煤礦水災(zāi)事故模糊綜合評判和應(yīng)急等級劃分

楊 藝，孟 璐，韓瑞剛，王 瑞

(華北科技學院安全工程學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

目前我國對于煤礦水災(zāi)事故通常是在事故發(fā)生之后進行事故評級，按照事故造成人員的傷亡和直接經(jīng)濟損失這兩個指標劃分為四個事故等級，這個過程無法讓事故等級作為參照對事故救援產(chǎn)生幫助。應(yīng)急管理是煤礦安全生產(chǎn)管理的基礎(chǔ)，煤礦安全生產(chǎn)應(yīng)急管理是預(yù)防煤礦突發(fā)事故發(fā)生或在事故發(fā)生后控制事故擴大、減少事故損失的方案、計劃、措施、組織方式等[1]。

煤礦事故發(fā)生后，各單位實施的應(yīng)急救援方案要有目的性，計劃性，效率性。為此必須先明確事故等級，判斷出是特別重大事故還是重大事故，較大事故或是一般事故，再根據(jù)情況劃定出應(yīng)急等級，確定最佳救援方案，根據(jù)災(zāi)情的嚴重程度合理調(diào)度救援資源，這樣才能最好地處理好事故，以降低損失和傷亡。本文引入模糊綜合評判法來評判事故發(fā)生過程中的事故等級，進而確定相應(yīng)的應(yīng)急等級，實現(xiàn)目標明確，效率高效的救援目的。

運用某煤礦透水事故以及某礦業(yè)‘4.25’透水事故作為分析目標的案例和驗證案例，證明使用模糊綜合評判方法對煤礦水災(zāi)事故過程中所影響因素的嚴重程度進行綜合評判，提前確定出水災(zāi)事故等級進而劃分出應(yīng)急等級以便投入相應(yīng)的救援力量切實可行。

1 某煤礦突水事故概述

某煤礦地處干旱的半沙漠地區(qū)，區(qū)內(nèi)干旱少雨，地面上沒有常年流動的水。根據(jù)主要可采煤層開采時的直接充水含水層的含水空間特征、水位、富水性、斷層的含、導水性及補給情況等，確定“本區(qū)應(yīng)屬于以裂隙含水層為主的水文地質(zhì)條件簡單類型”[2]。礦井按正常涌水量200 m3/h、最大涌水量300 m3/h設(shè)計排水系統(tǒng)，透水事故發(fā)生前礦井實際涌水量為165.3 m3/h。2010年3月1日發(fā)生底板突水后突水量達到60036 m3/h，造成礦井+1093標高以下井巷全部被淹沒，造成一人死亡及多人受傷，31人被困井下，截至5月7日搜救完畢共造成32人死亡。透水發(fā)生后，井下水位標高為+1079.05 m，透水量共計約100000 m3。3月4日0時礦井透水達到最高水位+1093 m，截止5月10日12時，累計排水1440000m3。經(jīng)調(diào)查，這是一起由奧灰水從煤層底板涌出導致的透水事故[3-4]。

2 煤礦水災(zāi)事故模糊綜合評判

模糊綜合評判法是借助模糊數(shù)學的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價[5]，即對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€整體的評價[6]，有一級評判和多級評判之分，指標較少就用一級綜合評判，評價指標較多時則用多級綜合評判比較好。

2.1 一級模糊綜合評判

首先確定好因素集，記作U={u1,u2,…,ui}，U是被評價對象的i個評價元素，代表所影響評價對象的因素的集合，ui表示評價目標的第i個評價指標。其次是評語集，記作V={v1,v2,…,vj}，V代表對評價對象的等級標準的集合，vj表示第j個評價結(jié)果。從因素集U中的一個因素ui單獨出發(fā)進行評價，根據(jù)評估經(jīng)驗和原則，進行單因素評價，從而確定評價目標un(n=1,2,…,i)對評語集合V的隸屬程度rij，得出第n個因素un的單因素評價集：Ri=(ri1,ri2,…,rij)，這樣的過程稱之為單因素模糊評價。然后確定單因素評判矩陣：當對每一個指標進行單因素評價完成后，將這些單因素評判矩陣綜合起來，把第i個因素的單因素評價矩陣作為行，從而組成最終總的評價矩陣Rij。即：

(1)

2.2 多級模糊綜合評判

以二級模糊綜合評判為例：

首先把已經(jīng)劃定的因素集U繼續(xù)按照不同的性質(zhì)劃分成不同的類別，再對因素子集Ui，i∈(1,k),做一級綜合評判。設(shè)Ui重要因素的模糊子集Ai，Ui的Si個因素對于評語集V的模糊綜合評價矩陣為R，將一個一級模型對于Ui進行模糊綜合評判，Ui的模糊綜合評價集記作Bi=Ai*Ri=(bi1,bi2,…,bij)。再進行二級模糊綜合評判，把因素集U中的k個因素子集當成k個單因素，并設(shè)U=(u1,u2,…,uk)的因素對評價目標的隸屬度集為A=(A1,A2,…,Ak)，再通過各個對Ui的評價結(jié)果Bi，共同構(gòu)成二級綜合評判矩陣。

(2)

之后U的綜合評判矩陣就可由此計算得出，得到B：

(3)

2.3 層次分析法

評判過程中選擇使用層次分析法來解決權(quán)重的問題[7]，層次分析法的基本計算步驟如下：

(1) 明確研究問題，建立層次結(jié)構(gòu)模型：將評價的目標，評價過程所要考慮的因素以及決策對象按照他們的關(guān)系分成最高層，中間層和最低層，繪出層次結(jié)構(gòu)圖。

(2) 構(gòu)造判斷矩陣：把同一層中的因素對于上一個層次的某個指標的重要程度進行兩兩比較，采用相對尺度法，來減少有性質(zhì)差異的不同因素之間的比較困難，以便減少誤差。

表1 平均隨機一致性指標RI標準值

得到評判矩陣R和權(quán)重集A之后，用模糊變換來進行綜合評判。即

(4)

bn(n=1，2，…,j)是把所有因素的影響都進行綜合考慮時，評價目標對評語集中第j個評語因素的隸屬度，這個向量代表了每個評價等級的隸屬度[8]。

2.4 模糊綜合評判因素集的選取及權(quán)重集的確定

2.4.1 因素集的選取

本文借鑒了事故樹分析法和層次分析法的原理，在對與煤礦水災(zāi)事故嚴重性有關(guān)的諸多因素進行分析后，選出其中對事故嚴重程度影響力較大的幾個重要因素作為我們評判過程中的因素集。在事故樹分析的編制過程中，用“T”來標記頂上事件，中間事件用“M”來標記，下層的基本事件用“X”來標記。

圖1 煤礦水災(zāi)事故嚴重程度事故樹

事故樹模型中各符號含義如下所示：

T：煤礦水災(zāi)事故嚴重程度；M1：危及工人程度；M2：礦井受災(zāi)程度；M3：經(jīng)濟損耗程度；M4：工人人身安全；M5：礦井出水情況；M6：礦井損毀情況；M7：事故經(jīng)濟損失；M8：救援投入經(jīng)濟；X1：工作效率下降；X2：受困人員數(shù)量；X3：受傷或死亡情況；X4：出水量；X5：出水時長；X6：出水淹沒范圍；X7：井巷報廢；X8：設(shè)備故障；X9：煤炭損失量；X10：損毀設(shè)施價值；X11：救援設(shè)備投入；X12：救援人員投入

對煤礦水災(zāi)事故后果事故樹進行結(jié)構(gòu)重要度分析[9]，在對事故情況進行調(diào)查分析后，以事故樹模型為基礎(chǔ)，建立煤礦水災(zāi)事故嚴重程度的層次分析結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分為三個層次，共計3個一級指標，12個二級指標。如表2所示：

表2 煤礦水災(zāi)事故嚴重程度指標體系

續(xù)表

2.4.2 權(quán)重集的確定

確定評價指標的權(quán)重，首先確定A-B層次之間的指標權(quán)重，構(gòu)建的判斷矩陣如下表3。

表3 判斷矩陣

(1) 對成對比較陣A的各列進行求和：Sj

(5)

得S1=1.5333，S2=4.3333，S3=9

(2) 對A的各列進行歸一化處理，得到新矩陣B={bij}

(6)

得b11=0.6522,b21=0.2174,b31=0.1304

b12=0.6923,b22=0.2308,b32=0.0769

b13=0.5556,b23=0.3333,b33=0.1111

(3) 計算新矩陣B中各行的均值wi，得到特征向量Wi

(7)

得W1=0.6334，W2=0.2605，W3=0.1061

(4) 計算成對比較陣的最大特征值λmax：

(8)

其中

(9)

由此計算λmax得3.0386

(5) 對權(quán)向量進行一致性檢驗

參考平均隨機一致性指標表，三階矩陣的RI應(yīng)取0.58。

(10)

(11)

CR<0.1，通過一致性檢驗，此判斷矩陣的一致性可以接受。

同理，得出B-C層次之間的指標權(quán)重，最大特征根，一致性比率，如表4所示：

表4 煤礦水災(zāi)事故嚴重程度指標體系權(quán)重表

經(jīng)計算，B1-C～B3-C的CR均小于0.1，判斷矩陣一致性可以接受，各指標權(quán)重如表5所示：

表5 煤礦水災(zāi)事故嚴重程度指標體系權(quán)重表

根據(jù)綜合權(quán)重排序，各基本事件對頂上事件的影響程度依次為：受困人員數(shù)量，受傷或死亡情況，出水淹沒范圍，出水量，煤炭損失量，影響工作效率，井巷報廢，損毀設(shè)施價值，設(shè)備故障，救援設(shè)備投入，出水時長，救援人員投入。

綜合上述權(quán)重排序，確定評價因素集為：U={u1,u2,u3}={受困人員數(shù)量，出水淹沒范圍，出水量}，對它們的權(quán)重經(jīng)過歸一化處理后得A={a1,a2,a3}={0.7529，0.1591，0.0881}。評語集為V={v1,v2,v3,v4}={特別重大，重大，較大，一般}[10]。

特別重大事故：受困人員數(shù)大于30,出水淹沒范圍大于80%，出水量大于1800 m3/h；

重大事故：受困人員數(shù)10～29,出水淹沒范圍30%～80%,出水量600～1800 m3/h;

較大事故：受困人員數(shù)3～9,出水淹沒范圍10%～30%,出水量60～600 m3/h;

一般事故：受困人員數(shù)1～2,出水淹沒范圍小于10%,出水量小于60 m3/h。

其中，受困人員數(shù)量分級標準參考《煤礦生產(chǎn)安全事故報告和調(diào)查處理規(guī)定》，出水淹沒范圍分級標準參考高慶華，張業(yè)成等提出的《受災(zāi)體災(zāi)度等級劃分》，出水量分級標準參考《礦井水文地質(zhì)類型劃分》。

2.5 單因素評價

建立評價指標對每級標準的隸屬度稱為單因素評價，根據(jù)隸屬度計算公式：

(1) 在這一事故時間段內(nèi)，受困人員數(shù)量為31人，死亡人數(shù)為1人，超出了以30人為界的特別重大事故標準，所以受困人員數(shù)量對于特別重大事故的隸屬度為1，表示在受困人員數(shù)量這一方面100%屬于特別重大事故。R1=(0，0，0，1)

(2) 在事故發(fā)生的7時20分到14時這一時間段內(nèi)，水位標高到+1079 m,在此水位以下被淹沒的井巷占總礦井的75.2%，在30%～80%之間，所以出水淹沒范圍的隸屬度為：0.9774，0.0226，表示在出水淹沒范圍這方面有97.74%屬于重大事故，2.26%屬于較大事故，即R2=(0，0.0226，0.9774，0)。

(3) 在選取的這一時間段內(nèi)共計透水100000 m3，約15000 m3/h，遠大于特別重大事故1800 m3/h的界限，因此在出水量方面對于特別重大事故的隸屬度為1，即R3=(0，0，0，1)。

2.6 綜合評價

將單因素評判的結(jié)果構(gòu)成隸屬度矩陣，如下所示：

(12)

權(quán)重集為A={a1,a2,a3}={0.7529，0.1591，0.0881}。

根據(jù)評判集B=A·R得：

(13)

計算得B=(0,0.0036,0.1555,0.8472),因此以0.8472為評判結(jié)果，評判此次事故為特別重大事故。某煤礦透水事故截至2010年4月14日共造成32人死亡，直接經(jīng)濟損失4852.98萬元，根據(jù)國家規(guī)定的事故等級分級原則，本次某煤礦透水事故應(yīng)定為特別重大事故，與模糊綜合評判結(jié)果相同。

3 案例驗證(某礦業(yè)‘4 .25’透水事故)

3.1 研究區(qū)及事故概況

某煤礦據(jù)2013年～2015年統(tǒng)計，礦井正常涌水量為40 m3/h，最大涌水量130 m3/h。在2016年4月25日8點05分巷道中伴隨著巨響，水霧和強大的氣流，突水事故發(fā)生。突水地點在某煤礦的二采區(qū)202工作面推采到距區(qū)段回風下山317 m處，事故發(fā)生后56名井下人員安全升井，仍有11人被困，另外事故導致202工作面運輸順槽和回風順槽被淹沒。在事故發(fā)生8時05分到12時，202工作面運順積水處只使用一臺37 kW排量80 m3/h的水泵的情況下，礦井水位不再繼續(xù)上漲，這段時間內(nèi)的突水量以80 m3/h來算。

3.2 用模糊綜合評價評判事故等級

根據(jù)上述某煤礦透水事故案例分析結(jié)果，單因素評價結(jié)果如下：

(1) 事故發(fā)生后受困人員數(shù)量為11人，在較大事故9人和重大事故29人界線之間，所以受困人員數(shù)量對于較大事故的隸屬度為0.1，對于重大事故的隸屬度為0.9，表示在受困人員數(shù)量這一方面10%屬于較大事故，有90%屬于重大事故，R1=(0，0.1，0.9，0)

(2) 事故發(fā)生后淹沒了包括202工作面及運輸順槽和回風順槽在內(nèi)的范圍，約占二采區(qū)的的84.0%，超過特別重大事故的界線，表示在出水淹沒范圍這方面屬于特別重大事故，即R2=(0，0，0，1)。

(3) 突水量約為80 m3/h，在較大事故60 m3/h和重大事故600 m3/h的范圍之內(nèi)，因此在出水量方面對于較大事故的隸屬度為0.037，對于重大事故的隸屬度為0.963，表示在出水量方面有96.3%屬于重大事故，3.7%屬于較大事故，即R3=(0，0，0，1)。

綜合評判結(jié)果：

(14)

計算可得B=(0,0.079,0.762,0.159)，根據(jù)最大隸屬度原則，以0.762為評判結(jié)果，評判此次事故為重大事故。救援結(jié)束后經(jīng)統(tǒng)計本次事故共11人遇難，直接經(jīng)濟損失1838.17萬元，應(yīng)該劃為一起重大事故，與事故早期的評判結(jié)果相同，驗證完畢，證明利用模糊綜合評判法來評判煤礦水災(zāi)事故等級具有可行性。

4 應(yīng)急等級劃分

事故應(yīng)急響應(yīng)分級是根據(jù)事故嚴重程度、影響范圍、處置難度和本礦井對生產(chǎn)安全事故的可控能力，原則上按照發(fā)生四級、三級、二級和一級共四個級別生產(chǎn)安全事故，依次啟動礦級、股份公司及市級、省級和國家級應(yīng)急預(yù)案[11]。按照模糊綜合評判所得煤礦水災(zāi)的事故等級，可以將四個應(yīng)急響應(yīng)等級與一般事故，較大事故，重大事故，特別重大事故對應(yīng)，最終準確得出事故應(yīng)急等級。根據(jù)上述對某煤礦透水事故的分析和模糊綜合評判結(jié)果所示，此次透水結(jié)果應(yīng)劃定為特別重大事故，按照應(yīng)急等級劃分標準，礦方應(yīng)該及時啟動Ⅰ級響應(yīng)程序，需要省級人民政府處理或國務(wù)院安委會介入處理，根據(jù)制定的應(yīng)急預(yù)案開展救援行動。

5 結(jié)論

(1) 本文解決了以往事故發(fā)生后只能在事故救援工作結(jié)束后通過調(diào)查確定事故等級，救援過程只能憑經(jīng)驗調(diào)度救援力量，而以模糊綜合評判的結(jié)果為參考，在救援過程確定出事故等級，可以用事故等級對應(yīng)出應(yīng)急響應(yīng)等級，比以往得出的應(yīng)急等級更加準確。不至于出現(xiàn)調(diào)度的救援人員與物資不夠或過多的情況，也能讓事故等級發(fā)揮出對救援的幫助，而不是作為一個災(zāi)后的悲慘程度的等級。

(2) 文中的不足之處在于選取三個對評判事故等級影響程度較高的因素顯得略微缺少說服力，對于模糊綜合評判模型而言，加入評判的指標越多，得出綜合考慮各方面之后的結(jié)果，也就越具有說服力。但是由于在事故資料搜集的過程中，礦方能夠公開出來的事故資料比較有限，無法得到更多具體的參數(shù)，為事故等級評判造成一定影響。但如果由煤礦公司在處理水災(zāi)事故時應(yīng)用此模型解決問題，能夠做到及時提供足夠水災(zāi)過程中的參數(shù)，評判出更為準確的事故等級。