雷 震 吳立云

河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 河南 焦作 454000

1 引言

安全發(fā)展是當(dāng)今社會的主題，是人類發(fā)展中十分重要的保障。據(jù)中國煤炭安全生產(chǎn)網(wǎng)、各煤礦安全監(jiān)察分局網(wǎng)和中國煤炭新聞網(wǎng)等報(bào)導(dǎo)，在我國煤礦安全生產(chǎn)問題十分突出，安全事故常有發(fā)生。每年煤礦事故死亡人數(shù)都在三百人左右，百萬噸死亡率和死亡人數(shù)均遠(yuǎn)高于世界其他主要產(chǎn)煤國家[1]。21世紀(jì)安全問題比以往更加的嚴(yán)重[2]。采礦業(yè)作為第二產(chǎn)業(yè)，要想提高其安全性對其進(jìn)行安全評價(jià)是必不可少的[3]。由于我國煤炭資源賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，在煤炭開采方面，缺乏先進(jìn)技術(shù)和人才的培養(yǎng)，因此掘進(jìn)工作難度較大。在掘進(jìn)工作方面時(shí)有危險(xiǎn)發(fā)生，本文對煤礦掘進(jìn)工作的安全性進(jìn)行安全評價(jià)，以減少煤礦事故，提高安全生產(chǎn)水平，使工人擁有一個(gè)更加安全的生產(chǎn)環(huán)境。

AHP與模糊綜合評價(jià)是兩種被大家廣泛使用的安全評價(jià)方法[4―6]。白世虎[7]通過層次分析法和模糊綜合評價(jià)法對金屬礦山系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價(jià)，該方法并沒有對層次分析法進(jìn)行改善導(dǎo)致計(jì)算過程較為復(fù)雜。吳永剛[8]采用數(shù)值模擬的方法對采礦豎井進(jìn)行安全評價(jià)通過定量分析提出相關(guān)的安全措施與建議。陳暢[9]運(yùn)用AHP―Fuzzy參數(shù)優(yōu)化法選出最優(yōu)的開采方案，但采用的層次分析法需要多次進(jìn)行一次性檢驗(yàn)再進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，步驟較為繁瑣。劉俊艷[10]在礦業(yè)系統(tǒng)中采用綜合評價(jià)的方法指出來目前評價(jià)技術(shù)中的問題，只有不斷的對評價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn)才可以有效的對礦山安全系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)。Sheng Xue[11]采用能量法解釋瓦斯突出過程對礦山安全進(jìn)行評價(jià)，該方法缺少必須的定量分析導(dǎo)致結(jié)果過于片面化。Mark Van Dyke[12]通過地質(zhì)探勘煤中地質(zhì)信息的收集和解釋的方法加強(qiáng)礦山安全生產(chǎn)，該方法主觀因素過多缺乏客觀的量化計(jì)算導(dǎo)致評價(jià)過程過于單一化。評價(jià)方法很多種，在評價(jià)過程中他們只是運(yùn)用其中一種方法進(jìn)行評價(jià)或則是簡單的把模糊綜合評價(jià)與AHP結(jié)合起來，應(yīng)用起來十分復(fù)雜，不易操作。對此，我采用改進(jìn)AHP與模糊綜合評價(jià)相結(jié)合的系統(tǒng)方法對煤礦掘進(jìn)安全進(jìn)行評價(jià)，相對于傳統(tǒng)的評價(jià)方法，這種方法的改進(jìn)與結(jié)合的評價(jià)方式更為簡單可行。

2 改進(jìn)AHP―模糊綜合評價(jià)模型

2.1 改進(jìn)AHP AHP是美國運(yùn)籌學(xué)T.L.Saaty在20世紀(jì)70年代提出來的一種定性定量相結(jié)合的多目標(biāo)決策評價(jià)方法。運(yùn)用AHP分析問題首先需要對相關(guān)的因素進(jìn)行分類，之后建立一個(gè)各個(gè)因素之間互為關(guān)聯(lián)的層次結(jié)構(gòu)模型。一般層次結(jié)構(gòu)模型分為三個(gè)層次，第一層為目標(biāo)層，第二層為準(zhǔn)則層，第三層為措施層。按第一層到第三層從高往低依次將各因素分配到不同的層次結(jié)構(gòu)中。建立判斷矩陣求出各因素重要度，進(jìn)行檢驗(yàn)。最后由計(jì)算出的層次總排序選出最優(yōu)方案。

傳統(tǒng)的AHP一般采用九標(biāo)度來建立判斷矩陣，但九標(biāo)度使用起來十分復(fù)雜，且由于人為主觀因素導(dǎo)致判斷誤差。改進(jìn)AHP采用三標(biāo)度代替九標(biāo)度，從而使計(jì)算過程更加簡單可靠[13]。三標(biāo)度使用0，1，2三個(gè)數(shù)來構(gòu)造判斷矩陣，0表示后者比前者重要；1表示兩者一樣重要；2表示前者比后者重要。構(gòu)造判斷矩陣計(jì)算各因素的權(quán)重。改進(jìn)AHP法舍棄了常規(guī)層次分析法中的一致性檢驗(yàn)過程，而是通過求一致性調(diào)整的最優(yōu)傳遞矩陣直接求出目標(biāo)權(quán)重。

改進(jìn)AHP具體方法[14]:

首先，根據(jù)所分析的內(nèi)容建立起層次結(jié)構(gòu)模型；采用三標(biāo)度法構(gòu)造兩兩比較的判斷矩陣。

然后，計(jì)算調(diào)整后的最終判斷矩陣，步驟如下:

第一步，由公式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)化求得真正的判斷矩陣。

第二步，由公式(2)、(3)可計(jì)算出經(jīng)過一致性協(xié)調(diào)后的最優(yōu)傳遞矩陣。

其中:?i，j；k＝1，2，…，n

最后按公式(4)計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重向量

2.2 改進(jìn)AHP模糊綜合評價(jià)

第一步，建立評價(jià)對象的因素集合:U＝ {u1，u2，…，un}；每一個(gè)因素對應(yīng)的子因素集合:Ui＝ {ui1，ui2，…，uim}。

第二步，建立備擇集。即專家對評價(jià)對象作出的總的評價(jià)結(jié)果組成的評價(jià)集合:V＝ {v1，v2，…，vf} 。本文使用非常好、好、較好、中等、較差、差、非常差這七個(gè)等級進(jìn)行評語分級。

第三步，由改進(jìn)AHP法建立相關(guān)因素權(quán)重向量。U對應(yīng)的權(quán)重向量為:A ＝ {a1，a2，…，an} ，Ui對 應(yīng) 的 權(quán) 重 向 量 為:Ai＝{ai1，ai2，…aij，…，aim}，其中i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，m。

第四步，進(jìn)行單因素模糊評價(jià)。以單因素評價(jià)集為行，因素為列建立單因素評價(jià)矩陣:

第五步，進(jìn)行多級綜合模糊評價(jià)。首先對每一個(gè)子集Ui作一級模糊評價(jià) Ui，對應(yīng)的權(quán)重向量為:Ai＝ {ai1，ai2，…aij，…，aim}，即一級評價(jià)結(jié)果為:Bi＝AiRi。

然后進(jìn)行第二級模糊評價(jià)，由一級模糊評價(jià)可得矩陣B為:

即第二級模糊評價(jià)結(jié)果為:Q＝AB。

3 12012掘進(jìn)工作面安全評價(jià)

3.1 工作面介紹 12012工作面上順槽位于二盤區(qū)北部，為已回采結(jié)束的12011工作面底分層掘進(jìn)工作面。該工作面技術(shù)邊界西鄰二盤區(qū)軌道大巷煤柱，東北側(cè)為F30斷層防隔水煤柱，南鄰12021工作面采空區(qū)。巷道設(shè)計(jì)長度282.1m(平距，中對中)，坡度為3～8°。首先自12012工作面上順槽通尺91.6m處以方位角21°開口按0°托煤掘進(jìn)16.9m(斜距，中―中)，然后以方位角59°按0°托煤掘進(jìn)25.5m(平距)進(jìn)入底分層。煤層中，共布置避難所1個(gè)(通尺281m，中線位置)、鉆場3個(gè)(通尺113.4m、通尺255.2m、通尺370.2m，中線位置)，避難所布置在巷道南側(cè)，1#、2#鉆場均布置在巷道北側(cè)，3#鉆場布置在巷道東側(cè)。根據(jù)所收集的資料分析近年來煤礦掘進(jìn)工作面危險(xiǎn)事故發(fā)生的類別與頻率，得出想要對其進(jìn)行安全評價(jià)所需考慮的四大指標(biāo):工作人員，機(jī)器設(shè)備，施工環(huán)境以及管理措施。

3.2 建立層次結(jié)構(gòu)模型 通過收集的資料以及工作面的實(shí)際情況可以建立出以下安全評價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示:

圖1 掘進(jìn)工作面安全評價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Tunneling faces hierarchical structure model of safety evaluation

3.3 構(gòu)建3標(biāo)度判斷矩陣 由有關(guān)專家人員和權(quán)威人士對各因素之間進(jìn)行兩兩比較得出重要度賦值，最后采用0，1，2三標(biāo)度法構(gòu)造出判斷矩陣(見表1―5)。

表1 二級判斷矩陣A―B數(shù)值表Table 1 First―order judgment matrix A―B Numerical table

表2 二級判斷矩陣B1―C數(shù)值表Table 2 First―order judgment matrix B1―C Numerical table

表3 二級判斷矩陣B2―C數(shù)值表Table 3 First―order judgment matrix B2―C Numerical table

表4 二級判斷矩B3―C陣數(shù)值表Table 4 First―order judgment matrix B3―C Numerical table

表5 二級判斷矩陣B4―C數(shù)值表Table 5 First―order judgment matrixB4―C Numerical table

3.4 各指標(biāo)權(quán)重向量值的確定 通過公式(1)轉(zhuǎn)化得出真正的判斷矩陣。(見表6―10)

表6 轉(zhuǎn)換后A―B矩陣Table 6 Converted A―B matrix

表7 轉(zhuǎn)換后B1―C矩陣Table 7 Converted B1―C matrix

表8 轉(zhuǎn)換后B2―C矩陣Table 8 Converted B2―C matrix

表9 轉(zhuǎn)換后B3―C矩陣Table 9 Converted B3―C matrix

表10 轉(zhuǎn)換后B4―C矩陣Table 10 ConvertedB4―C matrix

由轉(zhuǎn)換后的判斷矩陣根據(jù)公式(2)、(3)、(4)可以得出各個(gè)因素的權(quán)重向量值:

U因素對應(yīng)的權(quán)重向量為A:

A＝(0.118，0.263，0.564，0.055)

Ui因素對應(yīng)的權(quán)重向量分別為A1，A2，A3，A4:

A1＝(0.460，0.221，0.319)

A2＝(0.258，0.637，0.105)

A3＝(0.249，0.191，0.249，0.120，0.191)

A4＝(0.150，0.291，0.150，0.118，0.291)

3.5 模糊綜合評價(jià) 依據(jù)上文備擇集提到的7個(gè)評語等級:V＝{非常好，好，較好，中等，較差，差，非常差}根據(jù)需要先由20位專家及企業(yè)相關(guān)工作人員參考《煤礦安全規(guī)程》(2016年版)和《煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化基本要求及評分辦法(試行)》以及掘進(jìn)現(xiàn)場的具體情況對河南新鄉(xiāng)趙固二礦12012掘進(jìn)工作面各指標(biāo)進(jìn)行評語打分，最后根據(jù)專家打分結(jié)果計(jì)算指標(biāo)隸屬度。各指標(biāo)隸屬度分別見表11―14。

表11 工作人員因素隸屬度R1Table 11 Staff factor membership R1

表12 機(jī)械設(shè)備因素隸屬度R2Table 12 Staff factor membership R2

表13 施工環(huán)境因素隸屬度R3Table 13 Staff factor membership R3

表14 執(zhí)行措施因素隸屬度R4Table 14 Staff factor membership R4

(1)由Ui對應(yīng)的權(quán)重向量Ai與隸屬度矩陣R相乘進(jìn)行一級模糊綜合評價(jià):

(2)由U對應(yīng)的權(quán)重向量A與根據(jù)一級模糊綜合評價(jià)結(jié)果得出的矩陣R相乘進(jìn)行二級模糊綜合評價(jià):

結(jié)果歸一化得:

Q＝(0.368，0.234，0.147，0.135，0.076，0.028，0.012)

3.6 評價(jià)結(jié)果 由表15給出的各安全等級對應(yīng)的分?jǐn)?shù)值代入歸一化結(jié)果中得出該系統(tǒng)總得分q。

表15 安全等級百分制Table 15 Safety rating percentage system

從計(jì)算出的系統(tǒng)最終得分80.095再結(jié)合安全等級表16可以看出河南新鄉(xiāng)趙固二礦12012煤礦掘進(jìn)工作面的安全等級為較好，可以進(jìn)行正常的生產(chǎn)，但是在生產(chǎn)期間要加強(qiáng)對風(fēng)險(xiǎn)的識別與判斷，并且加強(qiáng)日常完善維護(hù)管理。

表16 安全等級Table 15 Security level

根據(jù)工作人員、機(jī)械設(shè)備、施工環(huán)境和管理措施的一級模糊綜合評價(jià)結(jié)果:

B1＝(0.386，0.246，0.168，0.122，0.078，0，0)

B2＝(0.438，0.136，0.073，0.253，0.074，0.003，0)

B3＝(0.330，0.269，0.175，0.088，0.075，0.044，0.019)

B4＝(0.344，0.274，0.156，0.056，0.097，0.044，0.029)

帶入隸屬度分?jǐn)?shù)值得出評價(jià)得分B1＝82.545，B2＝78.600，B3＝79.433，B4＝78.972，可知最為危險(xiǎn)的是B2機(jī)械設(shè)備，其次分別為B4管理措施、B3施工環(huán)境和B1工作人員，再根據(jù)Ui對應(yīng)的權(quán)重的占比可知機(jī)械設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)為設(shè)備故障率；管理措施薄弱環(huán)節(jié)為粉塵防控；施工環(huán)境薄弱環(huán)節(jié)為工作面瓦斯?jié)舛?；工作人員薄弱環(huán)節(jié)為工作人員平均技術(shù)水平，所以永銀化工安全生產(chǎn)系統(tǒng)中主要安全影響指標(biāo)的排序?yàn)?C5設(shè)備故障率、C13粉塵防控安全措施、C9工作面瓦斯的濃度、C1工作人員平均技術(shù)水平。根據(jù)此數(shù)據(jù)我們可以看出工作人員平均技術(shù)水平較好，設(shè)備故障率風(fēng)險(xiǎn)最大。結(jié)果也說明此次評價(jià)達(dá)到了對安全現(xiàn)狀分析的目的，可以根據(jù)評價(jià)結(jié)果提出相關(guān)控制對策，減少安全風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。根據(jù)掘進(jìn)工作面安全影響因素的指標(biāo)順序建議該企業(yè)應(yīng)以加強(qiáng)設(shè)備維修力度和提高設(shè)備更新率為重心加以改進(jìn)，還應(yīng)聯(lián)系相關(guān)人員實(shí)施有效防止瓦斯積聚的策略。

4 應(yīng)用分析

隨著安全評價(jià)體系的發(fā)展，人們對評價(jià)的真實(shí)性、可靠性與簡單科學(xué)性越來越重視，那些經(jīng)典的評價(jià)方法比如安全檢查表法與事故樹法在進(jìn)行評價(jià)時(shí)有許多不足之處。比如安全檢查表是一種定性的評價(jià)方法，它使用起來雖然簡單易懂，卻不能用來進(jìn)行計(jì)算，得不出各種指標(biāo)之間的關(guān)系與重要度，難以具體分析系統(tǒng)的安全性[15―16]；而事故樹雖然可以用來進(jìn)行定量計(jì)算，卻又也有局限與不完善之處，除了分析過程很復(fù)雜之外，因?yàn)榛臼录南拗坪茈y求出頂上事件的概率[17]。所以為了能夠在評價(jià)時(shí)即有定性分析又有定量分析，本文采用了改進(jìn)AHP―模糊綜合評價(jià)法來對河南趙固二礦的掘進(jìn)工作面安全性能進(jìn)行評價(jià)。通過計(jì)算分析能夠得出其安全等級與安全影響因素指標(biāo)的排序。

5 結(jié)論

通過對河南趙固二礦12012煤礦掘進(jìn)工作面的安全分析，可以看出改進(jìn)AHP―模糊綜合評價(jià)法能夠切合實(shí)際并有效的應(yīng)用于煤礦安全評價(jià)中。該種方法相對于以往經(jīng)典的評價(jià)方法，在評價(jià)中有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)改進(jìn)AHP―模糊綜合評價(jià)相較于傳統(tǒng)的9標(biāo)度層次分析法，它摒棄了9標(biāo)度復(fù)雜的矩陣構(gòu)造，采用3標(biāo)度來構(gòu)造矩陣，大大減少了人的主觀因素差距，指標(biāo)重要度的比較更為簡單科學(xué)。且3標(biāo)度法通過計(jì)算最優(yōu)傳遞矩陣產(chǎn)生一致性調(diào)整矩陣便于專家給出正確的結(jié)果，不需要再進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，使計(jì)算過程更為簡易，安全評價(jià)的精度也有了極大的提升。由改進(jìn)AHP得出的權(quán)重可以評比出12012掘進(jìn)工作面安全的各因素重要度排序?yàn)?C5設(shè)備故障率、C13粉塵防控安全措施、C9工作面瓦斯的濃度、C1工作人員平均技術(shù)水平。

(2)采礦業(yè)屬于危險(xiǎn)度高的產(chǎn)業(yè)，把改進(jìn)AHP―模糊綜合評價(jià)應(yīng)用在該行業(yè)，得出河南趙固二礦12012掘進(jìn)工作面的安全評價(jià)得分為80.095，安全等級為較好。該礦上相關(guān)的安全人員可以根據(jù)此得分結(jié)果以及各主要安全因素指標(biāo)順序?qū)χ攸c(diǎn)危險(xiǎn)因素進(jìn)行有效改善與把控，使得掘進(jìn)工作能安全進(jìn)行。