基于改進AHP掘進工作面安全評價的研究與應用

雷 震 吳立云

河南理工大學能源科學與工程學院 河南 焦作 454000

1 引言

安全發展是當今社會的主題，是人類發展中十分重要的保障。據中國煤炭安全生產網、各煤礦安全監察分局網和中國煤炭新聞網等報導，在我國煤礦安全生產問題十分突出，安全事故常有發生。每年煤礦事故死亡人數都在三百人左右，百萬噸死亡率和死亡人數均遠高于世界其他主要產煤國家[1]。21世紀安全問題比以往更加的嚴重[2]。采礦業作為第二產業，要想提高其安全性對其進行安全評價是必不可少的[3]。由于我國煤炭資源賦存地質條件復雜，在煤炭開采方面，缺乏先進技術和人才的培養，因此掘進工作難度較大。在掘進工作方面時有危險發生，本文對煤礦掘進工作的安全性進行安全評價，以減少煤礦事故，提高安全生產水平，使工人擁有一個更加安全的生產環境。

AHP與模糊綜合評價是兩種被大家廣泛使用的安全評價方法[4―6]。白世虎[7]通過層次分析法和模糊綜合評價法對金屬礦山系統進行綜合評價，該方法并沒有對層次分析法進行改善導致計算過程較為復雜。吳永剛[8]采用數值模擬的方法對采礦豎井進行安全評價通過定量分析提出相關的安全措施與建議。陳暢[9]運用AHP―Fuzzy參數優化法選出最優的開采方案，但采用的層次分析法需要多次進行一次性檢驗再進行參數優化，步驟較為繁瑣。劉俊艷[10]在礦業系統中采用綜合評價的方法指出來目前評價技術中的問題，只有不斷的對評價方法進行改進才可以有效的對礦山安全系統進行評價。Sheng Xue[11]采用能量法解釋瓦斯突出過程對礦山安全進行評價，該方法缺少必須的定量分析導致結果過于片面化。Mark Van Dyke[12]通過地質探勘煤中地質信息的收集和解釋的方法加強礦山安全生產，該方法主觀因素過多缺乏客觀的量化計算導致評價過程過于單一化。評價方法很多種，在評價過程中他們只是運用其中一種方法進行評價或則是簡單的把模糊綜合評價與AHP結合起來，應用起來十分復雜，不易操作。對此，我采用改進AHP與模糊綜合評價相結合的系統方法對煤礦掘進安全進行評價，相對于傳統的評價方法，這種方法的改進與結合的評價方式更為簡單可行。

2 改進AHP―模糊綜合評價模型

2.1 改進AHP AHP是美國運籌學T.L.Saaty在20世紀70年代提出來的一種定性定量相結合的多目標決策評價方法。運用AHP分析問題首先需要對相關的因素進行分類，之后建立一個各個因素之間互為關聯的層次結構模型。一般層次結構模型分為三個層次，第一層為目標層，第二層為準則層，第三層為措施層。按第一層到第三層從高往低依次將各因素分配到不同的層次結構中。建立判斷矩陣求出各因素重要度，進行檢驗。最后由計算出的層次總排序選出最優方案。

傳統的AHP一般采用九標度來建立判斷矩陣，但九標度使用起來十分復雜，且由于人為主觀因素導致判斷誤差。改進AHP采用三標度代替九標度，從而使計算過程更加簡單可靠[13]。三標度使用0，1，2三個數來構造判斷矩陣，0表示后者比前者重要；1表示兩者一樣重要；2表示前者比后者重要。構造判斷矩陣計算各因素的權重。改進AHP法舍棄了常規層次分析法中的一致性檢驗過程，而是通過求一致性調整的最優傳遞矩陣直接求出目標權重。

改進AHP具體方法[14]:

首先，根據所分析的內容建立起層次結構模型；采用三標度法構造兩兩比較的判斷矩陣。

然后，計算調整后的最終判斷矩陣，步驟如下:

第一步，由公式(1)進行轉化求得真正的判斷矩陣。

第二步，由公式(2)、(3)可計算出經過一致性協調后的最優傳遞矩陣。

其中:?i，j；k＝1，2，…，n

最后按公式(4)計算各指標的權重向量

2.2 改進AHP模糊綜合評價

第一步，建立評價對象的因素集合:U＝ {u1，u2，…，un}；每一個因素對應的子因素集合:Ui＝ {ui1，ui2，…，uim}。

第二步，建立備擇集。即專家對評價對象作出的總的評價結果組成的評價集合:V＝ {v1，v2，…，vf} 。本文使用非常好、好、較好、中等、較差、差、非常差這七個等級進行評語分級。

第三步，由改進AHP法建立相關因素權重向量。U對應的權重向量為:A ＝ {a1，a2，…，an} ，Ui對 應 的 權 重 向 量 為:Ai＝{ai1，ai2，…aij，…，aim}，其中i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，m。

第四步，進行單因素模糊評價。以單因素評價集為行，因素為列建立單因素評價矩陣:

第五步，進行多級綜合模糊評價。首先對每一個子集Ui作一級模糊評價 Ui，對應的權重向量為:Ai＝ {ai1，ai2，…aij，…，aim}，即一級評價結果為:Bi＝AiRi。

然后進行第二級模糊評價，由一級模糊評價可得矩陣B為:

即第二級模糊評價結果為:Q＝AB。

3 12012掘進工作面安全評價

3.1 工作面介紹 12012工作面上順槽位于二盤區北部，為已回采結束的12011工作面底分層掘進工作面。該工作面技術邊界西鄰二盤區軌道大巷煤柱，東北側為F30斷層防隔水煤柱，南鄰12021工作面采空區。巷道設計長度282.1m(平距，中對中)，坡度為3～8°。首先自12012工作面上順槽通尺91.6m處以方位角21°開口按0°托煤掘進16.9m(斜距，中―中)，然后以方位角59°按0°托煤掘進25.5m(平距)進入底分層。煤層中，共布置避難所1個(通尺281m，中線位置)、鉆場3個(通尺113.4m、通尺255.2m、通尺370.2m，中線位置)，避難所布置在巷道南側，1#、2#鉆場均布置在巷道北側，3#鉆場布置在巷道東側。根據所收集的資料分析近年來煤礦掘進工作面危險事故發生的類別與頻率，得出想要對其進行安全評價所需考慮的四大指標:工作人員，機器設備，施工環境以及管理措施。

3.2 建立層次結構模型 通過收集的資料以及工作面的實際情況可以建立出以下安全評價層次結構模型如圖1所示:

圖1 掘進工作面安全評價層次結構模型Fig.1 Tunneling faces hierarchical structure model of safety evaluation

3.3 構建3標度判斷矩陣 由有關專家人員和權威人士對各因素之間進行兩兩比較得出重要度賦值，最后采用0，1，2三標度法構造出判斷矩陣(見表1―5)。

表1 二級判斷矩陣A―B數值表Table 1 First―order judgment matrix A―B Numerical table

表2 二級判斷矩陣B1―C數值表Table 2 First―order judgment matrix B1―C Numerical table

表3 二級判斷矩陣B2―C數值表Table 3 First―order judgment matrix B2―C Numerical table

表4 二級判斷矩B3―C陣數值表Table 4 First―order judgment matrix B3―C Numerical table

表5 二級判斷矩陣B4―C數值表Table 5 First―order judgment matrixB4―C Numerical table

3.4 各指標權重向量值的確定 通過公式(1)轉化得出真正的判斷矩陣。(見表6―10)

表6 轉換后A―B矩陣Table 6 Converted A―B matrix

表7 轉換后B1―C矩陣Table 7 Converted B1―C matrix

表8 轉換后B2―C矩陣Table 8 Converted B2―C matrix

表9 轉換后B3―C矩陣Table 9 Converted B3―C matrix

表10 轉換后B4―C矩陣Table 10 ConvertedB4―C matrix

由轉換后的判斷矩陣根據公式(2)、(3)、(4)可以得出各個因素的權重向量值:

U因素對應的權重向量為A:

A＝(0.118，0.263，0.564，0.055)

Ui因素對應的權重向量分別為A1，A2，A3，A4:

A1＝(0.460，0.221，0.319)

A2＝(0.258，0.637，0.105)

A3＝(0.249，0.191，0.249，0.120，0.191)

A4＝(0.150，0.291，0.150，0.118，0.291)

3.5 模糊綜合評價 依據上文備擇集提到的7個評語等級:V＝{非常好，好，較好，中等，較差，差，非常差}根據需要先由20位專家及企業相關工作人員參考《煤礦安全規程》(2016年版)和《煤礦安全生產標準化基本要求及評分辦法(試行)》以及掘進現場的具體情況對河南新鄉趙固二礦12012掘進工作面各指標進行評語打分，最后根據專家打分結果計算指標隸屬度。各指標隸屬度分別見表11―14。

表11 工作人員因素隸屬度R1Table 11 Staff factor membership R1

表12 機械設備因素隸屬度R2Table 12 Staff factor membership R2

表13 施工環境因素隸屬度R3Table 13 Staff factor membership R3

表14 執行措施因素隸屬度R4Table 14 Staff factor membership R4

(1)由Ui對應的權重向量Ai與隸屬度矩陣R相乘進行一級模糊綜合評價:

(2)由U對應的權重向量A與根據一級模糊綜合評價結果得出的矩陣R相乘進行二級模糊綜合評價:

結果歸一化得:

Q＝(0.368，0.234，0.147，0.135，0.076，0.028，0.012)

3.6 評價結果 由表15給出的各安全等級對應的分數值代入歸一化結果中得出該系統總得分q。

表15 安全等級百分制Table 15 Safety rating percentage system

從計算出的系統最終得分80.095再結合安全等級表16可以看出河南新鄉趙固二礦12012煤礦掘進工作面的安全等級為較好，可以進行正常的生產，但是在生產期間要加強對風險的識別與判斷，并且加強日常完善維護管理。

表16 安全等級Table 15 Security level

根據工作人員、機械設備、施工環境和管理措施的一級模糊綜合評價結果:

B1＝(0.386，0.246，0.168，0.122，0.078，0，0)

B2＝(0.438，0.136，0.073，0.253，0.074，0.003，0)

B3＝(0.330，0.269，0.175，0.088，0.075，0.044，0.019)

B4＝(0.344，0.274，0.156，0.056，0.097，0.044，0.029)

帶入隸屬度分數值得出評價得分B1＝82.545，B2＝78.600，B3＝79.433，B4＝78.972，可知最為危險的是B2機械設備，其次分別為B4管理措施、B3施工環境和B1工作人員，再根據Ui對應的權重的占比可知機械設備的薄弱環節為設備故障率；管理措施薄弱環節為粉塵防控；施工環境薄弱環節為工作面瓦斯濃度；工作人員薄弱環節為工作人員平均技術水平，所以永銀化工安全生產系統中主要安全影響指標的排序為:C5設備故障率、C13粉塵防控安全措施、C9工作面瓦斯的濃度、C1工作人員平均技術水平。根據此數據我們可以看出工作人員平均技術水平較好，設備故障率風險最大。結果也說明此次評價達到了對安全現狀分析的目的，可以根據評價結果提出相關控制對策，減少安全風險的發生。根據掘進工作面安全影響因素的指標順序建議該企業應以加強設備維修力度和提高設備更新率為重心加以改進，還應聯系相關人員實施有效防止瓦斯積聚的策略。

4 應用分析

隨著安全評價體系的發展，人們對評價的真實性、可靠性與簡單科學性越來越重視，那些經典的評價方法比如安全檢查表法與事故樹法在進行評價時有許多不足之處。比如安全檢查表是一種定性的評價方法，它使用起來雖然簡單易懂，卻不能用來進行計算，得不出各種指標之間的關系與重要度，難以具體分析系統的安全性[15―16]；而事故樹雖然可以用來進行定量計算，卻又也有局限與不完善之處，除了分析過程很復雜之外，因為基本事件的限制很難求出頂上事件的概率[17]。所以為了能夠在評價時即有定性分析又有定量分析，本文采用了改進AHP―模糊綜合評價法來對河南趙固二礦的掘進工作面安全性能進行評價。通過計算分析能夠得出其安全等級與安全影響因素指標的排序。

5 結論

通過對河南趙固二礦12012煤礦掘進工作面的安全分析，可以看出改進AHP―模糊綜合評價法能夠切合實際并有效的應用于煤礦安全評價中。該種方法相對于以往經典的評價方法，在評價中有以下優點:

(1)改進AHP―模糊綜合評價相較于傳統的9標度層次分析法，它摒棄了9標度復雜的矩陣構造，采用3標度來構造矩陣，大大減少了人的主觀因素差距，指標重要度的比較更為簡單科學。且3標度法通過計算最優傳遞矩陣產生一致性調整矩陣便于專家給出正確的結果，不需要再進行一致性檢驗，使計算過程更為簡易，安全評價的精度也有了極大的提升。由改進AHP得出的權重可以評比出12012掘進工作面安全的各因素重要度排序為:C5設備故障率、C13粉塵防控安全措施、C9工作面瓦斯的濃度、C1工作人員平均技術水平。

(2)采礦業屬于危險度高的產業，把改進AHP―模糊綜合評價應用在該行業，得出河南趙固二礦12012掘進工作面的安全評價得分為80.095，安全等級為較好。該礦上相關的安全人員可以根據此得分結果以及各主要安全因素指標順序對重點危險因素進行有效改善與把控，使得掘進工作能安全進行。