基于AHP的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

侯新旺

(同煤集團(tuán)梵王寺煤礦，山西 大同 037003)

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)井下開采具有十分重要的意義，是關(guān)乎煤礦安全生產(chǎn)的最主要的系統(tǒng)之一。通風(fēng)系統(tǒng)正常良好的運(yùn)轉(zhuǎn)，能有效地控制瓦斯、火災(zāi)和煤塵等煤礦隱患的發(fā)生幾率。通常通過仿真實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬以及系統(tǒng)評(píng)價(jià)等方法對(duì)各類生產(chǎn)礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化處理，同時(shí)，研究的方向多側(cè)重于礦井風(fēng)流的流動(dòng)規(guī)律和礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全性、可靠性評(píng)價(jià)。

文中通過對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的危險(xiǎn)源進(jìn)行辯識(shí)，將各類危險(xiǎn)源指標(biāo)構(gòu)建成通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)模型，并通過層次分析法對(duì)模型進(jìn)行研究。

1 通風(fēng)系統(tǒng)有害性分析及危險(xiǎn)源辨識(shí)

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)有害性分析

通風(fēng)系統(tǒng)狀況：首先為了滿足礦井風(fēng)量設(shè)計(jì)要求需采用機(jī)械式通風(fēng)，同時(shí)每個(gè)采區(qū)需要建立獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)；同時(shí)，通風(fēng)機(jī)安裝位置不合理，空氣流動(dòng)性不好，空氣質(zhì)量不良，有害氣體不能正常稀釋排出。

風(fēng)量、負(fù)壓和通風(fēng)阻力：通風(fēng)空氣量供需、有效風(fēng)量、負(fù)壓和通風(fēng)阻力是系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。通風(fēng)空氣量過大對(duì)通風(fēng)機(jī)負(fù)載過大，同時(shí)溫度也容易升高；通風(fēng)空氣量過小不能滿足設(shè)計(jì)要求，礦井環(huán)境不能達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，煤塵含量過高，氧氣含量變低；通風(fēng)阻力也能很好地反映出通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，風(fēng)阻過大可能巷道漏風(fēng)量過大，井巷和采區(qū)易發(fā)生煤炭自燃現(xiàn)象。

空氣分配模式：礦井應(yīng)根據(jù)分區(qū)需要，通過調(diào)整各個(gè)通風(fēng)構(gòu)筑物調(diào)整各分區(qū)的通風(fēng)阻力，調(diào)整各分區(qū)進(jìn)風(fēng)量。分區(qū)空氣量分配不均勻，整體通風(fēng)阻力增大，生產(chǎn)成本增加，整個(gè)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)載過大。

采面風(fēng)量控制：采面供風(fēng)量不足時(shí)，瓦斯易積聚于井巷的上隅角，出現(xiàn)隱患，即使采用局部通風(fēng)機(jī)，局扇由于安裝狀況不良，運(yùn)行故障，還是會(huì)引發(fā)瓦斯超限的隱患。

反風(fēng)系統(tǒng)：反風(fēng)系統(tǒng)會(huì)在礦井災(zāi)變狀況下，通過實(shí)現(xiàn)全礦井或區(qū)域性反風(fēng)，減弱災(zāi)害和控制災(zāi)害蔓延方向。但設(shè)備存在故障或安裝方式不妥，再此基礎(chǔ)上的反風(fēng)操作反而會(huì)擴(kuò)大災(zāi)害程度。

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)源辨識(shí)

危險(xiǎn)源辨識(shí)方法：通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)源的辨識(shí)方法可以分為經(jīng)驗(yàn)法和系統(tǒng)分析法2大類。經(jīng)驗(yàn)法是通過對(duì)照和類比的方法進(jìn)行辨識(shí)，需要有可以參照的已知狀況礦井；而系統(tǒng)安全分析法也就是通常的事件樹、事故樹以及典型故障類型分析為代表的分析方法。

辨識(shí)過程：通過系統(tǒng)分割法將煤礦礦井各部分的特征和屬性分割成不同的子系統(tǒng)、子單元，分別針對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)、子單元的特征進(jìn)行故障類型分析，追尋和剖析各類故障的本質(zhì)發(fā)生原因。在對(duì)整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行故障類型辨識(shí)的過程主要有：①分辨整個(gè)礦井各部分間的組成和特征；②根據(jù)子系統(tǒng)的特征和屬性劃分分析的結(jié)構(gòu)層次；③結(jié)合礦井的通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行分析；④分析各子系統(tǒng)的各類故障類型和危害程度；⑤將最底層的故障類型(危險(xiǎn)源)匯總至整個(gè)分析模型中。

分類辨識(shí)：根據(jù)前面所述通風(fēng)系統(tǒng)有害性分析，將通風(fēng)系統(tǒng)中的危險(xiǎn)源進(jìn)行分類和辨識(shí)，從整體到局部，通風(fēng)前段到通風(fēng)回風(fēng)段進(jìn)行辨識(shí)。①研究整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)狀況，通風(fēng)系統(tǒng)是否能夠滿足礦井生產(chǎn)需要；②研究礦井如何進(jìn)行分區(qū)通風(fēng)方式；研究系統(tǒng)中角聯(lián)巷道等風(fēng)路對(duì)系統(tǒng)的影響；整個(gè)礦井及各個(gè)分區(qū)反風(fēng)系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行；礦井中各個(gè)通風(fēng)構(gòu)筑物是否能夠正常運(yùn)作；采區(qū)的串聯(lián)風(fēng)路情況、巷道是否過度損壞失修、下行巷道通風(fēng)面數(shù)；③需要考慮系統(tǒng)中回風(fēng)段的阻力情況是否正常。最終根據(jù)上述分析將礦井通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)源劃分為11個(gè)指標(biāo)，如圖1所示。

圖1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)源模型

1.3 通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)源度值

根據(jù)參考相關(guān)文獻(xiàn)，通過模糊數(shù)值統(tǒng)計(jì)確定的危險(xiǎn)度值，見表1。

表1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)源指標(biāo)的危險(xiǎn)度值

2 通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)度的AHP評(píng)價(jià)

層次分析法(Analytic Hierarchy Process)是既包含定性分析，又通過定量分析將主觀的判斷轉(zhuǎn)化為數(shù)值性的客觀評(píng)價(jià)的一種決策方法。通過建立對(duì)比標(biāo)度，對(duì)單一準(zhǔn)則層下的指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比構(gòu)建判斷矩陣(列表)，能夠?qū)o形指標(biāo)的測(cè)量轉(zhuǎn)化為有形的判斷指標(biāo)，從而得到更加準(zhǔn)確、客觀、科學(xué)的評(píng)價(jià)結(jié)果。因此，層次分析法在對(duì)多指標(biāo)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)中，使用非常廣泛。

2.1 判斷矩陣的構(gòu)建與計(jì)算

構(gòu)建的原則是對(duì)每一層次中的因素都兩兩比較，矩陣形式如式(1)所示。

(1)

其中：rij代表指標(biāo)因素Ri相對(duì)指標(biāo)因數(shù)Rj的相對(duì)重要度，根據(jù)層次分析法的判斷矩陣取值特點(diǎn)，取值范圍通常為1～9(1/9～1/1)間的數(shù)值。

根據(jù)式1可以建立圖1的判斷矩陣如式(2)所示

(2)

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行計(jì)算是通過求解其特征向量獲得的，因此其權(quán)重值為

W=(w1,w2,…,wn)T

(3)

除了權(quán)重計(jì)算外，還要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。這是為了判斷元素兩兩比較的結(jié)果是否合理，如果一致性檢驗(yàn)結(jié)果CR<0.1，就表示矩陣有滿意的一致性檢驗(yàn)結(jié)果。

CR=CI/RI

(4)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(5)

式中：CR—判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率，如果CR<0.10，層次單排序結(jié)果就有滿意的一致性，否則需要重新取值；CI—判斷矩陣的一致性指標(biāo)；RI—平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，取1.49。

最終，計(jì)算結(jié)果如下

W=(w1,w2,…,wn)T=(0.252 7，0.184 9，0.120 6，0.102 0，0.096 5，0.073 5，0.055 9，0.041 5，0.029 1，0.024 3，0.019 1)

λmax=11.965 2

CR= 0.064 8<0.10，滿足一致性檢驗(yàn)要求。

2.2 危險(xiǎn)性分級(jí)與綜合評(píng)價(jià)

將模型評(píng)價(jià)結(jié)果分為3個(gè)危險(xiǎn)度等級(jí)，分別選取危險(xiǎn)度值60，80時(shí)為區(qū)分危險(xiǎn)度值的臨界點(diǎn)劃分3個(gè)區(qū)間。其中，I類危險(xiǎn)源區(qū)間為[80，100]，在此區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)極易發(fā)生事故，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)產(chǎn)生重大不利影響；Ⅱ類危險(xiǎn)源區(qū)間為[60，80]，在此區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)可能發(fā)生事故，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)產(chǎn)生一定不利影響；Ⅲ類危險(xiǎn)源區(qū)間為[0，60]，在此區(qū)間通風(fēng)系統(tǒng)較穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)值

(6)

式中：E—礦井通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)值；wi—第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；ei—第i個(gè)指標(biāo)的危險(xiǎn)度值；n—評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)，11；

以同煤集團(tuán)梵王寺煤礦為例，對(duì)照表1進(jìn)行危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)打分結(jié)果見表1。根據(jù)式6可得綜合危險(xiǎn)度為

因此可判斷通風(fēng)系統(tǒng)較為穩(wěn)定，危害程度較低。

3 結(jié)論

(1)在對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)有害性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)源進(jìn)行了辨識(shí)研究，并最終將礦井通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)源劃分為了11個(gè)具體指標(biāo)。同時(shí)，確定了每一指標(biāo)在不同標(biāo)準(zhǔn)下的危險(xiǎn)度值。

(2)通過層次分析法，對(duì)11個(gè)具體指標(biāo)進(jìn)行了權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn)，根據(jù)權(quán)重的不同結(jié)合危險(xiǎn)度值得出了煤礦通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)方法。該方法在實(shí)踐中能夠較為科學(xué)、合理、客觀地對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，具有一定的指導(dǎo)意義和實(shí)踐價(jià)值。