基于多災(zāi)耦合綜合評(píng)估的采煤工作面安全評(píng)價(jià)研究

張愛(ài)然 張連軍 彭英健 白玉花 姚有利

(1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西省大同市，037003;2.徐州博安科技發(fā)展有限責(zé)任公司，江蘇省徐州市，221008)

安全評(píng)價(jià)是從預(yù)防事故的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的危害和損失進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，有針對(duì)性地采取有效措施以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全的總目標(biāo)。安全評(píng)價(jià)對(duì)預(yù)防事故、提高安全管理水平和進(jìn)行安全決策等都有重要的指導(dǎo)意義。目前我國(guó)學(xué)者對(duì)煤礦安全評(píng)價(jià)做了大量研究，按評(píng)價(jià)內(nèi)容不同可歸納為兩大類：一類是從單一致災(zāi)因子角度建立安全評(píng)價(jià)模型，如田云麗等應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)煤與瓦斯突出的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究；孫斌等應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)瓦斯爆炸事故危險(xiǎn)源進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究；曹樹(shù)剛等應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)瓦斯爆炸危險(xiǎn)源進(jìn)行了動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；廖文德等應(yīng)用層次分析和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)煤礦瓦斯災(zāi)害危險(xiǎn)源進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)；張夢(mèng)雅等應(yīng)用模糊層次分析法對(duì)煤塵爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究；白雯等建立了基于熵權(quán)物元可拓的礦井火災(zāi)安全評(píng)價(jià)體系；蘆慶和等應(yīng)用不確定信息的不精確推理(D-S理論)建立了礦井內(nèi)因火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型；林登科等應(yīng)用可拓理論與區(qū)間賦權(quán)方法對(duì)煤礦水害安全評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究；徐會(huì)軍等對(duì)礦井工作面水害進(jìn)行了基于熵權(quán)物元可拓模型的評(píng)價(jià)研究；高峰等應(yīng)用盲數(shù)理論對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)性的不確定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；姜福興等提出了基于應(yīng)力疊加的回采工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法；張凱等研究了不同采掘擾動(dòng)下沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法；朱峰等綜合應(yīng)用層次分析和熵權(quán)法，并根據(jù)逼近理想解排序法建立了CW-TOPSIS沖擊地壓綜合評(píng)判模型。另一類是從人-機(jī)-環(huán)-管角度建立指標(biāo)體系，運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)理論對(duì)煤礦整體進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。但兩類評(píng)價(jià)都沒(méi)有考慮井下各致災(zāi)因子之間的相互影響。煤礦井下條件復(fù)雜多變、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，影響安全的因素非常多，且引發(fā)事故的各危險(xiǎn)因素相互關(guān)聯(lián)，僅研究單一危險(xiǎn)因素或不考慮致災(zāi)因子間的相互作用，不能全面反映礦井的安全狀況。因此本文在前人研究基礎(chǔ)之上，采用多災(zāi)種耦合理論對(duì)采煤工作面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)研究，以期提高煤礦安全評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，為煤礦安全管理提供指導(dǎo)。

1 多災(zāi)種耦合綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)多災(zāi)種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究和實(shí)踐主要在自然災(zāi)害領(lǐng)域。多災(zāi)種通常指評(píng)價(jià)單元內(nèi)多種致災(zāi)因子并存或并發(fā)的狀況，多災(zāi)種耦合綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估則是考慮評(píng)價(jià)單元內(nèi)多災(zāi)種及其相互作用關(guān)系，對(duì)其導(dǎo)致的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。在多災(zāi)種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)一般由致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性(發(fā)生災(zāi)害的可能性)和承災(zāi)體的脆弱性(包括暴露度和安全設(shè)防水平)確定，即R=f(H,V)。

1.1 多災(zāi)耦合危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

為了便于多災(zāi)耦合危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的量化計(jì)算，用危險(xiǎn)指數(shù)H表征各災(zāi)種及其指標(biāo)的危險(xiǎn)性，危險(xiǎn)指數(shù)與危險(xiǎn)等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 危險(xiǎn)指數(shù)和危險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)表

(1)確定各災(zāi)種的初始危險(xiǎn)性指數(shù)。確定各單一災(zāi)種的初始危險(xiǎn)指數(shù)并進(jìn)行分級(jí)是多災(zāi)耦合分析的基礎(chǔ)。設(shè)評(píng)價(jià)單元內(nèi)共有n種災(zāi)害，災(zāi)害i的初始危險(xiǎn)指數(shù)Hi可按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：n——災(zāi)種個(gè)數(shù)，任一災(zāi)種用i標(biāo)記；

m——災(zāi)種i的指標(biāo)個(gè)數(shù)，指標(biāo)用j標(biāo)記；

ωij——第j個(gè)指標(biāo)對(duì)災(zāi)種i的權(quán)重；

Hij——第j個(gè)指標(biāo)的危險(xiǎn)指數(shù)。

(2)基于多災(zāi)耦合的危險(xiǎn)指數(shù)修正。多災(zāi)種之間的相互作用關(guān)系，前人多使用災(zāi)害鏈、級(jí)聯(lián)效應(yīng)、耦合關(guān)系和觸發(fā)關(guān)系等來(lái)描述。耦合規(guī)則的建立及實(shí)現(xiàn)是進(jìn)行多災(zāi)耦合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的難點(diǎn)，目前仍處于嘗試階段，缺乏理論和實(shí)踐指導(dǎo)。本文依據(jù)礦井各災(zāi)害之間的作用建立基于觸發(fā)和相關(guān)關(guān)系的耦合規(guī)則，見(jiàn)表2，引入變量△Hi表示初始危險(xiǎn)指數(shù)在其他致災(zāi)因子影響下的改變量,包括觸發(fā)關(guān)系增加量△Hi-C和相關(guān)關(guān)系改變量△Hi-R。當(dāng)觸發(fā)災(zāi)害的初始危險(xiǎn)等級(jí)為中、高或非常高時(shí)，被觸發(fā)災(zāi)害的危險(xiǎn)指數(shù)增加量△Hi-C分別為0.2、0.4、0.8；若觸發(fā)災(zāi)害的初始危險(xiǎn)等級(jí)為非常低或低時(shí)，△Hi-C為0；若災(zāi)種之間在發(fā)生過(guò)程中存在正相關(guān)影響，則△Hi-R根據(jù)實(shí)際影響取0.1～0.5；若某種災(zāi)害可能被多種災(zāi)害觸發(fā)或受多災(zāi)種影響，則對(duì)△Hi-C和△Hi-R進(jìn)行累加。

表2 多災(zāi)種耦合規(guī)則

1.2 承災(zāi)體的脆弱性

脆弱性通常包括承災(zāi)體的潛在損失和應(yīng)對(duì)能力，并從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)等尺度選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文考慮我國(guó)事故分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)影響和安防應(yīng)對(duì)能力4個(gè)尺度選擇指標(biāo)對(duì)脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并引入脆弱性指數(shù)V來(lái)表征脆弱性等級(jí)，見(jiàn)表3。

表3 脆弱性指數(shù)和脆弱性等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 多災(zāi)耦合綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

為了和我國(guó)重大危險(xiǎn)源等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)一致，本文將多災(zāi)種風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為4級(jí)，用風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)R表示，潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和脆弱性指數(shù)的不確定性特點(diǎn)，借鑒文獻(xiàn)的模糊邏輯推理模型來(lái)確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)類別，如圖1所示。按評(píng)價(jià)單元內(nèi)最大風(fēng)險(xiǎn)確定其綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表4 潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 應(yīng)用實(shí)例

以寺塔煤礦首采工作面為評(píng)價(jià)單元，對(duì)其進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，5種致災(zāi)因子包括瓦斯、煤塵、自然發(fā)火、沖擊地壓和地下水。

2.1 多災(zāi)耦合危險(xiǎn)性評(píng)估

(1)各災(zāi)種初始危險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算。綜合前人研究基礎(chǔ)，結(jié)合寺塔礦實(shí)際生產(chǎn)情況，建立對(duì)5種致災(zāi)因子的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分別邀請(qǐng)省級(jí)專家、礦總工程師和安全管理人員采用層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，并進(jìn)行賦值，對(duì)結(jié)果平均后匯總，見(jiàn)表5。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣模糊推理模型

(2)危險(xiǎn)指數(shù)的修正。對(duì)5種致災(zāi)因子的初始危險(xiǎn)指數(shù)按照前文建立的規(guī)則進(jìn)行修正，由于具有觸發(fā)關(guān)系的瓦斯爆炸和煤塵爆炸的初始危險(xiǎn)等級(jí)都是低風(fēng)險(xiǎn)，所以觸發(fā)關(guān)系增加量為0，其他災(zāi)害之間不具有觸發(fā)關(guān)系；由于井下瓦斯、煤塵、高溫、各可燃?xì)怏w共存，會(huì)使物質(zhì)的爆炸下限下降和最小點(diǎn)火能降低，礦壓顯現(xiàn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致瓦斯異常涌出等，所以根據(jù)實(shí)際情況，相關(guān)關(guān)系增加量取相應(yīng)數(shù)值，具體見(jiàn)表6。修正后各災(zāi)害的危險(xiǎn)指數(shù)見(jiàn)表5。

表5 各致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性指標(biāo)、權(quán)重及結(jié)果

表6 各災(zāi)害之間的關(guān)系統(tǒng)計(jì)

2.2 采煤工作面脆弱性評(píng)估

因?yàn)椴煌瑸?zāi)害的影響范圍及礦井對(duì)不同災(zāi)害的安防水平和救援能力不同，本文統(tǒng)計(jì)并分析發(fā)生瓦斯爆炸、煤塵爆炸、自然發(fā)火、沖擊地壓、地下透水事故的指標(biāo)特征，建立多災(zāi)種承災(zāi)體脆弱性指標(biāo)體系，并邀請(qǐng)前面3位專家按表3的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí),結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 承災(zāi)體脆弱性指標(biāo)體系，權(quán)重及結(jié)果

2.3 工作面多災(zāi)耦合綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)R=f(H,V)，用各致災(zāi)因子修正后的危險(xiǎn)指數(shù)和對(duì)應(yīng)的脆弱性指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，利用圖1的模糊推理模型可以計(jì)算各災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)程度，見(jiàn)表8。該工作面各災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)排序?yàn)槊簤m爆炸>瓦斯爆炸>沖擊地壓>地下水>自然發(fā)火，按最大風(fēng)險(xiǎn)原則確定該單元的綜合風(fēng)險(xiǎn)，則該工作面的綜合風(fēng)險(xiǎn)屬于潛在低風(fēng)險(xiǎn)的程度為0.43%，屬于潛在中風(fēng)險(xiǎn)的程度為99.03%，屬于潛在高風(fēng)險(xiǎn)的程度為0.54%?？梢?jiàn)寺塔煤礦應(yīng)該針對(duì)該工作面采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)緩解措施，尤其是提高承災(zāi)體的應(yīng)對(duì)能力，以降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表8 多災(zāi)耦合綜合評(píng)估結(jié)果

3 結(jié)論

(1)在分析單一災(zāi)種基礎(chǔ)上建立了基于觸發(fā)和相關(guān)關(guān)系的多災(zāi)耦合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，能更全面合理地反映井下各致災(zāi)因子之間的相互影響。

(2)采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣模糊邏輯模型確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)信息更加豐富，能清晰明確地反映風(fēng)險(xiǎn)的模糊比重分布情況，有助于更好地指導(dǎo)風(fēng)險(xiǎn)緩解措施的制定。

(3)以寺塔煤礦首采工作面為例，應(yīng)用該方法，評(píng)估結(jié)果所屬風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)更加明確，反映出承災(zāi)體應(yīng)對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)的差異性，可為制定風(fēng)險(xiǎn)緩解措施和安全管理提供依據(jù)。

本文首次將多災(zāi)耦合評(píng)價(jià)模型引入到煤礦安全研究中，還有很多工作需要繼續(xù)深入研究。如在今后的實(shí)踐中，要加強(qiáng)對(duì)煤礦各災(zāi)種耦合過(guò)程的跟蹤、監(jiān)測(cè)和記錄，建立煤礦多災(zāi)種信息數(shù)據(jù)庫(kù)，以提高修正危險(xiǎn)指數(shù)的準(zhǔn)確度；隨著云計(jì)算技術(shù)和圖像信息技術(shù)的發(fā)展，可以實(shí)時(shí)顯示評(píng)估計(jì)算結(jié)果并將其進(jìn)行可視化顯示，提醒現(xiàn)場(chǎng)人員時(shí)刻注意工作環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。