中圖分類號(hào)：TD67 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Theexisting mine safety evaluation methods adoptrelatively simple evaluation indicators and cannotquantitativelyanalyze theuncertainty degree ofvarious indicators，resulting in significant limitations in practical engineering applications.To addressthese problems，a comprehensive mine safety evaluation method based on entropy weight and set pair analysis method is proposed.First，a comprehensive mine safety evaluation index systemconsistingof19 indicators wasconstructed based onfour factors：human，machine，environment， and management.Then，the entropy weight method was used to automatically determine the weights according to thedegre ofdispersionofthesafety evaluationdata，whichcouldefectivelyavoid subjective interference while ensuringboth simplicityofcalculationandobjectivityandaccuracy.Finall，expert scoring wasusedto obtain the scores of each safety evaluation indicator，and set pair analysis method was applied to calculate the degree of connection between the indicator scoresand diferent risk levels.The weighted average method was further adopted to obtain the average connection degrebetween each evaluation object and diferent risk levels. Based on the maximum membership degree theory， the final mine safety risk level was determined. The application results showed that the calculated risk level of Xiaobaodang Mine using this method was low，which was consistent with the actual situation. The main unsafe factors of the mine were high worker fatigue rate during actual perations，low compliance rate of technical standards，slow equipment updates，and incomplete emergency management measures and untimely safety inspections. The method can provide a reference for improving mine safety in the future.

Key words： mine safety evaluation; entropy weight method; set pair analysis method; safety evaluation indicator; safety risk level

0引言

煤礦實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中往往伴隨著瓦斯爆炸、冒頂片幫、煤層自燃與透水涌水等安全隱患，盡管造成安全事故的主要原因各不相同，但不同安全事故之間的因素卻是相互影響與制約的[1]。20世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)多個(gè)礦井發(fā)生了頂板冒落[2]、瓦斯爆炸[3]、礦井坍塌[4]、透水[5]、火災(zāi)[等安全事故，這些事故具有發(fā)生突然、破壞迅速、人員傷亡慘重等特點(diǎn)，加上礦井實(shí)際地質(zhì)條件復(fù)雜，使得事故救援難度極大。為有效應(yīng)對(duì)安全挑戰(zhàn)，減少煤礦安全生產(chǎn)事故發(fā)生，應(yīng)及時(shí)采取防治措施，加強(qiáng)煤礦安全基礎(chǔ)工作，而安全評(píng)價(jià)就是其中最重要的工作之一[7]

關(guān)于煤礦安全評(píng)價(jià)的研究，我國(guó)雖然起步較晚，但也取得了一系列顯著成果[8-12]。層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法是最基礎(chǔ)的2種安全評(píng)價(jià)手段：姜青峰等[13]基于層次分析法與集對(duì)分析理論構(gòu)建了聯(lián)系數(shù)模型，對(duì)宿州某煤礦企業(yè)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；張順堂等[14]采用熵權(quán)法[15-16]和可變模糊評(píng)價(jià)方法構(gòu)建了基于二者的耦合模型，對(duì)山東多個(gè)煤礦的火災(zāi)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)估；劉征等[17]從人-機(jī)-環(huán)角度出發(fā)，建立了基于改進(jìn)層次分析法的通風(fēng)系統(tǒng)安全模糊綜合評(píng)價(jià)模型。除了上述改進(jìn)的基礎(chǔ)方法以外，學(xué)者們還提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦開(kāi)采綜合安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[18]、基于改進(jìn)博弈論和二維云模型的煤礦安全評(píng)價(jià)方法[19]、基于離差最大化組合賦權(quán)的煤礦安全評(píng)價(jià)法[20]及基于融合權(quán)與集對(duì)云的煤礦安全評(píng)價(jià)模型[21]等。

上述研究在一定程度上改善了我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)較高的狀況。然而，礦井安全評(píng)價(jià)是一個(gè)涉及眾多因素、復(fù)雜且模糊的系統(tǒng)。針對(duì)單一災(zāi)害因素的安全評(píng)價(jià)難以全面掌控礦井的實(shí)際安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，一系列模糊評(píng)價(jià)方法在對(duì)各類指標(biāo)進(jìn)行定量分析時(shí)，無(wú)法確定其不確定性的程度?，F(xiàn)有安全評(píng)價(jià)方法在實(shí)際工程應(yīng)用中存在明顯的局限性。熵權(quán)法作為一種基于信息熵原理的客觀賦權(quán)方法，能夠根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)的離散程度自動(dòng)確認(rèn)權(quán)重，可有效避免主觀干預(yù)。與其他較依賴于專家判斷、主觀性較強(qiáng)的評(píng)價(jià)方法相比，熵權(quán)法在保持計(jì)算簡(jiǎn)便的同時(shí)兼具客觀性與準(zhǔn)確性。此外，集對(duì)分析理論可從綜合角度分析安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的確定和不確定性關(guān)系，解決了體系中灰色、模糊部分難以準(zhǔn)確分析的問(wèn)題。因此，本文以（以下簡(jiǎn)稱小保當(dāng)?shù)V井）為研究對(duì)象，提出基于熵權(quán)-集對(duì)分析法的礦井綜合安全評(píng)價(jià)方法。構(gòu)建全面且準(zhǔn)確的礦并綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；基于熵權(quán)法評(píng)定安全評(píng)價(jià)指標(biāo)攜帶的信息量，從而確定客觀權(quán)重值；利用集對(duì)分析方法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)聯(lián)系度及平均聯(lián)系度，最終確定礦井風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

1基于熵權(quán)-集對(duì)分析法的礦井綜合安全評(píng)價(jià)方法

1.1礦井綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

基于國(guó)家安全生產(chǎn)相關(guān)法律法規(guī)及專家與技術(shù)人員的意見(jiàn)，綜合評(píng)估小保當(dāng)?shù)V并實(shí)際安全生產(chǎn)概況，將影響礦井安全生產(chǎn)的因素分為人、機(jī)、環(huán)、管4個(gè)方面[22]。礦井綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

1.2熵權(quán)法原理

目前礦并安全評(píng)價(jià)的依據(jù)主要來(lái)源于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及專家打分，后者的主觀性往往是造成評(píng)價(jià)偏差的主要原因，因此提高評(píng)價(jià)方法的客觀性尤為重要。與傳統(tǒng)的主觀評(píng)價(jià)方法不同，熵權(quán)法具有準(zhǔn)確、客觀評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，其通過(guò)評(píng)定指標(biāo)所攜帶的信息量來(lái)確定權(quán)重值，因此可減小層次分析法與隨其演變而來(lái)的主觀性安全評(píng)價(jià)方法所引起的誤差，從而得出更客觀的權(quán)重值[23]。熵權(quán)法的理論推導(dǎo)過(guò)程如下。

假設(shè)礦井綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系里共有 n 個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象有 m 個(gè)礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)γ₁，γ₂，…，γ_m ，基于信息熵理論，第 j（Ωj=1，2，…，m） 個(gè)礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值為

礦井綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系人員因素 設(shè)備因素 環(huán)境因素 管理因素技術(shù)水平不達(dá)標(biāo)率 違章作業(yè)率 疲勞作 電氣設(shè)備失爆 通風(fēng)系統(tǒng)完善 設(shè)備更新率 地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度 層厚度變異性系 煤層自燃傾向性 存在明火可能性 瓦斯?jié)舛?粉塵分散 構(gòu)造帶透水 人為作業(yè)導(dǎo)致透水 頂?shù)装宸€(wěn)定度 安全管理制度完善程 安全組織機(jī)構(gòu)完善程度 應(yīng)急管理措施完善程 安全監(jiān)查及時(shí)程度中 普程度 度 水率度 度

式中： ： p_ij 為第 i 個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第 j 個(gè)礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同安全狀態(tài)下的概率。

設(shè)該礦井綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)矩陣為M_ij=（φ_ij）_n×m ，其中 φ_ij 為第 i 個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象中第 j 個(gè)礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分值。對(duì)所有的礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，推導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)化之后的評(píng)價(jià)矩陣N_ij=（φ_ij^′）_n×m ，其中 φ_ij^′ 為 φ_ij 經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算后的數(shù)值。此時(shí) p_ij 的計(jì)算公式為

設(shè)第 j 個(gè)礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的差異度系數(shù)為ε_j（ε_j=1-S_j） ，則第 j 個(gè)礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為

1.3集對(duì)分析原理

采用集對(duì)分析方法來(lái)表征礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)程度[24]。理論上將2個(gè)具有特殊關(guān)系的集合稱為集對(duì)，集對(duì)分析方法將集對(duì)組合中的聯(lián)系分為2類：一類聯(lián)系是指存在某種確定性關(guān)系；另一類聯(lián)系是指存在某種不確定性關(guān)系。其中確定性關(guān)系采用同一度與對(duì)立度來(lái)衡量，不確定性關(guān)系采用差異度來(lái)衡量。引入同異反聯(lián)系度[25]（簡(jiǎn)稱聯(lián)系度）的概念，用來(lái)表征2個(gè)集合在某種特定狀態(tài)下的聯(lián)系程度，其數(shù)學(xué)意義為同一度、對(duì)立度及差異度的代數(shù)和，實(shí)現(xiàn)對(duì)評(píng)價(jià)體系確定性與不確定性的綜合表征。

集對(duì)分析的特點(diǎn)是可以利用確定性與不確定性這2種關(guān)系來(lái)處理分析不同條件下的實(shí)際問(wèn)題。假設(shè)有 A 和 B2 個(gè)集合，二者組成一個(gè)集對(duì) O=（A，B） 其中共有 K 個(gè)特征，包括 P 個(gè)相同特征、 Q 個(gè)對(duì)立特征與 R 個(gè)差異特征，則2個(gè)集合之間有3種度量關(guān)系，為同一度、對(duì)立度與差異度，用 P/K，Q/K，R/K 表示。集對(duì) O=（A，B） 的聯(lián)系度為

式中： ε 為差異度系數(shù)，取值為 [-1，1];a， ： b ， ∣c∣ 為系 數(shù)， a+b+c=1 ○

1.4熵權(quán)-集對(duì)分析法

將礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分值構(gòu)成的集合與不同安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)構(gòu)成的集合視為一個(gè)集對(duì)，其中礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分值反映礦井綜合安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)狀態(tài)。對(duì)以往的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合評(píng)判，將礦井安全風(fēng)險(xiǎn)分為5個(gè)等級(jí)，劃分依據(jù)與不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下的處理方式見(jiàn)表1。

1.4.1 聯(lián)系度確定

本文選用線性變化的聯(lián)系測(cè)度方法來(lái)分析各礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分值與不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的聯(lián)系度，聯(lián)系度取值為[-1，1]。

礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分值主要采用專家打分的形式得出，根據(jù)不同專家對(duì)礦井實(shí)際工程概況的了解來(lái)打分，得分越高代表安全風(fēng)險(xiǎn)越高。礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分值與5種不同安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的聯(lián)系度計(jì)算公式如下。

第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分值與礦井低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的聯(lián)系度為

第 j 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分值與礦井較低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的聯(lián)系度為

第 j 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分值與礦井中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的聯(lián)系度為

第 j 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分值與礦井較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的聯(lián)系度為

第 j 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分值與礦井高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的聯(lián)系度為

式中： φ_j 為第 j 個(gè)礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分值; s_0j{_sjj 為5種礦井安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間的臨界值。

1.4.2安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定

確定礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分值與不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的聯(lián)系度后，基于熵權(quán)理論公式得到客觀的指標(biāo)權(quán)重 ω_j ，利用加權(quán)平均法得出每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與第q^{（q=1，2，…，5）} 類風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的平均聯(lián)系度：

根據(jù)平均聯(lián)系度，基于最大隸屬度理論（將平均

聯(lián)系度最大的集合作為最終的隸屬集合）確定礦井風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2 實(shí)例應(yīng)用與分析

2.1礦井地質(zhì)條件

小保當(dāng)?shù)V井地處省神木市境內(nèi)，位于榆神礦區(qū)中的三期規(guī)劃區(qū)內(nèi)。礦區(qū)地層條件表現(xiàn)為西南向且傾角1°左右的單斜構(gòu)造，在若干年的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后，在小保當(dāng)?shù)V井內(nèi)形成了垂直方向的假整合面，其中部分地區(qū)表現(xiàn)出不同尺寸的起伏狀地勢(shì)。礦區(qū)主要由灰白色、淺灰色中粒長(zhǎng)石與優(yōu)質(zhì)砂巖組成。

2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)分值與權(quán)重

利用礦并綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)不同的評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)收集工作，其中主要以文獻(xiàn)資料查詢、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及煤礦企業(yè)安全部門的日常安全檢查記錄為原始數(shù)據(jù)來(lái)源，重點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于小保當(dāng)?shù)V井智能安全管控平臺(tái)。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的安全等級(jí)定義安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，邀請(qǐng)5位專家學(xué)者對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)并打分，其中采用熵權(quán)法得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，見(jiàn)表2。

2.3評(píng)價(jià)結(jié)果分析

將各礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分值代入式（5）—式（9），計(jì)算出各礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分值與不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的聯(lián)系度，結(jié)果見(jiàn)表3。

將表2中的權(quán)重值與表3中的聯(lián)系度代入式（10），求出平均聯(lián)系度，從而確定礦井風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，結(jié)果見(jiàn)表4。通過(guò)計(jì)算得出小保當(dāng)?shù)V井目前所處的安全等級(jí)為較低風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)價(jià)結(jié)果與小保當(dāng)?shù)V井實(shí)際安全狀況一致。

由表2與表3分析可知，小保當(dāng)?shù)V井安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素表現(xiàn)在以下方面：人員因素方面主要表現(xiàn)為部分工作人員在實(shí)際操作中疲勞作業(yè)率相對(duì)較高，技術(shù)水平達(dá)標(biāo)率較低；設(shè)備因素方面具體表現(xiàn)為設(shè)備更新?lián)Q代較慢；管理因素方面包括應(yīng)急管理措施不完善、安全監(jiān)查不及時(shí)。因此，小保當(dāng)?shù)V井領(lǐng)導(dǎo)者需針對(duì)煤礦生產(chǎn)安全管理制度進(jìn)行完善，同時(shí)優(yōu)化煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的安全組織結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)作業(yè)人員的專業(yè)技術(shù)水平，減少員工違章作業(yè)率，及時(shí)更新現(xiàn)代化開(kāi)采設(shè)備，增強(qiáng)煤礦企業(yè)應(yīng)對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)的能力。

3結(jié)論

1）構(gòu)建了包含4類安全風(fēng)險(xiǎn)因素、19個(gè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的礦井綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。利用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重，減小了主觀性安全評(píng)價(jià)方法所引起的誤差，使評(píng)價(jià)結(jié)果更客觀。利用集對(duì)分析方法對(duì)礦井安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，計(jì)算簡(jiǎn)便，改善了以往評(píng)價(jià)過(guò)程中的模糊不確定性問(wèn)題。

2）基于熵權(quán)-集對(duì)分析法計(jì)算得到的小保當(dāng)?shù)V井風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為較低風(fēng)險(xiǎn)，與實(shí)際情況一致，驗(yàn)證了該方法的可行性。

3）后續(xù)研究可將熵權(quán)法與層次分析法結(jié)合，構(gòu)建主客觀組合賦權(quán)模型，進(jìn)一步提高礦井綜合安全評(píng)價(jià)的真實(shí)性與可靠性。

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