基于改進AHP的地下礦突水風(fēng)險評價*

阮竹恩　李翠平　李仲學(xué)

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院　北京 100083；　2.金屬礦山高效開采與安全教育

部重點實驗室　北京 100083)

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基于改進AHP的地下礦突水風(fēng)險評價*

阮竹恩1,2李翠平1,2李仲學(xué)1,2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育

部重點實驗室北京 100083)

摘要地下礦突水風(fēng)險的有效評價是礦井水害防治與安全開采的基本前提與重要基礎(chǔ)。為了科學(xué)有效地評價地下礦突水事故風(fēng)險，在深入研究分析與歸納地下礦突水因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了較為全面的礦井突水事故風(fēng)險評價指標體系,體系包括7個一級指標，各一級指標有與之對應(yīng)的二級指標。應(yīng)用德爾菲法對各項指標進行統(tǒng)一打分并求平均值，對層次分析法進行改進并應(yīng)用于確定各項指標的權(quán)重，然后根據(jù)風(fēng)險評價模型計算出評價結(jié)果。最后，結(jié)合國內(nèi)某典型礦山進行實際的應(yīng)用，所得結(jié)果與實際情況一致性較好，說明該方法可以提高礦井突水風(fēng)險評價的有效性與準確性，具有較好的可行性。

關(guān)鍵詞礦井突水風(fēng)險評價改進層次分析法指標體系

Risk Assessment of Underground Mine Water Inrush Based on Improved Analytic Hierarchy Process

RUAN Zhu'en1,2LI Cuiping1,2LI Zhongxue1,2

(1.SchoolofCivil&EnvironmentalEngineering，UniversityofScience&TechnologyBeijingBeijing100083)

AbstractEffective evaluation of the risk of underground mine water inrush is the prerequisite and basis for mine water hazard control and safety mining. In order to carry out scientific and rational risk evaluation on mine water inrush, a reasonable mine water inrush risk evaluation system is set up in the paper, based on analysis and synthesis of the factors of mine water inrush risk, which includes seven A indexes and each A index has corresponding B index. Then each factor is scored by Delphi method and the average score of each factor has also got. Analytic hierarchy process(AHP)is improved and applied to determine the weight of each factor and the evaluation result is obtained based on the risk assessment model proposed in the paper. Finally, through the case of a typical domestic mine, it is found that the studied result agrees with the practical one, indicating that this method can improve the accuracy and availability of risk assessment of mine water inrush and it is feasible.

Key Wordsmine water inrushesrisk assessmentimproved AHPindex system

0引言

近年來，國內(nèi)地下礦開采過程中，各種礦井突水災(zāi)害事故經(jīng)常發(fā)生，甚至在建井期間發(fā)生突水，造成淹井或停產(chǎn)事故[1]。因此，在實際生產(chǎn)過程中，及時識別礦井突水事故隱患并進行突水風(fēng)險評價，將為礦山的安全生產(chǎn)提供保障。

礦井突水風(fēng)險評價是我國礦山安全生產(chǎn)工程中的一項重要工作，也是礦山企業(yè)有效的掌握礦井安全生產(chǎn)的一個重要手段[2-3]?，F(xiàn)在，我國礦井突水風(fēng)險評價方法有很多種[4]，每種評價方法都有其自身所需適應(yīng)的應(yīng)用范圍和條件，各自都具備不同的優(yōu)點及缺點，針對不同的評價對象，必須選用相適應(yīng)的評價方法。因此，在實際的工作中，采用一種更為科學(xué)合理、可以對礦井水患的整體狀況做出評價的綜合評價方法是至關(guān)重要的。

1地下礦突水風(fēng)險評價指標體系

對礦井突水事故進行全面風(fēng)險評價的關(guān)鍵在于建立合理的風(fēng)險評價指標體系，是否正確、合理地評價指標，將會對整個綜合評價的結(jié)果[5-6]產(chǎn)生直接影響。本文在科學(xué)有效分析礦井突水事故相關(guān)危險、有害因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)某典型礦井，利用制定風(fēng)險評價指標體系的原則和相關(guān)的基本原理[7]，建立地下礦突水風(fēng)險評價指標體系，如表1所示。指標體系中目標層為礦井突水風(fēng)險度，包括7個一級指標，每個一級指標下都有與之對應(yīng)的二級指標。

表1　地下礦突水風(fēng)險評價指標體系

2層次分析法(AHP)的改進

2.1層次分析法(AHP)簡介

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是由美國運籌學(xué)家薩蒂(Thomas L. Saaty)在20世紀70年代中期正式提出的一種多目標決策分析方法[8]，該方法將定性分析與定量分析相結(jié)合。層次分析法的具體步驟可參考文獻[9]。

2.2判斷矩陣的改進

基于德爾菲法及復(fù)合平均判斷矩陣法[10]構(gòu)造判斷矩陣的方法，提出一種新的構(gòu)造判斷矩陣的方法----混合判斷矩陣構(gòu)造法。這種方法的基本思想是：評估專家通過德爾菲法和兩兩比較法構(gòu)造出判斷矩陣，再求出所有專家構(gòu)造的判斷矩陣的平均判斷矩陣，最后利用平均判斷矩陣的方法得出唯一的判斷矩陣。這樣既充分考慮了每一位專家的意見，又考慮到每位專家構(gòu)造出的判斷矩陣不盡相同。

2.3一致性指標的改進

層次分析法中的一致性指標C.I[8]和模糊層次分析法中的一致性指標I(R,W)[11]分別為：

(1)

兩種方法所考慮的影響判斷矩陣一致性的因素不完全一樣。因此，基于以上兩種方法，本文提出一致性指標的一種改進方法：

(2)

每一位決策者的認識復(fù)雜多樣參差不齊，導(dǎo)致在決策過程中主觀判斷有時會與客觀現(xiàn)實有一定的出入。因此，用n(n-1)/2次的兩兩比較來構(gòu)造判斷矩陣，可以為決策者提供更多的信息，通過不同角度的反復(fù)比較來降低出錯的機率，最終導(dǎo)出一個較為合理的且能夠反映決策者判斷的排序。

3地下礦突水風(fēng)險評價模型

3.1突水風(fēng)險等級劃分

本文確定了5種突水風(fēng)險等級：極低風(fēng)險(安全)、低風(fēng)險(安全可控)、中等風(fēng)險(威脅)、高風(fēng)險(危險)、極高風(fēng)險(災(zāi)害)。風(fēng)險等級的確定主要依據(jù)指標體系突水水源、突水系數(shù)、排水能力、導(dǎo)水通道、巷道狀況、預(yù)防工作、安全管理來進行衡量和評估，對這7個指標進行綜合考慮，計算總得分。根據(jù)李豐軍[13]研究，可確定突水風(fēng)險等級與得分的參照表，見表2。專家組根據(jù)每個指標的具體情況參照表2利用德爾菲法得出具體評分值，評分值越大，風(fēng)險越高。

表2　地下礦突水風(fēng)險等級與得分參照表

3.2突水風(fēng)險評價模型

構(gòu)建的衡量模型如下：

(3)

(4)

式中，Zj為一級指標j評價總得分；Wji為指標體系中一級指標j下二級指標i的權(quán)重；Xji為專家對一級指標j下第i個二級指標進行評估確定的評估值；n為指標體系中一級指標j下二級指標的個數(shù)；Z為評價總得分(即絕對風(fēng)險值)；Wj為指標體系中一級指標j的權(quán)重；m為指標體系中一級指標的個數(shù)。

(1)權(quán)重Wji的計算。本論文中將采用改進的AHP計算對權(quán)重進行計算。

(2)確定專家評分的Xji的值。指標i的專家評分值，主要依據(jù)專家對指標進行評估，從而確定該指標的分數(shù)。

根據(jù)上述確定的權(quán)重和專家評分值，采用構(gòu)建的衡量模型計算總得分，然后再參照表2，得出某一地下礦采區(qū)的水害風(fēng)險等級。

為避免單因素的影響導(dǎo)致對突水風(fēng)險等級的判定錯誤，本文在分析每一個指標影響地下礦突水的基礎(chǔ)上，確定了一個影響上限，即臨界值9。臨界值是根據(jù)國家文件規(guī)定和多年防治經(jīng)驗綜合確定的，若其中任何一個指標的評分值大于其臨界值，都會令總得分等于此指標評分，只有當(dāng)所有指標的評分值都小于其臨界值，則可以采用上述構(gòu)建的模型計算地下礦突水風(fēng)險的總得分，從而確定風(fēng)險等級。

4基于改進AHP的地下礦突水風(fēng)險評價

4.1利用MATLAB確定一級指標權(quán)重

首先邀請20位評估專家組利用德爾菲法根據(jù)國內(nèi)某典型礦山構(gòu)造判斷矩陣Ak(k為第k位專家，k=1,2,…,20)，再利用平均判斷矩陣的方法，計算出唯一的判斷矩陣A，即為層次分析法評估過程中的判斷矩陣。

對判斷矩陣的一致性進行檢驗：

C.R=C.I/R.I=0.040 2/1.36=0.029 5<0.10。

可知，A具有較好的一致性。因此可以確定各一級指標排序為：A1>A7>A2>A5>A4>A3>A6。

4.2利用MATLAB確定二級指標權(quán)重

突水水源A1下二級指標的判斷矩陣為：

判斷矩陣的最大特征根λmax1=4.185 5，特征向量W1i=(0.126 4，0.066 8，0.267 7，0.539 1)T，一致性比例C.R1=0.034 7<0.10。

突水系數(shù)A2下二級指標的判斷矩陣為：

判斷矩陣的最大特征根λmax2=4.123 2，特征向量W2i=(0.211 3，0.130 7，0.053 3，0.604 7)T，一致性比例C.R2=0.023 1<0.10。

排水能力A3下二級指標的判斷矩陣為：

判斷矩陣的最大特征根λmax3=5.372 3，特征向量W3i=(0.168 2，0.086 6，0.047 0，0.282 9,0.415 4)T，一致性比例C.R3=0.033 2<0.10。

導(dǎo)水通道A4下二級指標的判斷矩陣為：

判斷矩陣的最大特征根λmax4=4.065 2，特征向量W4i=(0.275 1，0.099 9，0.051 3，0.573 6)T，一致性比例C.R4=0.012 2<0.10。

巷道狀況A5下二級指標的判斷矩陣為：

判斷矩陣的最大特征根λmax5=4.138 5，特征向量W5i=(0.518 5，0.098 0，0.060 7，0.322 9)T，一致性比例C.R5=0.025 9<0.10。

預(yù)防工作A6下二級指標的判斷矩陣為：

判斷矩陣的最大特征根λmax6=4.193 9，特征向量W6i=(0.283 0，0.564 0，0.051 0，0.120 0)T，一致性比例C.R6=0.036 3<0.10。

安全管理A7下二級指標的判斷矩陣為：

判斷矩陣的最大特征根λmax7=5.045 8，特征向量W7i=(0.075 6，0.216 0，0.206 9，0.091 4,0.410 1)T，一致性比例C.R7=0.004 1<0.10。

利用公式(3)計算各一級指標的評價總得分Zj，見表3。

表3　一級指標評價總得分

4.3專家打分

邀請20位評估專家利用德爾菲法根據(jù)國內(nèi)某典型礦山參照表1對每個二級指標進行打分，然后求其平均值。具體打分數(shù)值見表4。

4.4基于AHP的突水風(fēng)險等級評價

根據(jù)上述層次分析法分別計算出的一級指標的權(quán)重，以及一級指標的評價總得分，可以計算出礦區(qū)的風(fēng)險等級。

根據(jù)公式(3)，將權(quán)重W=(0.271 3,0.145 5,0.086 3,0.112 5,0.113 6,0.074 6,0.196 2)T和評價總得分X=(6.665,6.173,4.924,5.310,2.525,5.374,6.468)T分別代入式(4)，可以計算得到該礦區(qū)的總得分Z=5.675 2，參照表2得出礦區(qū)的突水風(fēng)險等級為威脅等級。

表4　各級指標權(quán)重及評分均值

根據(jù)一級指標的排序可知導(dǎo)致突水的主要因素為礦井本身的突水水源(老空水)和人為的安全管理，在以后的突水防治中，應(yīng)從人為因素方面加強改進，降低礦井突水的風(fēng)險。

5結(jié)論

(1)通過分析與歸納礦井突水的影響因素，建立了礦井突水風(fēng)險指標體系，為合理進行風(fēng)險評價奠定基礎(chǔ)。

(2)對層次分析法進行改進，并應(yīng)用于確定指標體系中不同層次不同指標的權(quán)重值，并排序確定影響突水的關(guān)鍵因素。

(3)構(gòu)建突水風(fēng)險評價模型，并根據(jù)評價得分值確定評價等級。

(4)將評價方法應(yīng)用于實際礦山，所得結(jié)果與實際情況一致，說明評價方法可行。

參考文獻

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李翠平，女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為系統(tǒng)建模、仿真及可視化，資源經(jīng)濟與管理。

李仲學(xué)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為資源、環(huán)境與安全經(jīng)濟，可持續(xù)發(fā)展及社會責(zé)任，生產(chǎn)安全與質(zhì)量安全管理。

(收稿日期：2015-07-02)

作者簡介阮竹恩，男，1989年生，碩士研究生，研究方向為生產(chǎn)安全與質(zhì)量安全管理，危險辨識與安全評價。

*基金項目：國家自然科學(xué)基金 (51174260,51174032)，教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET-10-0225)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(FRF-TP-09-001A)。