黃家遠(貴州大學勘察設(shè)計研究院有限責任公司, 貴州 貴陽 550025)

1 前言

煤礦常見的五大災害中,瓦斯災害作為煤礦生產(chǎn)過程中影響范圍廣且危害大的重大災害,造成的事故包括煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故,都會嚴重影響到煤礦的安全生產(chǎn),造成國家財產(chǎn)的損失[1]。據(jù)統(tǒng)計,自建國以來因瓦斯導致的煤礦事故中,死亡人數(shù)超過100 人的事故數(shù)有19 起,占到同規(guī)模死亡人數(shù)事故總數(shù)的八成[2]。 由此可見,瓦斯防治是瓦斯礦井中必不可少的環(huán)節(jié),特別是在高瓦斯礦井中,而瓦斯防治系統(tǒng)的構(gòu)建是一個綜合過程,過程中無論哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)漏洞都有可能導致瓦斯事故的發(fā)生,為了保障煤礦瓦斯防治系統(tǒng)的正常運行,提高瓦斯防治系統(tǒng)的可靠性,避免在事故高發(fā)期因系統(tǒng)狀況差而導致煤礦瓦斯事故發(fā)生,有必要建立起一套煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評價體系。 國內(nèi)專家學者在煤礦安全評價領(lǐng)域已有較多較為成熟的研究[3-6],其中層次分析法及其演變出來其他分析法應用較為廣泛。 層次分析法是一種簡單的主觀評價方法,在此方法上延伸出來模糊層次分析法是層次分析法與模糊分析法結(jié)合出來的一種指標權(quán)重確定方法,利用模糊判斷矩陣代替了層次分析法中的判斷矩陣,延續(xù)主觀評價的基礎(chǔ)上對層次分析法進行改進,兩種方法均有較多的應用案例[7-8]。 但要建立起一個煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評價體系,僅僅依靠單一方法難以實現(xiàn)所確定權(quán)重的合理性、準確性,近年來將兩種不同方法耦合用于煤礦領(lǐng)域其他系統(tǒng)評價中的研究較多,而以往對煤礦瓦斯防治系統(tǒng)進行安全評價的方法大多僅依靠單一的評價方法[9-10],因此有必要通過兩種或多種方法結(jié)合確定指標權(quán)重,建立一個結(jié)構(gòu)完善、方法合理的綜合評價體系。

本文通過建立煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評價體系,利用改進模糊層次分析法(Improved Fuzzy Analytic Hierarchy Process,簡稱IFAHP),確定體系指標的主觀權(quán)重,利用熵權(quán)法確定各指標的客觀權(quán)重,根據(jù)最小信息熵原理,將所得到的主客觀權(quán)重組合得出復合權(quán)重,以貴州省某煤礦為應用對象,將該權(quán)重確定方法應用于該礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評價中,通過兩種方法耦合得到的系統(tǒng)安全評價等級更為合理,并且通過該方法能夠更為準確地對該礦中存在的問題進行整改,對提高煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全性有著積極作用。

2 評價體系指標權(quán)重的確定方法

2.1 基于改進模糊層次分析法的指標主觀權(quán)重確定

改進模糊層次分析法是在傳統(tǒng)層次分析法的基礎(chǔ)上演變而來的,比較前者與后者的不同,前者通過改進省去了一致性檢驗的環(huán)節(jié),對指標權(quán)重的確定更加合理[11]。 該方法確定指標權(quán)重的具體步驟如下:

(1)確定評價體系,分層構(gòu)建體系結(jié)構(gòu),將體系分成目標(A)、準則(B)、指標(C)層,目標層對應整個系統(tǒng)可靠性情況,準則層為系統(tǒng)整體可靠性評價的下級指標情況,指標層為準則層指標的下級評價指標情況。

(2)通過專家對準則層、指標層各指標的相對重要程度評價,利用0.1 ～0.9 5 標度法構(gòu)造優(yōu)先判斷矩陣F=(fij n×n,i,j=1,2,…,n,矩陣中fij與fji互補,可稱其為模糊互補矩陣,顯然可得fij<1,fij+fji=1,fii=0.5。

由于該方法是基于對各指標相對重要程度評價從而通過計算求得各指標權(quán)重,側(cè)重于專家對各指標的評價,人為因素對指標權(quán)重確定的影響要大,客觀性較弱,因此計算出來的指標權(quán)重為主觀權(quán)重。

2.2 基于熵權(quán)法的指標客觀權(quán)重確定

與改進模糊層次分析法有所不同,熵權(quán)法是一種客觀的評價方法,因此它可以用于縮小層次分析法及其演變而來的其他主觀確定權(quán)重的方法所帶來誤差,使計算出來的權(quán)重更加切合實際,近年來多與其他分析方法耦合,計算得出復合權(quán)重,從而被廣泛用于各個領(lǐng)域[12-14]。 但由于其多被用于具有量化評價指標的評價體系中,為提高其適用性,將評價體系指標進行量化[15],該方法確定指標權(quán)重具體步驟如下:

(1)確定評語集、評價等級、評價值。 依照系統(tǒng)評價等級劃分習慣,確定評價等級分別為優(yōu)、良、中、差四個評價等級,并對其賦值進行語義量化:“優(yōu)”賦值為4,“良”賦值為3,“中”賦值為2,“差”賦值為1。 構(gòu)建評語集D={d1,d2,d3,d4}分別與四個評價等級對應,具體分類見表1。

表1 系統(tǒng)評價等級分類表

通過訪問多個專家,以評價調(diào)查問卷的形式,統(tǒng)計專家贊成準則層或指標層各指標在各評價等級下的人數(shù), 從而得到原始數(shù)據(jù)矩陣G=其中,n為指標個數(shù),m為評價等級個數(shù)。

2.3 復合權(quán)重的確定

通過改進模糊層次分析法確定指標的主觀權(quán)重w1i,再利用熵權(quán)法確定各指標的客觀權(quán)重w2i,其中1≤i≤n,n為指標個數(shù),利用最小信息熵原理,通過式(1)將二者結(jié)合得到復合權(quán)重:

通過將兩種方法得到的指標權(quán)重進行耦合計算,這樣就可以避免因單一方法造成確定的指標權(quán)重值與實際偏差較大的問題,使系統(tǒng)安全評價結(jié)果更加準確。

3 煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評價體系的建立

3.1 系統(tǒng)安全評價體系

評價體系的建立是系統(tǒng)評價的開始,對煤礦瓦斯防治系統(tǒng)的安全性進行一個評價,從其不同方面的影響因素出發(fā),由淺入深,逐層構(gòu)建評價體系,將評價體系分為三層:目標層、準則層和指標層。 其中目標層是整個煤礦瓦斯防治系統(tǒng)可靠性水平,準則層是評價煤礦瓦斯防治系統(tǒng)可靠性的大類評價指標,指標層則是各個大類評價指標下的子評價指標。通過參考前人所總結(jié)出來的經(jīng)驗[16],系統(tǒng)性地對每一層指標進行了詳細歸納,將準則層分為5 個評價指標,包括了瓦斯爆炸預防水平、煤與瓦斯突出預防水平等,為一級評價指標,將指標層共分成16 個評價指標,包括通風質(zhì)量水平、瓦斯含量測定狀況等,為二級評價指標,安全評價體系如圖1 所示。

圖1 煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評價體系

3.2 系統(tǒng)安全等級劃分

若要對煤礦瓦斯防治系統(tǒng)的可靠性進行評價,還應該對其評價等級進行劃分,用于對其子評價指標進行打分,并通過上一節(jié)中的評價方法進行定量的計算以后,再對整個煤礦瓦斯防治系統(tǒng)進行定性評價,通過“定性-定量-定性”的過程,才可以使最后的評價結(jié)果更加合理、準確。 通過百分制的評價等級劃分,對等級劃分區(qū)間進行合理地調(diào)整,能夠?qū)Ω鱾€指標的狀況和水平給出一個合理的評價結(jié)果。依據(jù)系統(tǒng)安全評價等級劃分習慣,將煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評價等級分成五個等級:安全、較安全、一般、較危險、危險。 依照百分制評分區(qū)間劃分習慣,結(jié)合評價等級語,對各個評價等級進行評分區(qū)間劃分與之對應:等級“安全”評分區(qū)間定為90 ～100,區(qū)間跨度10;等級“較安全”評分區(qū)間定為75 ～90,區(qū)間跨度15;等級“一般”評分區(qū)間定為60 ～75,區(qū)間跨度15;等級“較危險”評分區(qū)間為30 ～60,區(qū)間跨度30;等級“危險”評分區(qū)間為0 ～30,區(qū)間跨度30。等級劃分見表2。

表2 煤礦瓦斯防治系統(tǒng)等級劃分

3.3 計算確定系統(tǒng)安全評價等級

評價體系構(gòu)建以后,即可通過第一節(jié)中的權(quán)重確定方法確定各指標權(quán)重,但無論是改進模糊層次分析法還是熵權(quán)法,最終計算出來的結(jié)果都是準則層指標相對于目標層系統(tǒng)的權(quán)重及指標層指標相對于準則層指標的權(quán)重,無法確定指標層指標相對于目標層的權(quán)重,也就不能直接通過對指標層指標評價從而直接對整個系統(tǒng)進行評價,因此需要計算得出指標層指標相對于目標層的相對權(quán)重,具體步驟如下:

(1)通過改進模糊層次分析法確定準則層指標相對于目標層及指標層指標相對于準則層指標的權(quán)重,再根據(jù)隸屬關(guān)系,將子評價指標權(quán)重與對應的大類評價指標權(quán)重相乘,從而確定指標層指標相對于目標層的主觀相對權(quán)重。

(2)通過熵權(quán)法重復上面步驟,得到客觀相對權(quán)重。

(3)利用最小信息熵原理,將上面得到的各子評價指標的主觀相對權(quán)重和客觀相對權(quán)重通過計算得出其復合相對權(quán)重。

(4)將評價體系應用于具體礦井中瓦斯防治系統(tǒng)評價中,組織專家和現(xiàn)場工作人員根據(jù)表2 中的評分區(qū)間對評價體系中各子評價指標進行逐一打分。

(5)通過計算得出各指標加權(quán)評分,將其累加即可得到煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評分其中,為步驟(3)中計算得到的各子評價指標的復合相對權(quán)重,yi為專家及現(xiàn)場工作人員對各子評價指標的評分。

(6)根據(jù)得到的煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評分,對照表2 中的評分區(qū)間,對系統(tǒng)安全進行等級劃分。

4 工程應用實例

4.1 工程概況

以貴州省某礦為例,經(jīng)相關(guān)部分測定,該礦所采9#煤層最大原始瓦斯含量為10.2 m3/t,最大原始瓦斯壓力為0.82 MPa,煤層堅固性系數(shù)f=0.84,破壞類型為Ⅱ～ Ⅲ,鉆孔流量衰減系數(shù)α為0.039 ～0.060 d-1, 煤層透氣性系數(shù)λ為0.090 4 ～0.265 8 m2/MPa2·d,抽采鉆孔最大布置間距為5.0 m,排放孔最大布置間距為1.6 m。 該礦井被鑒定為煤與瓦斯突出礦井,采用中央并列式通風,抽出式通風方法,采用FBCDZNO27 型對旋風機,單臺通風機功率為2 × 200 kW, 目前礦井總風量約6 998 m3/min,由于礦井通風線路短,通風系統(tǒng)簡單,礦井通風難易程度為容易。

4.2 各指標相對權(quán)重的確定

1)主觀相對權(quán)重

利用改進模糊層次分析法來確定主觀相對權(quán)重,首先要根據(jù)以往專家學者對煤礦瓦斯防治系統(tǒng)的各級評價指標相對重要程度的研究,結(jié)合0.1 ～0.9 的5 標度法,得出優(yōu)先判斷矩陣:

A-B優(yōu)先判斷矩陣:

B1-C優(yōu)先判斷矩陣:

B2-C優(yōu)先判斷矩陣:

B3-C優(yōu)先判斷矩陣:

B4-C優(yōu)先判斷矩陣:

B5-C優(yōu)先判斷矩陣:

設(shè)置迭代精度為0.000 1,通過改進模糊層次分析法的計算即可得到各指標相對于上級指標的權(quán)重向量:

根據(jù)各層指標的隸屬關(guān)系,計算得到指標層各指標相對于整個系統(tǒng)的主觀相對權(quán)重,相對權(quán)重見表3。

表3 系統(tǒng)各子評價指標的主觀相對權(quán)重

2)客觀相對權(quán)重

利用熵權(quán)法來確定客觀相對權(quán)重,首先通過熵的原理,利用前面制定好的評價表,收集15 位專家及學者針對16 個子指標相對整個系統(tǒng)相對重要程度意見,統(tǒng)計后繪制見表4。

表4 指標評語等級統(tǒng)計表

通過上表即可構(gòu)建各級指標的原始數(shù)據(jù)矩陣,再將各矩陣標準化得到標準化矩陣:

A-B標準化矩陣:

B1-C標準化矩陣:

B2-C標準化矩陣:

B3-C標準化矩陣:

B4-C標準化矩陣:

B5-C標準化矩陣:

通過熵權(quán)法的計算步驟即可算得各指標相對于上級指標的權(quán)重向量:

再重復主觀相對權(quán)重確定過程,即可求得指標層各指標相對于整個系統(tǒng)的客觀相對權(quán)重,具體見 表5。

3)復合相對權(quán)重

基于上面求得的各指標主客觀相對權(quán)重,即可通過式(1)求得各子評價指標的復合相對權(quán)重,具體見表6。

表6 系統(tǒng)各子評價指標的復合相對權(quán)重

4.3 煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評價

根據(jù)來自15 位現(xiàn)場工作人員及5 位專家在現(xiàn)場的調(diào)查結(jié)果,對各個子評價指標情況進行逐一打分,取其平均分,打分結(jié)果見表7。

表7 系統(tǒng)各子評價指標的評分統(tǒng)計情況

結(jié)合表6 和表7,可求得各指標的加權(quán)評分,累加即可求得整個煤礦瓦斯防治系統(tǒng)的安全評價得分,具體見表8。

表8 系統(tǒng)各子評價指標的加權(quán)評分匯總表

由計算結(jié)果可知,針對該礦的瓦斯防治系統(tǒng)的安全評分為75.526 7,結(jié)合表2 可得,該礦瓦斯防治系統(tǒng)評價等級為較安全,但由于評分相比來說更靠近于一般評價等級,因此,該礦井存在較多問題,可通過兩種方法盡快提高該礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評分:第一,對個別相對權(quán)重較其它權(quán)重大的、平均分低于系統(tǒng)安全評分的指標進行針對性地整改,如指標C10 和C11;第二,對評分嚴重低于系統(tǒng)安全評分的指標進行整體提升和完善,如指標C4、C9、C13。通過以上兩種方法進行針對性整改后,該礦瓦斯防治系統(tǒng)安全性明顯有所提高,因此,基于改進模糊層次分析法與熵權(quán)法的指標權(quán)重確定方法對煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評價有著重要意義。

5 結(jié)論

(1)通過建立煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評價體系,利用改進模糊層次分析法和熵權(quán)法分別求得體系各指標的主客觀權(quán)重,再通過最小信息熵原理將二者組合求得各指標的復合權(quán)重,這樣能夠保證指標權(quán)重在主觀推斷的基礎(chǔ)上增加客觀實際的因素,從而使確定的權(quán)重更加符合實際,提高體系評價的準確性。

(2)由于文中所提兩種方法求得的權(quán)重均為各級指標相對于上級指標的權(quán)重,若要通過子評價指標來評價整個瓦斯防治系統(tǒng),因此還要通過部分計算求得各指標相對于整個系統(tǒng)的相對權(quán)重,通過確定合理的計算過程,能夠在降低計算量的基礎(chǔ)上,還可以保證所確定權(quán)重的可靠性。

(3)將改進模糊層次分析、熵權(quán)確定指標權(quán)重的方法應用于實際煤礦瓦斯防治系統(tǒng)中去,對其進行安全評價,在確定其系統(tǒng)安全評價等級以后,還可以直觀通過各指標復合相對權(quán)重、評分來對該礦瓦斯防治系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進行整改,對煤礦瓦斯防治系統(tǒng)的改進和完善有著指導作用。