畢 娟，李希建

基于模糊故障樹的煤與瓦斯突出事故成因分析*

畢 娟1, 2, 3，李希建1, 2, 3

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽 550025；3.貴州大學(xué)瓦斯災(zāi)害防治與煤層氣開發(fā)研究所，貴州 貴陽 550025)

隨著開采規(guī)模的擴(kuò)大和開采深度的增加，煤與瓦斯突出災(zāi)害日益嚴(yán)重。為了提高煤礦安全，采用故障樹分析法對(duì)煤與瓦斯突出事故風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行辨識(shí)和分析，表示出各事件之間的邏輯關(guān)系。引入模糊概率耦合故障樹，對(duì)基本事件的發(fā)生概率進(jìn)行分析。計(jì)算出各基本事件和中間事件的模糊概率重要度，定量分析煤與瓦斯突出事故成因，尋找現(xiàn)場(chǎng)管理的重點(diǎn)。通過項(xiàng)目調(diào)研和專家訪談獲取基本事件的模糊概率，分析發(fā)現(xiàn)對(duì)于煤層埋藏深度和地應(yīng)力過高的地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤與瓦斯突出的事故影響較大，可為煤與瓦斯突出管理提供重要參考。

故障樹;模糊概率;煤與瓦斯突出

0 引 言

煤炭是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)能源，保證煤礦安全是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的前提[1]。隨著我國煤礦開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，煤礦事故也日益增多，其中煤與瓦斯突出尤為嚴(yán)重。快速準(zhǔn)確地確定影響煤與瓦斯突出的主要因素，能夠有效預(yù)防事故發(fā)生，減少事故產(chǎn)生的損失，保障煤礦企業(yè)安全。

煤與瓦斯突出是受多種因素控制的復(fù)雜礦井動(dòng)力現(xiàn)象[2-3]，目前對(duì)于其研究已取得多項(xiàng)成果。郭德勇等[4]利用層次分析法和模糊綜合評(píng)判方法建立了煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)模型，對(duì)礦井工作面進(jìn)行瓦斯突出危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)和等級(jí)劃分。王超[5]等選取5項(xiàng)主要影響指標(biāo)作為判別因子，建立距離判別法煤與瓦斯突出模型，在預(yù)測(cè)中具有準(zhǔn)確性。王濤等[6]利用灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，減弱了數(shù)據(jù)隨機(jī)性及誤差，使預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確。謝國民等[7]基于鄰域粗糙集理論對(duì)特征向量降維，提取影響煤與瓦斯突出的核心因素，采用支持向量機(jī)理論構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，提高運(yùn)算速度。應(yīng)用這些方法進(jìn)行評(píng)價(jià)無法避免其不確定性，本文采用故障樹耦合模糊理論的方法進(jìn)行煤與瓦斯突出分析，尋找影響突出事故的主要因素，方便進(jìn)行更有針對(duì)性的管理，減少事故發(fā)生可能性。

1 研究方法

故障樹分析法可以很直觀地了解導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的原因，即基本事件，但基本事件的發(fā)生具有隨機(jī)性。因此，確定基本事件的精確概率對(duì)故障樹分析十分重要。對(duì)于煤與瓦斯突出事故，在采煤過程中受到采動(dòng)影響較大，難以直接預(yù)測(cè)，且事故發(fā)生時(shí)很多定義界限不明確、人為判斷不精確，導(dǎo)致獲得精確的基本事件概率十分困難。若是通過歷史事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，每個(gè)礦井情況不一，且事故發(fā)生頻率較低，記錄不夠詳細(xì)全面，單一以某一例事故難以準(zhǔn)確把握事故發(fā)生的可能性，導(dǎo)致事故預(yù)測(cè)失誤。

為解決基本事件模糊不清的問題，可以采用模糊數(shù)學(xué)理論，把模糊數(shù)耦合故障樹分析法，可以精確地表示基本事件的發(fā)生概率，從而按照模糊數(shù)學(xué)的運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行故障樹的定量分析[8]。模糊故障樹分析法更加合適具體，允許基本事件描述和評(píng)價(jià)在一定范圍內(nèi)具有誤差，而不僅僅局限于獲得事件的精確概率。由于隸屬函數(shù)主要是根據(jù)人為經(jīng)驗(yàn)確定，導(dǎo)致模糊數(shù)具有一定的主觀性，用其來描述發(fā)生概率，比只用精確概率值來表示事件的不確定性要更符合實(shí)際情況。

基于此，本文采用故障樹分析法耦合模糊理論來分析煤與瓦斯突出事故成因。通過現(xiàn)場(chǎng)收集資料和對(duì)專家進(jìn)行訪談，構(gòu)建出煤與瓦斯突出故障樹?；跇?gòu)建的故障樹進(jìn)行事故成因的定性和定量分析，引入模糊理論定量分析基本事件發(fā)生的模糊概率和概率重要度，確定導(dǎo)致煤與瓦斯突出的主要影響因素，明確預(yù)防煤與瓦斯突出管理的重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤與瓦斯突出的事故成因分析。

2 煤與瓦斯突出故障樹的構(gòu)建

故障樹分析法是一種演繹的安全系統(tǒng)分析方法[9]，它能對(duì)各種系統(tǒng)的危險(xiǎn)性進(jìn)行辨識(shí)和評(píng)價(jià)。構(gòu)建煤與瓦斯突出故障樹不僅能直觀地揭示事故發(fā)生的原因，而且可以深入了解事故的因果關(guān)系。了解事故發(fā)生的主要原因，以便及時(shí)預(yù)防事故的發(fā)生。

2.1 建立故障樹

以煤與瓦斯突出事故為頂上事件，結(jié)合影響煤與瓦斯突出的各種因素，構(gòu)建突出故障樹基本模型，如圖1所示。通過分析明確可能導(dǎo)致煤與瓦斯突出事故的各種原因。

2.2 煤與瓦斯突出定性分析

采用故障樹中割集的概念來描述導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的可能性，即找出引發(fā)頂上事件發(fā)生的所有故障模式。由于本研究構(gòu)建的煤與瓦斯突出故障樹大部分由“或”門組成，少部分由“與”門組成，故各基本事件構(gòu)成最小割集的數(shù)量偏多，不易計(jì)算。而最小徑集是不引起頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合。只要保證集合內(nèi)的各基本事件的安全性，就可能預(yù)防煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。

圖1 故障樹

采用布爾代數(shù)法求得故障樹的最小徑集為：

(1,2,3,4,5)、(18,19,20)、(6,7,8,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17)、(18,19,21,21,22,23,24)、(18,19,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34)。

3 基于模糊概率的事故分析

煤與瓦斯突出事故成因分析，在定性分析的基礎(chǔ)上，定量計(jì)算出各基本事件對(duì)頂上事件概率的影響程度，明確更易導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的基本事件，從而對(duì)其重點(diǎn)關(guān)注和改善。

3.1 模糊概率基本理論

由于基本事件的發(fā)生具有不確定性，難以用精確值評(píng)估，需要引入模糊數(shù)來代替精確概率。常見的模糊數(shù)有三角模糊數(shù)、梯形模糊數(shù)、正態(tài)模糊數(shù)等[10]，本文選取最為常見和簡(jiǎn)便的三角模糊數(shù)進(jìn)行描述。

3.2 模糊故障樹的計(jì)算

設(shè)論域?yàn)閷?shí)數(shù)域，表示基本事件發(fā)生概率的三角模糊數(shù)，()表示該模糊數(shù)的隸屬函數(shù)，該隸屬函數(shù)的公式為：

式中，、表示該模糊數(shù)的置信上限和下限；表示該模糊數(shù)的均值，當(dāng)自變量取時(shí)，對(duì)應(yīng)隸屬函數(shù)的取值為1；三角模糊數(shù)可由，，3個(gè)參數(shù)表示,記為=(,,)。

假設(shè)1=(1,1,1),2=(2,2,2)，則模糊數(shù)1和2的運(yùn)算法則如下：

故障樹耦合模糊數(shù)經(jīng)過規(guī)范化之后,其“與”門、“或”門的運(yùn)算式分別為：

4 工程實(shí)例

以某礦煤與瓦斯突出事故為例，為獲取故障樹中各基本事件的模糊概率，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行資料收集和邀請(qǐng)礦上專家填寫調(diào)查問卷，對(duì)可能導(dǎo)致煤與瓦斯突出的各基本事件的發(fā)生概率進(jìn)行評(píng)估，最后總結(jié)整理確定出各基本事件的模糊概率。

4.1 基本事件的模糊概率

為避免不同領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)于特定事件的判斷出現(xiàn)較大偏差，特根據(jù)其權(quán)威性確定評(píng)價(jià)權(quán)重，對(duì)各專家的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行平均計(jì)算，再根據(jù)不同評(píng)價(jià)權(quán)重，明確各基本事件的最終概率值。將專家的評(píng)價(jià)結(jié)果轉(zhuǎn)化為三角模糊數(shù)進(jìn)行分析，由此計(jì)算得出的各底事件的模糊概率如表1所示。

表1 基本事件的模糊概率

4.2 模糊重要度分析

通過故障樹的定性分析可知，各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度為：

(19)=(18)＞(20)＞(5)=(4)=(3)=(2)=(1)＞(24)=(23)=(22)=(21)＞(34)=(33)=(32)=(31)=(30)=(29)=(28)=(27)=(26)=(25)=(17)=(16)=(15)=(14)=(13)=(12)=(11)=(10)=(9)=(8)=(7)=(6)

4.3 結(jié)果分析

經(jīng)過模糊集計(jì)算，明確煤層埋藏深度、地應(yīng)力過高的地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯放散指數(shù)、煤體孔隙率和煤層厚度及變化、封閉性斷層、層間滑動(dòng)和圍巖透氣性等，是主要影響煤與瓦斯突出的因素。這與實(shí)際情況是相符合的。

5 結(jié) 論

本文采用模糊故障樹分析法，建立了煤與瓦斯突出事故的故障樹，明確了導(dǎo)致煤與瓦斯突出事故的各種直接原因和間接原因。引入模糊數(shù)學(xué)理論確定了基本事件的概率問題，對(duì)導(dǎo)致頂上事件的各基本事件進(jìn)行定性分析和定量評(píng)價(jià)。

通過對(duì)礦井現(xiàn)場(chǎng)資料調(diào)研和專家訪談確定事件的發(fā)生概率值，計(jì)算出各基本事件的模糊概率重要度，確定導(dǎo)致煤與瓦斯突出事故的主要影響因素，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤與瓦斯突出的事故成因分析。有利于加強(qiáng)對(duì)煤與瓦斯突出事故的管理，更有效地減少煤與瓦斯突出事故發(fā)生的可能性。

[1] 張 瑞,李雅梅.基于PCA-LWCA-LS-SVM回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2018,35(12):66-70.

[2] 代 巍,付 華,冀常鵬,等.回采工作面瓦斯涌出量VMD-DE-RVM區(qū)間預(yù)測(cè)方法[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2018,28(9):109-115.

[3] 秦 志.基于灰色理論的回采工作面瓦斯涌出量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)研究[J]. 能源與環(huán)保,2018,40(2):17-21.

[4] 郭德勇,范金志,馬世至,等.煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)層次分析?模糊綜合評(píng)判方法[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(7):660-664.

[5] 王 超,宋大釗,杜學(xué)勝,等. 煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)的距離判別分析法及應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2009,26(4):470-474.

[6] 王 濤,王洋洋,郭長(zhǎng)娜,等.基于徑向基的瓦斯涌出量灰色預(yù)測(cè)模型[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012,20(5):1218-1221.

[7] 謝國民,謝 鴻,付 華,等.煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)的NN-SVM模型[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2016,29(5):733-738.

[8] 項(xiàng) 天,郭紅領(lǐng),楊發(fā)兵,等.基于故障樹和模糊理論的超高層建筑施工平臺(tái)事故成因分析[J].工程管理學(xué)報(bào),2018,32(5):7-11.

[9] 徐志勝.安全系統(tǒng)工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2017.

[10] 蔣澤軍.模糊數(shù)學(xué)教程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

[4] 馬建雯.煤礦安全培訓(xùn)質(zhì)量的評(píng)估與提高的探討[J].環(huán)境與能源,2011(4):135-136.

[5] AQ/T 2050.1-2016.金屬非金屬礦山安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范導(dǎo)則[S].

[6] 黃仁東,賀芹平,王 秉,等.基于微信平臺(tái)微學(xué)習(xí)的安全宣教新模式研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2018,14(9):78-83.

[7] 王慶,馬海濤,王云海,等.論我國非煤礦山安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建思路[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2007,3(10):96-99.

[8] 李 正.礦山安全培訓(xùn)體系的構(gòu)建和培訓(xùn)效果評(píng)估研究[D].青島:山東科技大學(xué),2011.

[9] 戴 剛,代彭梁.安全管理精細(xì)化措施研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2017,13(12):156-160.

[10] 蔣澤軍.模糊數(shù)學(xué)教程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51874104)；貴州省重大應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(黔科合JZ字[2014]2005)；貴州省教育廳項(xiàng)目(黔教合KY字[2013]112)；貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合平臺(tái)人才[2018]5781).

(2019-03-19)

畢 娟(1995—)，女，貴州安順人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘踩夹g(shù)及礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等，Email:1217068577@qq.com。