基于層次分析法的礦井突水風(fēng)險模糊綜合評價*

徐星　孫光中　王公忠，2

(1.河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院　鄭州 451191；　2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院　武漢 430070)

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安全管理與咨詢

基于層次分析法的礦井突水風(fēng)險模糊綜合評價*

徐星1孫光中1王公忠1，2

(1.河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院鄭州 451191；2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院武漢 430070)

摘要突水風(fēng)險評價是礦井水害預(yù)控管理的重要內(nèi)容，應(yīng)用層次分析法與模糊數(shù)學(xué)理論，對礦井的突水風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)與合理評價。在評價過程中，建立了礦井突水風(fēng)險評價指標(biāo)體系，通過比較矩陣的計算確定出突水風(fēng)險各相關(guān)因素的影響權(quán)重，并進(jìn)行權(quán)重總排序，找出礦井突水主要影響因素?；谠撛u價體系，建立二級模糊綜合評價模型。應(yīng)用表明：該評價方法能夠?qū)Χ鄠€定性與定量指標(biāo)影響的評價進(jìn)行綜合權(quán)衡，比較準(zhǔn)確有效地反映出礦井突水風(fēng)險等級。

關(guān)鍵詞礦井突水風(fēng)險評價指標(biāo)層次分析法權(quán)重模糊綜合評價

0引言

煤炭是我國主要能源，約占一次性能源消耗結(jié)構(gòu)中的70%左右，到2050年預(yù)計還能占到50%左右[1-2]。煤炭開采受煤層賦存地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、施工技術(shù)等各方面因素的制約，礦井災(zāi)害時有發(fā)生，其中礦井突水問題日益嚴(yán)重，影響甚大，據(jù)國家煤監(jiān)局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，近年來全國共發(fā)生突水事故756起，死亡3 834人[3]。開展礦井突水風(fēng)險評價依然是重要的基礎(chǔ)工作，通過評價可實現(xiàn)對不同安全程度的礦井進(jìn)行分類指導(dǎo)，有利于提高礦井突水風(fēng)險識別的有效性與準(zhǔn)確性；有利于礦井預(yù)控突水管理水平的提高、減少突水事故的發(fā)生。

礦井突水是由眾多相關(guān)因素所構(gòu)成的有機(jī)體，因其多指標(biāo)性，對其風(fēng)險的評價造成了困難。如何行之有效的對突水風(fēng)險進(jìn)行分析評價，建立科學(xué)、合理的評價模型，是突水風(fēng)險控制的關(guān)鍵工作。目前，礦井安全評價方法有層次分析法(AHP)、灰色綜合評價法、模糊綜合評價法、多元統(tǒng)計法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法等[4]，礦井突水具有模糊性大、不確定性因素多且動態(tài)變化的特點，可應(yīng)用模糊綜合評價法對礦井突水風(fēng)險進(jìn)行評價。

1模糊綜合評價法

1.1模糊綜合評價基本原理

模糊綜合評價是應(yīng)用模糊變換和關(guān)系合成原理，從多個因素對隸屬于被評價事物的等級狀況進(jìn)行綜合評價和綜合分析的方法。由于某些評價因素帶有一定程度的模糊性，其界限和外延并不存在十分精確的肯定與否定。模糊綜合評價可將定性描述和定量分析緊密地結(jié)合起來, 運用模糊運算法則，對非線性評價進(jìn)行量化綜合，得出定量評價。

1.2模糊綜合評價主要步驟

(1)建立評價指標(biāo)體系。設(shè)A={B1,B2,…,Bm}為影響評價對象的m種因素，而Bi={Ci1,Ci2,…,Cin}為其子因素集，綜合評價所涉及的以上因素集合則組成了評價指標(biāo)體系。

(2)確定評語集。建立p個評價結(jié)果的集合，V={v1,v2,…,vp}，評語集是評價者對評價指標(biāo)可能做出的評價結(jié)果組成的集合。

(3)應(yīng)用AHP確定評價因素的權(quán)重：

①建立判斷矩陣。將Bi因素集中的各因素進(jìn)行兩兩重要性比較，并將比較的結(jié)果寫成矩陣形式，打分標(biāo)準(zhǔn)依照T.L.SAATY的1～9標(biāo)度方法，建立Bi的評判矩陣Bi-Cin。

②計算權(quán)重向量。采用特征根法求解判斷矩陣Bi最大特征根λmax和相應(yīng)的歸一化特征向量Wi，即權(quán)重向量。為了保證判斷矩陣的一致性，需要計算一致性指標(biāo)CI與一致性比例CR，CR=CI/RI，其中，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其值可見表1。

表1　隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

當(dāng)CR<0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受；當(dāng)CR≥0.1時，認(rèn)為偏離一致性程度的指標(biāo)，應(yīng)對判斷矩陣做適當(dāng)修正以滿足要求。同樣可求出A={B1,B2,…,Bm}所對應(yīng)的權(quán)重向量W。

(4)構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R。對Bi中的各因素進(jìn)行單因素模糊評判后，建立模糊關(guān)系矩陣：

矩陣R中第i行第j列元素rij，表示第i個因素對第j個評語的隸屬度，R包含了按評價結(jié)果集合V對評價因素集合A進(jìn)行評價所獲得的全部信息，即構(gòu)成V與A的一種模糊關(guān)系。

(5)模糊綜合評價。模糊綜合評價的模型為：

F=W·R=(w1,w2,…,wm)·R=(f1,f2,…,fp)

F為權(quán)重向量W與模糊關(guān)系矩陣R合成的向量，亦即模糊綜合評價結(jié)果。

2礦井突水風(fēng)險模糊綜合評價

2.1建立礦井突水風(fēng)險指標(biāo)體系

礦井突水風(fēng)險評價指標(biāo)體系的建立與否合理，將直接影響評價的結(jié)果和精度，因此評價指標(biāo)的選取十分重要。在對新密礦區(qū)某礦的突水狀況調(diào)查、分析基礎(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)。該結(jié)構(gòu)分為三個層次：A層次(目標(biāo)層)，礦井突水風(fēng)險；B層次(準(zhǔn)則層)，職工素質(zhì)、防排水設(shè)備、充水水源、導(dǎo)水通道和安全管理；C層次(方案層)，組成B層的二級指標(biāo)，并受B層的支配，共5個一級指標(biāo)，21個二級指標(biāo)，見圖1。綜合評價過程采用兩級模糊綜合評價方法來求解，指標(biāo)層由專家根據(jù)經(jīng)驗及規(guī)范進(jìn)行量化。

圖1　礦井突水風(fēng)險評價指標(biāo)體系

2.2確定評語集

根據(jù)對礦井的現(xiàn)場調(diào)研以及結(jié)合有關(guān)安全診斷專家組的經(jīng)驗、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將礦井突水風(fēng)險程度劃分為五個等級，V={低風(fēng)險，較低風(fēng)險，中等風(fēng)險，較高風(fēng)險，高風(fēng)險}，各個等級與相應(yīng)的評價分值區(qū)間如表2。

2.3確定評價因素的權(quán)重

應(yīng)用AHP法，運用“征集專家評分”的方法，咨詢煤礦、設(shè)計院和高校等多名相關(guān)技術(shù)研究人員，構(gòu)建評判矩陣B1-C1j，見表3。

表2　評價等級分值與加權(quán)值

表3　判斷矩陣B1-C1j(ij=1,2,3,4)

首先將矩陣的各個行向量進(jìn)行幾何平均，然后歸一化，最后得到的行向量就是各突水風(fēng)險相關(guān)因素的權(quán)重向量。經(jīng)計算求得λmax=4.398 5，W1=(0.423 1，0.227 4，0.122 1，0.227 4)，判斷矩陣B1-C1j一致性檢驗：CI=0.005 1,CR=0.005 7<0.1，通過一致性檢驗。同理可以求得各指標(biāo)層的權(quán)重向量Wi，并進(jìn)行權(quán)重的總排序，見表4。

2.4構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

由來自不同領(lǐng)域、具有礦井突水防治經(jīng)驗的10人組成專家診斷小組，首先對職工因素B1因素集中各子因素的突水風(fēng)險程度進(jìn)行評估，然后根據(jù)專家診斷小組的綜合評判結(jié)果，應(yīng)用概率與數(shù)學(xué)期望方法進(jìn)行統(tǒng)計，從而求得模糊關(guān)系矩陣R1：

表4　礦井突水風(fēng)險權(quán)重及總排序

同理可以得到R2，R3，R4和R5。

2.5模糊綜合評價

(1)一級模糊綜合評價。對該礦突水風(fēng)險進(jìn)行評價，經(jīng)計算求得職工素質(zhì)B1的評判結(jié)果向量：

F1=W1·R1

=(0.322 7，0.245 5，0.187 8，0.154 5，0.089 5)

同理可以求得影響礦井突水的其他因素Bi的評判結(jié)果向量：

F2=W2·R2

=(0.281 8，0.272 7，0.172 7，0.190 9，0.081 8)

F3=W3·R3

=(0.146 7，0.172 2，0.172 2，0.265 9，0.243 1)

F4=W4·R4

=(0.111 4，0.168 7，0.276 0，0.157 7，0.286 2)

F5=W5·R5

=(0.222 4，0.262 9，0.335 7，0.145 1，0.033 9)

則礦井突水風(fēng)險模糊綜合評價結(jié)果為：

F=W·R

=(0.220 8，0.221 8，0.217 8，0.197 0，0.1427)

(3)綜合評價結(jié)論?？紤]到評判結(jié)果向量F的f1，f2，f3，f4值較為接近，且最大隸屬度原則沒有顧及其他Bi值對評價結(jié)果的影響，因此，這里采取加權(quán)計算法，將上述結(jié)果由T=F×V轉(zhuǎn)化為分值：

T=(0.220 8×95+0.221 8×85+0.217 8×75+

0.197 0×65+0.142 7×30)=73.25

將其對照表2，按評價等級標(biāo)準(zhǔn)分值進(jìn)行定級，應(yīng)定為“中等風(fēng)險”。

3模糊綜合評價過程分析

3.1突水風(fēng)險影響因素的權(quán)重分析

由表4可知，充水水源中的地下水與大氣降水與老空水；職工素質(zhì)中的生理狀況、征兆識別、專業(yè)技能與避災(zāi)意識；安全管理方面的防治水技術(shù)措施、生產(chǎn)崗位責(zé)任制與應(yīng)急救援；防排水設(shè)備方面的水倉與排水管路、供電線路與設(shè)備；導(dǎo)水通道方面的構(gòu)造斷裂帶共13個因素占據(jù)突水風(fēng)險總權(quán)重的87.52%，說明這13個因素是該礦突水風(fēng)險的主要影響因素(或稱為主控因素)，進(jìn)而可知該礦要防治突水應(yīng)在這13方面下大力量、做工作，來杜絕礦井突水事故的發(fā)生。

3.2突水風(fēng)險模糊評價結(jié)果分析

由職工素質(zhì)B1的評判結(jié)果向量F1max=0.322 7知，為“低風(fēng)險”，可知該礦職工的精神狀態(tài)、專業(yè)技術(shù)和自我保護(hù)意識較好，由于人是礦井的生產(chǎn)主體，其素質(zhì)對礦井突水的發(fā)生與控制起著重要的作用，這與職工素質(zhì)的生理狀況、征兆識別、專業(yè)技能與避災(zāi)意識均在總權(quán)重的前列相符。

由防排水設(shè)備B2的評判結(jié)果向量F2max=0.281 8知，為“低風(fēng)險”，說明該礦的地面防水工程與井下防排水設(shè)施均處于較好的狀況。結(jié)合權(quán)重分析，雖然為“低風(fēng)險”，但該礦應(yīng)該在防排水設(shè)備方面的水倉與排水管路、供電線路與設(shè)備上多加重視、防患于未然。

由充水水源B3的評判結(jié)果向量F3max=0.265 9知，為“較高風(fēng)險”。由于該礦現(xiàn)在主采二1煤的底板下伏含水層有石炭系上段L7～8灰L1～4灰O2m灰?guī)r含水層。直接充水含水層L7～8灰目前水位標(biāo)高為-173 m左右，突水系數(shù)為0.146 MPa/m，根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》可知，二1煤的開采具有突水可能。因此在關(guān)注大氣降水與周圍老空水體同時，尤其應(yīng)做好承壓水的防治。

由導(dǎo)水通道B4的評判結(jié)果向量F4max=0.286 2知，為“高風(fēng)險”。該礦地質(zhì)構(gòu)造中等復(fù)雜，其水文地質(zhì)條件為復(fù)雜，因此大氣降水、地表水均可以通過構(gòu)造斷裂帶對礦井造成充水，這與上述權(quán)重結(jié)果分析相對應(yīng)，后期開采過程應(yīng)加強對地面斷層、斷裂構(gòu)造、密封不良的導(dǎo)水通道的監(jiān)察與治理。

由安全管理B5的評判結(jié)果向量F5max=0.335 7知，為“中等風(fēng)險”。由評判結(jié)果可知該礦特別要重視安全管理方面的防治水技術(shù)措施、生產(chǎn)崗位責(zé)任制與應(yīng)急救援的投入，落實安全生產(chǎn)方針。

4結(jié)論

(1)從系統(tǒng)安全管理理論出發(fā)，構(gòu)建了比較全面的礦井突水風(fēng)險評價指標(biāo)體系。采用層次分析法最終確定了21個指標(biāo)權(quán)重及其影響力排序，并獲得突水風(fēng)險的13個主控因素，該結(jié)論可為該礦突水風(fēng)險控制提供一定的思路與方向，為以后工作做到有的放矢。

(2)基于各指標(biāo)的權(quán)重值，應(yīng)用模糊綜合評價法對該礦突水風(fēng)險進(jìn)行評判，經(jīng)加權(quán)計算，評判最終結(jié)果為“中等風(fēng)險”，評判結(jié)果與實際情況較為相符，能夠有效準(zhǔn)確的反映出礦井突水風(fēng)險狀況。

(3)模糊綜合評價可以比較客觀、綜合的考慮影響突水風(fēng)險的各種因素，并進(jìn)行定量評價，直觀的展現(xiàn)生產(chǎn)過程中安全隱患部位，有助于采取和制定相應(yīng)措施來防治礦井突水事故的發(fā)生，該方法簡便、可行，具有較強的實用性。

參考文獻(xiàn)

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*基金項目：國家“十二五“科技支撐計劃重點項目(2011BAB05B03)，“礦災(zāi)害預(yù)防與控制河南省高校重點實驗室培育基地”建設(shè)經(jīng)費資助(200925)。

作者簡介徐星，碩士，講師，現(xiàn)從事礦山水害防治及安全評價教學(xué)與科研工作。

(收稿日期：2015-12-25)

Fuzzy Comprehensive Evaluation of Mine Water-inrush Risk Based on Analytic Hierarchy Process

XU Xing1SUN Guangzhong1WANG Gongzhong1,2

(1.SchoolofSafetyEngineering,HenanInstituteofEngineeringZhengzhou451191)

AbstractWater-inrush risk evaluation is the important part of mine water disaster pre-control management and AHP and fuzzy mathematical theory is used to carry out scientific classification and rational evaluation for coal mine water-inrush risk. In the evaluation process, the mine water-inrush risk evaluation index system is established, the comparison matrix is calculated to determine the influence weight of water-inrush risk factors, the total weight of the right is sorted and the main influencing factors of mine water-inrush are found out. Based on this evaluation system, a two level fuzzy comprehensive evaluation model is established. The application shows: this evaluation method can comprehensively judge and weigh the impact of multiple qualitative and quantitative indicators, more accurately and effectively reflect the risk level of mine water inrush.

Key Wordsmine water-inrush riskevaluation indexanalytic hierarchy processweightfuzzy comprehensive evaluation