林登科，沈斐敏，廖素娟

（福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108）

礦井水害是煤礦生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一，主要是指在礦山建設(shè)和生產(chǎn)過程中，不同源的水通過一定途徑進(jìn)入礦山，并對(duì)礦山生產(chǎn)和建設(shè)帶來諸多不利影響和災(zāi)害。礦井突水不但會(huì)對(duì)礦井正常生產(chǎn)造成影響，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致人員傷亡，淹沒礦井和采區(qū)，損壞設(shè)備。因此，對(duì)煤礦水害危險(xiǎn)性進(jìn)行合理的安全評(píng)價(jià)，對(duì)指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

煤礦水害是由多方面多因素共同作用的結(jié)果。目前，用于煤礦水害安全評(píng)價(jià)的方法有很多，既有定性的評(píng)價(jià)方法，也有定量的評(píng)價(jià)方法，如事故樹分析法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法等［1-8］。本文提出一種將區(qū)間賦權(quán)法與可拓學(xué)評(píng)判法相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法。該方法對(duì)評(píng)價(jià)因素權(quán)重的確定選擇區(qū)間賦權(quán)法，因?yàn)樵谀承┣闆r下，由于信息不足，專家也難以對(duì)評(píng)價(jià)因素做出準(zhǔn)確的判斷，但是專家知識(shí)卻能夠?qū)υu(píng)價(jià)因素給出一定的取值范圍；應(yīng)用可拓學(xué)方法來評(píng)價(jià)煤礦水害的安全，即將定性性質(zhì)轉(zhuǎn)化為更容易描述的替代物來進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，它利用了關(guān)聯(lián)函數(shù)可以取負(fù)值的特點(diǎn)，使評(píng)價(jià)方法能較全面地分析對(duì)象屬于集合的程度［9-10］。因此，本文結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，首先構(gòu)建了煤礦水害的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并邀請(qǐng)若干專家對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行區(qū)間賦值，計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；然后根據(jù)煤礦水害的安全標(biāo)準(zhǔn)和各評(píng)價(jià)要素構(gòu)造煤礦水害安全評(píng)價(jià)的經(jīng)典域和節(jié)域，并應(yīng)用可拓學(xué)綜合評(píng)判方法，通過計(jì)算得出關(guān)聯(lián)度，最終得到所要的評(píng)價(jià)結(jié)果。

1 煤礦水害安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

指標(biāo)體系是描述和評(píng)價(jià)某種事物的可量度參數(shù)的集合，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建是建立在各指標(biāo)因素分析的基礎(chǔ)上，因此在建立煤礦水害安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系之前要對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行詳細(xì)、科學(xué)和全面的分析。煤礦水害的安全評(píng)價(jià)是復(fù)雜的，所以應(yīng)該根據(jù)已有的資料和實(shí)際情況選取合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文中所研究的煤礦是具體的某個(gè)煤礦，因此要在泛化指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體煤礦的實(shí)際情況，根據(jù)該煤礦的軟硬件設(shè)施以及廣泛聽取專家意見后，建立具有科學(xué)性、層次性、可操作性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

本文結(jié)合現(xiàn)有資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，從水源因素指標(biāo)、導(dǎo)水通道因素指標(biāo)、排水因素指標(biāo)、人員因素指標(biāo)和管理因素指標(biāo)五方面建立了煤礦水害安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［11-12］，詳見圖1。

圖1 煤礦水害安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Safety assessment system of coal mine water hazard

2 區(qū)間賦權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

采用區(qū)間賦權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的步驟如下：

（1）首先由專家在評(píng)價(jià)指標(biāo)集｛xi｝中挑選出最不重要的一個(gè)且只有一個(gè)指標(biāo)并記為xim，這時(shí)將m個(gè)指標(biāo)x1，x2，…，xm重新標(biāo)記為xi1，xi2，…，xim，其中xij為｛xi｝中的某一個(gè)指標(biāo)。顯然，指標(biāo)集｛xi｝與｛xij｝是一一對(duì)應(yīng)的［13］。

（2）假設(shè)L 位專家關(guān)于某指標(biāo)集｛xi｝中的最不重要指標(biāo)的定性判斷完全一致，專家k關(guān)于指標(biāo)xij與xim之間相對(duì)重要性程度之比rj（令rj=aj）的區(qū)間賦值為（j=1，2，…，m；k=1，2，…，L）。對(duì)于固定的j，構(gòu)造閉區(qū)間：

式中：d1j=；j表示第j 個(gè)指標(biāo)；k表示第k 個(gè)專家。

設(shè)定指標(biāo)相對(duì)重要程度比較如表1所示。

表1 指標(biāo)相對(duì)重要程度比較說明Table 1 Comparison illustration of the relative importance of indicators

作具有專家風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度的區(qū)間映射，有

式中：e表示區(qū)間的寬度。

通過歸一化，則指標(biāo)權(quán)重最終為

利用上述方法分別對(duì)一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重確定［14］。

3 可拓綜合評(píng)價(jià)模型的建立

可拓綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建過程如下：

（1）確定基本評(píng)價(jià)物元。確定的基本評(píng)價(jià)物元為

式中：R 為物元；N 為待評(píng)價(jià)單元；C 為待評(píng)價(jià)單元的主要指標(biāo)；V 為指標(biāo)的量值域。

（2）確定經(jīng)典域和節(jié)域。確定的經(jīng)典域?yàn)?/p>

式中：Vij，即＜aij，bij＞為評(píng)定等級(jí)Nj關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)Ci的量值范圍，其中i表示第i個(gè)指標(biāo)，j表示第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，aij表示第i個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)第j個(gè)等級(jí)的最小取值，bij表示第i個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)第j個(gè)等級(jí)的最大取值。

確定的節(jié)域?yàn)?/p>

式中：P 為安全級(jí)別的全體；Vip為關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)Ci的量值范圍；aip表示第i 個(gè)指標(biāo)的最小取值；bip表示第i個(gè)指標(biāo)的最大取值。

（3）確定待評(píng)價(jià)物元。確定的待評(píng)價(jià)物元為

式中：P0為待評(píng)價(jià)的對(duì)象；Ci為待評(píng)價(jià)的各個(gè)指標(biāo)；Vi為相應(yīng)指標(biāo)的取值。

（4）計(jì)算影響系統(tǒng)安全的子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度。對(duì)于第j個(gè)子系統(tǒng)關(guān)于安全等級(jí)Ni的關(guān)聯(lián)度為

（5）計(jì)算待評(píng)價(jià)系統(tǒng)安全等級(jí)的關(guān)聯(lián)度。待評(píng)價(jià)系統(tǒng)安全等級(jí)的關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式為

式中：wi為由區(qū)間賦值算出的權(quán)重系數(shù)。

（6）通過（7）式可計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)安全級(jí)別的關(guān)聯(lián)度。

4 應(yīng)用實(shí)例

福建省龍巖市某煤礦礦區(qū)屬于侵蝕性構(gòu)造低山丘陵地貌，山勢(shì)平緩，相對(duì)切割深度一般為150 m，且溝谷發(fā)育，礦區(qū)最高點(diǎn)標(biāo)高為+370m，最低點(diǎn)標(biāo)高為190m，相對(duì)高差180 m。礦區(qū)主要充水水源有采空區(qū)積水、老窯積水、地表水以及大氣降水等，童子巖組第二段（P1t2）和文筆山組（P1w）地層為相對(duì)穩(wěn)定的隔水巖組，童子巖組一段（P1t1）、三段（P1t3）的富水性較弱。據(jù)福建省121煤田地質(zhì)勘探隊(duì)提供的資料，該煤礦2008年3 月9 日+30～-300m 礦坑正常涌水量為182m3／h，最大涌水量為413m3／h。煤礦水害類型為中等［15］。

基于區(qū)間賦權(quán)的可拓綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)該煤礦水害進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

首先根據(jù)專家評(píng)分，運(yùn)用區(qū)間賦權(quán)法算出一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。如以水源因素指標(biāo)為例，在認(rèn)真分析該礦井水文地質(zhì)狀況的基礎(chǔ)上，選出5位水平高的專家進(jìn)行賦值，若5位專家一致認(rèn)定大氣降水為水源因素指標(biāo)中最不重要的指標(biāo)，則給出其他指標(biāo)與其重要性程度之比的區(qū)間值（見表2），并根據(jù)公式（1）至（5）計(jì)算其權(quán)重。經(jīng)計(jì)算得出該煤礦水害水源因素各指標(biāo)的權(quán)重為

同理，可計(jì)算出其他指標(biāo)的權(quán)重，并結(jié)合專家對(duì)各指標(biāo)評(píng)判的綜合值，可得到該煤礦水害的綜合評(píng)判結(jié)果，見表3。

表2 水源因素指標(biāo)的專家判斷區(qū)間Table 2 Expert judgment intervals of water factor indexes

表3 各指標(biāo)的權(quán)重、專家打分及綜合評(píng)判結(jié)果Table 3 Weight，expert scoring value and comprehensive result of each index

4.2 可拓綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

（1）確定特征元。依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和常用的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)評(píng)估指標(biāo)的取值范圍和原則，將評(píng)價(jià)特征元分為五級(jí)，用N 表示，即N=｛很安全，安全，比較安全，較不安全，不安全｝，其語(yǔ)義描述見表4。

表4 安全等級(jí)的加權(quán)值及評(píng)分區(qū)間Table 4 Weights and scoring ranges of all security levels

（2）確定經(jīng)典域和節(jié)域。經(jīng)典域物元矩陣為

節(jié)域物元矩陣為

（3）確定待評(píng)價(jià)物元。對(duì)專家的綜合打分值以及特征元的加權(quán)值進(jìn)行綜合，得到各指標(biāo)的取值：

Vi=1×q1+0.85×q2+0.7×q3+0.5×q4+0.1×q5

其中，q1～q5為表3中專家對(duì)各指標(biāo)安全等級(jí)的隸屬度打分。

待評(píng)價(jià)物元為

（4）計(jì)算各指標(biāo)安全等級(jí)的關(guān)聯(lián)度。根據(jù)式（6）、式（7）計(jì)算各指標(biāo)安全等級(jí)的關(guān)聯(lián)度Kj（P），其計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 各指標(biāo)安全等級(jí)的關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果Table 5 Association degree between indexes and security levels

根據(jù)表5中各指標(biāo)安全等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，可以直觀地看出各個(gè)指標(biāo)的安全性。同時(shí)，K（P）=max（Kj（P））=K3（P），所以該煤礦水害系統(tǒng)的安全等級(jí)為比較安全。此外，由表5還可以得出系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)與相鄰狀態(tài)的距離，即系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)與安全狀態(tài)的距離為｜-0.229 0-0.409 1｜=0.638 1，而與較不安全狀態(tài)的距離為｜-0.181 9-0.409 1｜=0.591 0，說明該煤礦有由當(dāng)前的狀態(tài)向不安全狀態(tài)發(fā)展的傾向，所以此時(shí)應(yīng)該采取有效措施，加強(qiáng)管理，避免發(fā)生水害事故。

5 結(jié)論

本文以福建省龍巖市某煤礦為研究對(duì)象，結(jié)合已有的資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研考察結(jié)果，建立了煤礦水害的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并針對(duì)礦井環(huán)境復(fù)雜、惡劣、多變等不利因素多的特點(diǎn)，提出了一種定性與定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，即基于區(qū)間賦值的可拓綜合評(píng)價(jià)方法。該方法首先運(yùn)用區(qū)間賦值的方法對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行權(quán)重的確定，然后運(yùn)用可拓綜合評(píng)價(jià)法對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果可以明確表明各指標(biāo)因素以及總體的安全程度，定量表示煤礦水害的安全等級(jí)，直觀展現(xiàn)安全性相對(duì)較差的因素，從而有助于采取相應(yīng)的措施來提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性。該評(píng)價(jià)方法結(jié)構(gòu)合理，較好地解決了煤礦水害安全綜合評(píng)價(jià)中評(píng)價(jià)指標(biāo)復(fù)雜、模糊的問題，對(duì)煤礦水害事故的預(yù)防工作具有一定的指導(dǎo)意義。

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