基于風險矩陣法的煤礦掘進作業區域安全風險評價研究

趙天亮，李建軍，陳存強，代 宗，尚 康，朱鵬燁，孫林輝

(1.華能慶陽煤電有限責任公司 核桃峪煤礦，甘肅 慶陽 745306； 2.西安科技大學 管理學院，陜西 西安 710054)

我國是能源生產及消費大國，煤炭一直是絕對的優勢資源[1]。掘進工作面是煤礦巷道掘進的重要場所，掘進區域的安全狀況事關“采掘平衡，采掘接續”的實現[2-3]。近年來，黨中央、國務院提出對易發重特大事故的行業要采取“風險分級管控與隱患排查治理”的雙重預防工作機制[4]。煤礦綜合機械化掘進受開采環境、地質條件、技術水平、安全防范能力等的影響，掘進巷道中存在著諸多的安全隱患[5]。如何準確識別這些危險因素并進行安全風險評價成為煤礦企業亟待解決的問題。

風險評價最早起源于20世紀30年代的美國保險行業，伴隨經濟社會發展逐步拓展到工業生產企業。2001年，NNSA[6]在核電站的安全性評估中采用了概率風險評價法，隨后該方法在能源、航空航天等領域得到進一步推廣應用。2005年，Düzgün[7]利用概率評估法對煤盆地的冒頂事件進行了風險評價，開創了在礦山安全風險評價中使用定量評估的先河。國外對煤礦等能源企業的風險評價主要基于風險概率評估，利用統計方法獲取事故概率及危害程度數據計算系統風險大小。但概率分析過程復雜，存在表達方式的不確定性，易導致錯誤的結果。2005年，許江[8]從綜合分析煤礦生產系統的人、機、環3個方面，從危險因素、指標及權重、綜合評價方法等展開系統闡釋，為煤礦安全管理體系的完善提供依據。2008年，胡鴻等[9]構建了煤礦產煤過程的動態安全評價法，解決了煤礦靜態安全評價與動態生產的矛盾，促進煤礦安全評價向動態及定量研究方向發展。2009年，何國家等[10]從事故因果連鎖理論及事故危害金字塔等理論出發，對煤礦事故進行分析，提出25個條目構成的監控要素體系，千余條安全生產隱患明細并賦予權重大小。國內學者傾向于從人、機、環、管等方面來識別煤礦工作區域存在的危險因素[11]，也對風險成因、辨識、評價、管控等方面都做了較多有益探索，但在數據的分析處理方面比較欠缺，可能導致風險評價結果的失真。

綜上，為合理對煤礦掘進作業區域進行安全風險評價，本文以H煤礦東部大巷延伸段工作面為研究對象。首先，從掘進機械設備、作業環境、作業流程、人員行為等方面進行系統化的調研分析，結合該巷道掘進作業的流程、工序、作業環境，根據《企業職工傷亡事故分類標準》(GB 6441—86)識別出掘進作業的危險因素及事故類型；其次，運用風險矩陣對這些危險因素進行風險評價，在數據處理時引入“分布密度型”未知有理數的概念，縮小了數值的累積性誤差[12]；最后，根據評價結果繪制了區域風險比較圖和區域風險分布圖，并提出風險防控策略。

1 區域安全風險評價體系

1.1 安全風險評價方法選取

目前安全風險評價方法有很多，每種方法都有各自的優缺點及適用范圍，針對不同的評價對象，只有選擇合適的評價方法才能取得滿意效果，否則可能導致評價結果失真，不能正確評價所選對象的安全風險狀況。下面對一些常用安全風險評價方法進行對比分析(表1)。

表1 安全風險評價方法對比分析Tab.1 Comparative analysis of safety risk evaluation methods

由于煤礦掘進工作面危險因素眾多，且涵蓋不同的作業區域，通過對以上風險評價方法的對比分析得出：如果采用概率評估法對煤礦掘進作業區域進行安全風險評價，可能由于工作面環境的復雜性和概率分析過程比較復雜，導致結果失真，不能正確進行安全風險評價；作業條件危險性評價法主要用于評價在具有潛在危險性環境中各種作業的風險性；如果采用安全檢查表法，則可能難以得出較為系統的結果；風險矩陣理論是在煤礦安全生產管理過程中識別礦井風險點事故重要性的一種結構方法[13]，能夠對煤礦潛在的風險進行定性分析和定量分析，利用事故發生的概率和事故后果的嚴重性兩個參數，可以較為直觀地對煤礦掘進作業區域進行風險評價。

1.2 安全風險評價步驟

風險矩陣法是Paul等[14]在1998年首次提出的一種將定性與定量分析相結合且操作簡單的風險評價方法。將風險發生的概率大小和影響后果按照一定的標準進行量化評分[15]。其計算公式為：

R=L×S

(1)

式中，R為風險程度；L為事故發生的概率；S為事故后果的嚴重性。

其風險矩陣具體內容包括風險嚴重等級、風險概率等級，據此制成二維矩陣(圖1)[16-18]。

圖1 風險矩陣Fig.1 Risk matrix

具體步驟如下：①根據《企業職工傷亡事故分類標準》識別出的危險因素編寫煤礦掘進作業區域危險因素庫；②選取該領域專家對各項危險因素發生的概率與后果進行評價打分；③計算各項危險因素的R值；④根據最終R值得出各危險因素風險等級，并繪制風險矩陣圖；⑤根據不同風險等級制定相應的防控策略。

1.3 基于“分布密度型”未知有理數的R值計算

風險R值計算雖簡單易行、適用范圍廣，但仍具有一定局限性。即各專家評價打分主觀性較強，其間甚至有較大差異，對風險及風險等級的識別評價具有不穩定性和不一致性[19-21]。

為了降低這種主觀差異性，使評價結果更準確，引入未知有理數的置信度概念。其計算過程為：①確定不同專家給出的每項危險因素的R值的可信度；②確定置信區間；③取可信度較高置信區間的平均值為最終R值。

未知有理數數值處理中可以最大限度降低累積性差，真實反映客觀實際狀況。可信度方法能將計算誤差降到較低水平，較一般的均值法計算結果能更好地反映實際評價情況。但可信度方法表示的結果均需實數來表達，故仍存在失真的缺點。為了進一步完善計算過程，引入分布密度型未知有理數，定義如下：

對于閉區間[a，b]，a=x1

(2)

(3)

式中，φ(x)為可信度分布密度函數；xi為在取值區間[a，b]中第i個值；αi為xi的可信度。

2 H煤礦掘進作業安全風險評價

依據《企業職工傷亡事故分類標準》，對H煤礦東部大巷延伸段掘進作業區域實地調研考察分析，在回風巷、煤(巖)層附近及運輸巷的主要事故類型高達15種34項。現運用上述安全風險評價體系對 H煤礦東部大巷延伸段幾大區域中的15種34項危險因素進行安全風險評價。

2.1 區域危險因素風險評價舉例

由于主要事故類型較多，表格過長，在此以回風巷為例展開具體描述。某位專家對回風巷危險因素的評分情況見表2。

表2 回風巷危險因素風險評價Tab.2 Risk assessment of risk factors of return airway

表3是5位該領域專家對煤礦回風巷各危險因素評分后計算所得R值，記作R1、R2、R3、R4、R5。

表3 回風巷危險因素風險評價R值Tab.3 R value of risk assessment for risk factors of return airway

為減少主觀差異性，引入“分布密度型”未知有理數對每項危險因素的R值進行優化，得到最終評價指標R值。以危險因素“空氣中懸浮煤塵過多，遇點火源導致煤塵爆炸”為例，計算過程如下。

引入“分布密度型”未知有理數記作：{[6，20]，φ(x)}，如式(4)所示：

(4)

取值區間為[6，20]，φ(x)表示[6，20]上的主觀可信分布密度。{[6，20]，φ(x)}表明：針對“空氣中懸浮煤塵過多，遇點火源導致煤塵爆炸”這一危險因素，5位專家給出的R值中，6、12、20分別出現了1次，18出現了2次。6、12、20的可信度為1/5，18的可信度為2/5。可以看出，6在區間[6，20]中偏離程度比較大，而R值在區間[12，20]的可信度為80%。因此，“空氣中懸浮煤塵過多，遇點火源導致煤塵爆炸”風險評價的最終R值取12、18、18、20的平均值，即其R值為17.00。

2.2 H煤礦掘進作業區域危險因素風險評價

對H煤礦的回風巷、煤(巖)層附近和運輸巷這3大掘進作業區域中危險因素進行風險評價。其中3大區域的危險因素分別用HF1、HF2、…；MY1、MY2、…；YS1、YS2、…表示。

(1)回風巷危險因素風險評價見表4。

表4 回風巷危險因素風險評價Tab.4 Risk assessment of risk factors in return airway

(2)煤(巖)層附近危險因素風險評價見表5。

(3)運輸巷危險因素風險評價見表6。

H煤礦東部大巷延伸段掘進作業區域危險因素進行風險等級評價結果見表7。

表5 煤(巖)層附近危險因素風險評價Tab.5 Risk assessment of risk factors near coal (rock) layer

3 東部大巷延伸段區域安全風險分布圖

為減少煤礦掘進作業區域的安全隱患與安全事故的發生，保證工人安全與正常生產，促進礦井安全風險針對性管控措施的建設，下面將繪制H煤礦掘進工作面區域安全風險圖。

(1)確定煤礦掘進作業區域安全風險對比原則，即綠色—低風險、藍色—一般風險、黃色—中等風險、橙色—重大風險、紅色—特別重大風險。

(2)根據上述安全風險對比原則及表5所列風險等級評價結果，繪制H煤礦掘進作業區域安全風險比較圖，如圖2所示。

H煤礦東部大巷延伸段掘進工作面分為回風巷、運輸巷和煤(巖)層附近3部分，采用懸臂式掘進機和刀盤掘進機進行掘進作業，并包含輸送機、轉載機以及支護設備等完成運輸作業、支護作業。在煤(巖)層附近存在瓦斯爆炸特別重大風險，需要停止作業進行檢查。在回風巷和運輸巷中存在較多煤塵，存在煤塵爆炸重大風險，需立即整改。此外，還存在一些中等風險需整改，以及一般風險需引起注意。

(3)根據掘進作業區域安全風險比較圖(圖2)和煤礦掘進作業區域危險因素風險評價表(表4)繪制掘進作業區域風險分布圖，如圖3所示。

表6 運輸巷危險因素風險評價Tab.6 Risk assessment of dangerous factors in transportation roadway

表7 煤礦掘進作業區域危險因素風險等級評價結果Tab.7 Result of risk grade evaluation of coal mining operation area risk factors

圖2 掘進作業區域安全風險比較Fig.2 Safety risk comparison of excavation operation area

圖3 掘進作業區域風險分布Fig.3 Risk distribution in excavating areas

4 結語

本文基于風險矩陣法構建了掘進作業區域安全風險評價體系，對煤(巖)層附近、運輸巷、回風巷進行危險因素識別、評價，依據評價結果分別繪制煤礦掘進作業區域安全風險比較圖和區域安全風險分布圖。煤礦企業應結合風險等級制定有效的安全管控措施，對安全風險等級較高的危險因素及可能導致的事故編制應急專項預案，并加強對掘進區域作業人員的安全教育。

通過科學、易行的方法對煤礦掘進作業區域進行安全風險評價研究，可有效減少掘進作業區域的安全隱患，為區域安全風險分級管控工作提供了借鑒和參考。