基于多標度的礦井突水風(fēng)險等級模糊綜合評價

徐 星,孫文標,田坤云,蘇 政

(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

基于多標度的礦井突水風(fēng)險等級模糊綜合評價

徐 星,孫文標,田坤云,蘇 政

(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

礦井突水是僅次于瓦斯突出的嚴重事故，是困擾煤礦生產(chǎn)和建設(shè)的突出問題.以事故致因理論和安全人-機-環(huán)境理論分析并構(gòu)建了礦井突水風(fēng)險評價指標體系，采用基于九標度的模糊層次分析法(FAHP)針對評價指標建立模糊判斷矩陣、構(gòu)建模糊一致矩陣并求取各指標的權(quán)重與綜合權(quán)重，結(jié)合模糊綜合評價法(FCE)進行了該評價指標體系的兩級模糊綜合評價.實例應(yīng)用結(jié)果表明，基于多標度的礦井突水風(fēng)險模糊綜合評價模型能夠?qū)ΦV井突水風(fēng)險進行數(shù)據(jù)挖掘，該評價結(jié)果可以為礦井突水防治提供理論參考和依據(jù)，亦可以為礦井其他類似的風(fēng)險評價提供借鑒.

礦井突水風(fēng)險；評價指標體系；多標度；模糊綜合評價

礦井突水是一種典型的地下采礦事故和災(zāi)害，嚴重制約著高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)與生產(chǎn)，不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，同時也在社會上產(chǎn)生較大的負面影響.如何行之有效地對不同風(fēng)險程度的礦井進行分類指導(dǎo),杜絕或減少突水事故的發(fā)生，是一個亟待解決的難題[1-2].

礦井突水風(fēng)險評價的方法主要有事故樹分析法、層次分析法、安全檢查表法和模糊綜合評價法等，眾多學(xué)者亦進行了一定研究.許江濤等[3]利用事故樹分析方法求出了突水事故樹的44組最小割集和19組最小徑集，得到了礦井突水事故的各基本事件結(jié)構(gòu)重要度，評價結(jié)果為礦井水害的防治提供了有力支持；桂祥友等[4]使用具有定量評價特性的層次分析法以掘進工作面為例進行了礦井突水事故的危險性評價，該評價結(jié)果與礦井的客觀實際吻合；胡永達[5]依據(jù)安全系統(tǒng)工程中的事故致因理論建立了煤礦水害事故模型，利用安全系統(tǒng)分析法辨識和選擇具有代表性的危險源作為安全檢查表評價指標，依據(jù)安全檢查表評價各地方煤礦水害的危險等級；田水承等[6]運用層次分析法對煤礦水害影響因素進行權(quán)重計算，構(gòu)建了水害險兆事件管理的評價指標體系，最后使用模糊綜合評價法對某礦進行了綜合評價和分析.由于評價指標大多具有一定的模糊性，人們在決策問題時更傾向于模糊判斷，模糊層次分析法將模糊綜合評價與層次分析相結(jié)合，能夠彌補層次分析法的局限性,使評價結(jié)果更趨于客觀.同時，考慮到礦井突水風(fēng)險評價具有模糊性大、不確定性因素多且動態(tài)變化的特點，將九標度的模糊層次分析法應(yīng)用于礦井突水風(fēng)險的權(quán)重確定，并結(jié)合模糊綜合評價法建立基于多標度的礦井突水風(fēng)險模糊綜合評價模型，進行實例應(yīng)用，以期提高礦井突水風(fēng)險評價的準確性和可靠性.

1 評價模型

1.1 使用FAHP確定權(quán)重

首先，確定評價指標集U={u1，u2，…，un}，其中，ui(i=1，2，…，n)表示綜合評價中的指標，n是評價指標的個數(shù).指標ui權(quán)重的求取步驟如下：

(3)指標權(quán)重的確定.對模糊一致矩陣采用行和歸一化,按公式(1)得到各指標關(guān)于某個準則的權(quán)重：

(1)

(4)確定綜合權(quán)重.根據(jù)各層指標的權(quán)重，按公式(2)可計算因素層各指標相對于目標層的綜合權(quán)重：

(2)

1.2 使用FCE進行綜合評價

模糊綜合評價利用模糊數(shù)學(xué)中的模糊運算法則對評價集進行量化綜合，評價過程具有非線性的特點，步驟如下：

(1)確定評價評語集V={v1，v2，…，vp}，其中vj(j=1，2，…，p)表示綜合評價中的評語等級，是對被評指標的區(qū)間劃分，p是評語等級數(shù)或檔次數(shù).

(2)確定隸屬度矩陣R.求出評價指標的隸屬度，得到隸屬度矩陣：

式中：rij為評價指標ui對應(yīng)vj等級模糊子集的隸屬度，i=1,2,…,n,j=1,2,…,p.該矩陣中的每一行是對每一個指標的評價結(jié)果，模糊關(guān)系矩陣R包含了按評語集V對評價指標集合U進行評價所獲得的全部信息.

(3)模糊綜合評價.模糊綜合評價的模型為

B=W?R=(b1，b2，…，bp)，

(3)

式中：“?”表示模糊合成運算符號；B為權(quán)重向量W與模糊關(guān)系矩陣R合成的向量，即模糊綜合評價結(jié)果.

2 工程應(yīng)用

在對新鄭某礦的水文地質(zhì)狀況調(diào)查與分析的基礎(chǔ)上，建立了該礦突水風(fēng)險評價體系的層次分析結(jié)構(gòu).該評價指標體系分為目標層、準則層和因素層，共21個評價指標[7-8]，如圖1所示.

聘請來自設(shè)計院、煤礦現(xiàn)場和高等院校的10名專家組成安全診斷小組，對層次分析結(jié)構(gòu)的各指標進行多標度的FAHP權(quán)重分析和FCE突水風(fēng)險等級評判.

2.1 指標權(quán)重的計算

利用模糊一致矩陣的性質(zhì)對模糊判斷矩陣進行一致性檢驗：任意兩行的差滿足常數(shù)值，否則收集安全診斷小組成員的意見并反饋信息，對判斷矩陣經(jīng)過多輪調(diào)整，一直到診斷小組成員不再改變自己的意見為止，此時形成的判斷矩陣具有模糊一致性.以構(gòu)建A-Bj(j=1,2,3,4,5)模糊一致矩陣為例，見表1.

利用指標權(quán)重求取公式(1)可以得到wA-Bj=(0.21，0.16，0.26，0.26，0.11).同理，可以構(gòu)建其他模糊判斷矩陣、模糊互補矩陣轉(zhuǎn)換與一致性檢驗并求取相應(yīng)的權(quán)重，則因素層的21個指標的綜合權(quán)重依據(jù)公式(2)可以獲得：W=(0.048 9，0.077 1，0.063 0，0.021 0，0.056 0，0.034 7，0.045 3，0.024 0，0.056 4，0.073 6，0.091 0，0.039 0，0.078 0，0.060 6，0.060 6，0.060 6，0.027 5，0.022 0，0.016 5，0.033 0，0.011 0).如果以指標的累計百分比率在0%～80%為控制因素，則地下水(0.091 0)、構(gòu)造斷裂帶(0.078 0)、征兆識別(0.048 9)、地表水(0.073 6)、專業(yè)技能(0.063 0)、導(dǎo)水裂隙帶(0.060 6)、人為工程類通道(0.060 6)、其他類導(dǎo)水通道(0.060 6)、大氣降水(0.056 4)、地表防水工程(0.056 0)、生理狀況(0.048 9)、水倉與排水管路(0.045 3)、老空水(0.039 0)共13個指標(因素)占據(jù)總權(quán)重的82%，這13個因素涵蓋了職工素質(zhì)B1、防排水設(shè)備B2、充水水源B3、導(dǎo)水通道B4共4個一級指標.從安全系統(tǒng)原理來看，印證了煤礦水害的發(fā)生是人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不安全因素在一定的安管水平下相互作用的結(jié)果.這13個因素被稱為煤礦水害危險性的控制因素，這為有的放矢地制定水害防治措施提供了有力的決策依據(jù)和出發(fā)點.

圖1 礦井突水風(fēng)險評價指標體系Fig.1 Mine water bursting risk evaluation index system

2.2 模糊綜合評價

表1 A-Bj模糊一致矩陣Tab.1 Fuzzy consistent matrix of A-Bj

表2 評價等級分值與加權(quán)值Tab.2 Rating scale and weighted value

(1)一級模糊綜合評價

經(jīng)分析，職工素質(zhì)B1的模糊綜合評判結(jié)果向量如下：

B1=W1?R1=[0.328 3 0.196 7 0.233 3 0.160 0 0.036 7].

礦井突水風(fēng)險評價其他指標Bi(i=2,3,4,5)的評判結(jié)果向量如下：

B2=W2?R2= [0.321 6 0.336 7 0.199 0 0.141 8 0.000 0]，

B3=W3?R3= [0.136 7 0.265 0 0.215 0 0.348 3 0.035 0]，

B4=W4?R4=[0.023 3 0.276 4 0.323 0 0.299 7 0.077 6]，

B5=W5?R5=[0.430 0 0.305 0 0.220 0 0.045 0 0.000 0].

(2)二級模糊綜合評價

上述評價結(jié)果向量可以構(gòu)成模糊隸屬度矩陣R：

則礦井突水風(fēng)險評價結(jié)果為

(0.209 3，0.269 6，0.244 8，0.229 6，0.046 7).

由于計算結(jié)果中0.269 6，0.244 8和0.224 8比較接近，且最大隸屬度原則沒有估計到其他Bi值對評價結(jié)果的影響，所以這里使用加權(quán)平均的計算方法轉(zhuǎn)化為分值：

T=B·V=(0.209 3×95+0.269 6×85+0.244 8×75+0.229 6×65+0.046 7×30)=77.480 0.

將分值按照表2的評價等級標準值進行定級，定位為中等風(fēng)險，結(jié)合該礦的水文地質(zhì)條件及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度可知，該評價結(jié)果具有一定的可信度.

根據(jù)最大隸屬度原則，由B1 max=0.328 3確定該礦的職工素質(zhì)B1為低風(fēng)險等級，由B2 max=0.336 7可知該礦的防排水設(shè)備B2處于較低風(fēng)險等級，由B3 max=0.348 3確定該礦的充水水源B3處于較高風(fēng)險等級，由B4 max=0.323 0可知該礦導(dǎo)水通道B4處于中等風(fēng)險等級，由B5 max=0.430 0可知該礦的安全管理B5處于低風(fēng)險等級.由此可以看出，該礦的充水水源B3和導(dǎo)水通道B4所轄的幾個影響因素對該礦的水害危險程度起到了控制作用.結(jié)合該礦的水害危險性評價體系各個指標的影響權(quán)重值可以得出，該礦應(yīng)在地下水(權(quán)重值為0.091 0，排名第1)、構(gòu)造斷裂帶(權(quán)重值為0.081 2，排名第2)、地表水(權(quán)重值為0.073 6，排名第4)、導(dǎo)水裂隙帶、人為工程類通道、其他類導(dǎo)水通道(權(quán)重值均為0.060 6，排名并列第6)、大氣降水(權(quán)重值為0.056 4，排名第9)、地表防水工程(權(quán)重值為0.056 0，排名第10)、老空水(權(quán)重值為0.039 0，排名第13)等方面有針對性地制定措施，以防止突水災(zāi)害的發(fā)生.同時也可以看出，職工素質(zhì)B1、防排水設(shè)備B2所處狀態(tài)比較好，得到了診斷小組多位專家的認可，應(yīng)繼續(xù)在職工素質(zhì)所轄的征兆識別(權(quán)重值為0.048 9，排名第3)、專業(yè)技能(權(quán)重值為0.063 0，排名第6)、生理狀況(權(quán)重值為0.048 9，排名第11)這3個控制因素及防排水設(shè)備所轄的水倉與排水管路(權(quán)重值為0.045 3，排名第12)方面進行保持、加強和完善.

3 結(jié)論

(1)在搜集已有資料和對現(xiàn)場水文地質(zhì)條件調(diào)查的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了礦井突水風(fēng)險評價指標體系.使用基于多標度的FAHP構(gòu)造模糊判斷矩陣并確定了21個指標的權(quán)重及其總排序，地下水(0.091 0)、構(gòu)造斷裂帶(0.078 0)、征兆識別(0.048 9)、地表水(0.073 6)、專業(yè)技能(0.063 0)、導(dǎo)水裂隙帶(0.060 6)、人為工程類通道(0.060 6)、其他類導(dǎo)水通道(0.060 6)、大氣降水(0.056 4)、地表防水工程(0.056 0)、生理狀況(0.048 9)、水倉與排水管路(0.045 3)、老空水(0.039 0)共13個指標(因素)占據(jù)總權(quán)重的82%，是礦井突水風(fēng)險的控制因素，同時也是礦井突水防治的重點.

(2)將基于多標度的FAHP—FCE評價模型進行實例應(yīng)用，采取加權(quán)計算法得T=77.48，確定該礦的突水風(fēng)險等級為中等，評價結(jié)果與實際情況相符，能夠有效并準確地反映該礦的突水風(fēng)險程度.模糊綜合評價的量化綜合直觀地展現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)系統(tǒng)中突水潛在的安全隱患及部位，據(jù)此提出了相應(yīng)的防治措施，具有一定的指導(dǎo)意義.

[1] 傅貴,楊春,殷文韜.煤礦水災(zāi)事故動作原因研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2014,24(5):56-61.

[2] 董書寧.對中國煤礦水害頻發(fā)的幾個關(guān)鍵科學(xué)問題的探討[J].煤炭學(xué)報,2010,35(1):66-71.

[3] 許江濤,鄧寅生,文廣超,等.事故樹分析法在礦井水害防治中的應(yīng)用[J].西安科技大學(xué)學(xué)報,2009,7(4):405-408.

[4] 桂祥友,郁鐘銘.礦井水災(zāi)害預(yù)測的安全評價研究[J].中國礦業(yè),2006,15(5):35-37.

[5] 胡永達.楊莊煤礦水害危險性評價及防范對策研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué), 2009.

[6] 田水承,寇猛,金夢.煤礦水害險兆事件管理評價指標體系構(gòu)建及其應(yīng)用[J].西安科技大學(xué)學(xué)報, 2016,32(2):182-186.

[7] 徐星,吳金剛,張惠聚,等.趙家寨二1煤底板突水影響因素分析與防治建議[J].煤礦安全, 2011(9):151-153.

[8] 凌標燦. 煤礦水災(zāi)安全評價內(nèi)容探討[J].中國安全科學(xué)學(xué)報, 2004,14(7):64-66.

Researchonthefuzzycomprehensiveevaluationofminewaterburstingriskgradebasedonmulti-scale

XUXing,SUNWenbiao,TIANKunyun,SUZheng

(CollegeofSafetyEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Mine water bursting is the only serious accident after gas outburst, and the water bursting has been a prominent problem which has been plagued the production and construction of coal mine. Based on the theory of accident causing theory and safety of man-machine-environment theory analysis, the mine water bursting risk evaluation index system is analyzed. Fuzzy AHP (FAHP) based on nine scale is used to establish the fuzzy judgment matrix for the index of evaluation index system, fuzzy uniform matrix and the weight and comprehensive weight of each index. It was combined with fuzzy comprehensive evaluation method (FCE) for the two grade fuzzy comprehensive evaluation of the evaluation index system, the results show that: the fuzzy comprehensive evaluation which was based on risk multi scale model of water bursting could dig out potential threats of mine water bursting risk, according to the evaluation results, it could provide a theoretical reference and the basis for the prevention of water bursting from coal mine, it could also provide methodological reference for other similar coal mine risk evaluation.

mine water bursting risk; evaluation system; multi scale; fuzzy comprehensive evaluation

TD745

A

1674-330X(2017)04-0039-05

2017-08-13

國家自然科學(xué)基金(51604091);河南省高等學(xué)校重點科研項目(18A440010)

徐星(1979-)，男，山東煙臺人，講師，博士研究生，主要從事礦山水害防治與安全評價研究.