模糊綜合評判法判定煤礦瓦斯的安全度

張海鵬 張鵬沖 張志霄

（1.中國神華神東煤炭集團保德煤礦，內蒙古鄂爾多斯市，017000；2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

模糊綜合評判法判定煤礦瓦斯的安全度

張海鵬1張鵬沖2張志霄2

（1.中國神華神東煤炭集團保德煤礦，內蒙古鄂爾多斯市，017000；2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

使用模糊綜合評判模型確定礦井安全度，以礦井各作業面和巷道安全性作為一級因素，以不同時段的安全性作為二級因素；根據歷史統計資料，合理確定權重集；利用統計方法分析礦井瓦斯濃度和煤塵濃度分布，確定了隸屬系數和評判矩陣。并且用此模型準確地評價了煤礦掘進工作面、采煤工作面以及回風巷和整個礦井綜合的安全程度，對煤礦安全檢測和控制具有較高的理論和實踐指導意義。

模糊綜合評判 瓦斯涌出量 隸屬度 安全度

TD712

A

煤礦安全生產是我國目前亟待解決的問題之一，同其他國家相比，我國的煤礦事故死亡人數是其他國家煤礦死亡人數總和的3倍。煤礦事故的頻繁發生不僅給國家和人民帶來了巨大的經濟損失，也給人民心理上帶來了難以彌補的創傷。在我國煤礦瓦斯事故中，瓦斯事故的死亡人數占煤礦事故總死亡人數的三分之一左右，僅次于頂板事故，危害程度極大。因此，為了煤礦的安全生產，有必要對煤礦瓦斯的安全度進行綜合評判。

安全評價是利用系統工程方法對擬建或已有工程、系統可能存在的危險性及其可能產生的后果進行綜合評價和預測，并根據可能導致的事故風險的大小提出相應對策措施，以達到工程、系統安全的目的。安全評價是現代化、科學化安全管理的重要環節和保證。安全這個概念的外延具有模糊性，劃分上具有不確定性。也就是說在安全與不安全之間存在著中間過渡，即它們的劃分具有不分明性。因此，安全問題是一個模糊的問題，如果用一般的評價方法來衡量它，很難得出合理的結論。傳統的安全評價方法具有推理過程容易理解、對樣本的要求較低等優點，但是它只承認要么安全、要么不安全，不承認有中間狀態存在，這實際是難以做到的。模糊綜合評判法是在已知信息不充分的前提下，評判具有模糊因素的事物或現象的一種方法，能較好地處理方案評估與排序過程的模糊性，有效克服傳統方法的不足，使評價結果更加客觀準確。目前已有不少的學者和專家運用模糊綜合評判法對煤礦進行安全評價，但是大多數只從人、機、環境的角度去考慮對煤礦安全的影響，而根據事故致因理論，大多數事故是由于人的不安全行為與物的不安全狀態在同一時間、同一空間相遇而發生的，因此時間因素也是必不可少的一個評價因素，本文就加入了分析礦難發生時間作為安全評價的一個標準，旨在為減少或杜絕瓦斯事故的發生提供理論依據。

1 模糊綜合評判法確定煤礦安全度

安全是指人類所面臨的系統存在或運行的狀態對人類自身的生命、財產、環境可能造成的危害低于人類目前最大的承受能力限度的一種狀態過程。系統的安全程度是由系統內外各影響因素組成的多元隨機函數。

模糊綜合評判方法是應用模糊關系合成的原理，從多個因素進行綜合性評判需要評判事務隸屬等級狀況的一種方法。模糊綜合評判包含6個基本要素：評判因素論域U，代表綜合評判中各評判因素所組成的集合；模糊關系矩陣R，是單因素評判的結果，模糊綜合評判所綜合的對象正是R；評語等級論域V，代表綜合評判中評語所組成的集合；評判因素權向量W，代表評價因素在被評事物中的相對重要程度，它在綜合評判中用來對R作加權處理；合成算子，指合成W與R所用的計算方法，也就是合成方法；評判結果向量A，是對每個被評判對象綜合狀況分等級的程度描述，模糊綜合評判結果對被評對象通常具有唯一性。模糊綜合評判可以對較復雜事物多層次處理，滿足評價要求，且在評判過程是可以循環的。前一過程綜合評判結果，可以作為后一過程綜合評判的投入數據。對于一個多因素的復雜事物，可以進行多層次的模糊綜合評判。

2 模糊綜合評判法模型建立

由于井下條件較為復雜，為了簡化模型便于更精確的計算，假設礦井內濕度、氣壓、溫度較為穩定，忽略瓦斯涌出不均衡性，以及該煤礦的不安全性主要與瓦斯濃度和煤塵濃度有關，礦井中產生的除瓦斯以外的其他有害氣體均忽略不計，且瓦斯濃度、煤塵濃度近似服從正態分布，建立模型過程中根據正態分布假設，求出該礦井各作業面瓦斯濃度和煤塵濃度均值以及置信區間。忽略井下作業人員所需的空氣量的影響，各作業面備用風量系數、礦井通風系數等，均取一般水平。

2.1 確定要素集

（1）將要素集U分為6個子要素集：U＝｛U1，U2，U3，U4，U5，U6｝。

其中，U1，U2，U3，U4，U5，U6分別表示工作面1，工作面2，掘進工作面，回風巷1，回風巷2，總回風巷。

（2）每個要素Ui（i＝1，2，3，4，5，6）分為若干個早班、中班、晚班時段子要素：

U1＝｛u11，u12，u13｝，U2＝｛u21，u22，u23｝，U3＝｛u31，u32，u33｝，U4＝｛u41，u42，u43｝，U5＝｛u51，u52，u53｝，U6＝｛u61，u62，u63｝。

2.2 確定權重集

根據各類要素對安全生產的重要程度，賦予每個要素類相應的權數，得U＝｛U1，U2，U3，U4，U5，U6｝的權重分別為a1，a2，a3，a4，a5，a6，記為：

根據每一類要素中各要素的重要程度，測得子要素集的各時段子要素的重要度，記為：

其中aij表示第i類要素集Ui的第j個子要素uij的權重（i＝1，2，…6；j＝1，2，3）。

2.3 建立評價集

設V＝｛v1，v2，v3，v4，v5｝為安全度情況評價集，其中v1表示安全，v2表示較安全，v3表示一般，v4表示較危險，v5表示危險。

2.4 一級模糊綜合評判

設第i類要素Ui的第j個子要素uij隸屬于評價集中第k個元素vk的隸屬度為rijk，（k＝1，2，3，4，5），則可以得到6個一級評判矩陣為：

因此第i類要素模糊綜合評價集為：

2.5 二級模糊綜合評判

由上一步得一級指標評判矩陣

因此，二級模糊綜合評價集為：B＝A°R＝［d1，d2，d3，d4，d5］。

3 模糊綜合評判法實例

3.1 確定權重集

圖1 2003年全國重特大瓦斯事故發生地點分析

根據2003年國家安全監督管理總局公布的數據，全國重特大瓦斯事故發生地點分析見圖1，采煤工作面發生重特大瓦斯爆炸事故3起、死亡46人，占總起數的14.29%和死亡人數的11.25%；掘進工作面發生12起、死亡195人，占57.14%和47.68%；巷道（包括大巷）4起、死亡74人，占19.05%和18.09%；密閉區2起、死亡94人，占9.52%和22.98%。

圖2 瓦斯事故發生的小時概率

同時，通過對煤礦事故的研究表明：上午8∶00－10∶00點，夜里0－3∶00點是傷亡事故發生率較高的時段，瓦斯事故發生的小時概率見圖2。

結合以上統計信息，采取傳統的層次分析法，確定各要素在煤礦安全生產中重要性次序，得到各級要素權重集：

3.2 建立評判矩陣

本文以山西柳林礦井為例，根據該礦的2個工作面、1個掘進面和3個回風巷所測數據，建立評判模型進行分析，并用統計的方法，算出了各個巷道在早、中、晚三班中的瓦斯和煤塵濃度在置信度為95%時的置信區間以及區間均值，見表1。

根據2011版《煤礦安全規程》的相關規定，并參照表1，建立各級要素評判矩陣：

表1 各監測點的瓦斯和煤塵的監測數據統計表

3.3 綜合評判

3.4 評判結果

將評價集各等級進行量化，設：v1＝9，v2＝7，v3＝5，v4＝3，v5＝1，得到各個評價結果如下：

工作面1的安全度評價結果V1為3.54；工作面2的安全度評價結果V2為2.42；掘進工作面的安全度評價結果V3為7.46；回風巷1的安全度評價結果V4為4.96；回風巷2的安全度評價結果V5為3.72；總回風巷的安全度評價結果V6為6；煤礦系統綜合安全度評價結果V為4.81。

3.5 結果分析

在安全度的6個方面的比較中，對掘進工作面的安全度評判值最大，為7.46，說明該礦井掘進工作面比較安全；對工作面2的安全度評價值最低，為2.42，該工作面瓦斯和煤塵安全度處于較危險和危險之間，應該引起重視；對工作面1和回風巷2的安全度評判值接近較危險，情況不容樂觀；對該煤礦瓦斯和煤塵綜合安全度評判值為4.81，為一般水平，可以繼續保持現狀。

4 結論

（1）模糊數學綜合評判法能夠較為全面考慮多因素情況下瓦斯安全問題，可通過評判集合、權重集的有效確定，克服單因素評判的缺陷，得到較為合理的結果，可為礦井瓦斯危險性預測、預防及控制水平的提高，提供理論依據。

（2）瓦斯事故是諸多因素相互作用引起的，其隨機性、模糊性和非線性關系使傳統的評價方法不能很好地解決該問題。本文建立了以礦井各作業面和巷道安全性作為一級因素，以不同時段的安全性作為二級因素的評價指標體系，構建了模糊綜合評判模型，并且進行了實例分析，確保了煤礦總體安全。

（3）實例分析表明，該煤礦應在繼續保證相對重要的掘進工作面安全狀態前提下，加強對工作面1、工作面2和回風巷2的檢測和通風。該模型評判結果較為合理，其評判結果符合煤礦瓦斯安全程度實際情況。

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Fuzzy comprehensive evaluation method is used to determine the mine gas safety degree

Zhang Haipeng1，Zhang Pengchong2，Zhang Zhixiao2
（1.Baode Coal Mine，China Shenhua Shendong Coal Group，Erdos，Inner Mongolia 017000，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，CUMT，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

The fuzzy comprehensive evaluation model is used to determine the mine safety degree，with each working face and roadway safety as the primary elements and the safety in different periods as the secondary elements；based on historical statistics data，the weight set is determined reasonably；mine gas concentration and coal dust concentration distribution are analyzed by using statistical methods，and the membership coefficient and the evaluation matrix are defined.This model is also used to accurately evaluate the comprehensive safety degree of mine heading face，mining face，return air roadway and the whole coal mine，and it has great theoretical and practical guiding meaning for the coal mine safety monitoring and controlling.

fuzzy comprehensive evaluation，gas emission rate，membership degree，safety degree

張海鵬（1988－），男，遼寧鐵嶺人，畢業于遼寧工程技術大學采礦工程專業，本科學歷，現為神華神東保德煤礦掘錨一隊采煤技術員，主要從事煤礦安全開采等方面的研究工作。

（責任編輯 張艷華）