楊 洋，顏愛華，王國棟，侯蕊芳，程斌斌

(應(yīng)急管理部研究中心，北京 100013)

煤炭資源在地下賦存以及開采過程中會(huì)造成煤自燃，從而造成煤礦火災(zāi)事故[1]。為了預(yù)防煤礦火災(zāi)事故的發(fā)生，煤礦會(huì)布置防滅火系統(tǒng)[2]防止煤火的發(fā)生并預(yù)警和防止煤火擴(kuò)散[3]，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要的作用，因此需要進(jìn)行可靠性分析。目前，煤礦防滅火系統(tǒng)的分析研究主要包括防滅火措施和評(píng)價(jià)兩個(gè)方面。在防滅火措施方面，采用的有惰性氣體防滅火[4]、阻化劑防滅火[5]、注漿防滅火[6]、均壓防滅火措施[7]等。依據(jù)成莊煤礦賦存情況、煤燃燒特性及煤礦地質(zhì)情況，分析了成莊煤礦防滅火系統(tǒng)中存在的問題[8]。神東針對(duì)礦區(qū)淺埋易自燃煤層特點(diǎn)，建立了特大井田淺埋深易自燃煤層自燃災(zāi)害防治的技術(shù)體系，消除煤炭自燃威脅[9]。烏蘭煤礦根據(jù)采空區(qū)達(dá)到惰化濃度、噸煤注氮量、采空區(qū)氧化帶氧濃度等方法對(duì)注氮量進(jìn)行了核算，對(duì)現(xiàn)有注氮管路進(jìn)行了改造[10]?？梢钥闯鲆陨厦旱V都是根據(jù)煤礦實(shí)際情況對(duì)煤礦防滅火系統(tǒng)選用合理的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。在煤礦防滅火系統(tǒng)評(píng)價(jià)方面，主要采用層次分析法和德爾菲法(定性分析)、灰色理論法(半定性定量分析)以及模糊綜合評(píng)價(jià)(定量分析)開展相關(guān)研究。陳思遠(yuǎn)[11]以模糊理論為基礎(chǔ)，利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)億隆煤業(yè)的人員素質(zhì)、安全管理、通風(fēng)安全等6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。翟繼云[12]通過運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)抗火災(zāi)能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最后優(yōu)化均壓措施提高抗火災(zāi)能力。陳小林[13]和韓文彬[14]基于層次分析法，對(duì)工作自然發(fā)火影響因素進(jìn)行了理論分析，得到火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)階段性多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法。翟小偉結(jié)合系統(tǒng)工程原理構(gòu)建煤自燃危險(xiǎn)性影響因素的結(jié)構(gòu)方程模型，并基于該模型對(duì)煤自燃危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[15]。然而，由于煤礦火災(zāi)系統(tǒng)的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，采用單一評(píng)價(jià)方法難以滿足評(píng)價(jià)需求，需采用綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過以上文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煤礦防滅火系統(tǒng)不只是防火措施，而是“人-機(jī)-環(huán)-管”的綜合性系統(tǒng)，因此要對(duì)煤礦防滅火系統(tǒng)建立一個(gè)合理的評(píng)價(jià)體系，對(duì)其進(jìn)行綜合性的可靠性分析。因此，本文通過FAHP-MODM可靠性評(píng)價(jià)方法，通過對(duì)構(gòu)建的煤礦防滅火系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從主觀和客觀兩個(gè)方面進(jìn)行綜合性的可靠性評(píng)價(jià)，為煤礦安全生產(chǎn)提供理論支持。

1 FAHP-MODM可靠性評(píng)價(jià)

1.1 可靠性評(píng)價(jià)

FAHP-MODM是一種將模糊層次分析法和多目標(biāo)決策方法進(jìn)行綜合的系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法。模糊層次分析法[16](Fuzzy Analytic Hierarchy Process，F(xiàn)AHP)，是一種將定性與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的主觀評(píng)價(jià)模型，主要依賴于專家的主觀認(rèn)識(shí)在體系評(píng)價(jià)、系統(tǒng)優(yōu)化、能力評(píng)估方面廣泛應(yīng)用；而多目標(biāo)決策分析[17](Multi-Objective Decision-Making，MODM)，是通過系統(tǒng)中每一個(gè)指標(biāo)體系具體的信息量的大小以及各指標(biāo)在實(shí)際過程中體現(xiàn)出來的信息量值，對(duì)綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。因此，通過將FAHP和MODM方法進(jìn)行綜合使用，可以對(duì)所評(píng)價(jià)的系統(tǒng)從主觀方面和客觀方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，互補(bǔ)他們之前的短板，使評(píng)價(jià)結(jié)果合理可行，可靠性評(píng)價(jià)的流程如圖1所示。

圖1 FAHP-MODM可靠性評(píng)價(jià)方法的流程

1.2 FAHP的評(píng)價(jià)過程

模糊層次分析法(FAHP)，一般先用層次分析法確定因素集，然后通過模擬綜合評(píng)價(jià)確定評(píng)判的效果。在進(jìn)行評(píng)價(jià)前需要對(duì)所要評(píng)價(jià)的系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)因素之間的層次關(guān)系，形成系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。隨后，需要專家根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)體系同一層級(jí)的指標(biāo)字表進(jìn)行兩兩比較，確定他們之間的相互層級(jí)關(guān)系，構(gòu)建判斷矩陣。兩兩比較的原則是通過三角模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行標(biāo)定[18]。

為了保證后續(xù)計(jì)算和排序的準(zhǔn)確性，構(gòu)建的判斷矩陣需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，具體方法可參考文獻(xiàn)[19]。一致性檢驗(yàn)合格之后，按照判斷矩陣計(jì)算出各層次中各個(gè)因素的重要性排序，一般計(jì)算方法分為特征根法和方根法。將計(jì)算出來的結(jié)果按照式(1)進(jìn)行歸一化處理得到各因素的權(quán)重向量w=(w1，w2，…，wn)。

通過以上計(jì)算可以得到系統(tǒng)中相同層級(jí)各因素的權(quán)重值，為了得到層次總排序，特別是最低層次各因素在系統(tǒng)中的總排序權(quán)重，即主觀權(quán)重，需要通過式(2)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

w主觀i=wi×w上層i

(2)

式中，w主觀i為第i個(gè)因素的主觀權(quán)重值；w上層i為第i個(gè)因素的上層指標(biāo)權(quán)重值。

1.3 MODM的評(píng)價(jià)過程

多目標(biāo)決策分析(MODM)是通過信息決策中各因素的信息量的大小來判斷其在整個(gè)決策中的權(quán)重值。在決策中，如果一個(gè)因素的信息量越多，則這個(gè)因素相對(duì)于“優(yōu)”的程度越大，在信息中越起作用，相對(duì)優(yōu)屬度越高。而對(duì)于系統(tǒng)中，各因素的相對(duì)優(yōu)屬度相對(duì)于“優(yōu)”的程度越大，則這個(gè)因素相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)對(duì)可靠性的程度越高。一般情況下，相對(duì)優(yōu)屬度一般分為四個(gè)目標(biāo)類型，分別是效益型、成本型、固定型和區(qū)間型[20]。而各因素在系統(tǒng)中根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)每個(gè)指標(biāo)賦值來形成目標(biāo)矩陣F，通過每個(gè)類型不同的轉(zhuǎn)化方法將目標(biāo)矩陣轉(zhuǎn)化為相對(duì)優(yōu)屬度矩陣μ，具體每個(gè)類型的概念及轉(zhuǎn)化方法可參考文獻(xiàn)[20]。

設(shè)有n個(gè)項(xiàng)目，涉及m個(gè)子因素，對(duì)于第i個(gè)項(xiàng)目的第j個(gè)子因素用fij表示，設(shè)初始數(shù)據(jù)目標(biāo)矩陣為F={fij}m×n，則經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化公式處理后得到相對(duì)優(yōu)屬度矩陣U={μij}m×n。

模糊層次分析法所得出的各個(gè)指標(biāo)數(shù)值都是通過專家偏好進(jìn)行主觀確定的，因此具有一定的主觀特性。而多目標(biāo)決策分析方法的各個(gè)指標(biāo)都是客觀實(shí)際反映出來的，不存在主觀性，故該方法得出來的指標(biāo)權(quán)重為客觀權(quán)重。計(jì)算多目標(biāo)決策的客觀權(quán)重一般采用的是離差最大化方法得出，由相對(duì)優(yōu)屬度矩陣U得出其中指標(biāo)i的客觀權(quán)重vi為：

式中，j和k為不同觀測(cè)點(diǎn)；|μij-μik|為第i個(gè)指標(biāo)，觀測(cè)點(diǎn)j與觀測(cè)點(diǎn)k優(yōu)屬度偏差。

1.4 綜合可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

FAHP-MODM是結(jié)合模糊層次分析法的主觀權(quán)重和多目標(biāo)決策方法的客觀權(quán)重。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，需要將這些主觀權(quán)重和客觀權(quán)重有機(jī)地結(jié)合起來，從而得出各個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重ai：

然后通過多目標(biāo)決策法的線性加權(quán)和方法計(jì)算各個(gè)決策的綜合指標(biāo)yj：

最后再通過各個(gè)決策的綜合指標(biāo)yj的大小值進(jìn)行排序得出每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的等級(jí)。

2 煤礦防滅火系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

2.1 煤礦防滅火系統(tǒng)

煤礦防滅火系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，單一從設(shè)備設(shè)施進(jìn)行分析具有片面性，不能全面地體現(xiàn)煤礦防滅火系統(tǒng)的整體性能。同時(shí)，2022年我國頒布了一部綜合性的煤礦火災(zāi)防治規(guī)范性文件，即2022版本《煤礦防滅火細(xì)則》，從煤礦火災(zāi)發(fā)生的內(nèi)外因素、火災(zāi)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、防火技術(shù)、應(yīng)急處置、井下火區(qū)管理和露天煤礦防滅火七個(gè)方面對(duì)煤礦火災(zāi)防治提出了規(guī)范性要求。而按照安全系統(tǒng)工程理論，可以將以上規(guī)范性要求從“人-機(jī)-環(huán)-管”四個(gè)方面、按照系統(tǒng)分析、與研究對(duì)象緊密結(jié)合、可操作性進(jìn)行系統(tǒng)性、規(guī)范化的基本原則劃分，參考有關(guān)煤礦防滅火系統(tǒng)的研究論文[21-23]，并基于此進(jìn)行FAHP-MODM的可靠性分析。

1)人主要是指煤礦的作業(yè)人員和管理人員對(duì)防滅火系統(tǒng)的了解和使用中表現(xiàn)出來的整體安全素質(zhì)，主要包括了安全操作考核成績(jī)、應(yīng)急處置考核成績(jī)、設(shè)備故障處理合格率三個(gè)方面。

2)機(jī)主要是指防滅火系統(tǒng)中涉及的設(shè)備設(shè)施方面，每個(gè)煤礦根據(jù)各自的情況采用不同的防滅火系統(tǒng)，因此本文的防滅火設(shè)備設(shè)施指的是煤礦防滅火設(shè)備設(shè)施總和，概括起來主要包括防火系統(tǒng)設(shè)施、滅火系統(tǒng)設(shè)施、煤自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)施。

3)環(huán)主要是指煤礦下的作業(yè)環(huán)境及煤本身自燃特性，主要包括了采空區(qū)煤的破碎程度、采空區(qū)的漏風(fēng)率、工作面溫度、工作面氧氣濃度、回風(fēng)巷一氧化碳濃度、回風(fēng)巷二氧化碳濃度。

4)管主要是指根據(jù)法律法規(guī)要求制定的煤礦防滅火方面的規(guī)章制度，主要包括應(yīng)急救援預(yù)案、煤礦防滅火專項(xiàng)設(shè)計(jì)、安全生產(chǎn)費(fèi)用支出制度、設(shè)備設(shè)施檢查。

2.2 煤礦防滅火系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

通過上節(jié)對(duì)煤礦防滅火系統(tǒng)的整體劃分，可以進(jìn)一步構(gòu)建煤礦防滅火系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將一級(jí)指標(biāo)層定義為煤礦防滅火系統(tǒng)可靠性，即目標(biāo)層；二級(jí)指標(biāo)層劃分為員工安全素質(zhì)、防火系統(tǒng)設(shè)施、煤火系統(tǒng)設(shè)施等8個(gè)指標(biāo)；三級(jí)指標(biāo)層在二級(jí)指標(biāo)層的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)分為28個(gè)指標(biāo)，具體見表1。

通過上文確定的煤礦防滅火系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，基于《中華人民共和國礦山安全法》《國務(wù)院關(guān)于預(yù)防煤礦生產(chǎn)安全事故的特別規(guī)定》《煤礦安全規(guī)程》《煤礦防滅火細(xì)則》相關(guān)規(guī)定，可以確定每個(gè)三級(jí)指標(biāo)的目標(biāo)類型和等級(jí)界限，為構(gòu)建目標(biāo)決策矩陣和進(jìn)行可靠性等級(jí)的劃分提供客觀數(shù)值依據(jù)，其中Ⅰ級(jí)為非?？煽俊ⅱ蚣?jí)為很可靠、Ⅲ級(jí)為可靠、Ⅳ級(jí)為不可靠、Ⅴ級(jí)為很不可靠。同時(shí)，按照上述FAHP評(píng)價(jià)方法，通過文獻(xiàn)調(diào)研對(duì)每個(gè)煤礦防滅火系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行分析計(jì)算，得到每個(gè)三級(jí)指標(biāo)的主觀權(quán)重，為最終計(jì)算綜合權(quán)重提供依據(jù)。

通過煤礦防滅火系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)表，按照第一節(jié)中的方法就可以對(duì)需要進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)的煤礦防滅火系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，得到每個(gè)評(píng)價(jià)點(diǎn)的可靠性等級(jí)，發(fā)現(xiàn)本煤礦的防滅火系統(tǒng)中存在的問題，并采取相應(yīng)的措施。

表1 煤礦防滅火系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 煤礦防滅火系統(tǒng)可靠性計(jì)算

按照上文的方法，選取了5個(gè)煤礦在防滅火各方面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)煤礦防滅火系統(tǒng)進(jìn)行可靠性計(jì)算及分析。各煤礦防滅火系統(tǒng)的指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值見表2。各指標(biāo)的主觀權(quán)重值在表1中已經(jīng)標(biāo)出，則需要計(jì)算各指標(biāo)的客觀權(quán)重值，隨后計(jì)算出各個(gè)煤礦的可靠性指標(biāo)，提出針對(duì)性的意見。

首先，要計(jì)算相對(duì)優(yōu)屬度矩陣，并得到主觀權(quán)重值。將表2中各煤礦的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建目標(biāo)決策矩陣F，按照表1中各指標(biāo)的類型，將目標(biāo)決策矩陣F轉(zhuǎn)化為相對(duì)優(yōu)屬度矩陣U。基于相對(duì)優(yōu)屬度矩陣按照式(3)計(jì)算出在此次可靠性分析中煤礦防滅火系統(tǒng)的客觀權(quán)重vi。

其次，計(jì)算綜合權(quán)重值。通過以上計(jì)算得到此次可靠性分析中煤礦防滅火系統(tǒng)的主觀權(quán)重wi和客觀權(quán)重vi，按照式(4)計(jì)算出綜合權(quán)重ai，結(jié)果見表3。

最后，計(jì)算各煤礦防滅火系統(tǒng)的可靠性綜合評(píng)價(jià)值。根據(jù)對(duì)各煤礦防滅火系統(tǒng)的主客觀權(quán)重，計(jì)算得到綜合權(quán)重值，即相對(duì)優(yōu)屬度矩陣，按照式(6)計(jì)算得到各煤礦防滅火系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)值：

y=[y1，y2，…，y9，y10]=

[0.8683，0.7734，0.6090，0.4697，0.3928，

0.4985，0.5875，0.5622，0.6498，0.8310]

(6)

其中，前五個(gè)值分別表示五個(gè)可靠性等級(jí)的邊界值，分別是Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ等級(jí)。后五個(gè)值分別表示五個(gè)煤礦防滅火系統(tǒng)的可靠性等級(jí)。按照計(jì)算得到的結(jié)果，可以對(duì)五個(gè)煤礦在防滅火系統(tǒng)方面的可靠性等級(jí)進(jìn)行排序，即Ⅰ>煤礦5>Ⅱ>煤礦4>Ⅲ>煤礦2>煤礦3>Ⅳ>煤礦1>Ⅴ。

表2 各煤礦防滅火系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表3 煤礦防滅火系統(tǒng)主觀、客觀及綜合權(quán)重值

通過以上計(jì)算可以得到，各煤礦防滅火系統(tǒng)的可靠性等級(jí)：煤礦1很不可靠、煤礦2和煤礦3為不可靠、煤礦4為可靠、煤礦5為很可靠。

3.2 煤礦防滅火系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果分析

通過以上對(duì)5個(gè)煤礦防滅火系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)，得出了各個(gè)煤礦的可靠性等級(jí)，其中煤礦1、煤礦2和煤礦3為不可靠，煤礦4和煤礦5為可靠。從表3中可以看出，每個(gè)煤礦在各項(xiàng)指標(biāo)中均存在較大的差異性，對(duì)各煤礦的評(píng)價(jià)結(jié)果分析如下：

1)煤礦2和煤礦3煤的吸氧量和松散程度較高，采空區(qū)一氧化碳濃度高，較容易發(fā)生煤自燃。同時(shí)，這兩個(gè)煤礦的設(shè)備設(shè)施在檢修率、合格率、設(shè)備穩(wěn)定性等方面效率較低，安全生產(chǎn)費(fèi)用投資低，導(dǎo)致防滅火系統(tǒng)的可靠性低。

2)煤礦1主要是員工素質(zhì)不高、監(jiān)控系統(tǒng)可靠性指標(biāo)較低，工作面的環(huán)境較差，雖然管理較為完善，但最終評(píng)價(jià)為不可靠，需要加強(qiáng)對(duì)煤礦防滅火系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

3)煤礦4和煤礦5整體員工素質(zhì)較高、管理較為完善，雖然設(shè)備設(shè)施的可靠性不高，防滅火系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果為可靠。

煤礦企業(yè)可以針對(duì)以上評(píng)價(jià)結(jié)果，采取相應(yīng)整改措施提高防滅火系統(tǒng)的可靠性防止事故的發(fā)生。

最后，F(xiàn)AHP-MODM可靠性評(píng)價(jià)方法從主觀和客觀兩個(gè)方面對(duì)煤礦的防滅火系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。如果單一從一個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)具有一定的局限性，不能充分考慮不同指標(biāo)的重要性以及各指標(biāo)在煤礦實(shí)際運(yùn)行情況，而各指標(biāo)之間也是相互關(guān)聯(lián)的，最終會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確無法采取有效的整改措施。

4 結(jié) 論

1)通過安全系統(tǒng)工程的“人-機(jī)-環(huán)-管”四個(gè)方面，構(gòu)建了煤礦防滅火系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。按照相關(guān)法律法規(guī)的要求，對(duì)每個(gè)指標(biāo)的可靠性等級(jí)進(jìn)行了劃分。通過FAHP方法，計(jì)算了每個(gè)指標(biāo)的主觀權(quán)重值。

2)通過FAHP-MODM可靠性評(píng)價(jià)方法，以5個(gè)煤礦為實(shí)例，通過計(jì)算防滅火可靠性介紹該評(píng)價(jià)方法的具體過程和方法。

3)通過煤礦防滅火系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)結(jié)果以及實(shí)際指標(biāo)值，對(duì)每個(gè)煤礦在防滅火系統(tǒng)方面的改進(jìn)措施提出了意見，為煤礦企業(yè)在實(shí)際應(yīng)用中提供了理論指導(dǎo)。