基于多災耦合綜合評估的采煤工作面安全評價研究

張愛然 張連軍 彭英健 白玉花 姚有利

(1.山西大同大學煤炭工程學院，山西省大同市，037003;2.徐州博安科技發展有限責任公司，江蘇省徐州市，221008)

安全評價是從預防事故的觀點出發，對系統可能產生的危害和損失進行預測和評價，有針對性地采取有效措施以實現系統安全的總目標。安全評價對預防事故、提高安全管理水平和進行安全決策等都有重要的指導意義。目前我國學者對煤礦安全評價做了大量研究，按評價內容不同可歸納為兩大類：一類是從單一致災因子角度建立安全評價模型，如田云麗等應用BP神經網絡對煤與瓦斯突出的預測方法進行了研究；孫斌等應用灰色關聯分析對瓦斯爆炸事故危險源進行了評價研究；曹樹剛等應用模糊綜合評價法對瓦斯爆炸危險源進行了動態風險評價；廖文德等應用層次分析和模糊綜合評價法對煤礦瓦斯災害危險源進行了定量評價；張夢雅等應用模糊層次分析法對煤塵爆炸危險性進行了評價研究；白雯等建立了基于熵權物元可拓的礦井火災安全評價體系；蘆慶和等應用不確定信息的不精確推理(D-S理論)建立了礦井內因火災危險性評價模型；林登科等應用可拓理論與區間賦權方法對煤礦水害安全評價進行了研究；徐會軍等對礦井工作面水害進行了基于熵權物元可拓模型的評價研究；高峰等應用盲數理論對沖擊地壓危險性的不確定性進行了評價；姜福興等提出了基于應力疊加的回采工作面沖擊危險性評價方法；張凱等研究了不同采掘擾動下沖擊地壓危險評價方法；朱峰等綜合應用層次分析和熵權法，并根據逼近理想解排序法建立了CW-TOPSIS沖擊地壓綜合評判模型。另一類是從人-機-環-管角度建立指標體系，運用一定的數學理論對煤礦整體進行安全評價。但兩類評價都沒有考慮井下各致災因子之間的相互影響。煤礦井下條件復雜多變、生產環節多，影響安全的因素非常多，且引發事故的各危險因素相互關聯，僅研究單一危險因素或不考慮致災因子間的相互作用，不能全面反映礦井的安全狀況。因此本文在前人研究基礎之上，采用多災種耦合理論對采煤工作面進行綜合評價研究，以期提高煤礦安全評價的準確性，為煤礦安全管理提供指導。

1 多災種耦合綜合風險評估

目前國內外對多災種風險評估的研究和實踐主要在自然災害領域。多災種通常指評價單元內多種致災因子并存或并發的狀況，多災種耦合綜合風險評估則是考慮評價單元內多災種及其相互作用關系，對其導致的潛在風險進行評估。在多災種風險評估中，災害的風險一般由致災因子的危險性(發生災害的可能性)和承災體的脆弱性(包括暴露度和安全設防水平)確定，即R=f(H,V)。

1.1 多災耦合危險性評價

為了便于多災耦合危險性評價的量化計算，用危險指數H表征各災種及其指標的危險性，危險指數與危險等級的對應關系見表1。

表1 危險指數和危險等級對應表

(1)確定各災種的初始危險性指數。確定各單一災種的初始危險指數并進行分級是多災耦合分析的基礎。設評價單元內共有n種災害，災害i的初始危險指數Hi可按公式(1)計算：

(1)

式中：n——災種個數，任一災種用i標記；

m——災種i的指標個數，指標用j標記；

ωij——第j個指標對災種i的權重；

Hij——第j個指標的危險指數。

(2)基于多災耦合的危險指數修正。多災種之間的相互作用關系，前人多使用災害鏈、級聯效應、耦合關系和觸發關系等來描述。耦合規則的建立及實現是進行多災耦合風險評估的難點，目前仍處于嘗試階段，缺乏理論和實踐指導。本文依據礦井各災害之間的作用建立基于觸發和相關關系的耦合規則，見表2，引入變量△Hi表示初始危險指數在其他致災因子影響下的改變量,包括觸發關系增加量△Hi-C和相關關系改變量△Hi-R。當觸發災害的初始危險等級為中、高或非常高時，被觸發災害的危險指數增加量△Hi-C分別為0.2、0.4、0.8；若觸發災害的初始危險等級為非常低或低時，△Hi-C為0；若災種之間在發生過程中存在正相關影響，則△Hi-R根據實際影響取0.1～0.5；若某種災害可能被多種災害觸發或受多災種影響，則對△Hi-C和△Hi-R進行累加。

表2 多災種耦合規則

1.2 承災體的脆弱性

脆弱性通常包括承災體的潛在損失和應對能力，并從經濟、社會和生態等尺度選擇評價指標。本文考慮我國事故分級標準，從人員傷亡、經濟損失、社會影響和安防應對能力4個尺度選擇指標對脆弱性進行評價，并引入脆弱性指數V來表征脆弱性等級，見表3。

表3 脆弱性指數和脆弱性等級分級標準

1.3 多災耦合綜合風險評估

為了和我國重大危險源等級和風險預警等級一致，本文將多災種風險等級分為4級，用風險指數R表示，潛在風險指數和風險等級分級標準見表4。針對風險指數和脆弱性指數的不確定性特點，借鑒文獻的模糊邏輯推理模型來確定風險等級類別，如圖1所示。按評價單元內最大風險確定其綜合風險等級。

表4 潛在風險指數和風險等級分級標準

2 應用實例

以寺塔煤礦首采工作面為評價單元，對其進行綜合風險評估，5種致災因子包括瓦斯、煤塵、自然發火、沖擊地壓和地下水。

2.1 多災耦合危險性評估

(1)各災種初始危險指數計算。綜合前人研究基礎，結合寺塔礦實際生產情況，建立對5種致災因子的評價指標體系，分別邀請省級專家、礦總工程師和安全管理人員采用層次分析法計算指標權重，并進行賦值，對結果平均后匯總，見表5。

圖1 風險矩陣模糊推理模型

(2)危險指數的修正。對5種致災因子的初始危險指數按照前文建立的規則進行修正，由于具有觸發關系的瓦斯爆炸和煤塵爆炸的初始危險等級都是低風險，所以觸發關系增加量為0，其他災害之間不具有觸發關系；由于井下瓦斯、煤塵、高溫、各可燃氣體共存，會使物質的爆炸下限下降和最小點火能降低，礦壓顯現時，會導致瓦斯異常涌出等，所以根據實際情況，相關關系增加量取相應數值，具體見表6。修正后各災害的危險指數見表5。

表5 各致災因子的危險性指標、權重及結果

表6 各災害之間的關系統計

2.2 采煤工作面脆弱性評估

因為不同災害的影響范圍及礦井對不同災害的安防水平和救援能力不同，本文統計并分析發生瓦斯爆炸、煤塵爆炸、自然發火、沖擊地壓、地下透水事故的指標特征，建立多災種承災體脆弱性指標體系，并邀請前面3位專家按表3的標準進行分級,結果見表7。

表7 承災體脆弱性指標體系，權重及結果

2.3 工作面多災耦合綜合風險評估

根據R=f(H,V)，用各致災因子修正后的危險指數和對應的脆弱性指數進行計算，得出潛在風險指數，利用圖1的模糊推理模型可以計算各災害的風險程度，見表8。該工作面各災害風險排序為煤塵爆炸>瓦斯爆炸>沖擊地壓>地下水>自然發火，按最大風險原則確定該單元的綜合風險，則該工作面的綜合風險屬于潛在低風險的程度為0.43%，屬于潛在中風險的程度為99.03%，屬于潛在高風險的程度為0.54%。可見寺塔煤礦應該針對該工作面采取相應的風險緩解措施，尤其是提高承災體的應對能力，以降低風險等級。

表8 多災耦合綜合評估結果

3 結論

(1)在分析單一災種基礎上建立了基于觸發和相關關系的多災耦合風險評估模型，能更全面合理地反映井下各致災因子之間的相互影響。

(2)采用風險矩陣模糊邏輯模型確定風險等級，風險信息更加豐富，能清晰明確地反映風險的模糊比重分布情況，有助于更好地指導風險緩解措施的制定。

(3)以寺塔煤礦首采工作面為例，應用該方法，評估結果所屬風險等級更加明確，反映出承災體應對不同風險的差異性，可為制定風險緩解措施和安全管理提供依據。

本文首次將多災耦合評價模型引入到煤礦安全研究中，還有很多工作需要繼續深入研究。如在今后的實踐中，要加強對煤礦各災種耦合過程的跟蹤、監測和記錄，建立煤礦多災種信息數據庫，以提高修正危險指數的準確度；隨著云計算技術和圖像信息技術的發展，可以實時顯示評估計算結果并將其進行可視化顯示，提醒現場人員時刻注意工作環境的風險狀態。