基于層次分析法的煤礦頂板安全評價

張曉劍

(大同煤礦集團永煤定莊煤業有限責任公司 準備區，山西 大同 037003)

0 引言

在我國國民經濟發展中，煤炭是最主要的能源之一，在所有一次能源生產總量和消費總量中分別占76%和69%左右[1]。在《能源中長期發展規劃綱要(2004—2020年)》中，也指出我國的能源戰略是“堅持以煤炭為主體、電力為中心、油氣和新能源全面發展”，由此可見煤炭在我國的地位[2]。對于煤炭生產而言，安全問題是重中之重，既關系到煤炭行業的經濟效益，又關系到從業人員的健康和生命。

我國煤炭行業傷亡事故仍然十分嚴重，據相關數據統計，2016年我國的煤炭百萬噸死亡率0.156，而美國為0.038，澳大利亞為0.013[3]。如何確保煤炭的安全高效開采，如何保持煤炭行業的高速、安全發展，是整個行業面臨的重大難題，也是煤炭行業的安全穩定發展面臨的嚴峻挑戰。對于安全管理評價而言，首先需一套具有科學基礎、又具備較強操作性、還能直觀準確反映安全情況的管理體系。目前，在煤礦企業安全管理中，建立綜合評價體系的并不多見。主要采用的方式是危險源評價和安全檢查表，這2種方法主要以定性分析為主，缺少定量的評價結果。此外，還有一些研究，是針對煤礦某一事故進行事故樹分析；事故樹分析法能夠較好地對某一具體煤礦生產事故進行分析，但是在綜合評價上仍然難以滿足實際需求[4-5]。

1 頂板安全評價體系的建立

在煤生產過程中，頂板事故是發生頻率較高，危害較大的事故之一。在2017年，山西省共發生23起煤礦事故，其中8起是頂板事故。頂板事故對煤礦安全生產的影響在國內外都較大。據統計，在美國，頂板事故導致的死亡人數占所有地下死亡總人數的70%左右；在印度，頂板事故導致的死亡人數占所有井下事故死亡人數的42%左右[6]。通過對頂板事故分析，認為評價頂板安全性應該從頂板特性與支護2個方面進行。具體指標說明如下：①直接頂的厚度—直接頂的厚度對于頂板穩定性而言是非常重要的一個參數，頂板越厚，其內部小斷層的發育就越小，這樣可以提高頂板穩定性。而且同一巖性的頂板厚度越大，其穩定性就越好；②頂板的分層數—頂板的分層數越大，其懸空層面就越多，頂板的整體性就越差，容易發生冒落。頂板的穩定性取決于靠近煤層3 m內的頂板巖層穩定性；③頂板巖性與斷裂程度—頂板的巖性有軟質巖石和硬質巖石。如果頂板巖性中，硬質(如砂巖)巖石含量比較高，頂板的穩定程度就比較高。斷裂程度也對頂板穩定性有一定影響。裂隙越發育，頂板的穩定性就越差，越容易發生冒落危險；④支護情況—除了頂板自身特性外，支護的質量也決定著頂板事故發生的概率。支護情況主要體現在支護方案是否合理，比如錨桿長度的選擇、排距的選擇以及錨桿質量是否合格等；再比如錨桿的力學性能、錨桿的材料等；⑤頂板管理情況—頂板管理的水平高低，也是影響頂板安全的因素之一。主要有頂板管理制度是否完善、施工人員素質高低、頂板監控是否到位等。根據以上分析，建立煤礦頂板安全評價體系，體系框圖如圖1所示。

圖1 體系框圖

2 基于層次分析法的評價分析

層次分析法(Analytic Hierarchy Process)是一種針對多因素、復雜系統的評價方法，既可以進行定性分析，也可以進行定量計算[7]。其定量計算的基礎是對每個同層因數進行兩兩的重要度對比，并將對比結果寫成矩陣，然后通過矩陣運算得出各個指標的重要程度(即矩陣的特征向量)。層次分析法能夠科學、客觀地對建立的評價體系進行分析，能夠較好的滿足煤礦安全評價的需求。因此，本研究選擇層次分析法作為煤礦安全管理評價的方法。

2.1 判斷矩陣的建立

根據層次分析法原理，首先，建立判斷矩陣，如式(1)所示。

(1)

2.2 權重的計算與檢驗

通過MATLAB軟件進行特征向量的計算并進行一致性檢驗。特征向量即各因素在本層中的權重，本層權重與上層權重的乘積即為總權重。計算結果見表1。

表1 煤礦頂板爆炸評價體系分析結果

2.3 綜合評價結果的確定

要對整個安全管理評價體系進行綜合評價，需要建立對應的評價標準。本文根據現場情況，將評價分為5個等級：優秀、良好、一般、合格、不合格，對應賦值分數為5分、4分、3分、2分、0分。

根據與現場技術人員和安全管理負責人的溝通，可以對各個因素進行打分，然后得出綜合評價結果，結果的計算方法見式(2)。

(2)

式中：F—煤礦安全管理評價結果；P—因素C1、C2,…,Cn的得分矩陣；pk—現場分數結果。最終的計算結果作為某礦井的安全管理評價結果，評價也可分為5個等級，其中4

2.4 評價體系的應用

以同煤集團某煤礦為例，目前，該煤礦沒有針對安全系統的定量計算評價方法，主要的安全評價是通過安全檢查表和事故樹進行分析。安全評價表是一種傳統的評價方法，但是沒有考慮各類事故的不同權重；而事故樹評價方法主要是針對事故原因進行研究的分析方法，側重點主要是原因分析而不是綜合評價[8]。因此，本文建立的評價體系和開發的軟件能夠在該煤礦進行較好地應用。邀請生產一線的技術人員共10人根據評分標準對各個指標進行打分，這些技術人員來自技術科、通風科、安全科、地質科、安監站等部門。

對他們的評分結果取平均值，并根據式(2)計算最終的評價得分為：3

通過與技術人員的溝通發現，有一個問題是急需解決的，即計算問題。技術人員反映，該評價體系比較全面，應用也比較方便。但是后期的數據處理比較繁瑣，對各個因素打分以后，要對每個系統進行綜合評價，再計算整個系統的最終評分。這個過程計算量很大，而且枯燥、單調，很容易出現計算錯誤，影響評價的準確度。

因此，為了減少技術人員的重復計算，提高工作效率和準確度，開發出針對煤礦安全管理評價的應用軟件。

3 頂板安全評價軟件的開發

Visual Basic(以下簡稱為VB語言)是能夠在Windows操作系統中開發面向對象的應用程序的一種編程工具[9]。

3.1 軟件功能分析

已經對煤礦安全管理評價進行了系統的分析和研究，根據建立的評分體系和計算得出的各指標權重值，可以得到綜合評價結果。因此，軟件的功能主要有以下幾點。

完整的指標體系界面：針對每個不同的評價類別，將該類別下的所有指標列出。通過選擇的方式對每一個指標進行評價，并根據建立的評分標準顯示相應的分數。

綜合評價和結果顯示：由于綜合評價結果的計算方式為累加每個指標相應權重與現場打分的乘積，因此，在軟件設計時就將每個指標的得分，再結合權重進行計算，得到最終的得分。根據得分，在文本框中顯示不同的評價。設得分結果為F，當4

3.2 軟件設計流程及運行

根據對軟件功能的分析，設計繪制軟件流程圖，如圖2所示。

圖2 煤礦安全管理評價軟件流程圖

根據軟件功能和設計流程，進行軟件的界面設計、程序編寫和程序調試。軟件界面及運行示意圖如圖3所示。

圖3 煤礦頂板評價軟件界面及運行示意圖

4 結語

通過一段時間的試用，技術人員已經對評價體系的原理和軟件有了一定程度的了解，得到的安全評價結果符合現場實際，比原來的方法更加具體，更有針對性。此外，通過與技術人員的溝通，普遍反映使用評價軟件可以很大程度減少計算量，提高工作效率；同時，對每個系統的評價結果也可以直觀地顯示和保存。因此，該評價軟件有著比較好的應用效果和前景。