng)分范圍，劃分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為很高、高、中等、低、很低5類。經(jīng)整理、匯總、計(jì)算，得到該煤礦風(fēng)險(xiǎn)因素隸屬度見表6，表6中等級(jí)值為贊成此等級(jí)的專家人數(shù)占全部專家的比重。

表3 判斷矩陣平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值RI

表4 一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)層B相對(duì)目標(biāo)層A的權(quán)重

表5 各層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層A的權(quán)重

表6 煤礦立井凍結(jié)法施工風(fēng)險(xiǎn)因素隸屬度表

施工準(zhǔn)備階段風(fēng)險(xiǎn)隸屬矩陣見式(3)。

(3)

冷凍站安裝風(fēng)險(xiǎn)隸屬矩陣見式(4)。

(4)

鉆孔施工風(fēng)險(xiǎn)隸屬矩陣見式(5)。

(5)

井筒凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)隸屬矩陣見式(6)。

(6)

井筒掘砌風(fēng)險(xiǎn)隸屬矩陣見式(7)。

(7)

進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)一級(jí)模糊評(píng)價(jià)矩陣[11]見式(8)。

Y1=WB1-Ci·R1=[0.416 5 0.300 0 0.216 7 0.033 4 0.033 4](i=1，2)

Y2=WB2-Ci·R2=[0.299 9 0.266 7 0.266 7 0.100 0 0.066 7](i=3，4)

Y3=WB3-Ci·R3=[0.166 7 0.233 4 0.266 7 0.166 6 0.166 6](i=5，6)

Y4=WB4-Ci·R4=[0.299 9 0.266 7 0.266 7 0.100 0 0.066 7](i=7，8)

Y5=WB5-Ci·R5=[0.331 4 0.258 3 0.215 3 0.148 6 0.039 7](i=9，10，…，16)

(8)

根據(jù)最大隸屬度原則，施工準(zhǔn)備階段風(fēng)險(xiǎn)屬于“很高”；冷凍站安裝風(fēng)險(xiǎn)屬于“很高”；鉆孔施工風(fēng)險(xiǎn)屬于“一般”；井筒凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)屬于“很高”；井筒掘砌風(fēng)險(xiǎn)屬于“很高”。由一級(jí)模糊評(píng)價(jià)矩陣組成二級(jí)模糊評(píng)價(jià)矩陣見式(9)。

R=

(9)

權(quán)重向量計(jì)算見式(10)。

WBi=[0.043 0.121 0.222 0.265 0.349]

(10)

二級(jí)模糊矩陣見式(11)。

Y=WBi·R=

[0.286 3 0.257 8 0.246 6 0.128 9 0.078 0]

(11)

根據(jù)最大隸屬度原則判斷得出，該煤礦立井凍結(jié)施工整體風(fēng)險(xiǎn)屬于“很高”。并針對(duì)各類風(fēng)險(xiǎn)制定出相應(yīng)的預(yù)控措施。

1) 組織措施。設(shè)立專門的風(fēng)險(xiǎn)控制部門，通過定期的風(fēng)險(xiǎn)教育、安全培訓(xùn)和技能考核，嚴(yán)格規(guī)范施工行為，提高員工的安全意識(shí)。

2) 技術(shù)措施。采取預(yù)防性的工程技術(shù)方法，保證凍結(jié)鹽水平均溫度、掘進(jìn)段高、制冷設(shè)備規(guī)格型號(hào)及凍結(jié)管連接方式選用的合理性，保證凍結(jié)壁厚度，降低爆破振動(dòng)影響。

3) 經(jīng)濟(jì)措施。對(duì)井筒施工提供合理的資金支持，建立風(fēng)險(xiǎn)管理激勵(lì)獎(jiǎng)懲制度，資金計(jì)劃上預(yù)留應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的額外資金等。

3 結(jié) 論

1) 結(jié)合該煤礦的工程數(shù)據(jù)資料，建立立井凍結(jié)施工的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，根據(jù)專家打分的問卷結(jié)果確定風(fēng)險(xiǎn)因素，運(yùn)用層次分析法計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。

2) 運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法，將各專家打分的定性分析結(jié)果進(jìn)行定量化，克服了AHP單一方法計(jì)算結(jié)果的主觀性問題，使風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果更科學(xué)客觀。

3) 定性定量分析結(jié)果表明，該煤礦立井凍結(jié)施工過程中，除鉆孔施工階段的風(fēng)險(xiǎn)屬于一般風(fēng)險(xiǎn)外，其他各階段風(fēng)險(xiǎn)整體很高，需由事后事故分析型向事前預(yù)控型的安全管理模式轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)“煤礦事故可防，事故風(fēng)險(xiǎn)可控”的風(fēng)險(xiǎn)管理目標(biāo)，減少煤礦安全事故的發(fā)生。