基于AHP-Fuzzy法的煤礦立井凍結法施工風險管理研究

楊國梁，宋嬌嬌，張召冉，劉 杰

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.北方工業大學土木工程學院，北京 100141)

煤礦建設項目風險是多種風險因素綜合作用的結果，具有客觀性、不確定性、隨機性等特點[1-3]，若不能對井筒施工風險進行有效管控，使各類風險產生量變到質變的轉化，就會引發凍結壁失穩坍塌、鉆孔漏水、凍結管斷裂淹井、液氨泄漏中毒、火災爆炸、作業人員高處墜落、機械違規操作傷人等安全事故。目前深立井建設需求增多，對施工技術、工藝和設備的要求提高，安全事故發生率也隨之上升。王建濤等[4]基于安全角度分析了超深凍結立井井壁結構設計應考慮的因素；衛建軍等[5]利用神經網絡的非精確原理預測凍結壁的施工參數，解決立井凍結設計存在的客觀問題，為井筒工程的安全快速施工提供技術保障；程樺等[6]在分析國內深立井凍結法鑿井安全事故現狀基礎上，從技術層面分析事故產生原因，并提出了相應的解決策略。工程實踐證明，國內學者在凍結鑿井法理論、設備與技術等領域研究較多，而忽視了施工過程中的風險管理，因此需加強對凍結施工中潛在的風險事件分析和事前控制，減少安全事故的發生。由于單獨運用AHP法存在主觀性強、計算精度不高等問題，本文采用的層次分析法和模糊評價法可解決此類問題[7-9]，輔助煤礦企業對各風險因素進行重要性排序，由此確立安全生產指標體系，為煤礦安全評價及管理決策提供可靠的依據。

1 工程概況

某煤礦地處黃河沖積平原，地形平坦，局部地形微度起伏，地勢略呈西高東低，地面標高+40.01～+46.14 m，自然地形坡度2‰。本區水系比較發育，河流溝渠縱橫成網，且多為人工開掘的季節性河流。井田內斷裂受區域構造控制，走向基本與區域性田橋斷層一致，分帶性明顯，共查出52條大落差斷層。

該煤礦風井井筒深度為880.01 m，凍結深度為840 m。井筒外壁施工采用“短段掘砌”施工方案；內層井壁-815～-827 m井筒壁座加強段先錨網噴一次支護，再采用1 m段高裝配式鋼模板，3 m3底卸式灰罐下灰，從下向上連續砌筑內層井壁；井筒采用臨時鎖口方式；井筒與回風聯絡巷和井底車場連接處采用分層法施工，錨網噴一次支護后隨井筒井壁整體砌壁施工。該煤礦為巨厚松散層覆蓋下全隱蔽井田，含多個巖層，其中，第四系、二疊系含有中砂巖層，總體構造復雜程度中等，在鉆孔施工及用水過程中，易受礦壓及采動影響，鉆孔速度易受到用蠻力推氣腿影響。井筒凍結選用液態氨，采用外圈孔、中圈孔、內圈孔加防片孔凍結方式，凍結孔深度較深在775～840 m之間、凍結孔圈徑較大在15～29 m之間，加之外圈孔、中圈孔、內圈孔共計約100個凍結孔。因地下水滲流作用和地層的富水性，缺乏系統的溫度場分布規律研究，該礦井580 m以下沖積層要求凍結壁厚度厚、強度高，凍結管內鹽水循環一直采用正循環，優先加強下部凍結。井筒掘砌施工前，對抓巖司機和翻矸平臺作業人員進行崗前安全培訓、傘鉆工打干眼前做好防塵安全保護、爆破工執行“一炮三檢”，井筒掘砌需跟凍結的速度保持一致，適時調整混凝土配合比，避免發生混凝土離析現象；內外井壁間選用的夾層材料防水效果須達到設計標準；凍土揭露易產生局部化凍，當繼續凍結時，對于產生的較小凍脹力，采取在井壁與凍土之間鋪設泡沫板的措施。為了確保立井凍結施工項目質量、工期和成本三大目標最優化的實現，需要對其進行風險分析及控制。

2 煤礦立井凍結法施工風險評價

2.1 風險識別及風險評價指標體系的建立

根據該煤礦的實際工程特點，通過調研相關施工技術資料，進行土工試驗和凍土試驗，以調查問卷的形式通過專家打分進行風險識別，首先向20位專家進行立井凍結施工風險因素征集，經過3輪專家意見調整與反饋，最終識別出凍結法施工過程中風險因素主要包含一級風險指標5個，二級風險指標16個，建立風險評價指標體系，見表1。

2.2 構造判斷矩陣

通過模糊-層次法對每個風險因素及整個工程項目風險程度進行定性與定量相結合的分析與評價。根據表1建立的風險評價指標體系，依次建立各層次的判斷矩陣。其中，對一級風險指標層B各元素關于目標層A的重要性進行兩兩比較，建立判斷矩陣，見表2。

表1 煤礦立井凍結法施工風險評價指標體系

表2 一級風險指標B層次判斷矩陣

2.3 計算權重向量及一致性檢驗

根據判斷矩陣計算每一指標對于上一層次指標的相對權重[10]，由式(1)和式(2)并結合表3，確定一致性比率CR值，檢驗判斷矩陣是否符合一致性要求，即CR<0.1，滿足一致性要求。

(1)

(2)

式中：λmax為判斷矩陣最大特征值；n為判斷矩陣階數。

計算一級風險指標層B對于目標層A的最大特征值λmax=5.037 9，權重計算結果見表4。

由式(1)和式(2)計算得CI=0.009 475，檢驗系數CR=0.008 46<0.1，即滿足一致性要求。

同理，構建第三層指標判斷矩陣，計算其相對于二級風險指標層權重并進行一致性檢驗。通過計算得：B1-Ci(i=1，2)層次判斷矩陣的相對應的權重W=(0.833，0.167)；B2-Ci(i=3，4)層次判斷矩陣的相對應的權重W=(0.667，0.333)；B3-Ci(i=5，6)層次判斷矩陣的相對應的權重W=(0.667，0.333)；B4-Ci(i=7，8)層次判斷矩陣的相對應的權重W=(0.667，0.333)；B5-Ci(i=9，10，…，16)層次判斷矩陣的相對應的權重W=(0.304，0.057，0.057，0.303，0.038，0.074，0.109，0.057)，且各判斷矩陣均滿足一致性要求。

通過首先合成單一標準層的權重，并逐層進行整體一致性檢驗，最后得到遞階層次結構中每一層中所有指標對總目標A的相對權重，見表5。

2.4 風險因素隸屬度確定

依據上述某煤礦立井凍結法施工風險各評價指標對目標層的權重，結合20位專家的評分范圍，劃分評價標準為很高、高、中等、低、很低5類。經整理、匯總、計算，得到該煤礦風險因素隸屬度見表6，表6中等級值為贊成此等級的專家人數占全部專家的比重。

表3 判斷矩陣平均隨機一致性指標值RI

表4 一級風險指標層B相對目標層A的權重

表5 各層級風險評價指標對目標層A的權重

表6 煤礦立井凍結法施工風險因素隸屬度表

施工準備階段風險隸屬矩陣見式(3)。

(3)

冷凍站安裝風險隸屬矩陣見式(4)。

(4)

鉆孔施工風險隸屬矩陣見式(5)。

(5)

井筒凍結風險隸屬矩陣見式(6)。

(6)

井筒掘砌風險隸屬矩陣見式(7)。

(7)

進行綜合評價風險一級模糊評價矩陣[11]見式(8)。

Y1=WB1-Ci·R1=[0.416 5 0.300 0 0.216 7 0.033 4 0.033 4](i=1，2)

Y2=WB2-Ci·R2=[0.299 9 0.266 7 0.266 7 0.100 0 0.066 7](i=3，4)

Y3=WB3-Ci·R3=[0.166 7 0.233 4 0.266 7 0.166 6 0.166 6](i=5，6)

Y4=WB4-Ci·R4=[0.299 9 0.266 7 0.266 7 0.100 0 0.066 7](i=7，8)

Y5=WB5-Ci·R5=[0.331 4 0.258 3 0.215 3 0.148 6 0.039 7](i=9，10，…，16)

(8)

根據最大隸屬度原則，施工準備階段風險屬于“很高”；冷凍站安裝風險屬于“很高”；鉆孔施工風險屬于“一般”；井筒凍結風險屬于“很高”；井筒掘砌風險屬于“很高”。由一級模糊評價矩陣組成二級模糊評價矩陣見式(9)。

R=

(9)

權重向量計算見式(10)。

WBi=[0.043 0.121 0.222 0.265 0.349]

(10)

二級模糊矩陣見式(11)。

Y=WBi·R=

[0.286 3 0.257 8 0.246 6 0.128 9 0.078 0]

(11)

根據最大隸屬度原則判斷得出，該煤礦立井凍結施工整體風險屬于“很高”。并針對各類風險制定出相應的預控措施。

1) 組織措施。設立專門的風險控制部門，通過定期的風險教育、安全培訓和技能考核，嚴格規范施工行為，提高員工的安全意識。

2) 技術措施。采取預防性的工程技術方法，保證凍結鹽水平均溫度、掘進段高、制冷設備規格型號及凍結管連接方式選用的合理性，保證凍結壁厚度，降低爆破振動影響。

3) 經濟措施。對井筒施工提供合理的資金支持，建立風險管理激勵獎懲制度，資金計劃上預留應對風險的額外資金等。

3 結 論

1) 結合該煤礦的工程數據資料，建立立井凍結施工的風險評價體系，根據專家打分的問卷結果確定風險因素，運用層次分析法計算出各評價指標的權重值。

2) 運用模糊綜合評價方法，將各專家打分的定性分析結果進行定量化，克服了AHP單一方法計算結果的主觀性問題，使風險評估結果更科學客觀。

3) 定性定量分析結果表明，該煤礦立井凍結施工過程中，除鉆孔施工階段的風險屬于一般風險外，其他各階段風險整體很高，需由事后事故分析型向事前預控型的安全管理模式轉變，從而實現“煤礦事故可防，事故風險可控”的風險管理目標，減少煤礦安全事故的發生。