模糊綜合評(píng)判法判定煤礦瓦斯的安全度

張海鵬 張鵬沖 張志霄

（1.中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)保德煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市，017000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008）

模糊綜合評(píng)判法判定煤礦瓦斯的安全度

張海鵬1張鵬沖2張志霄2

（1.中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)保德煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市，017000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008）

使用模糊綜合評(píng)判模型確定礦井安全度，以礦井各作業(yè)面和巷道安全性作為一級(jí)因素，以不同時(shí)段的安全性作為二級(jí)因素；根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)資料，合理確定權(quán)重集；利用統(tǒng)計(jì)方法分析礦井瓦斯?jié)舛群兔簤m濃度分布，確定了隸屬系數(shù)和評(píng)判矩陣。并且用此模型準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)了煤礦掘進(jìn)工作面、采煤工作面以及回風(fēng)巷和整個(gè)礦井綜合的安全程度，對(duì)煤礦安全檢測(cè)和控制具有較高的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

模糊綜合評(píng)判 瓦斯涌出量 隸屬度 安全度

TD712

A

煤礦安全生產(chǎn)是我國(guó)目前亟待解決的問(wèn)題之一，同其他國(guó)家相比，我國(guó)的煤礦事故死亡人數(shù)是其他國(guó)家煤礦死亡人數(shù)總和的3倍。煤礦事故的頻繁發(fā)生不僅給國(guó)家和人民帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也給人民心理上帶來(lái)了難以彌補(bǔ)的創(chuàng)傷。在我國(guó)煤礦瓦斯事故中，瓦斯事故的死亡人數(shù)占煤礦事故總死亡人數(shù)的三分之一左右，僅次于頂板事故，危害程度極大。因此，為了煤礦的安全生產(chǎn)，有必要對(duì)煤礦瓦斯的安全度進(jìn)行綜合評(píng)判。

安全評(píng)價(jià)是利用系統(tǒng)工程方法對(duì)擬建或已有工程、系統(tǒng)可能存在的危險(xiǎn)性及其可能產(chǎn)生的后果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，并根據(jù)可能導(dǎo)致的事故風(fēng)險(xiǎn)的大小提出相應(yīng)對(duì)策措施，以達(dá)到工程、系統(tǒng)安全的目的。安全評(píng)價(jià)是現(xiàn)代化、科學(xué)化安全管理的重要環(huán)節(jié)和保證。安全這個(gè)概念的外延具有模糊性，劃分上具有不確定性。也就是說(shuō)在安全與不安全之間存在著中間過(guò)渡，即它們的劃分具有不分明性。因此，安全問(wèn)題是一個(gè)模糊的問(wèn)題，如果用一般的評(píng)價(jià)方法來(lái)衡量它，很難得出合理的結(jié)論。傳統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)方法具有推理過(guò)程容易理解、對(duì)樣本的要求較低等優(yōu)點(diǎn)，但是它只承認(rèn)要么安全、要么不安全，不承認(rèn)有中間狀態(tài)存在，這實(shí)際是難以做到的。模糊綜合評(píng)判法是在已知信息不充分的前提下，評(píng)判具有模糊因素的事物或現(xiàn)象的一種方法，能較好地處理方案評(píng)估與排序過(guò)程的模糊性，有效克服傳統(tǒng)方法的不足，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確。目前已有不少的學(xué)者和專家運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法對(duì)煤礦進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，但是大多數(shù)只從人、機(jī)、環(huán)境的角度去考慮對(duì)煤礦安全的影響，而根據(jù)事故致因理論，大多數(shù)事故是由于人的不安全行為與物的不安全狀態(tài)在同一時(shí)間、同一空間相遇而發(fā)生的，因此時(shí)間因素也是必不可少的一個(gè)評(píng)價(jià)因素，本文就加入了分析礦難發(fā)生時(shí)間作為安全評(píng)價(jià)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，旨在為減少或杜絕瓦斯事故的發(fā)生提供理論依據(jù)。

1 模糊綜合評(píng)判法確定煤礦安全度

安全是指人類所面臨的系統(tǒng)存在或運(yùn)行的狀態(tài)對(duì)人類自身的生命、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境可能造成的危害低于人類目前最大的承受能力限度的一種狀態(tài)過(guò)程。系統(tǒng)的安全程度是由系統(tǒng)內(nèi)外各影響因素組成的多元隨機(jī)函數(shù)。

模糊綜合評(píng)判方法是應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，從多個(gè)因素進(jìn)行綜合性評(píng)判需要評(píng)判事務(wù)隸屬等級(jí)狀況的一種方法。模糊綜合評(píng)判包含6個(gè)基本要素：評(píng)判因素論域U，代表綜合評(píng)判中各評(píng)判因素所組成的集合；模糊關(guān)系矩陣R，是單因素評(píng)判的結(jié)果，模糊綜合評(píng)判所綜合的對(duì)象正是R；評(píng)語(yǔ)等級(jí)論域V，代表綜合評(píng)判中評(píng)語(yǔ)所組成的集合；評(píng)判因素權(quán)向量W，代表評(píng)價(jià)因素在被評(píng)事物中的相對(duì)重要程度，它在綜合評(píng)判中用來(lái)對(duì)R作加權(quán)處理；合成算子，指合成W與R所用的計(jì)算方法，也就是合成方法；評(píng)判結(jié)果向量A，是對(duì)每個(gè)被評(píng)判對(duì)象綜合狀況分等級(jí)的程度描述，模糊綜合評(píng)判結(jié)果對(duì)被評(píng)對(duì)象通常具有唯一性。模糊綜合評(píng)判可以對(duì)較復(fù)雜事物多層次處理，滿足評(píng)價(jià)要求，且在評(píng)判過(guò)程是可以循環(huán)的。前一過(guò)程綜合評(píng)判結(jié)果，可以作為后一過(guò)程綜合評(píng)判的投入數(shù)據(jù)。對(duì)于一個(gè)多因素的復(fù)雜事物，可以進(jìn)行多層次的模糊綜合評(píng)判。

2 模糊綜合評(píng)判法模型建立

由于井下條件較為復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化模型便于更精確的計(jì)算，假設(shè)礦井內(nèi)濕度、氣壓、溫度較為穩(wěn)定，忽略瓦斯涌出不均衡性，以及該煤礦的不安全性主要與瓦斯?jié)舛群兔簤m濃度有關(guān)，礦井中產(chǎn)生的除瓦斯以外的其他有害氣體均忽略不計(jì)，且瓦斯?jié)舛取⒚簤m濃度近似服從正態(tài)分布，建立模型過(guò)程中根據(jù)正態(tài)分布假設(shè)，求出該礦井各作業(yè)面瓦斯?jié)舛群兔簤m濃度均值以及置信區(qū)間。忽略井下作業(yè)人員所需的空氣量的影響，各作業(yè)面?zhèn)溆蔑L(fēng)量系數(shù)、礦井通風(fēng)系數(shù)等，均取一般水平。

2.1 確定要素集

（1）將要素集U分為6個(gè)子要素集：U＝｛U1，U2，U3，U4，U5，U6｝。

其中，U1，U2，U3，U4，U5，U6分別表示工作面1，工作面2，掘進(jìn)工作面，回風(fēng)巷1，回風(fēng)巷2，總回風(fēng)巷。

（2）每個(gè)要素Ui（i＝1，2，3，4，5，6）分為若干個(gè)早班、中班、晚班時(shí)段子要素：

U1＝｛u11，u12，u13｝，U2＝｛u21，u22，u23｝，U3＝｛u31，u32，u33｝，U4＝｛u41，u42，u43｝，U5＝｛u51，u52，u53｝，U6＝｛u61，u62，u63｝。

2.2 確定權(quán)重集

根據(jù)各類要素對(duì)安全生產(chǎn)的重要程度，賦予每個(gè)要素類相應(yīng)的權(quán)數(shù)，得U＝｛U1，U2，U3，U4，U5，U6｝的權(quán)重分別為a1，a2，a3，a4，a5，a6，記為：

根據(jù)每一類要素中各要素的重要程度，測(cè)得子要素集的各時(shí)段子要素的重要度，記為：

其中aij表示第i類要素集Ui的第j個(gè)子要素uij的權(quán)重（i＝1，2，…6；j＝1，2，3）。

2.3 建立評(píng)價(jià)集

設(shè)V＝｛v1，v2，v3，v4，v5｝為安全度情況評(píng)價(jià)集，其中v1表示安全，v2表示較安全，v3表示一般，v4表示較危險(xiǎn)，v5表示危險(xiǎn)。

2.4 一級(jí)模糊綜合評(píng)判

設(shè)第i類要素Ui的第j個(gè)子要素uij隸屬于評(píng)價(jià)集中第k個(gè)元素vk的隸屬度為rijk，（k＝1，2，3，4，5），則可以得到6個(gè)一級(jí)評(píng)判矩陣為：

因此第i類要素模糊綜合評(píng)價(jià)集為：

2.5 二級(jí)模糊綜合評(píng)判

由上一步得一級(jí)指標(biāo)評(píng)判矩陣

因此，二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)集為：B＝A°R＝［d1，d2，d3，d4，d5］。

3 模糊綜合評(píng)判法實(shí)例

3.1 確定權(quán)重集

圖1 2003年全國(guó)重特大瓦斯事故發(fā)生地點(diǎn)分析

根據(jù)2003年國(guó)家安全監(jiān)督管理總局公布的數(shù)據(jù)，全國(guó)重特大瓦斯事故發(fā)生地點(diǎn)分析見(jiàn)圖1，采煤工作面發(fā)生重特大瓦斯爆炸事故3起、死亡46人，占總起數(shù)的14.29%和死亡人數(shù)的11.25%；掘進(jìn)工作面發(fā)生12起、死亡195人，占57.14%和47.68%；巷道（包括大巷）4起、死亡74人，占19.05%和18.09%；密閉區(qū)2起、死亡94人，占9.52%和22.98%。

圖2 瓦斯事故發(fā)生的小時(shí)概率

同時(shí)，通過(guò)對(duì)煤礦事故的研究表明：上午8∶00－10∶00點(diǎn)，夜里0－3∶00點(diǎn)是傷亡事故發(fā)生率較高的時(shí)段，瓦斯事故發(fā)生的小時(shí)概率見(jiàn)圖2。

結(jié)合以上統(tǒng)計(jì)信息，采取傳統(tǒng)的層次分析法，確定各要素在煤礦安全生產(chǎn)中重要性次序，得到各級(jí)要素權(quán)重集：

3.2 建立評(píng)判矩陣

本文以山西柳林礦井為例，根據(jù)該礦的2個(gè)工作面、1個(gè)掘進(jìn)面和3個(gè)回風(fēng)巷所測(cè)數(shù)據(jù)，建立評(píng)判模型進(jìn)行分析，并用統(tǒng)計(jì)的方法，算出了各個(gè)巷道在早、中、晚三班中的瓦斯和煤塵濃度在置信度為95%時(shí)的置信區(qū)間以及區(qū)間均值，見(jiàn)表1。

根據(jù)2011版《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，并參照表1，建立各級(jí)要素評(píng)判矩陣：

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯和煤塵的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.3 綜合評(píng)判

3.4 評(píng)判結(jié)果

將評(píng)價(jià)集各等級(jí)進(jìn)行量化，設(shè)：v1＝9，v2＝7，v3＝5，v4＝3，v5＝1，得到各個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果如下：

工作面1的安全度評(píng)價(jià)結(jié)果V1為3.54；工作面2的安全度評(píng)價(jià)結(jié)果V2為2.42；掘進(jìn)工作面的安全度評(píng)價(jià)結(jié)果V3為7.46；回風(fēng)巷1的安全度評(píng)價(jià)結(jié)果V4為4.96；回風(fēng)巷2的安全度評(píng)價(jià)結(jié)果V5為3.72；總回風(fēng)巷的安全度評(píng)價(jià)結(jié)果V6為6；煤礦系統(tǒng)綜合安全度評(píng)價(jià)結(jié)果V為4.81。

3.5 結(jié)果分析

在安全度的6個(gè)方面的比較中，對(duì)掘進(jìn)工作面的安全度評(píng)判值最大，為7.46，說(shuō)明該礦井掘進(jìn)工作面比較安全；對(duì)工作面2的安全度評(píng)價(jià)值最低，為2.42，該工作面瓦斯和煤塵安全度處于較危險(xiǎn)和危險(xiǎn)之間，應(yīng)該引起重視；對(duì)工作面1和回風(fēng)巷2的安全度評(píng)判值接近較危險(xiǎn)，情況不容樂(lè)觀；對(duì)該煤礦瓦斯和煤塵綜合安全度評(píng)判值為4.81，為一般水平，可以繼續(xù)保持現(xiàn)狀。

4 結(jié)論

（1）模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法能夠較為全面考慮多因素情況下瓦斯安全問(wèn)題，可通過(guò)評(píng)判集合、權(quán)重集的有效確定，克服單因素評(píng)判的缺陷，得到較為合理的結(jié)果，可為礦井瓦斯危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、預(yù)防及控制水平的提高，提供理論依據(jù)。

（2）瓦斯事故是諸多因素相互作用引起的，其隨機(jī)性、模糊性和非線性關(guān)系使傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法不能很好地解決該問(wèn)題。本文建立了以礦井各作業(yè)面和巷道安全性作為一級(jí)因素，以不同時(shí)段的安全性作為二級(jí)因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建了模糊綜合評(píng)判模型，并且進(jìn)行了實(shí)例分析，確保了煤礦總體安全。

（3）實(shí)例分析表明，該煤礦應(yīng)在繼續(xù)保證相對(duì)重要的掘進(jìn)工作面安全狀態(tài)前提下，加強(qiáng)對(duì)工作面1、工作面2和回風(fēng)巷2的檢測(cè)和通風(fēng)。該模型評(píng)判結(jié)果較為合理，其評(píng)判結(jié)果符合煤礦瓦斯安全程度實(shí)際情況。

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Fuzzy comprehensive evaluation method is used to determine the mine gas safety degree

Zhang Haipeng1，Zhang Pengchong2，Zhang Zhixiao2
（1.Baode Coal Mine，China Shenhua Shendong Coal Group，Erdos，Inner Mongolia 017000，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，CUMT，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

The fuzzy comprehensive evaluation model is used to determine the mine safety degree，with each working face and roadway safety as the primary elements and the safety in different periods as the secondary elements；based on historical statistics data，the weight set is determined reasonably；mine gas concentration and coal dust concentration distribution are analyzed by using statistical methods，and the membership coefficient and the evaluation matrix are defined.This model is also used to accurately evaluate the comprehensive safety degree of mine heading face，mining face，return air roadway and the whole coal mine，and it has great theoretical and practical guiding meaning for the coal mine safety monitoring and controlling.

fuzzy comprehensive evaluation，gas emission rate，membership degree，safety degree

張海鵬（1988－），男，遼寧鐵嶺人，畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)采礦工程專業(yè)，本科學(xué)歷，現(xiàn)為神華神東保德煤礦掘錨一隊(duì)采煤技術(shù)員，主要從事煤礦安全開(kāi)采等方面的研究工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）