基于監(jiān)測和層次分析法的礦山巷道風(fēng)險評估★

徐 兵

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

基于監(jiān)測和層次分析法的礦山巷道風(fēng)險評估★

徐 兵

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)并使用層次綜合分析法建立了礦區(qū)巷道的風(fēng)險評價體系，相比于常規(guī)的風(fēng)險評估方法，該方法通過定量與定性相結(jié)合，大大提高了風(fēng)險等級評判結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度，為礦區(qū)巷道工程的安全維護(hù)和保障提供了參考依據(jù)。

巷道，監(jiān)測，層次分析法，風(fēng)險指標(biāo)

0 引言

近年來礦區(qū)巷道坍塌事故時有發(fā)生，造成了大量生命和財(cái)產(chǎn)損失。由于影響巷道風(fēng)險的因素較為復(fù)雜，因此如何科學(xué)有效地對地下巷道安全進(jìn)行風(fēng)險評估是一個急需解決的問題。傳統(tǒng)的巷道安全監(jiān)測結(jié)果只能對各個監(jiān)測指標(biāo)單獨(dú)進(jìn)行安全評估，并不能很好地綜合各個指標(biāo)的風(fēng)險進(jìn)行綜合評估，這也是巷道安全監(jiān)測的不足。目前對于工程風(fēng)險評估的理論和方法較為豐富，應(yīng)用較廣的有模糊評價法[1，2]、故障樹分析法[3]、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概率模型[4]、蒙特卡洛仿真分析法[5]以及灰色關(guān)聯(lián)分析法[6]，這些理論也都取得了不錯的應(yīng)用效果。但是這些方法大部分都是定性分析，并沒有根據(jù)巷道的實(shí)時情況進(jìn)行定量分析。為此本文結(jié)合巷道的監(jiān)測實(shí)時數(shù)據(jù)參考層次綜合分析法提出了一種新的巷道風(fēng)險概率評估方法，為礦區(qū)巷道風(fēng)道的風(fēng)險控制和管理提供參考。

1 礦區(qū)巷道動態(tài)風(fēng)險評估

1.1 基于巷道監(jiān)測的風(fēng)險指標(biāo)的確定

巷道的施工過程往往伴隨著安全監(jiān)測的進(jìn)行，為了充分保證巷道的穩(wěn)定和安全，常見的監(jiān)測內(nèi)容有隧道收斂監(jiān)測，拱頂下沉監(jiān)測，地表沉降及周邊環(huán)境變形，部分帶錨桿支護(hù)的隧道還需要對錨桿內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測。另外，還需要考慮地下水滲漏情況對巷道穩(wěn)定性的影響。因此參考層次分析法，具體的巷道的風(fēng)險概率評估模型的結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 權(quán)重獲取及概率計(jì)算

巷道的監(jiān)測數(shù)據(jù)是穩(wěn)定性量化的直接體現(xiàn)，也直接反映著巷道的風(fēng)險狀態(tài)。為使監(jiān)測數(shù)據(jù)量化為風(fēng)險概率，建立以下量化標(biāo)準(zhǔn)：以各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)規(guī)范規(guī)定的預(yù)警值為基準(zhǔn)，取預(yù)警值的0.6，0.7，0.8，1.0，1.1，1.3倍數(shù)為對應(yīng)的分級界限，建立各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與風(fēng)險概率的映射關(guān)系，其中區(qū)間內(nèi)部的概率按照線性插值選取，超過1.3的部分概率均取1.0。而對于地下水滲漏指標(biāo)無法直接監(jiān)測量化，可根據(jù)具體的滲漏情況使用專家打分進(jìn)行取值。

所有指標(biāo)的量化標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 風(fēng)險評價指標(biāo)概率量化標(biāo)準(zhǔn)

監(jiān)測指標(biāo)的權(quán)重可以參照層次分析法中專家1-9打分法來構(gòu)造監(jiān)測指標(biāo)的n階判斷矩陣M來計(jì)算，具體的方法如下[7，8]：令mij為判斷矩陣M中的元素，則權(quán)重ki可通過式(1)，式(2)來獲得，而對于判斷矩陣M的檢驗(yàn)可通過CR法來進(jìn)行，具體過程參考文獻(xiàn)[7]。

(1)

(2)

對于某個具體的巷道監(jiān)測項(xiàng)目，根據(jù)層次分析法中的概率指標(biāo)和權(quán)重，以圖1中體系為例，可通過式(3)，式(4)獲得巷道的整體風(fēng)險概率，最終獲得的整體風(fēng)險概率P反映了巷道的安全狀態(tài)。

(3)

(4)

其中，vk和qk分別為風(fēng)險體系模型第二層中的監(jiān)測項(xiàng)目的累計(jì)值指標(biāo)和變化速率指標(biāo)所占的權(quán)重和風(fēng)險概率；ki和pi分別為第一層中單個監(jiān)測項(xiàng)目的權(quán)重和風(fēng)險概率；P為巷道的整體風(fēng)險概率。

2 算例

2.1 巷道風(fēng)險評價指標(biāo)的選取

某煤礦地下巷道在作業(yè)面施工完成后，立即進(jìn)行了相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的布置并進(jìn)行長期監(jiān)測。具體的風(fēng)險評估指標(biāo)選取參照圖1進(jìn)行，具體如下：由于該巷道埋深不大，需考慮地表沉降指標(biāo)的影響，但是地表周邊環(huán)境中無相關(guān)建筑物和構(gòu)筑物，故不考慮周邊環(huán)境變形這一項(xiàng)，另外第一層中其他4項(xiàng)指標(biāo)也均考慮在內(nèi)。故最終風(fēng)險評價體系的第一層共考慮5項(xiàng)指標(biāo)，包括地表沉降，隧道收斂，拱頂下沉，錨桿內(nèi)力和地下水滲漏。對應(yīng)的第一層風(fēng)險指標(biāo)的判斷矩陣M采用層次分析法中1-9標(biāo)度專家打分法獲得，見表2，其滿足一致性檢驗(yàn)，對應(yīng)的第一層指標(biāo)權(quán)重為：

k=[0.065 0.211 0.383 0.223 0.118]。

表2 判斷矩陣M

對于風(fēng)險模型第二層中所考慮的累計(jì)值和變化速率，通過構(gòu)造具體的判斷矩陣來考慮其權(quán)重，考慮指標(biāo)的不同屬性一般可認(rèn)為地表沉降和周邊環(huán)境變形的累計(jì)值與變化速率的權(quán)重類似，可使用同一個判斷矩陣M1；而巷道收斂和拱頂下沉指標(biāo)的累計(jì)值和變化速率的權(quán)重類似，共同使用另外一個判斷矩陣M2。分別構(gòu)造判斷矩陣M1，M2如下，通過檢驗(yàn)其均滿足一致性檢驗(yàn)，其權(quán)重分別為：

v1=[0.667 0.333]，v2=[0.75 0.25]。

2.2 風(fēng)險概率計(jì)算

表3 監(jiān)測項(xiàng)目報(bào)警值及對應(yīng)風(fēng)險概率分級區(qū)間

根據(jù)具體監(jiān)測項(xiàng)目報(bào)警值所得到的風(fēng)險概率分級區(qū)間見表3，以某次監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，其中地表沉降累計(jì)26.02 mm，此次變化速率為1.7 mm/d；隧道收斂累計(jì)為20.46 mm，變化速率為0.38 mm/d；拱頂下沉21.54 mm，變化速率為0.12 mm/d；支護(hù)錨桿的內(nèi)力為設(shè)計(jì)值的0.52倍；巷道地下水滲漏表現(xiàn)為輕微線狀水流，該項(xiàng)風(fēng)險概率根據(jù)專家打分為0.4。因此根據(jù)表3的風(fēng)險概率量化標(biāo)準(zhǔn)以及對應(yīng)的風(fēng)險概率區(qū)間，可得各項(xiàng)指標(biāo)的風(fēng)險概率值，見表4。從表4中來看，最大的風(fēng)險源來自拱頂下沉這一項(xiàng)，達(dá)到了0.65，因此在監(jiān)測過程中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注這一項(xiàng)，并且要加大監(jiān)測頻率確保巷道的安全。根據(jù)式(4)并結(jié)合上述得到的第一層指標(biāo)權(quán)重k可得到該煤礦巷道的整體風(fēng)險概率P，其結(jié)果見式(5)，參考表1可知此時巷道的風(fēng)險狀態(tài)為“預(yù)警”狀態(tài)。

表4 各指標(biāo)風(fēng)險概率計(jì)算表

(5)

3 結(jié)語

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的層次分析法既考慮了各項(xiàng)指標(biāo)的定性權(quán)重，又通過監(jiān)測數(shù)據(jù)定量考慮了基礎(chǔ)指標(biāo)的風(fēng)險概率，定性與定量相結(jié)合使得在巷道風(fēng)險等級的評定方面更具客觀性。使用算例闡述了該風(fēng)險評估方法的使用過程，其計(jì)算簡單，最終得到的風(fēng)險概率等級能為實(shí)際工程的安全保障提供參考依據(jù)。

[1] 申艷梅，韋四江.回采巷道錨桿支護(hù)效果模糊綜合評判[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011,28(4):576-580.

[2] 鄧 軍，徐通模，王 華，等.巷道煤體破碎程度的模糊綜合評判[J].煤炭學(xué)報(bào)，2003,28(2):145-148.

[3] Todinov MT..Reliability and risk models[M].England:John Wiley & Sons,2005.

[4] 趙 紅，李雅菊，宋 濤.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的工程項(xiàng)目風(fēng)險管理[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會科學(xué)版)，2008,1(3):239-244.

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[6] 桂祥友，郁鐘銘.基于灰色關(guān)聯(lián)分析的瓦斯突出危險性風(fēng)險評價[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006,23(4):464-467.

[7] 許樹柏.層次分析法原理[M].天津：天津大學(xué)出版社，1988.

[8] 王爽英，吳 超，左紅艷.中小型煤礦生產(chǎn)安全模糊層次分析評價模型及其應(yīng)用[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010,41(5):1912-1918.

Risk assessment of mine tunnels based on monitoring and AHP method★

Xu Bing

(SchoolofEnvironmentandResource,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China)

A risk assessment system for mining tunnels is developed based on monitoring and AHP method. Compared with normal risk assessment method, this method significantly improved the accuracy and reliability of the result of risk level by way of quantitative and qualitative analysis, which provides rational references to guarantee and maintain the safety of mining tunnels.

tunnels, monitoring, AHP method, risk index

2015-01-30★：四川省教育廳科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：15ZB0124)；綿陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：14S-02-6)

徐 兵(1976- )，男，講師

1009-6825(2015)10-0229-02

TD771

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