基于AHP-TOPSIS的煤礦安全風(fēng)險評價探討

任江朋

山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司, 山西 臨汾 041204)

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)是一個由多項生產(chǎn)子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)[1],其生產(chǎn)表征是煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間相互作用的結(jié)果。在煤礦開采過程中,由于煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜,生產(chǎn)環(huán)境惡劣,加之我國煤炭賦存條件復(fù)雜,導(dǎo)致煤炭采掘及運輸流程中存在較大的風(fēng)險隱患,嚴(yán)重影響了煤礦的安全生產(chǎn)。從系統(tǒng)學(xué)的角度出發(fā),煤礦安全風(fēng)險的宏觀把控是實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的重要考量之一[2]. 以安全風(fēng)險為核心的煤礦評價體系能夠?qū)ιa(chǎn)系統(tǒng)中已存有的安全風(fēng)險進(jìn)行定量或定性分析,而對煤礦安全風(fēng)險的預(yù)測能夠?qū)ο到y(tǒng)風(fēng)險遷移規(guī)律進(jìn)行研究,進(jìn)而采取及時有效的措施進(jìn)行風(fēng)險干預(yù),達(dá)到風(fēng)險預(yù)控的效果[3]. 煤礦風(fēng)險的評價為煤礦安全管理模式的轉(zhuǎn)變奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ),對提升煤炭企業(yè)安全管理水準(zhǔn)具有重要價值[4-5].

基于此,本文從安全管理過程數(shù)據(jù)出發(fā),識別煤礦安全風(fēng)險致因因素,建立煤礦系統(tǒng)風(fēng)險評價指標(biāo)體系,對煤礦系統(tǒng)風(fēng)險進(jìn)行綜合評價,對實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)、保證煤礦穩(wěn)定運營、踐行以智慧礦山為導(dǎo)向的國家戰(zhàn)略發(fā)展方向,具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

1 煤礦安全風(fēng)險指標(biāo)體系構(gòu)建

結(jié)合煤礦生產(chǎn)實際情況及煤礦安全評價相關(guān)文獻(xiàn)研究成果,分別從人員因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素以及管理因素等4個層面進(jìn)行指標(biāo)遴選與層次空間關(guān)系建立。

1) 人員因素。

人員因素是煤礦事故的主要行為者,從人員行為來看,違規(guī)作業(yè)、安全制度及安全措施的不執(zhí)行是引發(fā)煤礦事故的主要原因。在對人員行為進(jìn)行評估時,可以從工人的本科學(xué)歷占比、工齡占比、“三違”次數(shù)等角度出發(fā)進(jìn)行評估;從人員意識角度出發(fā),缺乏基本的安全意識也是造成不安全行為的原因之一,而工人的安全意識則主要受企業(yè)的安全文化以及相關(guān)培訓(xùn)的影響,因而可以從培訓(xùn)率、持證率等角度進(jìn)行指標(biāo)分析。因此,綜合以上分析,人員因素層面的指標(biāo)體系可以由本科學(xué)歷占比、工齡占比、“三違”次數(shù)、培訓(xùn)率、持證率等5個指標(biāo)構(gòu)成。

2) 設(shè)備因素。

煤礦設(shè)備可以大致分為兩類,一類是用于生產(chǎn)的機(jī)械化設(shè)備,另一類是用于安全監(jiān)控與監(jiān)測的信息化系統(tǒng),在構(gòu)建設(shè)備因素時可以從以上兩個層面出發(fā)。對于機(jī)械化設(shè)備可以從機(jī)電設(shè)備故障率、大型設(shè)備檢驗合格率、機(jī)電設(shè)備失爆率等角度考慮;信息化系統(tǒng)可以從安全監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)等角度考慮。綜上分析,設(shè)備因素可以由機(jī)電設(shè)備故障率、大型設(shè)備檢驗合格率、機(jī)電設(shè)備失爆率、安全監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)等5類指標(biāo)進(jìn)行構(gòu)建。

3) 環(huán)境因素。

環(huán)境是煤礦生產(chǎn)周期內(nèi),開采活動本身所依托的外界環(huán)境,可以分為兩類,一類是煤礦自然環(huán)境,此類環(huán)境是煤礦系統(tǒng)本身的固有屬性,包含的因素多為靜態(tài)指標(biāo)與定性指標(biāo),如水文地質(zhì)條件、老空積水是否存在、沖擊地壓傾向性、地質(zhì)條件、瓦斯等級、煤層自燃傾向性、煤塵爆炸指數(shù)等;另一類是煤礦生產(chǎn)環(huán)境,此類環(huán)境是為完成開掘活動,由人類所建立的人工環(huán)境,因而煤礦生產(chǎn)環(huán)境因素可以從瓦斯?jié)舛?、溫度等角度考慮。綜上分析,環(huán)境因素可以由水文地質(zhì)條件、老空積水是否存在、沖擊地壓傾向性、地質(zhì)條件、瓦斯等級、煤層自燃傾向性、煤塵爆炸指數(shù)、瓦斯?jié)舛?、溫度?類指標(biāo)進(jìn)行構(gòu)建。

4) 管理因素。

安全管理其本質(zhì)是對企業(yè)人員、設(shè)備、環(huán)境等所建立的保證企業(yè)安全正常運轉(zhuǎn)的綜合措施,是抑制不安全行為與危險源控制的重要舉措之一,也是實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。安全管理涉及的內(nèi)容較多,包括企業(yè)安全文化、企業(yè)安全規(guī)章制度、安全經(jīng)費投入等。因此,對安全管理的分析可以從煤礦標(biāo)準(zhǔn)化等級、安全投入、安全管理制度、違規(guī)情況、隱患整改率等角度進(jìn)行評價。

綜上分析,結(jié)合人員因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素以及管理因素等4類二級指標(biāo),共計24項構(gòu)建煤礦安全風(fēng)險指標(biāo)體系。

2 AHP-TOPSIS綜合評判模型構(gòu)建

2.1 基于AHP指標(biāo)綜合權(quán)重分析

層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)在指標(biāo)權(quán)重確定過程中主要由人為因素進(jìn)行定性分析,以大數(shù)定理為基礎(chǔ),構(gòu)建期望回歸的數(shù)值模擬方法,以實現(xiàn)對指標(biāo)權(quán)重的確定[6].

1) 決策矩陣同一化。

針對指標(biāo)體系中指標(biāo)類型不同及量綱不同,對指標(biāo)按照不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行同一化處理和無量綱化處理。

(1)

式中:i=1,2,…,m;j=1,2,…,n.

2) 加權(quán)決策矩陣的建立。

加權(quán)決策矩陣是決策矩陣與指標(biāo)體系權(quán)重矩陣的對應(yīng)性乘積。

C=(cij)m×n=(wjrij)m×n=

(2)

式中:wj為第j指標(biāo)的權(quán)重,j=1,2,…,n.

3) 樣本貼近度計算。

a) 正理想解和負(fù)理想解求取。

(3)

式中:J1屬于效益性指標(biāo)集,表示在第i個指標(biāo)的最優(yōu)解;J2屬于損耗性指標(biāo)集,表示第i個指標(biāo)的最劣解。

b) 樣本指標(biāo)與理想解距離計算。

樣本指標(biāo)與理想解的距離可以通過空間歐氏距離進(jìn)行衡量。

(4)

c) 貼近度計算。

(5)

式中:Ei∈[0,1],當(dāng)Ei=0時,表示樣本為負(fù)理想解;Ei=1時,表示樣本為正理想解。

2.2 AHP-TOPSIS模型

AHP-TOPSIS綜合評判模型中,以AHP確定安全評價指標(biāo)體系的綜合權(quán)重,進(jìn)而結(jié)合TOPSIS模型確定的相對貼近度評判矩陣,以獲得最優(yōu)的安全評價結(jié)果。其數(shù)學(xué)表達(dá)可進(jìn)行如下描述:

F=ε×E

(6)

式中:F為綜合評判模型結(jié)果向量;ε為AHP模型確定的綜合權(quán)重;E為相對貼近度評判矩陣。

3 實例分析

3.1 工程背景

豹子溝礦開拓方式為斜立井綜合開拓,分為兩個生產(chǎn)水平。一水平共布置3個采區(qū),即:十采區(qū)、七采區(qū)、后備采區(qū)?；夭晒ぷ髅娌捎瞄L壁后退式采煤方法,綜采放頂煤采煤工藝,全部垮落法管理頂板。礦井采用中央邊界式通風(fēng)方式,通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式,有4個進(jìn)風(fēng)井,1個回風(fēng)井。

3.2 風(fēng)險評價

3.2.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

在建立的煤礦安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系之上,以1—9標(biāo)度值分別對4類一級指標(biāo)以及24項二級指標(biāo)進(jìn)行重要度標(biāo)度,進(jìn)而對評判矩陣進(jìn)行特征向量和特征值求解,從而進(jìn)行一致性檢驗,檢驗通過,則進(jìn)行權(quán)重記錄。將權(quán)值進(jìn)行均一化處理,作為煤礦安全風(fēng)險評價指標(biāo)的最終權(quán)重,見表1.

表1 煤礦安全風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重值表

3.2.2 TOPSIS指標(biāo)綜合評價

根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)系統(tǒng)的特點,將煤礦安全風(fēng)險評價體系中的各類指標(biāo)對煤礦安全風(fēng)險的影響劃分為四個等級,分別記為Ⅰ級(輕微影響)、Ⅱ級(一般影響)、Ⅲ級(較大影響)和Ⅳ級(嚴(yán)重影響)。同時結(jié)合相關(guān)研究成果,對各指標(biāo)因素的量化進(jìn)行分級。定性指標(biāo)中的部分危險性存在指標(biāo)以0和1進(jìn)行劃分,而能夠進(jìn)行分級的指標(biāo),分別按照影響等級從小到大以0.2、0.4、0.6、0.8進(jìn)行標(biāo)注,則煤礦安全風(fēng)險評價指標(biāo)對煤礦安全風(fēng)險的影響程度見表2.

表2 煤礦安全風(fēng)險影響因素等級劃分表

基于豹子溝煤礦2020年7月份的相關(guān)指標(biāo)信息建立人員因素初始評判矩陣Dh,對7月份的安全狀況進(jìn)行判定:

由于煤礦安全風(fēng)險評價指標(biāo)的人員因素中,“三違”次數(shù)屬于損耗性指標(biāo),值越小越好;而其它的4個指標(biāo),均屬于效益性指標(biāo),值越大越好,因此結(jié)合式(2)構(gòu)建加權(quán)決策矩陣Ch:

根據(jù)式(3)計算人員因素正理想解為A+={0.125,0.158,0,0.132,0.164},負(fù)理想解為A-={0,0,0.281,0,0},根據(jù)式(4)計算各煤礦安全風(fēng)險評價等級到正理想解的距離為S+={0.512,0.341,0.171,0,0.283},到負(fù)理想解的距離為S-={0.14,0.098,0.240,0.405,0.158};根據(jù)式(5)基于人員因素的各煤礦安全風(fēng)險等級的貼近度為Eh={0.215,0.222,0.584,1,0.358}.

同理,計算可得基于設(shè)備因素的各煤礦安全風(fēng)險等級的貼近度為Ed={0.235,0.362,0.423,1,0.268},基于環(huán)境因素的各煤礦安全風(fēng)險等級的貼近度為Ee={0.264,0.285,0.379,1,0.306},基于管理因素的各煤礦安全風(fēng)險等級的貼近度為Em={0.284,0.265,0.408,1,0.322}.

3.2.3 煤礦安全風(fēng)險評價

根據(jù)TOPSIS模型計算的指標(biāo)綜合評價貼近度,可得出煤礦安全風(fēng)險等級綜合評判矩陣:

結(jié)合已計算的煤礦安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系中的準(zhǔn)則層權(quán)重,則可得綜合評價矩陣的結(jié)果為:

F=[0.185,0.277,0.455,1,0.289]

則煤礦安全風(fēng)險等級可按照如下級別劃分,見表3.

表3 煤礦安全風(fēng)險等級量化表

綜上分析,結(jié)合表3的分級結(jié)果可知,豹子溝煤礦在2020年7月份的煤礦安全風(fēng)險評價的結(jié)果為0.289,表明該階段煤礦安全風(fēng)險量化分級屬于Ⅲ級風(fēng)險,即為橙色風(fēng)險。靈泉煤礦在2020年7月份發(fā)生一起瓦斯超限事故以及一次違規(guī)事故,造成煤礦安全隱患的風(fēng)險量突增,模型評判結(jié)果與實際情況相符,由此驗證了模型的可靠性。

4 結(jié) 論

1) 挖掘了煤礦安全事故致因,結(jié)合指標(biāo)體系構(gòu)建原則,建立了以4類一級指標(biāo)和24類二級指標(biāo)為核心的多層次煤礦安全風(fēng)險綜合評價指標(biāo)體系。

2) 構(gòu)建了AHP-TOPSIS的煤礦安全風(fēng)險評價模型。以豹子溝煤礦2020年7月份的數(shù)據(jù)為例,利用AHP-TOPSIS模型對當(dāng)月的煤礦安全風(fēng)險等級進(jìn)行評價,結(jié)果表明安全風(fēng)險等級為Ⅲ級,對該礦的安全管理具有一定的指導(dǎo)意義。