陽(yáng)建新，李發(fā)菊，段偉強(qiáng)

(1.海南地質(zhì)綜合勘察設(shè)計(jì)院，海南 海口 570002；2.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021；3.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050021)

0 引 言

煤炭是我國(guó)的主體能源和重要的工業(yè)原料，煤炭產(chǎn)業(yè)也是我國(guó)重要的能源支柱性產(chǎn)業(yè)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)平穩(wěn)快速發(fā)展以及國(guó)家能源安全穩(wěn)定供應(yīng)提供了有力保障[1-2]。然而，我國(guó)煤炭資源的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜且地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，造成開(kāi)采難度大、各類災(zāi)害頻發(fā)等問(wèn)題，給國(guó)家?guī)?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]?！笆濉逼陂g，在我國(guó)持續(xù)推進(jìn)煤炭供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革政策的背景下，煤炭行業(yè)通過(guò)設(shè)備智能化升級(jí)改造、加強(qiáng)從業(yè)人員培訓(xùn)與管理等手段，實(shí)現(xiàn)了煤礦安全生產(chǎn)形式的高速提升[4-5]。我國(guó)的原煤產(chǎn)量和百萬(wàn)噸死亡率的演化過(guò)程如圖1所示。

圖1 我國(guó)原煤產(chǎn)量和百萬(wàn)噸死亡率演化過(guò)程Fig.1 Evolution process of raw coal production and million ton mortality in China

煤礦生產(chǎn)全流程的潛在事故危險(xiǎn)源種類繁雜，安全生產(chǎn)管理要素眾多，主要包含人員要素、設(shè)備要素、環(huán)境要素、管理要素四方面[6-8]。因此，本文通過(guò)建立量化評(píng)價(jià)模型，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)管理水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以有效地掌握其安全生產(chǎn)管理現(xiàn)狀，對(duì)于提高煤礦的安全管理水平，避免由于安全管理失誤導(dǎo)致事故的發(fā)生有重要作用[9-12]。因此，本文參考了安全科學(xué)理論中的事故致因“4M”要素理論，從人員要素、設(shè)備要素、環(huán)境要素、管理要素四方面分析了礦山安全管理評(píng)價(jià)的影響因素，采用主成分分析法確定了各影響因素的權(quán)重，并結(jié)合優(yōu)劣勢(shì)距離法構(gòu)建了礦山安全管理評(píng)價(jià)模型，對(duì)陜西省北部榆神府礦區(qū)的六個(gè)典型煤礦的安全生產(chǎn)管理水平進(jìn)行了量化評(píng)價(jià)，對(duì)指導(dǎo)煤礦提升安全管理水平提供了一定的參考。

1 研究區(qū)概況

榆神府礦區(qū)位于陜西省榆林市北部，其地理坐標(biāo)為109°08′24″E～110°27′59″E，38°19′33″N～39°11′23″N，總面積為6 334 km2。榆神府礦區(qū)主要地形地貌為風(fēng)沙灘地、黃土丘陵、河流河谷，是我國(guó)陜北地區(qū)重要的煤炭能源與化工基地。礦區(qū)上覆地層自上而下分別由第四系風(fēng)積砂層(Q4)、離石黃土(Q2l)、保德紅土(N2b)、侏羅系安定組(J2a)、直羅組(J2z)、延安組(J2y)組成，主采煤層為2-2號(hào)煤層，典型地質(zhì)剖面如圖2所示。榆神府礦區(qū)范圍內(nèi)廣泛分布第四系薩拉烏蘇組風(fēng)積砂潛水含水層，該潛水含水層由湖相沉積細(xì)砂和中粗砂組成，結(jié)構(gòu)疏松、孔隙大、水資源豐富，滲透系數(shù)為1.75～3.44 m/d，埋藏深度為0.5～4.6 m。該潛水含水層是當(dāng)?shù)刂匾纳?、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水水源，也是維持地表植被生長(zhǎng)的生態(tài)用水，該潛水含水層的流向受下伏黃土層的控制，一般從礦區(qū)的東北向西南流動(dòng)。

圖2 榆神府礦區(qū)典型地質(zhì)剖面Fig.2 Typical geological profile of Yushenfu Mining Area

榆神府礦區(qū)煤炭資源稟賦條件優(yōu)越，但由于近些年連續(xù)的高強(qiáng)度開(kāi)采，各類生產(chǎn)安全事故時(shí)有發(fā)生，例如突水潰砂事故、機(jī)電事故、頂板事故、煤與瓦斯突出事故等，給煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)管理帶來(lái)了巨大的壓力。本文通過(guò)對(duì)榆神府礦區(qū)的六個(gè)典型的煤礦的深度調(diào)研，結(jié)合文獻(xiàn)資料的收集與整理，得到了各煤礦的安全生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，用于量化評(píng)價(jià)其安全管理水平。

2 煤礦安全生產(chǎn)管理評(píng)價(jià)因素體系

煤礦安全生產(chǎn)管理是一項(xiàng)涉及眾多因素的工作，煤礦的安全管理水平直接決定了該煤礦的安全形勢(shì)，尤其是在目前地殼淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤礦的開(kāi)采深度與開(kāi)采強(qiáng)度逐漸增加的情況下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前煤炭資源的開(kāi)采深度正在以5～10 m/a的速度向地殼深部進(jìn)軍[13]。進(jìn)入深部開(kāi)采后，開(kāi)采條件將更加復(fù)雜，如工作面的水壓升高、開(kāi)采擾動(dòng)范圍增大、溫度與濕度急劇升高，由此造成人員的有效工作時(shí)間減少、設(shè)備的故障率顯著升高，礦井深部涌水量也必將明顯增加，主要體現(xiàn)在煤層頂板來(lái)水量增加以及煤層底板水壓升高等，這些客觀因素導(dǎo)致煤礦的安全管理形勢(shì)將更加嚴(yán)峻。由此可見(jiàn)，煤礦安全生產(chǎn)管理對(duì)于保證煤炭資源的安全、高效開(kāi)采至關(guān)重要。

煤礦安全生產(chǎn)管理是一個(gè)涉及多學(xué)科、多要素的復(fù)雜過(guò)程，這就要求從事煤礦安全生產(chǎn)管理的人員要掌握多學(xué)科方向的理論知識(shí)，包括采礦、地質(zhì)、安全、機(jī)械、管理、經(jīng)濟(jì)等[14]。導(dǎo)致煤礦安全生產(chǎn)事故的發(fā)生的因素主要包括人為不安全行為(Men)、設(shè)備的不安狀態(tài)(Machinery)、環(huán)境的不良影響(Medium)、管理的欠缺(Management)，在安全科學(xué)理論中被稱為事故致因“4M”要素理論[15-16]。通過(guò)辨識(shí)煤礦事故系統(tǒng)要素，應(yīng)用于事故預(yù)防的戰(zhàn)略思維中，事故中“4M”是事故形成的致因，同時(shí)也是建立預(yù)防事故和安全保障系統(tǒng)的戰(zhàn)略因素。由此理論出發(fā)，本文從人員要素B1、設(shè)備要素B2、環(huán)境要素B3、管理要素B4四方面分析了礦山安全管理評(píng)價(jià)的影響因素，其中人員要素B1主要包含人員三違率C1、人員最高學(xué)歷C2、人員平均工齡C3、專業(yè)技術(shù)人員比例C4；設(shè)備要素B2主要包含機(jī)械化程度C5、設(shè)備的故障率C6、設(shè)備的維護(hù)周期C7、百萬(wàn)噸設(shè)備的價(jià)值C8、設(shè)備的更新改造率C9；環(huán)境要素B3主要包含礦井最大涌水量C10、粉塵最大濃度C11、瓦斯突出頻率C12、工作面溫度C13；管理要素B4主要包含安全制度完善率C14、安全措施完善率C15、安全培訓(xùn)周期C16、安全事故控制水平C17。圖3為煤礦安全管理評(píng)價(jià)因素體系，主要是參考和借鑒了文獻(xiàn)資料中對(duì)影響煤礦安全生產(chǎn)管理因素的分析，并進(jìn)行了相應(yīng)的整合處理[17-19]。

圖3 煤礦安全生產(chǎn)管理評(píng)價(jià)因素體系Fig.3 System of coal mine safety production management evaluation factors

3 PCA-TOPSIS耦合評(píng)價(jià)模型

3.1 PCA模型

主成分分析(principal component analysis，PCA)屬于一種數(shù)據(jù)降維的處理方法，可以將線性相關(guān)的原始變量重新整理為線性無(wú)關(guān)的新變量，其線性表達(dá)式見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：Y1，Y2，…，Ym為確定的主成分；αm1，αm2，…，αmn為不同因素的協(xié)方差矩陣特征值對(duì)應(yīng)的特征向量；X1，X2，…，Xn為各煤礦安全管理評(píng)價(jià)因素的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

各煤礦安全管理評(píng)價(jià)因素的權(quán)重計(jì)算見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：wj為第j個(gè)因素的權(quán)重；ci為第i個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率。

3.2 TOPSIS模型

TOPSIS模型是多目標(biāo)決策分析中常用的方法，也稱為優(yōu)劣勢(shì)距離法，該方法根據(jù)有限數(shù)量的評(píng)價(jià)對(duì)象與理想化目標(biāo)的接近程度來(lái)評(píng)價(jià)方案的優(yōu)劣程度[20]，其具體步驟如下所述。

1) 構(gòu)建加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。結(jié)合各煤礦安全管理評(píng)價(jià)因素的權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)化公式(式(3)和式(4))，構(gòu)建加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣見(jiàn)式(5)。

(5)

2) 確定評(píng)價(jià)因素正/負(fù)理想解。煤礦安全管理評(píng)價(jià)因素與煤礦的安全管理水平存在緊密的相關(guān)性。負(fù)相關(guān)因素的值越大，表明煤礦的安全管理水平越低；正相關(guān)因素的值越大，表明煤礦的安全管理水平越高。因此，發(fā)生安全管理事故的負(fù)理想解是正相關(guān)指數(shù)的最小值或負(fù)相關(guān)指數(shù)的最大值；發(fā)生安全管理事故的正理想解是正相關(guān)指數(shù)的最大值或負(fù)相關(guān)指數(shù)的最小值。 其確定公式見(jiàn)式(6)和式(7)。

(7)

3) 確定煤礦安全管理指數(shù)。 從第i個(gè)樣本到負(fù)理想和正理想的距離計(jì)算公式見(jiàn)式(8)和式(9)。

(9)

結(jié)合式(8)和式(9)確定煤礦安全管理指數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)式(10)。

(10)

式中，SMIi為第i個(gè)樣本的煤礦安全管理指數(shù)，該數(shù)值越大，表明該煤礦的安全生產(chǎn)管理水平越高。

4 煤礦安全生產(chǎn)管理水平評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)陜西省榆林市榆神府礦區(qū)六座煤礦的調(diào)研，結(jié)合文獻(xiàn)資料收集，得到了各煤礦的安全管理水平的主要影響因素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于量化評(píng)價(jià)其安全管理水平。通過(guò)分析所有影響煤礦安全生產(chǎn)水平的評(píng)價(jià)因素，可以得到人員三違率C1、設(shè)備的故障率C6、設(shè)備的維護(hù)周期C7、礦井最大涌水量C10、粉塵最大濃度C11、瓦斯突出頻率C12、工作面溫度C13、安全培訓(xùn)周期C16為成本型因素，即這些因素越小，表明煤礦的安全生產(chǎn)管理水平越高；人員最高學(xué)歷C2、人員平均工齡C3、專業(yè)技術(shù)人員比例C4、機(jī)械化程度C5、百萬(wàn)噸設(shè)備的價(jià)值C8、設(shè)備的更新改造率C9、安全制度完善率C14、安全措施完善率C15、安全事故控制水平C17為效益型因素，即這些評(píng)價(jià)因素的值越大，表明煤礦安全生產(chǎn)管理水平越高。

采用SPSS軟件的因子分析模塊進(jìn)行分析，采用主成分法提取公因子，應(yīng)用最大方差旋轉(zhuǎn)法對(duì)因子模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。計(jì)算得到的主成分解釋方差貢獻(xiàn)率及主成分得分系數(shù)矩陣見(jiàn)表1和表2。由表1和表2可知，以特征值為1作為選取標(biāo)準(zhǔn)，可提取四個(gè)主成分，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了97.464%，表明所提取的主成分已經(jīng)包含了絕大多數(shù)原始數(shù)據(jù)，可以滿足主成分分析的要求。通過(guò)PCA模型的計(jì)算公式(式(2))可得煤礦安全生產(chǎn)管理評(píng)價(jià)因素的權(quán)重值見(jiàn)表3。

表1 主成分解釋方差貢獻(xiàn)率Table 1 Principal component decomposition variance contribution rate

依據(jù)PCA模型得到的各個(gè)煤礦安全生產(chǎn)管理水平評(píng)價(jià)因素的權(quán)重值，通過(guò)式(3)和式(4)可得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，見(jiàn)表4。其中，效益型因素采用式(3)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，成本型因素采用式(4)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。 然后，根據(jù)式(6)和式(7)可獲得所評(píng)價(jià)的六個(gè)煤礦的正/負(fù)理想解集合，分別為：D+=(0.621，0.663，0.583，0.515，0.540，0.685)和D-=(0.628，0.631，0.646，0.722，0.745，0.615)。采用式(10)計(jì)算相對(duì)接近度，本文將其定義為煤礦的安全管理指數(shù)SMI，用來(lái)量化表征煤礦的安全生產(chǎn)管理水平，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表2 主成分得分系數(shù)矩陣Table 2 Principal component score coefficient matrix

表3 PCA模型計(jì)算得到的各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重Table 3 Weights of each evaluation factor calculated by PCA model

表4 加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Table 4 Weighted standardization matrix

表5 PCA-TOPSIS模型評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果Table 5 Evaluation and calculation results of PCA-TOPSIS model

所定義的煤礦安全管理指數(shù)SMI的取值范圍為0～1，其中0≤SMI<0.25，則煤礦的安全管理水平為差；0.25≤SMI<0.50，則煤礦的安全管理水平為中；0.50≤SMI<0.75，則煤礦的安全管理水平為良；0.75≤SMI<1.00，則煤礦的安全管理水平為優(yōu)。由圖4和圖5可知，本次調(diào)研的陜西榆神府礦區(qū)范圍內(nèi)六個(gè)典型煤礦的SMI分布在0.473～0.584之間。通過(guò)SMI的分布可以看出，煤礦1、煤礦3、煤礦4、煤礦5的安全管理水平為良，煤礦2、煤礦6的安全管理水平為中；煤礦4的安全管理水平最好，煤礦6的安全管理水平最差。各個(gè)煤礦的安全管理水平排序?yàn)槊旱V4>煤礦5>煤礦3>煤礦1>煤礦2>煤礦6。

圖4 基于PCA-TOPSIS耦合模型的正/負(fù)理想解距離Fig.4 Positive and negative ideal solution distance based on PCA-TOPSIS coupling model

圖5 各評(píng)價(jià)煤礦的安全管理指數(shù)分布Fig.5 Safety management index distribution of each evaluated coal mine

由此可見(jiàn)，研究區(qū)內(nèi)六個(gè)煤礦的安全生產(chǎn)管理水平總體處于較好的水平。但是，通過(guò)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煤礦2和煤礦6存在工作面溫度通風(fēng)不良問(wèn)題，導(dǎo)致工作面溫度偏高；員工平均工齡較低，較為年輕化，且員工的安全培訓(xùn)周期偏短，導(dǎo)致SMI偏低。 因此，煤礦2和煤礦6應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)年輕員工的安全培訓(xùn)和完善工作面的通風(fēng)系統(tǒng)，以提升安全管理水平。

5 結(jié) 論

煤礦的安全管理是一個(gè)涉及人員、設(shè)備、環(huán)境、管理等多方面的復(fù)雜系統(tǒng)。本文通過(guò)全面分析影響煤礦安全生產(chǎn)管理水平的因素，并采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行量化分析，對(duì)陜北榆神府礦區(qū)范圍內(nèi)六個(gè)典型煤礦的安全生產(chǎn)管理水平進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到的主要結(jié)論如下所述。

1) 基于事故致因“4M”要素理論，本文從人員要素、設(shè)備要素、環(huán)境要素、管理要素四方面總結(jié)了影響煤礦安全生產(chǎn)管理水平的17個(gè)因素，并對(duì)其進(jìn)行了量化處理。

2) 本文建立了煤礦安全生產(chǎn)管理的PCA-TOPSIS耦合模型，通過(guò)PCA模型得到了17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，代入TOPSIS模型后得到了六個(gè)煤礦的安全管理指數(shù)SMI。

3) 本文所評(píng)價(jià)的陜西榆神府礦區(qū)六個(gè)典型煤礦的SMI分布在0.473～0.584之間，各個(gè)煤礦的安全管理水平排序?yàn)槊旱V4>煤礦5>煤礦3>煤礦1>煤礦2>煤礦6。

4) 煤礦2和煤礦6應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)年輕員工的安全培訓(xùn)和完善工作面的通風(fēng)系統(tǒng)，以提升其安全生產(chǎn)管理水平。