基于FAHP-GRA的煤礦粉塵綜合安全評價體系研究

周兆海，姚有利，程超男

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同 037003）

近年來，隨著采煤技術的不斷革新發(fā)展和大功率綜采設備的投入，煤礦進入高產高效時代，使得粉塵大量產生，礦井工作環(huán)境急劇惡化。生產環(huán)境中的粉塵濃度過高不僅可以引起粉塵爆炸，導致井下工作人員傷亡，機器設備的損壞，同時爆炸帶來的高溫高壓沖擊波對礦井造成不可想象的后果[1]，還對職工的身體健康造成嚴重的危害，煤礦粉塵是塵肺病的主要致病因素。因此，加強煤礦粉塵風險管理已刻不容緩。

為了減少粉塵帶來的危害，提高粉塵風險管理水平，有必要對煤礦粉塵風險進行多層次多維度的評價研究。目前用于煤礦安全評價主要有層次分析法[2]、模糊綜合評價法[3]、熵權評價法[4]、神經網絡[5]等方法。評價方法的合理選擇有利于對煤礦粉塵存在和潛在的風險、有害因素進行識別和分析，把危險因素和隱患消滅在萌芽階段[6-7]。

采用層次分析法與綜合灰色關聯(lián)法綜合評價可以彌補單一評價方法的缺點（灰色關聯(lián)法無法體現(xiàn)指標的相對重要程度，層次分析法很難處理指標過多，數(shù)據(jù)量大的系統(tǒng)）[8-9]，是處理復雜多層次的評價問題、確定相關因子的影響力排序、構建安全評價指標體系較合理的評價方法選擇[10-12]。

1 煤礦粉塵風險評價指標體系構建

煤礦粉塵危害防治是一項很復雜的系統(tǒng)性工程，影響煤礦粉塵危害風險因素比較復雜，通過查閱相關法律法規(guī)文獻和技術報告，從人－物－環(huán)－管－技5個方面建立了煤礦粉塵風險評價指標體系，該體系包括職工狀態(tài)、粉塵特性、作業(yè)環(huán)境、安全管理、技術裝備共5個一級指標，職工身體狀況、勞動強度、平均工齡、日均接觸粉塵時間、粉塵爆炸性等共21個二級指標。指標內容，見圖1[13-16]。

圖1 煤礦粉塵風險評價指標體系

2 多級綜合模糊評價模型研究

2.1 確定評價指標權重集

利用層次分析法的原理，邀請業(yè)內專家和工程技術人員參照Saaty1-9 標度法，憑借以往的工程經驗和專業(yè)知識將準則層指標兩兩比較，確定一級指標的判斷矩陣A，并用Matlab 數(shù)據(jù)處理軟件計算出歸一化權重矩陣WA。

式中：n為比較影響因素個數(shù)。

2.2 判斷矩陣的一致性檢驗

因為判斷矩陣是由專家和工程技術人員的經驗判斷而構建，不免由于一些人為因素而出現(xiàn)不合理的情況，需要驗證一致性，判斷矩陣是否達到合理偏差范圍內。根據(jù)Saaty提出的一致性方法，公式為：

式中：CR為平均隨機一致性指標，RI為平均隨機一致性指標，其值與n 矩陣階數(shù)有關，見表1；CI 為一致性指標；λmax為判斷矩陣最大特征值。

表1 RI的取值

當CR ＜0.1時，判斷矩陣滿足一致性，否則偏差過大需優(yōu)化判斷矩陣到合理范圍內。同理，可求出二級指標的單因素權重向量Wi，最后求出綜合權重向量W′。

2.3 風險評價模型的構建

灰色關聯(lián)分析的基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密。曲線越接近，相應序列之間的關聯(lián)度就越大，灰關聯(lián)聚類是以灰關聯(lián)分析為基礎，根據(jù)最大關聯(lián)度識別原則進行聚類[17-18]。灰色關聯(lián)分析法的基本方法，就是收集評價數(shù)據(jù)指標；建立原始評價指標；選擇最優(yōu)指標序列；對指標進行無綱化處理；計算各個比較數(shù)列與各個參考數(shù)列的關聯(lián)度，根據(jù)關聯(lián)度大小進行分析，從而對評價對象進行優(yōu)劣排序[19]。

（1）專家評價打分。打分采用調查問卷的方式，邀請本礦r 名技術專家，對n 個風險因素進行打分，規(guī)定打分范圍為1～10 分，最終得出評價樣本矩陣M0=[m01,m02,m03…m0n]。

（2）數(shù)據(jù)歸一化。為了去掉量綱的影響，使數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，將矩陣數(shù)據(jù)無量綱化處理，這里使用歸一化的方法[20]，公式為：

式中：k=1,2,3,…,n；i=1,2,3,…,m。

（3）計算關聯(lián)系數(shù)。專家打分越高則表明此評價指標影響風險越高，所以將系統(tǒng)中評價指標數(shù)值最大值定為最優(yōu)參考指標來計算不同評價因素指標的關聯(lián)系數(shù)，公式為：

式中：ρ是分辨系數(shù)，取值范圍是[0,1]，一般取ρ=0.5。

由上述公式求得，由k 個評價指標的因素集所組成的關聯(lián)系數(shù)矩陣Z=[ξi1,ξi2,ξi3,…ξin]。

（4）計算關聯(lián)度。關聯(lián)系數(shù)是考察比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個時刻（即曲線中的各點）的關聯(lián)程度值，所以它的數(shù)不止一個，而信息過于分散不便于進行整體性比較，需要集中到一個值，并求其平均值，作為比較數(shù)列與參考數(shù)列間關聯(lián)程度的數(shù)量表示。關聯(lián)度ri公式為：

（5）總排序。利用權重向量和關聯(lián)度的乘積，求出評價指標的最終綜合模糊關聯(lián)指標P。然后對計算結果P進行排序，最終得出煤礦粉塵危害影響因素層次總排序。綜合模糊關聯(lián)指標P的公式為：

3 應用實例

以山西某煤礦礦井為例，用基于層次分析法和模糊灰色關聯(lián)法對此礦井進行粉塵影響因素風險綜合評價研究。

3.1 評價風險指標權重的確定

根據(jù)層次分析法相應的計算步驟，得到風險影響因素的一級和二級指標的相對權重，并經式（1）的計算通過一致性檢驗，證明其評價數(shù)據(jù)合理性。具體權重，見表2。

表2 煤礦粉塵評價指標體系及權重

3.2 計算灰色關聯(lián)評價模型

邀請本單位高工和技術人員共10 名（Oi,i=1,2,3,…10），對粉塵風險影響因素二級指標進行打分，得到專家評價樣本矩陣Dij，見表3。

表3 專家評價樣本

用公式（2）對Dij進行標準化處理后，用公式（3）得到灰色關聯(lián)矩陣M，見圖2。

圖2 粉塵風險評價指標灰色關聯(lián)矩陣

3.3 關聯(lián)度的計算

由式（4）計算得到粉塵風險評價數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)間的灰色關聯(lián)度為：

r=［0.3877，0.4412，0.3946，0.4279，0.4414，0.3827，0.4691，0.4232，0.6866，0.7324，0.7486，0.5506，0.6198，0.5149，0.4443，0.5698，0.9464，0.7806，0.7076，0.7755］

3.4 綜合評價因素數(shù)值排序

根據(jù)式（5），用綜合權重向量W′和灰色關聯(lián)度向量r 相乘，得到最終的綜合模糊風險程度數(shù)列并進行總排序。排序結果，見表4。

表4 粉塵風險總排序

3.5 結果分析

根據(jù)計算出的煤礦粉塵風險程度指標排序結果可知，實施作業(yè)、瓦斯?jié)舛取⒏邷責嵩础⒉擅簷C械化程度等方面是影響粉塵危險風險程度的主要因素。因此，想要進一步降低粉塵風險和提高防塵管理水平，一定要加強實施作業(yè)，降低瓦斯?jié)舛龋苊飧邷責嵩矗谔岣卟擅簷C械化強度的同時要進一步提高防塵水平和強度。

4 結論

（1）通過全面考慮影響煤礦粉塵危害程度的因素，層次分析法和灰色關聯(lián)法原始評價數(shù)據(jù)分別來自煤礦安全業(yè)內專家教授的理論知識和礦井的高工和技術人員實地工作經驗，兩種方法的綜合使用是理論和實際的結合，可以優(yōu)劣互補，形成定性和定量的分析，減輕人的主觀對權重的影響，使評價指標體系更加全面科學和可靠。

（2）整個評價方法計算簡單，評價結果直觀，容易操作，具有較強的實用性。在礦井企業(yè)的粉塵治理中，找到風險管理重點和分配管控資源具有較好的指導意義。