趙 雙,張瑞林,周銀波,田坤云 ,盧格格

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454003; 2.河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院,鄭州 451191; 3.周口技師學(xué)院,河南 周口 466000)

在礦井開采作業(yè)過程中,煤層瓦斯一直是極易引發(fā)安全事故的重大隱患。當(dāng)作業(yè)環(huán)境中的瓦斯含量過高時(shí),會影響到作業(yè)人員的呼吸,造成瓦斯中毒甚至窒息,并且極易引發(fā)爆炸。礦井瓦斯抽采是預(yù)防瓦斯災(zāi)害行之有效的治理方法,然而隨著礦井開采年限和開采深度的增加,瓦斯抽采作業(yè)也愈加復(fù)雜,抽采過程中的風(fēng)險(xiǎn)越來越高[1-4]。因此,提高瓦斯抽采過程中的風(fēng)險(xiǎn)管控對礦井安全作業(yè)具有很大意義。

模糊綜合評價(jià)法(Fuzzy Comprehensive Evaluation,FCE)是一種可以將邊界比較模糊的因素量化,從多個(gè)因素對事物進(jìn)行分析的方法。層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是一種將復(fù)雜系統(tǒng)分層,通過對影響因素的比較判斷構(gòu)建矩陣,計(jì)算相應(yīng)的權(quán)重,從而得出結(jié)論的方法[5]。二者結(jié)合可以定量、分層次分析問題,使分析結(jié)構(gòu)更加科學(xué),分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。二者在風(fēng)險(xiǎn)管控領(lǐng)域應(yīng)用廣泛并取得了有效成果。云峰等[6]就瓦斯隧道穿越煤層施工問題,運(yùn)用模糊層次分析法構(gòu)建了相應(yīng)的安全評價(jià)體系,對工程的安全、快速推進(jìn)具有指導(dǎo)作用。申嘉輝等[7]運(yùn)用層次分析法和模糊分析法對某?；肺锪鞴镜陌踩珷顩r進(jìn)行了定量分析,得出安全制度、?；饭逃形：?、設(shè)備固有危害是影響安全的主要因素,對企業(yè)安全管控重心工作安排具有重要意義。房婷等[8]運(yùn)用層次分析法和模糊分析法對礦山安全應(yīng)急體系進(jìn)行了系統(tǒng)分析,并根據(jù)結(jié)果提出若干措施,提高了礦山安全應(yīng)急體系的科學(xué)性和完善性。任浩[9]研究了礦井的通風(fēng)系統(tǒng),并運(yùn)用層次分析法和模糊分析法對幾種不同的采掘方案進(jìn)行分析,根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定了最優(yōu)方案。還有許多學(xué)者使用層次分析法在瓦斯抽采基礎(chǔ)條件、順層鉆孔抽采、瓦斯爆炸數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了分層加權(quán)分析,均取得了一定的研究成果[10-14]。

綜上所述,層次分析法和模糊分析法在風(fēng)險(xiǎn)管控方面應(yīng)用廣泛,但在瓦斯抽采風(fēng)險(xiǎn)管控方面缺乏細(xì)致研究。本文對瓦斯抽采過程中存在的安全隱患進(jìn)行整理并細(xì)致分層,進(jìn)而通過層次分析法和模糊分析法量化分析,根據(jù)分析結(jié)果對瓦斯抽采風(fēng)險(xiǎn)管控給出針對性的建議,有助于提高井下瓦斯抽采風(fēng)險(xiǎn)管控水平。

1 分析原理

1.1 層次分析法基本原理

層次分析法的基本原理是通過分層、比較和加權(quán)的方式,將一個(gè)復(fù)雜的決策問題分解為多個(gè)層次,并對各個(gè)層次的因素進(jìn)行定量分析和評估。具體步驟如下。

1.1.1建立判斷矩陣

(1)

式中:Kij為所屬同一個(gè)層次的兩個(gè)因素重要性比值,根據(jù)對比判斷重要性的不同,比值分別用1～9表示,兩兩對比判斷構(gòu)成上述矩陣。比值賦予準(zhǔn)則如表1所示。

表1 比值賦予準(zhǔn)則Table 1 Ratio assignment criteria

1.1.2權(quán)重計(jì)算方法

采用方根法計(jì)算權(quán)重,具體計(jì)算方法如下:

(2)

式中:Pi為判斷矩陣的歸一化元素,其計(jì)算方法如下:

(3)

式中:bi為每行元素乘積,具體計(jì)算方法如下:

(4)

1.1.3計(jì)算結(jié)果檢驗(yàn)

檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果是否正確,可以通過計(jì)算矩陣的最大特征根λmax來判定:

(5)

式中:K為判斷矩陣;Wi為指標(biāo)層中元素的權(quán)重向量。

然后進(jìn)行一致性檢驗(yàn),具體方法如下:

(6)

式中:IC為平均一致性指標(biāo);IR為隨機(jī)一致性指標(biāo);n為判斷矩陣階數(shù)。

查表2可得,RC為一致性比率,當(dāng)滿足RC<0.1時(shí),一致性檢驗(yàn)通過,計(jì)算結(jié)果正確。

表2 IR的對照取值Table 2 The control value of the IR

1.2 模糊綜合評價(jià)法分析原理

模糊綜合評價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)理論的評價(jià)方法,用于處理具有不確定性和模糊性的決策問題。通常用于多指標(biāo)、多因素的綜合評價(jià),通過將定性和定量指標(biāo)轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)值,然后進(jìn)行模糊運(yùn)算和模糊推理,最終得出評價(jià)結(jié)果。具體計(jì)算步驟如下。

1.2.1建立評價(jià)對象和評語集

1)評價(jià)對象P=(P1,P2,…,Pn).

2)評語集是評價(jià)對象所涉及因素的對應(yīng)等級,結(jié)合瓦斯抽采風(fēng)險(xiǎn)管控實(shí)際,擬定風(fēng)險(xiǎn)等級見表3所示。

表3 抽采作業(yè)影響因素風(fēng)險(xiǎn)等級Table 3 Risk levels of influencing factors of extraction

1.2.2建立模糊綜合評價(jià)因素等級矩陣

根據(jù)抽采工作實(shí)際,每個(gè)因素都分為3個(gè)等級。根據(jù)建立的評語集,咨詢相關(guān)專家對每個(gè)因素的不同等級進(jìn)行評定。各因素與因素等級、評語集一起構(gòu)成一個(gè)模糊映射,形成的因素等級矩陣R為:

(7)

式中:Rij為因素等級矩陣R中每個(gè)評價(jià)對象對于評判集的隸屬度,其含義為當(dāng)因素i處于j等級時(shí),對應(yīng)評價(jià)結(jié)論的影響。

1.2.3模糊綜合評價(jià)計(jì)算

各因素權(quán)重集可采用層次分析法確定。層次分析的具體方法和計(jì)算結(jié)果見上文?；谀：儞Q原理,對與評價(jià)對象相關(guān)的各因素作綜合評價(jià),則模糊綜合評價(jià)集為:

C=Wi·R.

(8)

式中:Wi為對應(yīng)層次分析法各因素權(quán)重向量;R為因素等級矩陣。

最后,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,通過最大隸屬度原則做出評價(jià)。

2 理論計(jì)算結(jié)果

2.1 層次分析法理論計(jì)算結(jié)果

瓦斯抽采工作復(fù)雜,危險(xiǎn)因素多,在抽采過程中易發(fā)生安全事故,所以其風(fēng)險(xiǎn)管控具有重要意義。將瓦斯抽采風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為3大類:作業(yè)人員因素,作業(yè)設(shè)備因素,管理措施因素。在此基礎(chǔ)上對各個(gè)因素進(jìn)行分析評價(jià),咨詢相關(guān)專家意見劃分出二級指標(biāo),具體層次結(jié)構(gòu)見表4所示。

表4 瓦斯抽采風(fēng)險(xiǎn)管控AHP層次結(jié)構(gòu)Table 4 AHP hierarchy structure of risk control of gas extraction

一級指標(biāo)層中各因素之間兩兩對比,構(gòu)建一級指標(biāo)的判斷矩陣K,結(jié)果如表5所示。

一級指標(biāo)各因素的權(quán)重向量計(jì)算過程如下。

每行元素乘積為:

歸一化矩陣為:

根據(jù)公式(2)得到權(quán)重向量為:

根據(jù)公式(5)計(jì)算得到最大特征根:

λmax=3.018 5

根據(jù)式(6)計(jì)算檢驗(yàn)RC=0.015<0.1,滿足一致性,表明指標(biāo)合理有效。

進(jìn)一步構(gòu)建二級指標(biāo)層元素之間的判斷矩陣,分別如表6、表7和表8所示。

表6 作業(yè)人員因素判斷矩陣Table 6 Judgment matrix of operators

表7 作業(yè)設(shè)備因素判斷矩陣Table 7 Judgment matrix of operation equipment

表8 管理措施因素判斷矩陣Table 8 Judgment matrix of management measures

進(jìn)一步對作業(yè)人員因素、作業(yè)設(shè)備因素和管理措施因素的二級指標(biāo)層元素的權(quán)重向量進(jìn)行分析,可得到各因素指標(biāo)的權(quán)重向量。

作業(yè)人員因素:

作業(yè)設(shè)備因素:

管理措施因素:

各因素二級指標(biāo)層的RC值均滿足一致性,表明判斷矩陣數(shù)據(jù)合理有效。

模型計(jì)算結(jié)果顯示,在瓦斯抽采風(fēng)險(xiǎn)管控的一級指標(biāo)因素中,抽采設(shè)施所占權(quán)重較大,其權(quán)重值為0.558 5;其次為管理措施,其權(quán)重值為0.319 6。二級指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果顯示,在作業(yè)人員因素中最重要的是操作規(guī)范,權(quán)重為0.417 1;在作業(yè)設(shè)備因素中最重要的是抽采設(shè)備,權(quán)重為0.451 9;在管理措施因素中瓦斯監(jiān)控與監(jiān)測權(quán)重為0.539 3。

因此,根據(jù)層次分析法計(jì)算結(jié)果,瓦斯抽采風(fēng)險(xiǎn)管控的進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)從設(shè)備設(shè)施、管理措施中進(jìn)行改進(jìn),其中的重點(diǎn)又應(yīng)放在抽采設(shè)備、員工按規(guī)章作業(yè)、加強(qiáng)瓦斯監(jiān)控監(jiān)測等方面。

2.2 綜合模糊分析法理論計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表4所示的結(jié)構(gòu)劃分,在對某礦進(jìn)行實(shí)地考察后發(fā)現(xiàn),煤礦企業(yè)普遍存在著未能定期檢修、維護(hù)和保養(yǎng)瓦斯抽采設(shè)備的問題,這導(dǎo)致了抽采設(shè)備存在潛在的“帶病”運(yùn)行隱患。此外,還發(fā)現(xiàn)企業(yè)的管理人員對于安全應(yīng)急管理措施重視程度不高,且很少對作業(yè)員工進(jìn)行培訓(xùn)和演練。綜合考量以上相關(guān)情況,邀請專家進(jìn)行評分,評分結(jié)果見表9所示。

表9 一級指標(biāo)層判斷矩陣Table 9 Judgment matrix of first-level indicators

二級指標(biāo)層結(jié)合相關(guān)實(shí)際,同樣邀請員工及專家打分,結(jié)果如表10所示。

則一級指標(biāo)的評價(jià)集的計(jì)算過程和結(jié)果為:

式中:WA、WB、WC分別為作業(yè)人員因素、作業(yè)設(shè)備因素、管理措施因素的權(quán)重向量;RA、RB、RC分別為作業(yè)人員因素、作業(yè)設(shè)備因素、管理措施因素的判斷矩陣。

綜合模糊評價(jià)計(jì)算過程及結(jié)果為:

(0.373 4 0.276 8 0.193 6)

根據(jù)最大隸屬度原則,作業(yè)設(shè)備與管理措施分別以0.379 6和0.425 4的隸屬度被歸類為高風(fēng)險(xiǎn),作業(yè)人員因素以0.417 1的隸屬度被歸類為中風(fēng)險(xiǎn),瓦斯抽采整體以0.373 4的隸屬度被歸類為高風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)模糊分析法的計(jì)算結(jié)果,在風(fēng)險(xiǎn)管控工作中應(yīng)加強(qiáng)對抽采設(shè)備設(shè)施的關(guān)注和檢維修力度,同時(shí)企業(yè)管理人員應(yīng)完善應(yīng)急措施,并確保其執(zhí)行到位。這與層次分析法的分析結(jié)果基本一致。

3 改進(jìn)措施

通過對瓦斯抽采風(fēng)險(xiǎn)管控工作中的各種因素運(yùn)用層次分析法建立模型進(jìn)行分析,得出瓦斯抽采風(fēng)險(xiǎn)管控工作的重點(diǎn),并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對各個(gè)因素的的重要程度進(jìn)行量化,再根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)有的風(fēng)險(xiǎn)管控措施提出一系列具有重要意義的改進(jìn)措施。

1)確保規(guī)范作業(yè)。瓦斯抽采是一項(xiàng)安全風(fēng)險(xiǎn)很高的工作,作業(yè)時(shí)是否嚴(yán)格按照規(guī)章制度規(guī)范作業(yè)對瓦斯抽采風(fēng)險(xiǎn)管控具有相當(dāng)重要的意義,直接影響抽采工作能否安全順利進(jìn)行。在抽采工作的實(shí)際操作中,存在很多員工為貪圖便利而違規(guī)違章操作的現(xiàn)象,這也直接導(dǎo)致了許多安全事故的發(fā)生,企業(yè)應(yīng)嚴(yán)肅看待這一風(fēng)險(xiǎn)源,在員工招聘時(shí)盡量提高就業(yè)“門檻”,防止員工因缺乏應(yīng)有的知識儲備而導(dǎo)致操作違規(guī),并在員工入職后進(jìn)行嚴(yán)格培訓(xùn),讓作業(yè)人員做到“心中有數(shù)”。最后企業(yè)還應(yīng)設(shè)置專門的巡查小組,對存在違規(guī)操作現(xiàn)象的員工應(yīng)馬上制止并設(shè)置相應(yīng)的處罰條例,盡量杜絕因違規(guī)作業(yè)造成的安全事故。

2)關(guān)注抽采設(shè)備穩(wěn)定性。瓦斯抽采過程所用的抽采設(shè)備零件繁多,構(gòu)造復(fù)雜,且井下作業(yè)環(huán)境惡劣,設(shè)備在長期作業(yè)過程中,各部位容易磨損或出現(xiàn)隱患。在抽采作業(yè)中,設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行是保障安全抽采的重要條件,對瓦斯抽采風(fēng)險(xiǎn)管控同樣具有重要意義。井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,一旦設(shè)備出現(xiàn)問題極易造成安全事故,建議企業(yè)應(yīng)定期對設(shè)備進(jìn)行全面檢查,提早發(fā)現(xiàn)安全隱患并解決。同時(shí)要求作業(yè)人員積極“自轉(zhuǎn)”,在抽采作業(yè)開始前對設(shè)備易出現(xiàn)故障的部位進(jìn)行自我檢查,作業(yè)時(shí)不能存在僥幸心理,一旦發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)馬上停止作業(yè)并上報(bào)停工檢查,最大限度減少安全事故的發(fā)生。

3)增強(qiáng)瓦斯監(jiān)控與監(jiān)測。瓦斯含量異常是影響瓦斯風(fēng)險(xiǎn)管控的重要因素,改進(jìn)瓦斯監(jiān)控與監(jiān)測可以實(shí)時(shí)監(jiān)控瓦斯含量,并及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況和危險(xiǎn)信號,采取相應(yīng)的措施進(jìn)行防范,有效預(yù)防瓦斯抽采事故的發(fā)生。引入先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備,建立完善的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)可以減少人工監(jiān)測的工作量和時(shí)間成本,監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性也能得到提高,從而在保證安全抽采的前提下提高工作效率和生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

1)層次分析法結(jié)果表明,在一級指標(biāo)中,作業(yè)設(shè)備的權(quán)重最大為0.558 5,其次是管理措施,權(quán)重為0.319 6。在作業(yè)人員、作業(yè)設(shè)備、管理措施的二級指標(biāo)中,所占權(quán)重最大的分別為:操作規(guī)范權(quán)重0.417 1,抽采設(shè)備權(quán)重0.451 9,瓦斯監(jiān)控與監(jiān)測權(quán)重0.539 3。

2)模糊分析法的結(jié)果顯示,作業(yè)設(shè)備與管理措施兩者分別以0.379 6和0.425 4的隸屬度隸屬于高風(fēng)險(xiǎn)范疇。作業(yè)人員以0.417 1的隸屬度隸屬于中風(fēng)險(xiǎn)。

3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果,提出了針對瓦斯抽采風(fēng)險(xiǎn)管控的建議,包括確保規(guī)范作業(yè)、關(guān)注抽采設(shè)備穩(wěn)定性、確保抽采設(shè)備安全可靠、加強(qiáng)瓦斯監(jiān)控監(jiān)測等,有助于提高井下瓦斯抽采風(fēng)險(xiǎn)管控水平。