基于IFAHP-熵權(quán)法的煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)

黃家遠(yuǎn)(貴州大學(xué)勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 貴州 貴陽(yáng) 550025)

1 前言

煤礦常見的五大災(zāi)害中,瓦斯災(zāi)害作為煤礦生產(chǎn)過程中影響范圍廣且危害大的重大災(zāi)害,造成的事故包括煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故,都會(huì)嚴(yán)重影響到煤礦的安全生產(chǎn),造成國(guó)家財(cái)產(chǎn)的損失[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),自建國(guó)以來因瓦斯導(dǎo)致的煤礦事故中,死亡人數(shù)超過100 人的事故數(shù)有19 起,占到同規(guī)模死亡人數(shù)事故總數(shù)的八成[2]。 由此可見,瓦斯防治是瓦斯礦井中必不可少的環(huán)節(jié),特別是在高瓦斯礦井中,而瓦斯防治系統(tǒng)的構(gòu)建是一個(gè)綜合過程,過程中無論哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)漏洞都有可能導(dǎo)致瓦斯事故的發(fā)生,為了保障煤礦瓦斯防治系統(tǒng)的正常運(yùn)行,提高瓦斯防治系統(tǒng)的可靠性,避免在事故高發(fā)期因系統(tǒng)狀況差而導(dǎo)致煤礦瓦斯事故發(fā)生,有必要建立起一套煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系。 國(guó)內(nèi)專家學(xué)者在煤礦安全評(píng)價(jià)領(lǐng)域已有較多較為成熟的研究[3-6],其中層次分析法及其演變出來其他分析法應(yīng)用較為廣泛。 層次分析法是一種簡(jiǎn)單的主觀評(píng)價(jià)方法,在此方法上延伸出來模糊層次分析法是層次分析法與模糊分析法結(jié)合出來的一種指標(biāo)權(quán)重確定方法,利用模糊判斷矩陣代替了層次分析法中的判斷矩陣,延續(xù)主觀評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上對(duì)層次分析法進(jìn)行改進(jìn),兩種方法均有較多的應(yīng)用案例[7-8]。 但要建立起一個(gè)煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系,僅僅依靠單一方法難以實(shí)現(xiàn)所確定權(quán)重的合理性、準(zhǔn)確性,近年來將兩種不同方法耦合用于煤礦領(lǐng)域其他系統(tǒng)評(píng)價(jià)中的研究較多,而以往對(duì)煤礦瓦斯防治系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)的方法大多僅依靠單一的評(píng)價(jià)方法[9-10],因此有必要通過兩種或多種方法結(jié)合確定指標(biāo)權(quán)重,建立一個(gè)結(jié)構(gòu)完善、方法合理的綜合評(píng)價(jià)體系。

本文通過建立煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系,利用改進(jìn)模糊層次分析法(Improved Fuzzy Analytic Hierarchy Process,簡(jiǎn)稱IFAHP),確定體系指標(biāo)的主觀權(quán)重,利用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的客觀權(quán)重,根據(jù)最小信息熵原理,將所得到的主客觀權(quán)重組合得出復(fù)合權(quán)重,以貴州省某煤礦為應(yīng)用對(duì)象,將該權(quán)重確定方法應(yīng)用于該礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)中,通過兩種方法耦合得到的系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等級(jí)更為合理,并且通過該方法能夠更為準(zhǔn)確地對(duì)該礦中存在的問題進(jìn)行整改,對(duì)提高煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全性有著積極作用。

2 評(píng)價(jià)體系指標(biāo)權(quán)重的確定方法

2.1 基于改進(jìn)模糊層次分析法的指標(biāo)主觀權(quán)重確定

改進(jìn)模糊層次分析法是在傳統(tǒng)層次分析法的基礎(chǔ)上演變而來的,比較前者與后者的不同,前者通過改進(jìn)省去了一致性檢驗(yàn)的環(huán)節(jié),對(duì)指標(biāo)權(quán)重的確定更加合理[11]。 該方法確定指標(biāo)權(quán)重的具體步驟如下:

(1)確定評(píng)價(jià)體系,分層構(gòu)建體系結(jié)構(gòu),將體系分成目標(biāo)(A)、準(zhǔn)則(B)、指標(biāo)(C)層,目標(biāo)層對(duì)應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)可靠性情況,準(zhǔn)則層為系統(tǒng)整體可靠性評(píng)價(jià)的下級(jí)指標(biāo)情況,指標(biāo)層為準(zhǔn)則層指標(biāo)的下級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)情況。

(2)通過專家對(duì)準(zhǔn)則層、指標(biāo)層各指標(biāo)的相對(duì)重要程度評(píng)價(jià),利用0.1 ～0.9 5 標(biāo)度法構(gòu)造優(yōu)先判斷矩陣F=(fij n×n,i,j=1,2,…,n,矩陣中fij與fji互補(bǔ),可稱其為模糊互補(bǔ)矩陣,顯然可得fij<1,fij+fji=1,fii=0.5。

由于該方法是基于對(duì)各指標(biāo)相對(duì)重要程度評(píng)價(jià)從而通過計(jì)算求得各指標(biāo)權(quán)重,側(cè)重于專家對(duì)各指標(biāo)的評(píng)價(jià),人為因素對(duì)指標(biāo)權(quán)重確定的影響要大,客觀性較弱,因此計(jì)算出來的指標(biāo)權(quán)重為主觀權(quán)重。

2.2 基于熵權(quán)法的指標(biāo)客觀權(quán)重確定

與改進(jìn)模糊層次分析法有所不同,熵權(quán)法是一種客觀的評(píng)價(jià)方法,因此它可以用于縮小層次分析法及其演變而來的其他主觀確定權(quán)重的方法所帶來誤差,使計(jì)算出來的權(quán)重更加切合實(shí)際,近年來多與其他分析方法耦合,計(jì)算得出復(fù)合權(quán)重,從而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域[12-14]。 但由于其多被用于具有量化評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系中,為提高其適用性,將評(píng)價(jià)體系指標(biāo)進(jìn)行量化[15],該方法確定指標(biāo)權(quán)重具體步驟如下:

(1)確定評(píng)語(yǔ)集、評(píng)價(jià)等級(jí)、評(píng)價(jià)值。 依照系統(tǒng)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分習(xí)慣,確定評(píng)價(jià)等級(jí)分別為優(yōu)、良、中、差四個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí),并對(duì)其賦值進(jìn)行語(yǔ)義量化:“優(yōu)”賦值為4,“良”賦值為3,“中”賦值為2,“差”賦值為1。 構(gòu)建評(píng)語(yǔ)集D={d1,d2,d3,d4}分別與四個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng),具體分類見表1。

表1 系統(tǒng)評(píng)價(jià)等級(jí)分類表

通過訪問多個(gè)專家,以評(píng)價(jià)調(diào)查問卷的形式,統(tǒng)計(jì)專家贊成準(zhǔn)則層或指標(biāo)層各指標(biāo)在各評(píng)價(jià)等級(jí)下的人數(shù), 從而得到原始數(shù)據(jù)矩陣G=其中,n為指標(biāo)個(gè)數(shù),m為評(píng)價(jià)等級(jí)個(gè)數(shù)。

2.3 復(fù)合權(quán)重的確定

通過改進(jìn)模糊層次分析法確定指標(biāo)的主觀權(quán)重w1i,再利用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的客觀權(quán)重w2i,其中1≤i≤n,n為指標(biāo)個(gè)數(shù),利用最小信息熵原理,通過式(1)將二者結(jié)合得到復(fù)合權(quán)重:

通過將兩種方法得到的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行耦合計(jì)算,這樣就可以避免因單一方法造成確定的指標(biāo)權(quán)重值與實(shí)際偏差較大的問題,使系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3 煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系的建立

3.1 系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系

評(píng)價(jià)體系的建立是系統(tǒng)評(píng)價(jià)的開始,對(duì)煤礦瓦斯防治系統(tǒng)的安全性進(jìn)行一個(gè)評(píng)價(jià),從其不同方面的影響因素出發(fā),由淺入深,逐層構(gòu)建評(píng)價(jià)體系,將評(píng)價(jià)體系分為三層:目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。 其中目標(biāo)層是整個(gè)煤礦瓦斯防治系統(tǒng)可靠性水平,準(zhǔn)則層是評(píng)價(jià)煤礦瓦斯防治系統(tǒng)可靠性的大類評(píng)價(jià)指標(biāo),指標(biāo)層則是各個(gè)大類評(píng)價(jià)指標(biāo)下的子評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過參考前人所總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)[16],系統(tǒng)性地對(duì)每一層指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)歸納,將準(zhǔn)則層分為5 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),包括了瓦斯爆炸預(yù)防水平、煤與瓦斯突出預(yù)防水平等,為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo),將指標(biāo)層共分成16 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),包括通風(fēng)質(zhì)量水平、瓦斯含量測(cè)定狀況等,為二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo),安全評(píng)價(jià)體系如圖1 所示。

圖1 煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系

3.2 系統(tǒng)安全等級(jí)劃分

若要對(duì)煤礦瓦斯防治系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià),還應(yīng)該對(duì)其評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行劃分,用于對(duì)其子評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分,并通過上一節(jié)中的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行定量的計(jì)算以后,再對(duì)整個(gè)煤礦瓦斯防治系統(tǒng)進(jìn)行定性評(píng)價(jià),通過“定性-定量-定性”的過程,才可以使最后的評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理、準(zhǔn)確。 通過百分制的評(píng)價(jià)等級(jí)劃分,對(duì)等級(jí)劃分區(qū)間進(jìn)行合理地調(diào)整,能夠?qū)Ω鱾€(gè)指標(biāo)的狀況和水平給出一個(gè)合理的評(píng)價(jià)結(jié)果。依據(jù)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等級(jí)劃分習(xí)慣,將煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等級(jí)分成五個(gè)等級(jí):安全、較安全、一般、較危險(xiǎn)、危險(xiǎn)。 依照百分制評(píng)分區(qū)間劃分習(xí)慣,結(jié)合評(píng)價(jià)等級(jí)語(yǔ),對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行評(píng)分區(qū)間劃分與之對(duì)應(yīng):等級(jí)“安全”評(píng)分區(qū)間定為90 ～100,區(qū)間跨度10;等級(jí)“較安全”評(píng)分區(qū)間定為75 ～90,區(qū)間跨度15;等級(jí)“一般”評(píng)分區(qū)間定為60 ～75,區(qū)間跨度15;等級(jí)“較危險(xiǎn)”評(píng)分區(qū)間為30 ～60,區(qū)間跨度30;等級(jí)“危險(xiǎn)”評(píng)分區(qū)間為0 ～30,區(qū)間跨度30。等級(jí)劃分見表2。

表2 煤礦瓦斯防治系統(tǒng)等級(jí)劃分

3.3 計(jì)算確定系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等級(jí)

評(píng)價(jià)體系構(gòu)建以后,即可通過第一節(jié)中的權(quán)重確定方法確定各指標(biāo)權(quán)重,但無論是改進(jìn)模糊層次分析法還是熵權(quán)法,最終計(jì)算出來的結(jié)果都是準(zhǔn)則層指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層系統(tǒng)的權(quán)重及指標(biāo)層指標(biāo)相對(duì)于準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重,無法確定指標(biāo)層指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重,也就不能直接通過對(duì)指標(biāo)層指標(biāo)評(píng)價(jià)從而直接對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià),因此需要計(jì)算得出指標(biāo)層指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重,具體步驟如下:

(1)通過改進(jìn)模糊層次分析法確定準(zhǔn)則層指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層及指標(biāo)層指標(biāo)相對(duì)于準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重,再根據(jù)隸屬關(guān)系,將子評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重與對(duì)應(yīng)的大類評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重相乘,從而確定指標(biāo)層指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的主觀相對(duì)權(quán)重。

(2)通過熵權(quán)法重復(fù)上面步驟,得到客觀相對(duì)權(quán)重。

(3)利用最小信息熵原理,將上面得到的各子評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀相對(duì)權(quán)重和客觀相對(duì)權(quán)重通過計(jì)算得出其復(fù)合相對(duì)權(quán)重。

(4)將評(píng)價(jià)體系應(yīng)用于具體礦井中瓦斯防治系統(tǒng)評(píng)價(jià)中,組織專家和現(xiàn)場(chǎng)工作人員根據(jù)表2 中的評(píng)分區(qū)間對(duì)評(píng)價(jià)體系中各子評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行逐一打分。

(5)通過計(jì)算得出各指標(biāo)加權(quán)評(píng)分,將其累加即可得到煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評(píng)分其中,為步驟(3)中計(jì)算得到的各子評(píng)價(jià)指標(biāo)的復(fù)合相對(duì)權(quán)重,yi為專家及現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)各子評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分。

(6)根據(jù)得到的煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評(píng)分,對(duì)照表2 中的評(píng)分區(qū)間,對(duì)系統(tǒng)安全進(jìn)行等級(jí)劃分。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

以貴州省某礦為例,經(jīng)相關(guān)部分測(cè)定,該礦所采9#煤層最大原始瓦斯含量為10.2 m3/t,最大原始瓦斯壓力為0.82 MPa,煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=0.84,破壞類型為Ⅱ～ Ⅲ,鉆孔流量衰減系數(shù)α為0.039 ～0.060 d-1, 煤層透氣性系數(shù)λ為0.090 4 ～0.265 8 m2/MPa2·d,抽采鉆孔最大布置間距為5.0 m,排放孔最大布置間距為1.6 m。 該礦井被鑒定為煤與瓦斯突出礦井,采用中央并列式通風(fēng),抽出式通風(fēng)方法,采用FBCDZNO27 型對(duì)旋風(fēng)機(jī),單臺(tái)通風(fēng)機(jī)功率為2 × 200 kW, 目前礦井總風(fēng)量約6 998 m3/min,由于礦井通風(fēng)線路短,通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單,礦井通風(fēng)難易程度為容易。

4.2 各指標(biāo)相對(duì)權(quán)重的確定

1)主觀相對(duì)權(quán)重

利用改進(jìn)模糊層次分析法來確定主觀相對(duì)權(quán)重,首先要根據(jù)以往專家學(xué)者對(duì)煤礦瓦斯防治系統(tǒng)的各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要程度的研究,結(jié)合0.1 ～0.9 的5 標(biāo)度法,得出優(yōu)先判斷矩陣:

A-B優(yōu)先判斷矩陣:

B1-C優(yōu)先判斷矩陣:

B2-C優(yōu)先判斷矩陣:

B3-C優(yōu)先判斷矩陣:

B4-C優(yōu)先判斷矩陣:

B5-C優(yōu)先判斷矩陣:

設(shè)置迭代精度為0.000 1,通過改進(jìn)模糊層次分析法的計(jì)算即可得到各指標(biāo)相對(duì)于上級(jí)指標(biāo)的權(quán)重向量:

根據(jù)各層指標(biāo)的隸屬關(guān)系,計(jì)算得到指標(biāo)層各指標(biāo)相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的主觀相對(duì)權(quán)重,相對(duì)權(quán)重見表3。

表3 系統(tǒng)各子評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀相對(duì)權(quán)重

2)客觀相對(duì)權(quán)重

利用熵權(quán)法來確定客觀相對(duì)權(quán)重,首先通過熵的原理,利用前面制定好的評(píng)價(jià)表,收集15 位專家及學(xué)者針對(duì)16 個(gè)子指標(biāo)相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)重要程度意見,統(tǒng)計(jì)后繪制見表4。

表4 指標(biāo)評(píng)語(yǔ)等級(jí)統(tǒng)計(jì)表

通過上表即可構(gòu)建各級(jí)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)矩陣,再將各矩陣標(biāo)準(zhǔn)化得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣:

A-B標(biāo)準(zhǔn)化矩陣:

B1-C標(biāo)準(zhǔn)化矩陣:

B2-C標(biāo)準(zhǔn)化矩陣:

B3-C標(biāo)準(zhǔn)化矩陣:

B4-C標(biāo)準(zhǔn)化矩陣:

B5-C標(biāo)準(zhǔn)化矩陣:

通過熵權(quán)法的計(jì)算步驟即可算得各指標(biāo)相對(duì)于上級(jí)指標(biāo)的權(quán)重向量:

再重復(fù)主觀相對(duì)權(quán)重確定過程,即可求得指標(biāo)層各指標(biāo)相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的客觀相對(duì)權(quán)重,具體見 表5。

3)復(fù)合相對(duì)權(quán)重

基于上面求得的各指標(biāo)主客觀相對(duì)權(quán)重,即可通過式(1)求得各子評(píng)價(jià)指標(biāo)的復(fù)合相對(duì)權(quán)重,具體見表6。

表6 系統(tǒng)各子評(píng)價(jià)指標(biāo)的復(fù)合相對(duì)權(quán)重

4.3 煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)

根據(jù)來自15 位現(xiàn)場(chǎng)工作人員及5 位專家在現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查結(jié)果,對(duì)各個(gè)子評(píng)價(jià)指標(biāo)情況進(jìn)行逐一打分,取其平均分,打分結(jié)果見表7。

表7 系統(tǒng)各子評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分統(tǒng)計(jì)情況

結(jié)合表6 和表7,可求得各指標(biāo)的加權(quán)評(píng)分,累加即可求得整個(gè)煤礦瓦斯防治系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)得分,具體見表8。

表8 系統(tǒng)各子評(píng)價(jià)指標(biāo)的加權(quán)評(píng)分匯總表

由計(jì)算結(jié)果可知,針對(duì)該礦的瓦斯防治系統(tǒng)的安全評(píng)分為75.526 7,結(jié)合表2 可得,該礦瓦斯防治系統(tǒng)評(píng)價(jià)等級(jí)為較安全,但由于評(píng)分相比來說更靠近于一般評(píng)價(jià)等級(jí),因此,該礦井存在較多問題,可通過兩種方法盡快提高該礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評(píng)分:第一,對(duì)個(gè)別相對(duì)權(quán)重較其它權(quán)重大的、平均分低于系統(tǒng)安全評(píng)分的指標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性地整改,如指標(biāo)C10 和C11;第二,對(duì)評(píng)分嚴(yán)重低于系統(tǒng)安全評(píng)分的指標(biāo)進(jìn)行整體提升和完善,如指標(biāo)C4、C9、C13。通過以上兩種方法進(jìn)行針對(duì)性整改后,該礦瓦斯防治系統(tǒng)安全性明顯有所提高,因此,基于改進(jìn)模糊層次分析法與熵權(quán)法的指標(biāo)權(quán)重確定方法對(duì)煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)有著重要意義。

5 結(jié)論

(1)通過建立煤礦瓦斯防治系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系,利用改進(jìn)模糊層次分析法和熵權(quán)法分別求得體系各指標(biāo)的主客觀權(quán)重,再通過最小信息熵原理將二者組合求得各指標(biāo)的復(fù)合權(quán)重,這樣能夠保證指標(biāo)權(quán)重在主觀推斷的基礎(chǔ)上增加客觀實(shí)際的因素,從而使確定的權(quán)重更加符合實(shí)際,提高體系評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

(2)由于文中所提兩種方法求得的權(quán)重均為各級(jí)指標(biāo)相對(duì)于上級(jí)指標(biāo)的權(quán)重,若要通過子評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)價(jià)整個(gè)瓦斯防治系統(tǒng),因此還要通過部分計(jì)算求得各指標(biāo)相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的相對(duì)權(quán)重,通過確定合理的計(jì)算過程,能夠在降低計(jì)算量的基礎(chǔ)上,還可以保證所確定權(quán)重的可靠性。

(3)將改進(jìn)模糊層次分析、熵權(quán)確定指標(biāo)權(quán)重的方法應(yīng)用于實(shí)際煤礦瓦斯防治系統(tǒng)中去,對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià),在確定其系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等級(jí)以后,還可以直觀通過各指標(biāo)復(fù)合相對(duì)權(quán)重、評(píng)分來對(duì)該礦瓦斯防治系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行整改,對(duì)煤礦瓦斯防治系統(tǒng)的改進(jìn)和完善有著指導(dǎo)作用。