基于改進(jìn)模糊層次分析法的煤礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)

張學(xué)群

(山西古縣金谷煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 042400)

1 前言

“一通三防”是煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中礦井通風(fēng)、防治瓦斯、防治煤塵、防治火災(zāi)的簡(jiǎn)稱(chēng)[1-2]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009—2016年全國(guó)煤礦重大及重大以上的事故中，大部分事故是由瓦斯、煤塵、火災(zāi)所致[3]，而這三種礦井災(zāi)害又都與礦井通風(fēng)有著緊密的聯(lián)系，因此對(duì)“一通三防”系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)是煤礦安全評(píng)價(jià)中的重中之重[4]。目前常用煤礦安全評(píng)價(jià)方法主要有專(zhuān)家打分法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、功效系數(shù)法、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法等，在常用的這些評(píng)價(jià)方法中，層次分析法是相對(duì)較為簡(jiǎn)單的一種評(píng)價(jià)方法，在此方法上建立起來(lái)的煤礦安全評(píng)價(jià)案例有很多。曹凱等[5]基于層次分析法建立了煤礦通風(fēng)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)模型，對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在此方法上也延伸出了改進(jìn)后的方法，如區(qū)間層次分析法、改進(jìn)模糊層次分析法等。區(qū)間層次分析法是從傳統(tǒng)層次分析法上優(yōu)化而來(lái)的，該方法采用區(qū)間代替點(diǎn)的方法，降低了層次分析法因主觀(guān)因素導(dǎo)致的不確定性，目前應(yīng)用比較多。劉芮葭[6]通過(guò)區(qū)間層次分析與灰色理論相結(jié)合的安全評(píng)價(jià)方法，對(duì)煤礦瓦斯爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。改進(jìn)模糊層次分析法也是對(duì)傳統(tǒng)層次分析法的改良，通過(guò)運(yùn)用不同的數(shù)學(xué)方法使得該方法相比傳統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果更加精確，方法也更加簡(jiǎn)潔，應(yīng)用范圍也比較廣泛。張夢(mèng)雅等[7]基于改進(jìn)模糊層次分析法建立煤礦煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)煤礦煤塵爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

綜上，專(zhuān)家學(xué)者大多都將這些評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于一通三防系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)中，但對(duì)于一通三防系統(tǒng)整體安全評(píng)價(jià)的研究很少。因此，本文基于改進(jìn)模糊層次分析法，建立煤礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系，并將該方法應(yīng)用到山西省某礦，對(duì)該礦一通三防系統(tǒng)安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并提出了針對(duì)性改善意見(jiàn)，為煤礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)提供了一個(gè)較好的評(píng)價(jià)思路。

2 改進(jìn)模糊層次分析法模型在一通三防安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

2.1 建立改進(jìn)模糊層次分析法模型確定權(quán)重

(1)建立層次結(jié)構(gòu)體系，將結(jié)構(gòu)體系分為A層指標(biāo)、B層指標(biāo)、C層指標(biāo)，并對(duì)各層指標(biāo)標(biāo)號(hào)，建立系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系。

(2)通過(guò)0.1～0.9的5標(biāo)度法[8](見(jiàn)表1)，根據(jù)各指標(biāo)之間的相對(duì)重要程度，構(gòu)造優(yōu)先判斷矩陣F=(fij)n×n，i,j=1,2,…,n，其中fij與fji互補(bǔ)，可知fij<1，fij+fji=1，fii=0.5。該矩陣為模糊互補(bǔ)矩陣。

表1 0.1～0.9的5標(biāo)度法

(5)進(jìn)行和行歸一求得排序向量。

W(0)=(w1,w2,…,wn)T=

2.2 建立煤礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系

針對(duì)不同的系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系，改進(jìn)模糊層次分析法計(jì)算出的結(jié)果都是權(quán)重向量，而其起始步驟則是構(gòu)建針對(duì)某一具體系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)體系。煤礦一通三防系統(tǒng)包括通風(fēng)系統(tǒng)、防塵系統(tǒng)、防瓦斯系統(tǒng)和防火系統(tǒng)[9]，可將對(duì)這些子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)作為一級(jí)指標(biāo)，將各個(gè)子系統(tǒng)的影響因子水平或情況作為二級(jí)指標(biāo)，如通風(fēng)系統(tǒng)情況、瓦斯情況等[10]，將通風(fēng)分為3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，防塵分為7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，防瓦斯分為3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，防火分為2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立起煤礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系，具體見(jiàn)表2。

表2 煤礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系

3 煤礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等級(jí)的確定

3.1 規(guī)定煤礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

要對(duì)煤礦一通三防系統(tǒng)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，還要明確其安全評(píng)價(jià)等級(jí)。依據(jù)煤礦設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合煤礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)的情況和水平，采用百分制對(duì)煤礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)水平進(jìn)行綜合評(píng)分，可將一通三防安全評(píng)價(jià)等級(jí)劃分成五個(gè)等級(jí)，分別是非常危險(xiǎn)、較危險(xiǎn)、一般、較安全、非常安全。其中非常危險(xiǎn)與較危險(xiǎn)的評(píng)分區(qū)間較大，各為30分；一般與較安全的評(píng)分區(qū)間較小，各為15分；非常安全的評(píng)分區(qū)間最小，為10分。這種劃分雖然不是等區(qū)間劃分，但在將專(zhuān)家對(duì)影響因子的評(píng)分轉(zhuǎn)化為對(duì)整個(gè)一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的過(guò)程中該劃分法更具有科學(xué)性，具體劃分情況見(jiàn)表3。

表3 煤礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

3.2 確定煤礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等級(jí)

由于以上方法計(jì)算出來(lái)的權(quán)重是下一層指標(biāo)相對(duì)于本層指標(biāo)的權(quán)重，無(wú)法直接通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)情況、局部通風(fēng)情況、綜合防塵措施水平等影響因子水平對(duì)礦井整體的一通三防系統(tǒng)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此，要想通過(guò)定性- 定量的方法評(píng)價(jià)煤礦一通三防系統(tǒng)安全，還需要將其轉(zhuǎn)化成最底層指標(biāo)相對(duì)于整個(gè)一通三防系統(tǒng)安全指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。通過(guò)改進(jìn)模糊層次分析法確定B層指標(biāo)相對(duì)于A(yíng)層指標(biāo)的權(quán)重、C層指標(biāo)相對(duì)于B層指標(biāo)的權(quán)重以后，根據(jù)其隸屬關(guān)系，可得到C層各指標(biāo)相對(duì)于A(yíng)層指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重Qi，由于對(duì)具體系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)中定性的評(píng)價(jià)方法是不可或缺的，故需要結(jié)合具體礦井一通三防系統(tǒng)的情況，根據(jù)專(zhuān)家對(duì)C層各指標(biāo)情況或水平的打分Fi，通過(guò)式(1)綜合計(jì)算得出該礦井一通三防系統(tǒng)安全評(píng)分F，然后根據(jù)表2評(píng)定其安全等級(jí)。

(1)

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 礦井概況

以山西省某礦為例，該礦井田面積8.506 2 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60萬(wàn)t/a，核定生產(chǎn)能力90萬(wàn)t/a，礦井設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量2 553萬(wàn)t、目前剩余儲(chǔ)量2 334萬(wàn)t，批準(zhǔn)開(kāi)采2～11號(hào)煤層，現(xiàn)開(kāi)采9+10號(hào)、11號(hào)煤層。礦井通風(fēng)方式為中央并列式，通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。由主斜井、副斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)斜井回風(fēng)?；仫L(fēng)斜井現(xiàn)安裝2臺(tái)同等能力的FBCDZ№21/2×220型對(duì)旋防爆抽出式軸流通風(fēng)機(jī)，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。礦井水文地質(zhì)類(lèi)型為中等，低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，自燃煤層。

4.2 改進(jìn)模糊層次分析法計(jì)算評(píng)價(jià)體系權(quán)重

首先，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)與專(zhuān)家的分析[11]，利用0.1～0.9的5標(biāo)度法，根據(jù)各指標(biāo)之間的相對(duì)重要程度列出各層指標(biāo)之間的優(yōu)先判斷矩陣，A-B、B1-C、B2-C、B3-C優(yōu)先判斷矩陣如下：

重復(fù)上述步驟，同理可得：

B1-C權(quán)重向量：WB1-C=(0.477 91,0.314 77,0.207 32)T

B2-C權(quán)重向量：WB2-C=(0.210 27,0.139 45,0.139 45,0.139 45,0.139 45,0.139 45,0.092 49)T

B3-C權(quán)重向量：WB3-C=(0.428 57,0.285 72,0.285 72)T

B4-C權(quán)重向量：WB4-C=(0.600 00,0.400 00)T

4.3 定量計(jì)算煤礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等級(jí)

通過(guò)改進(jìn)模糊層次分析法計(jì)算出各層指標(biāo)相對(duì)上層指標(biāo)的權(quán)重向量后，根據(jù)隸屬關(guān)系，通過(guò)計(jì)算可以得到C層指標(biāo)相對(duì)A層指標(biāo)的權(quán)重，以C1指標(biāo)為例，其相對(duì)A層指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重為C1相對(duì)B1的權(quán)重與B1相對(duì)A的權(quán)重的乘積，即Q1=0.477 91×0.324 99=0.155 32。

C層各指標(biāo)相對(duì)權(quán)重計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 C層指標(biāo)相對(duì)權(quán)重

由于使用改進(jìn)模糊層次分析法，其計(jì)算出來(lái)的權(quán)重向量結(jié)果轉(zhuǎn)化后變成各個(gè)影響因子的相對(duì)權(quán)重，該結(jié)果要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作人員或者專(zhuān)家的打分才能給出定量的評(píng)價(jià)結(jié)果。結(jié)合表3中對(duì)煤礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分，通過(guò)10位專(zhuān)家以及10位現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)該礦一通三防各個(gè)子系統(tǒng)的影響因子指標(biāo)進(jìn)行逐一打分，并對(duì)這些分值取平均值作為各影響因子指標(biāo)的評(píng)分，評(píng)分情況見(jiàn)表5。

表5 該礦一通三防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系C層指標(biāo)打分情況(百分制)

通過(guò)專(zhuān)家對(duì)各個(gè)影響因子水平和情況進(jìn)行打分，將C層每一個(gè)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重與專(zhuān)家打分相乘可得出C層各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重分值，各指標(biāo)相對(duì)權(quán)重分值見(jiàn)表6。

表6 C層各指標(biāo)相對(duì)權(quán)重分值

結(jié)合表2可知，78.241 6所在評(píng)分區(qū)間為75～90，更靠近75分，因此該礦“一通三防”系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等級(jí)為較安全，且更偏向于一般的評(píng)價(jià)等級(jí)，說(shuō)明在某些指標(biāo)上還存在一定的不足，可以?xún)?yōu)先對(duì)相對(duì)權(quán)重大且評(píng)分相對(duì)較低的指標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性的改善，如滅火系統(tǒng)情況(C14)相對(duì)權(quán)重為0.105 01，其專(zhuān)家打分為70，安全監(jiān)控情況(C13)相對(duì)權(quán)重為0.092 86，其專(zhuān)家打分為76，二者均為權(quán)重相對(duì)較大，但其評(píng)分低于整體評(píng)分水平，因此可對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理，從而能夠更快地提高礦井“一通三防”系統(tǒng)安全水平。

5 結(jié)論

(1)改進(jìn)模糊層次分析法相比傳統(tǒng)層次分析法，由于其所用到的數(shù)學(xué)方法有所不同，在方法簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)模糊層次分析法計(jì)算出來(lái)的評(píng)價(jià)體系各指標(biāo)的權(quán)重會(huì)更加準(zhǔn)確，有利于提高后續(xù)對(duì)煤礦“一通三防”系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

(2)采用模糊層次分析法也是要結(jié)合專(zhuān)家打分的方法，在定性的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量的計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果再進(jìn)行定性，經(jīng)過(guò)“定性—定量—定性”的過(guò)程之后，降低了主觀(guān)因素造成的不確定性，所得的結(jié)果更加符合實(shí)際。

(3)將該方法應(yīng)用于山西省某礦，計(jì)算出各指標(biāo)相對(duì)整個(gè)煤礦“一通三防”系統(tǒng)安全的相對(duì)權(quán)重，結(jié)合專(zhuān)家對(duì)這些指標(biāo)所給的分?jǐn)?shù)，定量計(jì)算出該礦“一通三防”系統(tǒng)最后的安全評(píng)分為78.241 6，根據(jù)劃分的系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等級(jí)，該礦“一通三防”系統(tǒng)安全等級(jí)最后評(píng)定為較安全。結(jié)合上面計(jì)算出的指標(biāo)相對(duì)權(quán)重與其所得分值，若要提高該礦“一通三防”系統(tǒng)安全，可對(duì)權(quán)重較高但評(píng)分相對(duì)較低的指標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性的改善。