基于FAHP-GRA的煤礦粉塵綜合安全評價體系研究

周兆海，姚有利，程超男

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003）

近年來，隨著采煤技術(shù)的不斷革新發(fā)展和大功率綜采設(shè)備的投入，煤礦進入高產(chǎn)高效時代，使得粉塵大量產(chǎn)生，礦井工作環(huán)境急劇惡化。生產(chǎn)環(huán)境中的粉塵濃度過高不僅可以引起粉塵爆炸，導(dǎo)致井下工作人員傷亡，機器設(shè)備的損壞，同時爆炸帶來的高溫高壓沖擊波對礦井造成不可想象的后果[1]，還對職工的身體健康造成嚴重的危害，煤礦粉塵是塵肺病的主要致病因素。因此，加強煤礦粉塵風險管理已刻不容緩。

為了減少粉塵帶來的危害，提高粉塵風險管理水平，有必要對煤礦粉塵風險進行多層次多維度的評價研究。目前用于煤礦安全評價主要有層次分析法[2]、模糊綜合評價法[3]、熵權(quán)評價法[4]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]等方法。評價方法的合理選擇有利于對煤礦粉塵存在和潛在的風險、有害因素進行識別和分析，把危險因素和隱患消滅在萌芽階段[6-7]。

采用層次分析法與綜合灰色關(guān)聯(lián)法綜合評價可以彌補單一評價方法的缺點（灰色關(guān)聯(lián)法無法體現(xiàn)指標的相對重要程度，層次分析法很難處理指標過多，數(shù)據(jù)量大的系統(tǒng)）[8-9]，是處理復(fù)雜多層次的評價問題、確定相關(guān)因子的影響力排序、構(gòu)建安全評價指標體系較合理的評價方法選擇[10-12]。

1 煤礦粉塵風險評價指標體系構(gòu)建

煤礦粉塵危害防治是一項很復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，影響煤礦粉塵危害風險因素比較復(fù)雜，通過查閱相關(guān)法律法規(guī)文獻和技術(shù)報告，從人－物－環(huán)－管－技5個方面建立了煤礦粉塵風險評價指標體系，該體系包括職工狀態(tài)、粉塵特性、作業(yè)環(huán)境、安全管理、技術(shù)裝備共5個一級指標，職工身體狀況、勞動強度、平均工齡、日均接觸粉塵時間、粉塵爆炸性等共21個二級指標。指標內(nèi)容，見圖1[13-16]。

圖1 煤礦粉塵風險評價指標體系

2 多級綜合模糊評價模型研究

2.1 確定評價指標權(quán)重集

利用層次分析法的原理，邀請業(yè)內(nèi)專家和工程技術(shù)人員參照Saaty1-9 標度法，憑借以往的工程經(jīng)驗和專業(yè)知識將準則層指標兩兩比較，確定一級指標的判斷矩陣A，并用Matlab 數(shù)據(jù)處理軟件計算出歸一化權(quán)重矩陣WA。

式中：n為比較影響因素個數(shù)。

2.2 判斷矩陣的一致性檢驗

因為判斷矩陣是由專家和工程技術(shù)人員的經(jīng)驗判斷而構(gòu)建，不免由于一些人為因素而出現(xiàn)不合理的情況，需要驗證一致性，判斷矩陣是否達到合理偏差范圍內(nèi)。根據(jù)Saaty提出的一致性方法，公式為：

式中：CR為平均隨機一致性指標，RI為平均隨機一致性指標，其值與n 矩陣階數(shù)有關(guān)，見表1；CI 為一致性指標；λmax為判斷矩陣最大特征值。

表1 RI的取值

當CR ＜0.1時，判斷矩陣滿足一致性，否則偏差過大需優(yōu)化判斷矩陣到合理范圍內(nèi)。同理，可求出二級指標的單因素權(quán)重向量Wi，最后求出綜合權(quán)重向量W′。

2.3 風險評價模型的構(gòu)建

灰色關(guān)聯(lián)分析的基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密。曲線越接近，相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度就越大，灰關(guān)聯(lián)聚類是以灰關(guān)聯(lián)分析為基礎(chǔ)，根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度識別原則進行聚類[17-18]?；疑P(guān)聯(lián)分析法的基本方法，就是收集評價數(shù)據(jù)指標；建立原始評價指標；選擇最優(yōu)指標序列；對指標進行無綱化處理；計算各個比較數(shù)列與各個參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度，根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小進行分析，從而對評價對象進行優(yōu)劣排序[19]。

（1）專家評價打分。打分采用調(diào)查問卷的方式，邀請本礦r 名技術(shù)專家，對n 個風險因素進行打分，規(guī)定打分范圍為1～10 分，最終得出評價樣本矩陣M0=[m01,m02,m03…m0n]。

（2）數(shù)據(jù)歸一化。為了去掉量綱的影響，使數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，將矩陣數(shù)據(jù)無量綱化處理，這里使用歸一化的方法[20]，公式為：

式中：k=1,2,3,…,n；i=1,2,3,…,m。

（3）計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。專家打分越高則表明此評價指標影響風險越高，所以將系統(tǒng)中評價指標數(shù)值最大值定為最優(yōu)參考指標來計算不同評價因素指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)，公式為：

式中：ρ是分辨系數(shù)，取值范圍是[0,1]，一般取ρ=0.5。

由上述公式求得，由k 個評價指標的因素集所組成的關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣Z=[ξi1,ξi2,ξi3,…ξin]。

（4）計算關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)系數(shù)是考察比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個時刻（即曲線中的各點）的關(guān)聯(lián)程度值，所以它的數(shù)不止一個，而信息過于分散不便于進行整體性比較，需要集中到一個值，并求其平均值，作為比較數(shù)列與參考數(shù)列間關(guān)聯(lián)程度的數(shù)量表示。關(guān)聯(lián)度ri公式為：

（5）總排序。利用權(quán)重向量和關(guān)聯(lián)度的乘積，求出評價指標的最終綜合模糊關(guān)聯(lián)指標P。然后對計算結(jié)果P進行排序，最終得出煤礦粉塵危害影響因素層次總排序。綜合模糊關(guān)聯(lián)指標P的公式為：

3 應(yīng)用實例

以山西某煤礦礦井為例，用基于層次分析法和模糊灰色關(guān)聯(lián)法對此礦井進行粉塵影響因素風險綜合評價研究。

3.1 評價風險指標權(quán)重的確定

根據(jù)層次分析法相應(yīng)的計算步驟，得到風險影響因素的一級和二級指標的相對權(quán)重，并經(jīng)式（1）的計算通過一致性檢驗，證明其評價數(shù)據(jù)合理性。具體權(quán)重，見表2。

表2 煤礦粉塵評價指標體系及權(quán)重

3.2 計算灰色關(guān)聯(lián)評價模型

邀請本單位高工和技術(shù)人員共10 名（Oi,i=1,2,3,…10），對粉塵風險影響因素二級指標進行打分，得到專家評價樣本矩陣Dij，見表3。

表3 專家評價樣本

用公式（2）對Dij進行標準化處理后，用公式（3）得到灰色關(guān)聯(lián)矩陣M，見圖2。

圖2 粉塵風險評價指標灰色關(guān)聯(lián)矩陣

3.3 關(guān)聯(lián)度的計算

由式（4）計算得到粉塵風險評價數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)間的灰色關(guān)聯(lián)度為：

r=［0.3877，0.4412，0.3946，0.4279，0.4414，0.3827，0.4691，0.4232，0.6866，0.7324，0.7486，0.5506，0.6198，0.5149，0.4443，0.5698，0.9464，0.7806，0.7076，0.7755］

3.4 綜合評價因素數(shù)值排序

根據(jù)式（5），用綜合權(quán)重向量W′和灰色關(guān)聯(lián)度向量r 相乘，得到最終的綜合模糊風險程度數(shù)列并進行總排序。排序結(jié)果，見表4。

表4 粉塵風險總排序

3.5 結(jié)果分析

根據(jù)計算出的煤礦粉塵風險程度指標排序結(jié)果可知，實施作業(yè)、瓦斯?jié)舛?、高溫熱源、采煤機械化程度等方面是影響粉塵危險風險程度的主要因素。因此，想要進一步降低粉塵風險和提高防塵管理水平，一定要加強實施作業(yè)，降低瓦斯?jié)舛?，避免高溫熱源，在提高采煤機械化強度的同時要進一步提高防塵水平和強度。

4 結(jié)論

（1）通過全面考慮影響煤礦粉塵危害程度的因素，層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)法原始評價數(shù)據(jù)分別來自煤礦安全業(yè)內(nèi)專家教授的理論知識和礦井的高工和技術(shù)人員實地工作經(jīng)驗，兩種方法的綜合使用是理論和實際的結(jié)合，可以優(yōu)劣互補，形成定性和定量的分析，減輕人的主觀對權(quán)重的影響，使評價指標體系更加全面科學(xué)和可靠。

（2）整個評價方法計算簡單，評價結(jié)果直觀，容易操作，具有較強的實用性。在礦井企業(yè)的粉塵治理中，找到風險管理重點和分配管控資源具有較好的指導(dǎo)意義。