華攸金，李希建

(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)

煤炭是我國的主要能源，煤炭主體能源地位在今后很長的一段時(shí)期內(nèi)不會改變。中國工程院重點(diǎn)咨詢項(xiàng)目《我國煤炭資源高效回收及節(jié)能戰(zhàn)略研究》預(yù)測2020年、2030年、2050年我國煤炭產(chǎn)能分別為44億t、40億t、34億t[1]。煤礦目前作為高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，其主要的災(zāi)害因素包括瓦斯、水害、火災(zāi)及煤塵等，具有突然、急劇、猛烈等特點(diǎn)，不僅危害程度大，影響面廣，且容易誘發(fā)其他重特大事故[2]。為了加強(qiáng)辨識煤礦生產(chǎn)過程中的各類危險(xiǎn)源，判別其安全風(fēng)險(xiǎn)大小，且進(jìn)一步規(guī)范煤礦安全生產(chǎn)管理工作，體現(xiàn)預(yù)防為主的思想，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)險(xiǎn)的超前預(yù)控，減少事故的發(fā)生，亟需開展煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級評判及預(yù)警的研究。

煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警就是對生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)及發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，對可能出現(xiàn)的偏差進(jìn)行適時(shí)預(yù)警和及時(shí)報(bào)警，通過相應(yīng)的安全技術(shù)對策實(shí)現(xiàn)對煤礦安全生產(chǎn)過程中災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的“早期識別”和事故的“事先預(yù)防”，保障安全生產(chǎn)[3]。目前，國內(nèi)外關(guān)于煤礦安全預(yù)警評估的研究，取得了一系列的成果，主要包括模糊層次分析[4，5]、灰色理論分析[6]、改進(jìn)加權(quán)C-F模型[7]、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9，10]等。這些理論成果推動著煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評估的發(fā)展，為煤礦行業(yè)的穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展奠定了良好的安全保障。但目前安全風(fēng)險(xiǎn)理論及方法體系還不夠完善，同時(shí)工程應(yīng)用推廣還面臨著較大困難。鑒于此，為加強(qiáng)煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評估和完善風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警理論及方法，本文將可拓論引入到煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警與評估中，從定性和定量兩個(gè)方面，利用物元的可拓分析理論進(jìn)行定性分析，同時(shí)借助可拓集合論的關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算，通過構(gòu)建煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評估模型，將指標(biāo)轉(zhuǎn)化為一種相容的問題，然后進(jìn)行評估。結(jié)合熵權(quán)法確定各預(yù)警指標(biāo)的權(quán)重，避免傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的主觀性。通過工程應(yīng)用，基于可拓論的煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與評估模型具有精準(zhǔn)性及可操作性等優(yōu)點(diǎn)，而且較神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算簡便，所以應(yīng)用可拓論來建立煤礦安全預(yù)警評估模型具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 建立風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)體系

1.1 建立風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)體系

根據(jù)煤礦危險(xiǎn)源的判識與分析，參照相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]，并遵循科學(xué)性、完整性、可操作性等原則，從人員、設(shè)備、環(huán)境、管理及信息五個(gè)方面分析影響煤礦安全的風(fēng)險(xiǎn)因素，構(gòu)建煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)體系，見表1。

表1 煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)體系

1.2 安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級及臨界值

根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程，將風(fēng)險(xiǎn)等級劃分為5個(gè)級別[14]，即Ⅰ級(輕警)、Ⅱ級(低警)、Ⅲ級(中警)、Ⅳ級(重警)及Ⅴ級(巨警)，分別對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)程度很弱、弱、一般、高及很高。礦井指標(biāo)類型及臨界值依據(jù)行業(yè)內(nèi)相關(guān)規(guī)程確定[15]，見表2。

表2 底層指標(biāo)類型及臨界值

2 建立煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)可拓模型

基于可拓論[16]，構(gòu)建煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評估的經(jīng)典域、節(jié)域和待評物元矩陣；在此基礎(chǔ)上，對煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)函數(shù)值計(jì)算和關(guān)聯(lián)度分析，進(jìn)而確定煤礦風(fēng)險(xiǎn)等級。

2.1 確定預(yù)警指標(biāo)物元

假設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級分為m個(gè)等級，安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)為n個(gè)，則經(jīng)典域表示為：

式中，Nj(j= 1，2，…，m) 表示風(fēng)險(xiǎn)等級；ci(i=1，2，…，n) 表示預(yù)警指標(biāo)；vji表示在j等級中的第i個(gè)預(yù)警指標(biāo)的量值區(qū)間；aji和bji表示風(fēng)險(xiǎn)等級與預(yù)警指標(biāo)量值區(qū)間內(nèi)的最小值和最大值。

假設(shè)風(fēng)險(xiǎn)等級為p，則節(jié)域表示為：

式中，p表示風(fēng)險(xiǎn)等級的全體；Np為風(fēng)險(xiǎn)等級p的預(yù)警對象；vpi表示p關(guān)于預(yù)警指標(biāo)特征ci的取值范圍，即節(jié)域。

假設(shè)預(yù)警對象為P，建立待評物元為：

式中，ci表示預(yù)警指標(biāo)；vi為ci的實(shí)際量化指標(biāo)值。

2.2 預(yù)警指標(biāo)的量化處理

基于各預(yù)警指標(biāo)特征向量的量綱有所差別，不容易通過比較得出精確值，因此，需要對預(yù)警指標(biāo)值進(jìn)行量化處理，處理方法如下：

2.3 計(jì)算預(yù)警指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度

預(yù)警指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)表達(dá)式為：

點(diǎn)vi到有限區(qū)間vji的距離為ρ(vi，vji)，點(diǎn)vi到有限區(qū)間vpi的距離為ρ(vi，vpi)，其中，vi，vji，vpi分別為待評物元的量化指標(biāo)值、經(jīng)典域的量值區(qū)間和節(jié)域的量值區(qū)間。則預(yù)警指標(biāo)i與風(fēng)險(xiǎn)等級j的關(guān)聯(lián)函數(shù)kj(vi)的定義為：

2.4 計(jì)算各預(yù)警指標(biāo)權(quán)重

熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重，假設(shè)kj(vi)=rji，構(gòu)建矩陣為：

R=(rji)m×n，(j=1，2，…，m；i=1，2，…，n)

(7)

預(yù)警指標(biāo)的熵Hi定義為：

預(yù)警指標(biāo)權(quán)重Wi定義為：

2.5 確定綜合關(guān)聯(lián)度及風(fēng)險(xiǎn)等級

預(yù)警對象p與等級j的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(p)定義為：

關(guān)聯(lián)度是表征兩個(gè)事物之間的關(guān)聯(lián)程度，且關(guān)聯(lián)度值越接近1，說明相關(guān)性越好，由關(guān)聯(lián)度最大原則，判定預(yù)警對象的風(fēng)險(xiǎn)等級Kj0(p)，其表達(dá)式為：

Kj0(p)=maxKj(p)

(11)

3 工程應(yīng)用

本文以貴州省黔西縣L煤礦為例進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析，該礦井設(shè)計(jì)能力為120萬t/a，井田內(nèi)煤層埋藏深度較淺，傾角平緩；以中厚煤層為主，局部厚煤層；煤層結(jié)構(gòu)較簡單，賦存穩(wěn)定；地質(zhì)構(gòu)造屬中等復(fù)雜程度；水文地質(zhì)條件屬中等偏復(fù)雜型；為煤與瓦斯突出礦井，煤層屬不易自燃煤層；煤層及頂?shù)装鍘r性較軟。根據(jù)該礦的實(shí)際安全風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀及預(yù)警指標(biāo)體系，采用數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)最常用的問卷調(diào)查法，問卷均采用正向計(jì)分，分值越高表示越符合實(shí)際情況。為保證問卷數(shù)據(jù)的科學(xué)性，參與問卷調(diào)查人員由外聘專家人員、企業(yè)管理人員及企業(yè)技術(shù)人員組成，分別組建專家組N1、管理組N2及技術(shù)組N3三個(gè)評判小組，將以各個(gè)小組為單位發(fā)放調(diào)查問卷，共計(jì)發(fā)放112份，回收有效問卷96份，并對有效問卷數(shù)據(jù)分別作統(tǒng)計(jì)分析，得出各個(gè)評判小組的預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)Vij見表3。

表3 預(yù)警指標(biāo)權(quán)重及關(guān)聯(lián)度

3.1 確定經(jīng)典域、節(jié)域及待評物元

在確定安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級的基礎(chǔ)上，通過預(yù)警指標(biāo)對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級的取值區(qū)間建立經(jīng)典域Rj；預(yù)警指標(biāo)對應(yīng)全部風(fēng)險(xiǎn)等級的取值區(qū)間建立節(jié)域Rp，把收集到的實(shí)際預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)建立待評物元R0。經(jīng)過對Ⅰ-Ⅴ級預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，建立風(fēng)險(xiǎn)評估物元為：

3.2 計(jì)算關(guān)聯(lián)度及權(quán)重

結(jié)合式(5)、式(6)，使用Matlab軟件求出各預(yù)警指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)等級的關(guān)聯(lián)度，其中kj(vi)表示第i個(gè)預(yù)警指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)等級j的關(guān)聯(lián)度。以專家組為預(yù)警對象分析，人員三違章率預(yù)警指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)等級的關(guān)聯(lián)度kj(vi)= (0.1500，-0.1500，-0.7167，-0.8300，-0.8786)，依據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則，該預(yù)警指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)等級的最大關(guān)聯(lián)度為0.1500，指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級為Ⅰ級，屬于“輕警”狀態(tài)。各預(yù)警指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)等級的關(guān)聯(lián)度值見表3。

結(jié)合式(8)、式(9)，求出各預(yù)警指標(biāo)加權(quán)后的權(quán)重，進(jìn)而求出二級指標(biāo)各因素的權(quán)重，即：wi′= (0.1600，0.4076，0.1879，0.2121，0.0324)，其中，人員因素指標(biāo)權(quán)重w1= 0.1138+0.0200+0.0262=0.1600。經(jīng)計(jì)算分析得出，設(shè)備因素指標(biāo)權(quán)重值最大，管理因素、環(huán)境因素及人員因素指標(biāo)權(quán)重值為中等，信息因素指標(biāo)權(quán)重值最小，說明設(shè)備因素相對煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)的影響最為重要，管理因素、環(huán)境因素及人員因素次之，而信息因素的相對重要性最不明顯。因此，在煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理的過程中，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)、優(yōu)先加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)管理水平，不斷提高設(shè)備運(yùn)行率，提升設(shè)備系統(tǒng)的保障能力。依據(jù)逐級逆序分析，由二級指標(biāo)向三級指標(biāo)逐層分析得出，防滅火設(shè)備完好率指標(biāo)權(quán)重值為0.2841，其在二級設(shè)備因素指標(biāo)及全部三級因素指標(biāo)中權(quán)重值均為最大值，說明該因素相對于設(shè)備和煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)的影響最重要，亟需重點(diǎn)加強(qiáng)防滅火設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)，提升防滅火系統(tǒng)完好率及利用率，從而實(shí)現(xiàn)更具有針對性、經(jīng)濟(jì)性地控制煤礦企業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

依據(jù)式(10)、式(11)，求出各二級指標(biāo)、總目標(biāo)層與風(fēng)險(xiǎn)等級的關(guān)聯(lián)度。依據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則，得出各風(fēng)險(xiǎn)評估物元的綜合關(guān)聯(lián)度及安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級，見表4。經(jīng)計(jì)算，專家組綜合安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級的最大關(guān)聯(lián)度為-0.3026，風(fēng)險(xiǎn)等級為Ⅱ級，屬于“低警”狀態(tài)。同理可得，管理組、技術(shù)組綜合安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級的最大關(guān)聯(lián)度分別為-0.1382、-0.2515，風(fēng)險(xiǎn)等級均為Ⅱ級，屬于“低警”狀態(tài)。依據(jù)關(guān)聯(lián)度分析，信息指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)等級的關(guān)聯(lián)度最大，且對應(yīng)預(yù)警等級為Ⅳ級，屬于“巨警”狀態(tài)，風(fēng)險(xiǎn)程度很高，需立即采取相關(guān)措施以提高系統(tǒng)的信息化程度及信息辨識程度；人員指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)等級的關(guān)聯(lián)度次之，對應(yīng)預(yù)警等級為Ⅲ級，屬于“中警”狀態(tài)，風(fēng)險(xiǎn)程度一般，需要進(jìn)一步完善規(guī)章制度及作業(yè)規(guī)程。各個(gè)評判小組的二級指標(biāo)、一級指標(biāo)及總目標(biāo)層的綜合安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級的關(guān)聯(lián)度見表5。

表4 二級指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)等級的關(guān)聯(lián)度

表5 煤礦風(fēng)險(xiǎn)評估物元的綜合關(guān)聯(lián)度

結(jié)合企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)排查及隱患整改情況，目前該礦各生產(chǎn)系統(tǒng)均能滿足安全生產(chǎn)需要。前期，隨著開采深度逐步加深，瓦斯、粉塵、頂板、水災(zāi)等問題較為突出，但采用相應(yīng)有力的措施之下，各種問題得到解決。相比于企業(yè)內(nèi)部采用的檢查表自查，本文基于煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評估模型更具有精準(zhǔn)性及可操作性，同時(shí)可以避免傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的主觀性，從而實(shí)現(xiàn)煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)的定量評估。結(jié)果表明，該礦綜合安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警對應(yīng)“低警”狀態(tài)，與實(shí)際情況相一致。表示煤礦企業(yè)總體的風(fēng)險(xiǎn)程度表示可以接受，但還需進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié) 論

1)基于煤礦危險(xiǎn)的影響因素，從人員、設(shè)備、環(huán)境、管理及信息五個(gè)方面共選取22項(xiàng)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，通過可拓理論建模及熵權(quán)法確定權(quán)重，建立更具有精準(zhǔn)性及可操作性的煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評估模型。

2)依據(jù)綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)的計(jì)算得出，該煤礦綜合安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級為Ⅱ級，對應(yīng)“低警”狀態(tài)，其風(fēng)險(xiǎn)程度較弱，該煤礦企業(yè)總體的風(fēng)險(xiǎn)程度表示可以接受，但還需進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。本文構(gòu)建的煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評估模型的評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相一致，研究表明該理論及方法可以為煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與評估提供參考依據(jù)。

3)本文基于可拓論的煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評估模型僅對單個(gè)對象進(jìn)行預(yù)警分析，不能代表其他煤礦企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)狀況。因此，當(dāng)該模型應(yīng)用不同對象或多個(gè)對象時(shí)，為確保預(yù)評結(jié)果的精度，相應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)體系及預(yù)警模型還需進(jìn)一步優(yōu)化。