張建峰

（山西汾西礦業(yè)集團 紫金煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 靈石 031300）

紫金煤礦3204工作面作業(yè)環(huán)境安全評價

張建峰

（山西汾西礦業(yè)集團 紫金煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 靈石 031300）

采用改進的層次分析法，對紫金煤礦3204工作面作業(yè)環(huán)境進行安全評價。引入最優(yōu)傳遞矩陣的概念，對層次分析法進行改造，使之自然滿足一致性要求，直接求出權(quán)重值，減少了一致性檢驗的過程，減少了大量的計算步驟，簡化計算過程。在人機環(huán)境系統(tǒng)分析和安全狀態(tài)層次分析的基礎(chǔ)上，確定了影響工作面作業(yè)環(huán)境的6個主要因素。工作面作業(yè)環(huán)境的安全問題直接影響作業(yè)工作人員的身體健康甚至生命安全，科學(xué)合理地評價其安全狀況具有重要意義。

作業(yè)環(huán)境；改進的層次分析法；安全評價

1 概述

工作面作業(yè)環(huán)境（采場作業(yè)環(huán)境）即是對采場工作面的空間范圍內(nèi)，對工人工作舒適度、工作效率、系統(tǒng)可靠性影響的微氣候、有害氣體、礦塵、噪聲的統(tǒng)稱[1]。煤礦井下工作面作業(yè)環(huán)境是一個受限空間，作業(yè)環(huán)境受到傳統(tǒng)的爆破方法和打鉆設(shè)備所產(chǎn)生的粉塵，有害氣體、噪聲、環(huán)境因素和氣象條件等因素的綜合影響，可能引起人體的健康損害或?qū)е侣殬I(yè)病。影響工作面作業(yè)環(huán)境的因素主要有：噪音、有害氣體、粉塵、微氣候、照明、作業(yè)場所等。

2 工作面作業(yè)環(huán)境安全評價模型的建立

2.1 改進的層次分析法確定權(quán)重值

層次分析法（Analytic Hierarchy Process AHP）是將決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進行定性和定量分析的決策方法。AHP解決問題的思路[2]是：首先，把要解決的問題分層系列化，根據(jù)問題的性質(zhì)和要達到的目標(biāo)，將問題分解為不同的組成因素，按照因素之間的相互影響和隸屬關(guān)系，將其分層聚類組合，形成一個遞階的、有序的層次結(jié)構(gòu)模型。然后，對模型中每一層次因素的相對重要性，依據(jù)人們對客觀現(xiàn)實的判斷給予定量表示，再利用數(shù)學(xué)方法確定每一層次各因素相對重要性次序的權(quán)值。最后，通過綜合計算各層因素相對重要性的權(quán)值，得到最低層(指標(biāo)層)相對于最高層(總目標(biāo))的相對重要性次序的組合權(quán)值，以此作為評價依據(jù)。

以往經(jīng)典的AHP中，一致性檢驗是必不可少的，因此，往往多次調(diào)整判斷矩陣才能通過一致性檢驗，而調(diào)整過程一般憑著大致估計、帶有盲目性。所以在此引入最優(yōu)傳遞矩陣[3-4]概念，對AHP進行改造，使之自然滿足一致性要求，直接求出權(quán)重值，從而減少了大量計算步驟，簡化計算過程。

2.1.1 改進的AHP理論基礎(chǔ)

設(shè)實數(shù)矩陣A=［ai］j，B=［bi］j，C=［ci］j，A，B，C∈

定義：1若aij=，則稱A為互反矩陣；若bij=bji，則稱B為反對稱矩陣。

定義2：若A是互反矩陣，且aij=則稱A為一致性矩陣；若B是反對稱矩陣，且bij=bik+bkj；則稱B為傳遞矩陣。

定義3：若存在傳遞矩陣C使得

最小，則稱C是B的最優(yōu)傳遞矩陣。

定理1：若B是反對稱矩陣，則B的最優(yōu)傳遞矩陣C應(yīng)滿足

定理2：若A是互反矩陣，B=lgA（B=lnA），且C是B的最優(yōu)傳遞矩陣，那么，矩陣A*=10（cA*=e）c是A的一個擬優(yōu)一致性矩陣。因此求出A*=10（cA*=e）c的特征值也就得到判斷矩陣A的特征值，繼而得到權(quán)重值

2.1.2 改進的AHP分析過程

1）構(gòu)造判斷矩陣B：判斷矩陣元素的值反映了人們對各因素重要性的認(rèn)識，一般采用1-9及其倒數(shù)的標(biāo)度方法。當(dāng)相互比較因素的重要性能夠用具有實際意義的比值說明時，判斷矩陣相應(yīng)因素的值可取其值。判斷矩陣表示針對上一層次某一單元（元素），本層次與之有關(guān)單元之間相對重要性的比較，寫成判斷矩陣的形式。

2）構(gòu)造傳遞矩陣C：

3）構(gòu)造最優(yōu)傳遞矩陣D：

4）確定擬優(yōu)一致陣B*：根據(jù)B*=10D求出擬優(yōu)一致陣如下：

5）求權(quán)重矩陣PT即為B*的特征向量

利用方根法求出特征向量：

再將向量歸一化：

得到權(quán)重矩陣：

2.2 基于等效數(shù)值法的評價模型

等效數(shù)值法[5]是將不同性質(zhì)量綱的指標(biāo)無因次化，轉(zhuǎn)化為某種標(biāo)準(zhǔn)形式，轉(zhuǎn)化后的指標(biāo)值均在（0，1）之間，這些實數(shù)稱為“等效數(shù)值”。在工作面作業(yè)環(huán)境中，設(shè)有m項評價指標(biāo)，n個實測樣本，h級分級標(biāo)準(zhǔn)，這樣，共有m×n×h個指標(biāo)值fijt(i＝1，2，……，m;j＝1，2，……，n；t＝1，2，……，h)。這些值均為大于零的實數(shù)，采用下式化為等效數(shù)值fijt:

式中：fijt為第j個實測樣本對第t級安全評價級別在第i個評價指標(biāo)下的等效數(shù)值；fit為第t級安全評價級別中第i個標(biāo)準(zhǔn)值；fij為第j個樣本的第i個評價指標(biāo)值。

在獲得fijt后，由下式計算綜合等效數(shù)值：

式中：ωij為第j個樣本對第i個評價指標(biāo)的權(quán)值。

采用等效數(shù)值法評價時，對于第j個實測樣本，如果fij為最大，則第j個樣本代表的礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全級別就判定為t級。

3 工作面作業(yè)環(huán)境評價指標(biāo)的建立

工作面作業(yè)環(huán)境的影響因素很多，主要包括：有害氣體、噪聲、粉塵、溫度、濕度、風(fēng)速、照明、作業(yè)場所等。各指標(biāo)的分類標(biāo)準(zhǔn)列于表1。

表1 工作面作業(yè)環(huán)境指標(biāo)的分類標(biāo)準(zhǔn)

4 實例應(yīng)用

4.1 工作面簡介

以紫金礦3204工作面為研究對象，對工作面的作業(yè)環(huán)境進行安全評價。

3204工作面開采煤田屬霍西煤田，2號煤層，煤厚2.35m～2.25m，均厚2.30 m，含有一層夾矸，厚0.050 m～0.150 m，煤層起伏較大，煤層傾角4°～24°、平均9°左右，屬緩傾斜煤層。工業(yè)儲量32.56萬t；可采儲量26.29萬t。3204工作面為紫金礦三采區(qū)第三個工作面，兩順槽走向長度750 m，工作面長度162.26 m，工作面局部地段最大坡度23°。采煤方法為走向長壁式采煤，工作面采煤機橫向布置，與工作面輸送機、液壓支架配套使用，組成采煤工作面綜合機械化采煤設(shè)備，完成截煤、落煤、裝煤作業(yè)。瓦斯相對涌出量1.88 m3/t，絕對涌出量2.63m3/h。煤塵具有爆炸性，爆炸性指數(shù)9.699 MPam/s。自燃發(fā)火期為6個月，地溫14℃，地壓678mmHg。

4.2 原始數(shù)據(jù)采集

工作面作業(yè)環(huán)境的有害氣體物質(zhì)主要包括CO，SO2等，有害氣體評價指標(biāo)為S，其算式為：

式中：Ci為第i種有害物質(zhì)的濃度；Mi為第i種有害物質(zhì)的允許濃度；L為肺總通氣量權(quán)系數(shù)，當(dāng)存在多種有害氣體時，應(yīng)考慮其聯(lián)合作用：

經(jīng)現(xiàn)場測試3204工作面CO濃度0.29 mg/m3，SO2濃度3.77 mg/m3，代入式（7）、式（8）得到S值B1為0.783。

經(jīng)過現(xiàn)場實測，3204工作面噪聲指數(shù)B2=89dB；粉塵濃度B3=4.9 mg/m3；工作時的溫度B4=23℃；濕度B5=74%；風(fēng)速B6=2.3m/s；照明B7=78lx；作業(yè)場所采用百分制的方法，主要考慮巷道支護，巷道成形，采場管理，遵章守紀(jì)等方面，經(jīng)現(xiàn)場評估得分B8=83分。

4.3 數(shù)據(jù)處理

1）構(gòu)造判斷矩陣B：

2）計算傳遞矩陣C：根據(jù)式（3）Cij=lgBij算得：

3）計算C的最優(yōu)傳遞矩陣D， 根據(jù)公式(4)

4）計算判斷矩陣B的擬優(yōu)一致陣B*，B*=10D。

5）計算擬優(yōu)一致陣B*的特征向量即為評價指標(biāo)的權(quán)值。根據(jù)式3、式4算得B*的特征向量為：W=（0.444,0.008,0.198,0.037,0.035,0.184,0.019,0.074）.所以，影響工作面工作環(huán)境的評價指標(biāo)的權(quán)重分別為：（0.444,0.008,0.198,0.037,0.035,0.184,0.019,0.074）；

6）將所測得的實測數(shù)據(jù)組成參考數(shù)列fi1（i=1，2，…25）；

7）各項評價指標(biāo)標(biāo)的準(zhǔn)值（取區(qū)間的中間值，邊界值）組成被比較數(shù)列fit（i=1，2，…8；t=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ）：

8）由式（5）算出等效數(shù)值fi1t（i=1,2…8;t=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ）；

9）由式（6）算出工作面工作環(huán)境的評價指標(biāo)的綜合等效數(shù)值fit（t=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ）；

fiⅡ最大，則判定該煤礦的礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全級別為Ⅱ級，即較安全。

5 結(jié)束語

煤礦工作面作業(yè)環(huán)境的安全狀況，不僅影響人的身心健康，還會影響勞動生產(chǎn)率。通過對工作面作業(yè)環(huán)境進行安全評價得出，紫金礦3204工作面的安全狀況屬于Ⅱ級，即較安全，還有待改進，應(yīng)采取一些有效措施，降低工作面溫度，通過安裝固定照明裝置提高工作面的照度水平，提高工作面生產(chǎn)的安全性，減少事故發(fā)生。

[1]龍升照.人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程研究進展(第2卷)[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社,1995.

[2]SAATY TL[美].許樹柏等譯.層次分析法[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1986.

[3] 梁梁,盛照瀚,徐南榮.一種改進的層次分析法[J].系統(tǒng)工程,1989,7(3):5-7.

[4]張?zhí)燔?蘇琳,喬寶明,馬咪娜.改進的層次分析法在煤與瓦斯突出危險等級預(yù)測中的應(yīng)用[J].西安科技大學(xué)學(xué)報,2010,30（5）：536-542.

[5]紀(jì)桂霞.大氣環(huán)境質(zhì)量的等效數(shù)值評價法[J].環(huán)境工程,1999,17（6）：58-60.

Operation Environment Safety Evaluation on3204 Working Face of Zijin Mine

ZHANG Jian-feng
(Zijin Coal Co.,Fenxi Mining Group,Lingshi Shanxi 031300)

With improved analytic hierarchy process,operation environment of3204 working face was evaluated in terms of safety.The optimum transfer matrix was introduced to improve the analytic hierarchy process to satisfy consistency requirement.Weight value was achieved directly to reduce the consistency checking and a lot of calculation,and the simplification was realized.On the basis of man-machine environment analysis and safety hierarchy analysis,the6 main factors which may influence the operation environment are determined.The operation environment directly threatens the health even the life of staff,so its scientific evaluation is very important.

operation environment;improved analytic hierarchy process;safety evaluation

X936

A

1672-5050（2012）04-0075-04

2011-12-08

張建峰（1964—），男，山西平遙人，大學(xué)本科，工程師，從事礦山安全評價研究工作。

劉新光