阮竹恩　李翠平　李仲學(xué)

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院　北京 100083；　2.金屬礦山高效開采與安全教育

部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　北京 100083)

?

基于改進(jìn)AHP的地下礦突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)*

阮竹恩1,2李翠平1,2李仲學(xué)1,2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育

部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京 100083)

摘要地下礦突水風(fēng)險(xiǎn)的有效評(píng)價(jià)是礦井水害防治與安全開采的基本前提與重要基礎(chǔ)。為了科學(xué)有效地評(píng)價(jià)地下礦突水事故風(fēng)險(xiǎn)，在深入研究分析與歸納地下礦突水因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了較為全面的礦井突水事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,體系包括7個(gè)一級(jí)指標(biāo)，各一級(jí)指標(biāo)有與之對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)。應(yīng)用德爾菲法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一打分并求平均值，對(duì)層次分析法進(jìn)行改進(jìn)并應(yīng)用于確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，然后根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型計(jì)算出評(píng)價(jià)結(jié)果。最后，結(jié)合國(guó)內(nèi)某典型礦山進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用，所得結(jié)果與實(shí)際情況一致性較好，說明該方法可以提高礦井突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的有效性與準(zhǔn)確性，具有較好的可行性。

關(guān)鍵詞礦井突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)改進(jìn)層次分析法指標(biāo)體系

Risk Assessment of Underground Mine Water Inrush Based on Improved Analytic Hierarchy Process

RUAN Zhu'en1,2LI Cuiping1,2LI Zhongxue1,2

(1.SchoolofCivil&EnvironmentalEngineering，UniversityofScience&TechnologyBeijingBeijing100083)

AbstractEffective evaluation of the risk of underground mine water inrush is the prerequisite and basis for mine water hazard control and safety mining. In order to carry out scientific and rational risk evaluation on mine water inrush, a reasonable mine water inrush risk evaluation system is set up in the paper, based on analysis and synthesis of the factors of mine water inrush risk, which includes seven A indexes and each A index has corresponding B index. Then each factor is scored by Delphi method and the average score of each factor has also got. Analytic hierarchy process(AHP)is improved and applied to determine the weight of each factor and the evaluation result is obtained based on the risk assessment model proposed in the paper. Finally, through the case of a typical domestic mine, it is found that the studied result agrees with the practical one, indicating that this method can improve the accuracy and availability of risk assessment of mine water inrush and it is feasible.

Key Wordsmine water inrushesrisk assessmentimproved AHPindex system

0引言

近年來，國(guó)內(nèi)地下礦開采過程中，各種礦井突水災(zāi)害事故經(jīng)常發(fā)生，甚至在建井期間發(fā)生突水，造成淹井或停產(chǎn)事故[1]。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，及時(shí)識(shí)別礦井突水事故隱患并進(jìn)行突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，將為礦山的安全生產(chǎn)提供保障。

礦井突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是我國(guó)礦山安全生產(chǎn)工程中的一項(xiàng)重要工作，也是礦山企業(yè)有效的掌握礦井安全生產(chǎn)的一個(gè)重要手段[2-3]?，F(xiàn)在，我國(guó)礦井突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法有很多種[4]，每種評(píng)價(jià)方法都有其自身所需適應(yīng)的應(yīng)用范圍和條件，各自都具備不同的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，針對(duì)不同的評(píng)價(jià)對(duì)象，必須選用相適應(yīng)的評(píng)價(jià)方法。因此，在實(shí)際的工作中，采用一種更為科學(xué)合理、可以對(duì)礦井水患的整體狀況做出評(píng)價(jià)的綜合評(píng)價(jià)方法是至關(guān)重要的。

1地下礦突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

對(duì)礦井突水事故進(jìn)行全面風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于建立合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，是否正確、合理地評(píng)價(jià)指標(biāo)，將會(huì)對(duì)整個(gè)綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果[5-6]產(chǎn)生直接影響。本文在科學(xué)有效分析礦井突水事故相關(guān)危險(xiǎn)、有害因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)某典型礦井，利用制定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的原則和相關(guān)的基本原理[7]，建立地下礦突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。指標(biāo)體系中目標(biāo)層為礦井突水風(fēng)險(xiǎn)度，包括7個(gè)一級(jí)指標(biāo)，每個(gè)一級(jí)指標(biāo)下都有與之對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)。

表1　地下礦突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2層次分析法(AHP)的改進(jìn)

2.1層次分析法(AHP)簡(jiǎn)介

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家薩蒂(Thomas L. Saaty)在20世紀(jì)70年代中期正式提出的一種多目標(biāo)決策分析方法[8]，該方法將定性分析與定量分析相結(jié)合。層次分析法的具體步驟可參考文獻(xiàn)[9]。

2.2判斷矩陣的改進(jìn)

基于德爾菲法及復(fù)合平均判斷矩陣法[10]構(gòu)造判斷矩陣的方法，提出一種新的構(gòu)造判斷矩陣的方法----混合判斷矩陣構(gòu)造法。這種方法的基本思想是：評(píng)估專家通過德爾菲法和兩兩比較法構(gòu)造出判斷矩陣，再求出所有專家構(gòu)造的判斷矩陣的平均判斷矩陣，最后利用平均判斷矩陣的方法得出唯一的判斷矩陣。這樣既充分考慮了每一位專家的意見，又考慮到每位專家構(gòu)造出的判斷矩陣不盡相同。

2.3一致性指標(biāo)的改進(jìn)

層次分析法中的一致性指標(biāo)C.I[8]和模糊層次分析法中的一致性指標(biāo)I(R,W)[11]分別為：

(1)

兩種方法所考慮的影響判斷矩陣一致性的因素不完全一樣。因此，基于以上兩種方法，本文提出一致性指標(biāo)的一種改進(jìn)方法：

(2)

每一位決策者的認(rèn)識(shí)復(fù)雜多樣參差不齊，導(dǎo)致在決策過程中主觀判斷有時(shí)會(huì)與客觀現(xiàn)實(shí)有一定的出入。因此，用n(n-1)/2次的兩兩比較來構(gòu)造判斷矩陣，可以為決策者提供更多的信息，通過不同角度的反復(fù)比較來降低出錯(cuò)的機(jī)率，最終導(dǎo)出一個(gè)較為合理的且能夠反映決策者判斷的排序。

3地下礦突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

3.1突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

本文確定了5種突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：極低風(fēng)險(xiǎn)(安全)、低風(fēng)險(xiǎn)(安全可控)、中等風(fēng)險(xiǎn)(威脅)、高風(fēng)險(xiǎn)(危險(xiǎn))、極高風(fēng)險(xiǎn)(災(zāi)害)。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定主要依據(jù)指標(biāo)體系突水水源、突水系數(shù)、排水能力、導(dǎo)水通道、巷道狀況、預(yù)防工作、安全管理來進(jìn)行衡量和評(píng)估，對(duì)這7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，計(jì)算總得分。根據(jù)李豐軍[13]研究，可確定突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與得分的參照表，見表2。專家組根據(jù)每個(gè)指標(biāo)的具體情況參照表2利用德爾菲法得出具體評(píng)分值，評(píng)分值越大，風(fēng)險(xiǎn)越高。

表2　地下礦突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與得分參照表

3.2突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

構(gòu)建的衡量模型如下：

(3)

(4)

式中，Zj為一級(jí)指標(biāo)j評(píng)價(jià)總得分；Wji為指標(biāo)體系中一級(jí)指標(biāo)j下二級(jí)指標(biāo)i的權(quán)重；Xji為專家對(duì)一級(jí)指標(biāo)j下第i個(gè)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估確定的評(píng)估值；n為指標(biāo)體系中一級(jí)指標(biāo)j下二級(jí)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；Z為評(píng)價(jià)總得分(即絕對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值)；Wj為指標(biāo)體系中一級(jí)指標(biāo)j的權(quán)重；m為指標(biāo)體系中一級(jí)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

(1)權(quán)重Wji的計(jì)算。本論文中將采用改進(jìn)的AHP計(jì)算對(duì)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。

(2)確定專家評(píng)分的Xji的值。指標(biāo)i的專家評(píng)分值，主要依據(jù)專家對(duì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，從而確定該指標(biāo)的分?jǐn)?shù)。

根據(jù)上述確定的權(quán)重和專家評(píng)分值，采用構(gòu)建的衡量模型計(jì)算總得分，然后再參照表2，得出某一地下礦采區(qū)的水害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

為避免單因素的影響導(dǎo)致對(duì)突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的判定錯(cuò)誤，本文在分析每一個(gè)指標(biāo)影響地下礦突水的基礎(chǔ)上，確定了一個(gè)影響上限，即臨界值9。臨界值是根據(jù)國(guó)家文件規(guī)定和多年防治經(jīng)驗(yàn)綜合確定的，若其中任何一個(gè)指標(biāo)的評(píng)分值大于其臨界值，都會(huì)令總得分等于此指標(biāo)評(píng)分，只有當(dāng)所有指標(biāo)的評(píng)分值都小于其臨界值，則可以采用上述構(gòu)建的模型計(jì)算地下礦突水風(fēng)險(xiǎn)的總得分，從而確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

4基于改進(jìn)AHP的地下礦突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

4.1利用MATLAB確定一級(jí)指標(biāo)權(quán)重

首先邀請(qǐng)20位評(píng)估專家組利用德爾菲法根據(jù)國(guó)內(nèi)某典型礦山構(gòu)造判斷矩陣Ak(k為第k位專家，k=1,2,…,20)，再利用平均判斷矩陣的方法，計(jì)算出唯一的判斷矩陣A，即為層次分析法評(píng)估過程中的判斷矩陣。

對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)：

C.R=C.I/R.I=0.040 2/1.36=0.029 5<0.10。

可知，A具有較好的一致性。因此可以確定各一級(jí)指標(biāo)排序?yàn)椋篈1>A7>A2>A5>A4>A3>A6。

4.2利用MATLAB確定二級(jí)指標(biāo)權(quán)重

突水水源A1下二級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣為：

判斷矩陣的最大特征根λmax1=4.185 5，特征向量W1i=(0.126 4，0.066 8，0.267 7，0.539 1)T，一致性比例C.R1=0.034 7<0.10。

突水系數(shù)A2下二級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣為：

判斷矩陣的最大特征根λmax2=4.123 2，特征向量W2i=(0.211 3，0.130 7，0.053 3，0.604 7)T，一致性比例C.R2=0.023 1<0.10。

排水能力A3下二級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣為：

判斷矩陣的最大特征根λmax3=5.372 3，特征向量W3i=(0.168 2，0.086 6，0.047 0，0.282 9,0.415 4)T，一致性比例C.R3=0.033 2<0.10。

導(dǎo)水通道A4下二級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣為：

判斷矩陣的最大特征根λmax4=4.065 2，特征向量W4i=(0.275 1，0.099 9，0.051 3，0.573 6)T，一致性比例C.R4=0.012 2<0.10。

巷道狀況A5下二級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣為：

判斷矩陣的最大特征根λmax5=4.138 5，特征向量W5i=(0.518 5，0.098 0，0.060 7，0.322 9)T，一致性比例C.R5=0.025 9<0.10。

預(yù)防工作A6下二級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣為：

判斷矩陣的最大特征根λmax6=4.193 9，特征向量W6i=(0.283 0，0.564 0，0.051 0，0.120 0)T，一致性比例C.R6=0.036 3<0.10。

安全管理A7下二級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣為：

判斷矩陣的最大特征根λmax7=5.045 8，特征向量W7i=(0.075 6，0.216 0，0.206 9，0.091 4,0.410 1)T，一致性比例C.R7=0.004 1<0.10。

利用公式(3)計(jì)算各一級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)總得分Zj，見表3。

表3　一級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)總得分

4.3專家打分

邀請(qǐng)20位評(píng)估專家利用德爾菲法根據(jù)國(guó)內(nèi)某典型礦山參照表1對(duì)每個(gè)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行打分，然后求其平均值。具體打分?jǐn)?shù)值見表4。

4.4基于AHP的突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)上述層次分析法分別計(jì)算出的一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，以及一級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)總得分，可以計(jì)算出礦區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

根據(jù)公式(3)，將權(quán)重W=(0.271 3,0.145 5,0.086 3,0.112 5,0.113 6,0.074 6,0.196 2)T和評(píng)價(jià)總得分X=(6.665,6.173,4.924,5.310,2.525,5.374,6.468)T分別代入式(4)，可以計(jì)算得到該礦區(qū)的總得分Z=5.675 2，參照表2得出礦區(qū)的突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為威脅等級(jí)。

表4　各級(jí)指標(biāo)權(quán)重及評(píng)分均值

根據(jù)一級(jí)指標(biāo)的排序可知導(dǎo)致突水的主要因素為礦井本身的突水水源(老空水)和人為的安全管理，在以后的突水防治中，應(yīng)從人為因素方面加強(qiáng)改進(jìn)，降低礦井突水的風(fēng)險(xiǎn)。

5結(jié)論

(1)通過分析與歸納礦井突水的影響因素，建立了礦井突水風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，為合理進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

(2)對(duì)層次分析法進(jìn)行改進(jìn)，并應(yīng)用于確定指標(biāo)體系中不同層次不同指標(biāo)的權(quán)重值，并排序確定影響突水的關(guān)鍵因素。

(3)構(gòu)建突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并根據(jù)評(píng)價(jià)得分值確定評(píng)價(jià)等級(jí)。

(4)將評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于實(shí)際礦山，所得結(jié)果與實(shí)際情況一致，說明評(píng)價(jià)方法可行。

參考文獻(xiàn)

[1]譚斌,付雨露,曹仁慶.煤礦隱患排查治理閉合模式的構(gòu)建與運(yùn)行[J].煤炭工程,2011(1):126-128.

[2]吳宗之.危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001.

[3]秦壽康.綜合評(píng)價(jià)原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[4]南寧,吳超,周科平.大型礦山安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2008,28(5):70-71.

[5]張立新,李長(zhǎng)洪,趙宇.礦井突水預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)礦業(yè),2009,18(1):88-90.

[6]盧國(guó)志,李希勇,寧方淼. 煤礦安全指標(biāo)評(píng)價(jià)體系研究及應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2003,3(3):29-31.

[7]史潤(rùn)水，范世銘.建立礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1995，5(S2)：67-72.

[8]T L SAATY. The analytic hierarchy process: planning, priority setting, resource allocation [M]. New York, London: McGraw-Hill International Book Co, 1980.

[9]許樹柏.層次分析法原理[M]. 天津：天津大學(xué)出版社,1986.

[10]李繼乾,章志敏.層次分析中的一致性[J].大學(xué)數(shù)學(xué),2004,20(4):71-72.

[11]陳華友,趙佳寶.模糊判斷矩陣的相容性研究[J].運(yùn)籌與管理,2004,13(1):45.

[12]楊靜,邱菀華.模糊互補(bǔ)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)和改進(jìn)方法[J].系統(tǒng)管理學(xué)報(bào),2010,19(1):15.

[13]李豐軍. 煤礦水害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與防治決策系統(tǒng)研究[M].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2012.

李翠平，女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)建模、仿真及可視化，資源經(jīng)濟(jì)與管理。

李仲學(xué)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橘Y源、環(huán)境與安全經(jīng)濟(jì)，可持續(xù)發(fā)展及社會(huì)責(zé)任，生產(chǎn)安全與質(zhì)量安全管理。

(收稿日期：2015-07-02)

作者簡(jiǎn)介阮竹恩，男，1989年生，碩士研究生，研究方向?yàn)樯a(chǎn)安全與質(zhì)量安全管理，危險(xiǎn)辨識(shí)與安全評(píng)價(jià)。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金 (51174260,51174032)，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-10-0225)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(FRF-TP-09-001A)。