基于改進(jìn)JHA-FRAM 的掘進(jìn)過程作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)

吳 兵，金 莎，趙晨光，崔心源

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083）

2021 年6 月10 日，最新通過的《中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)法》修改決議中要求生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位建立安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控制度，按照安全分級(jí)采取相應(yīng)的管控措施。有研究表明，作業(yè)環(huán)節(jié)發(fā)生事故的可能性受到工藝復(fù)雜程度、設(shè)備運(yùn)行情況以及環(huán)境等因素影響，認(rèn)為煤礦井下不同作業(yè)環(huán)節(jié)危險(xiǎn)性不同[1]，因此在作業(yè)前進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)，確定風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分級(jí)管控的前提。現(xiàn)有針對(duì)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)研究以作業(yè)危害分析（JHA）為主，然而目前的JHA 只涉及靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析，忽略了復(fù)雜作業(yè)條件下各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)約束性。功能共振分析（FRMA）[2]可以有效解決上述局限，考慮作業(yè)步驟間的關(guān)聯(lián)性，能夠識(shí)別作業(yè)節(jié)點(diǎn)源自上下游功能的耦合變異性，并在制造業(yè)[3]、醫(yī)療行業(yè)[4]、鐵路系統(tǒng)[5]，航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[7]，其缺點(diǎn)是只能進(jìn)行定性分析。鑒于此，將作業(yè)危害分析（JHA）集成到功能共振分析（FRMA）中，全面識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)因素，并利用集對(duì)分析原理對(duì)其進(jìn)行定量改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)綜合評(píng)價(jià)。

1 JHA-FRAM 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別擬合方法

作業(yè)危害分析（JHA）可以將作業(yè)劃分為若干個(gè)步驟節(jié)點(diǎn)，然后識(shí)別其潛在風(fēng)險(xiǎn)。功能共振分析（FRMA）可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行圖形化描述，利用六角形模塊表示分解后的功能節(jié)點(diǎn)，然后分析各節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化性。功能共振單元模型如圖1，6 個(gè)端口分別是功能模塊的輸入（Input）、輸出（Output）、時(shí)間（Time）、控制（Control）、前提（Preconditions）、資源（Resources）。

圖1 功能共振單元模型Fig.1 Functional resonance unit model

JHA-FRAM 將風(fēng)險(xiǎn)劃分為內(nèi)部因素和外部因素，內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是基于JHA 分析，主要包括作業(yè)人員所處環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)以及工具設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。

外部風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別基于FRAM 理論，認(rèn)為幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)，相互約束的作業(yè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)其中1 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化，產(chǎn)生不正常的功能振蕩后，其他作業(yè)節(jié)點(diǎn)的性能也隨之發(fā)生變化并產(chǎn)生振蕩，當(dāng)所有功能模塊的振蕩作用超出系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)臨界閾值時(shí)，事故發(fā)生。這一環(huán)節(jié)側(cè)重于識(shí)別來自上下游功能變化對(duì)作業(yè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的影響[7]。上游作業(yè)的輸出（時(shí)間、速度、資源、信息）會(huì)對(duì)下游作業(yè)產(chǎn)生影響，下游作業(yè)的輸入時(shí)間同樣會(huì)對(duì)上游產(chǎn)生一定影響。除此之外，作業(yè)過程中還存在并行步驟，并行節(jié)點(diǎn)的變化情況也會(huì)對(duì)彼此安全狀態(tài)產(chǎn)生影響，因此，在前人研究的基礎(chǔ)上將并行節(jié)點(diǎn)之間的相互作用關(guān)系考慮在內(nèi)，確保風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的準(zhǔn)確性和全面性。

2 構(gòu)建作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)模型

由于JHA-FRAM 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法只能進(jìn)行定性分析，難以形成定量評(píng)價(jià)結(jié)果，為了處理評(píng)價(jià)過程中的量化問題，采用AHP-SPA 方法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 確定作業(yè)節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)度

構(gòu)建基于AHP 的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)上述風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果，請(qǐng)相關(guān)技術(shù)人員，管理人員對(duì)指標(biāo)重要程度兩兩對(duì)比并利用1～9 標(biāo)度打分[8]，根據(jù)打分結(jié)果產(chǎn)生判斷矩陣，然后對(duì)判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理，每行元素的平均值為權(quán)重向量。最后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，一致性比例小于0.1 時(shí)，判斷矩陣元素分配及其邏輯順序合理[9]。

利用lsr 評(píng)價(jià)法分析作業(yè)節(jié)點(diǎn)各指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)值，然后通過加權(quán)風(fēng)險(xiǎn)度表征多因素影響下作業(yè)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)程度，將風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重與其對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)值結(jié)合，計(jì)算作業(yè)節(jié)點(diǎn)的加權(quán)風(fēng)險(xiǎn)度。

式中：R 為單個(gè)作業(yè)節(jié)點(diǎn)加權(quán)風(fēng)險(xiǎn)度；li為i 種風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性；Si為i 種風(fēng)險(xiǎn)事件后果嚴(yán)重性；Wi為風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)權(quán)重。

2.2 評(píng)價(jià)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

考慮到作業(yè)過程中各節(jié)點(diǎn)對(duì)于整個(gè)過程的影響程度不同，需要利用上述層次分析法（AHP）確定其重要度，然后利用集對(duì)分析進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

集對(duì)分析的基本思路是將評(píng)價(jià)對(duì)象和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)擬合為一個(gè)集對(duì)，客觀地反映二者的同一、差異和對(duì)立關(guān)系，集對(duì)的同、異、反聯(lián)系度μ 為：

式中：N 為指標(biāo)總個(gè)數(shù)；S 為2 個(gè)集合共有的指標(biāo)個(gè)數(shù)；P 為2 個(gè)集合對(duì)立的指標(biāo)個(gè)數(shù)；F 為2 個(gè)集合既不共有也不對(duì)立的指標(biāo)數(shù)；i 為差異度系數(shù)分量：j 為對(duì)立度系數(shù)分量。

a＋b1＋b2＋b3＋…＋bn＋c=1，a 越接近于1，表明二者關(guān)系越趨向于同一，c 越接近于1，表明二者關(guān)系越對(duì)立。由此擬合集對(duì)的聯(lián)系度可表示為[10]：

式中：xc為評(píng)價(jià)指標(biāo)值；i1、i2、i3為差異度分量；s1～s5為評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，且s1≤s2≤s3≤s4≤s5。

將各個(gè)指標(biāo)的聯(lián)系度與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重相乘，得到評(píng)價(jià)對(duì)象五元聯(lián)系度：

式中：WNi為第Ni項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；aNi為Ni項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的同一度；bNi為Ni項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的差異度；cNi為Ni項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的對(duì)立度。

然后根據(jù)其趨同程度對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)做出判斷。

3 實(shí)例分析

選取山西某煤礦作為研究對(duì)象，通過實(shí)地調(diào)研了解其掘進(jìn)過程，按上述方法步驟，進(jìn)行實(shí)例分析。

3.1 掘進(jìn)過程作業(yè)描述

作業(yè)指的是將施工過程分解為若干個(gè)可在一定時(shí)間內(nèi)完成的工序環(huán)節(jié)，根據(jù)作業(yè)定義，將掘進(jìn)過程分解為截割、安裝錨桿、安裝錨索3 個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)。

1）截割作業(yè)。N1：開始截割作業(yè)前檢查工作面支護(hù)、風(fēng)量、瓦斯體積分?jǐn)?shù)；N2：一切正常后發(fā)出送電信號(hào)，綜掘機(jī)司機(jī)操作綜掘機(jī)前進(jìn)至截割工作面；N3：在有監(jiān)護(hù)的情況下落下鏟板；N4：?jiǎn)?dòng)噴霧泵；N5：開啟輸送機(jī)出煤；N6：根據(jù)巷道設(shè)計(jì)尺寸及進(jìn)刀截割軌跡圖割煤；N7：出煤完畢后，掘進(jìn)機(jī)截割頭落地，斷開掘進(jìn)機(jī)電源，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)操作退掘進(jìn)機(jī)。

2）安裝錨桿作業(yè)。N8：掘進(jìn)機(jī)退出工作面后，敲幫問頂確認(rèn)安全；N9：錨桿機(jī)進(jìn)入作業(yè)位置；N10：將2塊架板兩端分別搭設(shè)在靠幫放置的鐵梯上，搭設(shè)可靠的工作臺(tái)；N11：作業(yè)人員站在工作臺(tái)上標(biāo)定頂、幫錨桿位置；N12：1 人將鉆桿對(duì)準(zhǔn)眼位與鉆機(jī)相連，然后放開鉆桿，開水沖孔；N13：另1 人操作鉆機(jī)將頂眼和幫眼打設(shè)至規(guī)定要求并清凈眼底煤粉；N14：打眼完成后安裝錨桿，作業(yè)人員將2 支樹脂藥卷依次裝入鉆孔并用桿體將藥卷送到孔底，邊推進(jìn)邊攪拌；N15：攪拌時(shí)間控制30 s，中途不得間斷，直到將錨桿送入孔底，然后使用風(fēng)動(dòng)扳手或扭矩放大器將錨桿預(yù)緊力施加至設(shè)計(jì)值。

3）安裝錨索作業(yè)。N16：安裝錨索的鉆孔方法和以上錨桿鉆孔方法相同，按順序?qū)渲幘硌b入鉆孔，并用錨索將藥卷送到孔底；N17：用攪拌器將錨索與鉆機(jī)連接起來并擰緊載絲；N18：1 人扶鉆，保持鉆機(jī)與鉆孔成一直線；N19：1 人開動(dòng)鉆機(jī)將錨索送入孔底；N20：等待2 min 后回落鉆機(jī)，卸下攪拌器。

待支護(hù)完成后繼續(xù)進(jìn)行截割貫通，以此循環(huán)。

3.2 作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

依據(jù)JHA 作業(yè)分解原則，掘進(jìn)過程的3 個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)共劃分為（N1～N20）20 個(gè)作業(yè)節(jié)點(diǎn)，將20 個(gè)作業(yè)節(jié)點(diǎn)確定為20 個(gè)功能模塊分析其具體內(nèi)容，以截割作業(yè)（N6）為例，具體內(nèi)容描述見表1。

表1 割煤（N6）具體內(nèi)容描述Table 1 Specific content description of coal cutting（N6）

結(jié)合功能模塊具體內(nèi)容及其相互約束關(guān)系，連接各個(gè)作業(yè)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建掘進(jìn)過程功能共振分析模型。

1）內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。割煤作業(yè)N6的自身風(fēng)險(xiǎn)因素為，C1：掘進(jìn)機(jī)機(jī)械部件及電氣安全保護(hù)裝置故障，造成人員傷害；C2：掘進(jìn)過程中，巷道內(nèi)電氣設(shè)備或供電線路出現(xiàn)失爆，在發(fā)生電氣火災(zāi)后有造成瓦斯爆炸。作業(yè)場(chǎng)所環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為，C3：作業(yè)場(chǎng)所煤塵較大，視線不清，造成誤操作；C4：工作面片幫、頂板離層，造成人員傷害；C5：巷道掘進(jìn)過程中，由于煤體酥軟、瓦斯含量較大、工作面風(fēng)流可能發(fā)生瓦斯超限，造成瓦斯事故。

2）并行步驟影響分析針。割煤作業(yè)N6并行作業(yè)節(jié)點(diǎn)的影響包括，C6：噴霧故障，缺少霧化，割煤過程產(chǎn)生大量煤塵；C7：帶式運(yùn)輸機(jī)保護(hù)裝置故障，運(yùn)行后損壞設(shè)備或造成人員傷害；C8：帶式運(yùn)輸機(jī)的照明裝置故障，影響正常作業(yè)；C9：帶式運(yùn)輸機(jī)帶邊毛絮摩擦起火，引發(fā)火災(zāi)或爆炸。

3）上下游耦合變化分析。上游輸出變化影響包括，C10：供水時(shí)間過晚達(dá)不到霧化效果；C11：帶式輸送機(jī)距離過近導(dǎo)致人員卷入轉(zhuǎn)動(dòng)部位；C12：信息傳達(dá)不準(zhǔn)確，誤入設(shè)備運(yùn)行或貫通區(qū)域，造成人員傷害。下游輸入影響包括，C13：退機(jī)時(shí)間過早，未將截割頭或鏟板落地，造成人員傷害。

3.3 掘進(jìn)過程作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)

3.3.1 計(jì)算作業(yè)節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)度

將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素B1、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素B2、并行風(fēng)險(xiǎn)B3和上下游變化B44 個(gè)一級(jí)指標(biāo)，以及13 個(gè)二級(jí)指標(biāo)。邀請(qǐng)煤礦領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員對(duì)識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行打分，構(gòu)造AHP 判斷矩陣，確定各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重，并計(jì)算出一致性比例為0.045，意味著計(jì)算所得權(quán)重有效。

利用風(fēng)險(xiǎn)值和權(quán)重表征以上13 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)單因素的重要程度和風(fēng)險(xiǎn)大小，再耦合各自的權(quán)重得到單節(jié)點(diǎn)的綜合風(fēng)險(xiǎn)度，作業(yè)節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)度見表2。

表2 作業(yè)節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)度Table 2 Single node risk

由此得到節(jié)點(diǎn)N6（割煤） 的綜合風(fēng)險(xiǎn)度是9.399，且影響度最大的風(fēng)險(xiǎn)因素為割煤過程中電氣設(shè)備或線路失爆，同時(shí)其并行節(jié)點(diǎn)膠帶運(yùn)輸機(jī)故障也會(huì)對(duì)割煤過程產(chǎn)生較大影響。用該方法計(jì)算截割作業(yè)N1～N7各節(jié)點(diǎn)綜合風(fēng)險(xiǎn)度，得到RNi=｛1.411，6.607，4.349，7.298，7.113，9.406，4.696｝。

3.3.2 作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

將作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)劃分為5 個(gè)等級(jí)，分別是可忽略風(fēng)險(xiǎn)、可接受風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、重大風(fēng)險(xiǎn)、巨大風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)價(jià)等級(jí)劃分情況見表3。

表3 評(píng)價(jià)等級(jí)劃分情況Table 3 Classification of evaluation grades

截割作業(yè)包含N1～N77 個(gè)步驟節(jié)點(diǎn)，擬合聯(lián)系度集對(duì)如下：

擬合聯(lián)系度可以表征各個(gè)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)程度，分析其趨同程度可知，N1節(jié)點(diǎn)風(fēng)量、瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)程度為可忽略風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)；N3節(jié)點(diǎn)監(jiān)護(hù)工監(jiān)護(hù)、N7節(jié)點(diǎn)退掘進(jìn)機(jī)為中等風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)；N2節(jié)點(diǎn)綜掘機(jī)前進(jìn)至截割工作面、N4節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)噴霧泵，N5節(jié)點(diǎn)開啟輸送機(jī)出煤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為重大風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Ⅳ級(jí)；N6節(jié)點(diǎn)割煤為巨大風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

層次分析法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)重要度，WNi=｛0.053，0.068，0.202，0.077，0.265，0.295，0.040｝，將各節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系度與其重要度結(jié)合考慮，根據(jù)式（6）進(jìn)行聯(lián)系度加權(quán)處理，得到截割作業(yè)的五元聯(lián)系度：

分析式（7）可知，截割作業(yè)對(duì)于5 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的趨同程度分別是4.2%、8.3%、18.3%、37.1%、32.1%，由此判斷截割作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)類別為重大風(fēng)險(xiǎn)。利用同樣的方法對(duì)安裝錨桿作業(yè)和安裝錨索作業(yè)進(jìn)行評(píng)價(jià)，二者均為中等風(fēng)險(xiǎn)，安裝錨索風(fēng)險(xiǎn)略大于安裝錨桿的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合評(píng)價(jià)過程和評(píng)價(jià)結(jié)果，能夠通過FRAM 模型直觀的看到掘進(jìn)過程的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及可能發(fā)生事故路徑，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)路徑特征圖如圖2。

圖2 作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)路徑特征圖Fig.2 Operational risk point and risk path characteristic diagram

通過圖2 可以看出，掘進(jìn)過程3 個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)共有重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)5 個(gè)，巨大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)3 個(gè)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)程度的不同，施行不同的管控手段。同時(shí)容易導(dǎo)致事故發(fā)生的路徑共12 條，在對(duì)各作業(yè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管控的同時(shí)，關(guān)注節(jié)點(diǎn)上下游以及并行作業(yè)的狀態(tài)，保證風(fēng)險(xiǎn)路徑信息傳達(dá)和任務(wù)交接功能的正常和安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

建立了基于改進(jìn)JHA-FRAM 的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別階段實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因素融合分析。引入AHP 方法量化風(fēng)險(xiǎn)因素和步驟重要度，利用SPA 集對(duì)分析原理對(duì)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)，克服了定性分析的局限性。將該模型應(yīng)用到山西某煤礦的掘進(jìn)過程中，得到風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高的作業(yè)為“截割”作業(yè)，需要重點(diǎn)管控，同時(shí)用特征圖的形式對(duì)掘進(jìn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)路徑進(jìn)行表征，在管控過程中需要嚴(yán)格監(jiān)管，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，定量改進(jìn)后的JHA-FRAM 分析方法能夠有效應(yīng)用于工程實(shí)際，為有效落實(shí)煤礦企業(yè)作業(yè)分級(jí)管控機(jī)制提供了依據(jù)。