基于改進模糊層次分析法的煤礦一通三防系統安全評價

張學群

(山西古縣金谷煤業有限公司， 山西 臨汾 042400)

1 前言

“一通三防”是煤礦安全生產過程中礦井通風、防治瓦斯、防治煤塵、防治火災的簡稱[1-2]，據統計，2009—2016年全國煤礦重大及重大以上的事故中，大部分事故是由瓦斯、煤塵、火災所致[3]，而這三種礦井災害又都與礦井通風有著緊密的聯系，因此對“一通三防”系統進行安全評價是煤礦安全評價中的重中之重[4]。目前常用煤礦安全評價方法主要有專家打分法、層次分析法、模糊綜合評價法、功效系數法、風險矩陣法等，在常用的這些評價方法中，層次分析法是相對較為簡單的一種評價方法，在此方法上建立起來的煤礦安全評價案例有很多。曹凱等[5]基于層次分析法建立了煤礦通風系統安全評價模型，對礦井通風系統安全進行了評價。在此方法上也延伸出了改進后的方法，如區間層次分析法、改進模糊層次分析法等。區間層次分析法是從傳統層次分析法上優化而來的，該方法采用區間代替點的方法，降低了層次分析法因主觀因素導致的不確定性，目前應用比較多。劉芮葭[6]通過區間層次分析與灰色理論相結合的安全評價方法，對煤礦瓦斯爆炸危險性進行了分析評價。改進模糊層次分析法也是對傳統層次分析法的改良，通過運用不同的數學方法使得該方法相比傳統的計算結果更加精確，方法也更加簡潔，應用范圍也比較廣泛。張夢雅等[7]基于改進模糊層次分析法建立煤礦煤塵爆炸危險性評價指標體系，對煤礦煤塵爆炸危險性進行了評價。

綜上，專家學者大多都將這些評價方法應用于一通三防系統中各個子系統的安全評價中，但對于一通三防系統整體安全評價的研究很少。因此，本文基于改進模糊層次分析法，建立煤礦一通三防系統安全評價體系，并將該方法應用到山西省某礦，對該礦一通三防系統安全進行了評價，并提出了針對性改善意見，為煤礦一通三防系統安全評價提供了一個較好的評價思路。

2 改進模糊層次分析法模型在一通三防安全評價中的應用

2.1 建立改進模糊層次分析法模型確定權重

(1)建立層次結構體系，將結構體系分為A層指標、B層指標、C層指標，并對各層指標標號，建立系統評價體系。

(2)通過0.1～0.9的5標度法[8](見表1)，根據各指標之間的相對重要程度，構造優先判斷矩陣F=(fij)n×n，i,j=1,2,…,n，其中fij與fji互補，可知fij<1，fij+fji=1，fii=0.5。該矩陣為模糊互補矩陣。

表1 0.1～0.9的5標度法

(5)進行和行歸一求得排序向量。

W(0)=(w1,w2,…,wn)T=

2.2 建立煤礦一通三防系統安全評價體系

針對不同的系統安全評價體系，改進模糊層次分析法計算出的結果都是權重向量，而其起始步驟則是構建針對某一具體系統的層次結構體系。煤礦一通三防系統包括通風系統、防塵系統、防瓦斯系統和防火系統[9]，可將對這些子系統的評價作為一級指標，將各個子系統的影響因子水平或情況作為二級指標，如通風系統情況、瓦斯情況等[10]，將通風分為3個評價指標，防塵分為7個評價指標，防瓦斯分為3個評價指標，防火分為2個評價指標，建立起煤礦一通三防系統安全評價體系，具體見表2。

表2 煤礦一通三防系統安全評價體系

3 煤礦一通三防系統安全評價等級的確定

3.1 規定煤礦一通三防系統安全評價等級劃分

要對煤礦一通三防系統安全進行評價，還要明確其安全評價等級。依據煤礦設計規范，結合煤礦一通三防系統安全評價體系中各指標的情況和水平，采用百分制對煤礦一通三防系統安全評價水平進行綜合評分，可將一通三防安全評價等級劃分成五個等級，分別是非常危險、較危險、一般、較安全、非常安全。其中非常危險與較危險的評分區間較大，各為30分；一般與較安全的評分區間較小，各為15分；非常安全的評分區間最小，為10分。這種劃分雖然不是等區間劃分，但在將專家對影響因子的評分轉化為對整個一通三防系統安全評價的過程中該劃分法更具有科學性，具體劃分情況見表3。

表3 煤礦一通三防系統安全評價等級劃分

3.2 確定煤礦一通三防系統安全評價等級

由于以上方法計算出來的權重是下一層指標相對于本層指標的權重，無法直接通過通風系統情況、局部通風情況、綜合防塵措施水平等影響因子水平對礦井整體的一通三防系統安全進行評價，因此，要想通過定性- 定量的方法評價煤礦一通三防系統安全，還需要將其轉化成最底層指標相對于整個一通三防系統安全指標的相對權重。通過改進模糊層次分析法確定B層指標相對于A層指標的權重、C層指標相對于B層指標的權重以后，根據其隸屬關系，可得到C層各指標相對于A層指標的相對權重Qi，由于對具體系統安全評價中定性的評價方法是不可或缺的，故需要結合具體礦井一通三防系統的情況，根據專家對C層各指標情況或水平的打分Fi，通過式(1)綜合計算得出該礦井一通三防系統安全評分F，然后根據表2評定其安全等級。

(1)

4 應用實例

4.1 礦井概況

以山西省某礦為例，該礦井田面積8.506 2 km2，設計生產能力60萬t/a，核定生產能力90萬t/a，礦井設計可采儲量2 553萬t、目前剩余儲量2 334萬t，批準開采2～11號煤層，現開采9+10號、11號煤層。礦井通風方式為中央并列式，通風方法為機械抽出式。由主斜井、副斜井進風，回風斜井回風。回風斜井現安裝2臺同等能力的FBCDZ№21/2×220型對旋防爆抽出式軸流通風機，1臺工作，1臺備用。礦井水文地質類型為中等，低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，煤層自燃傾向性等級為Ⅱ級，自燃煤層。

4.2 改進模糊層次分析法計算評價體系權重

首先，結合經驗與專家的分析[11]，利用0.1～0.9的5標度法，根據各指標之間的相對重要程度列出各層指標之間的優先判斷矩陣，A-B、B1-C、B2-C、B3-C優先判斷矩陣如下：

重復上述步驟，同理可得：

B1-C權重向量：WB1-C=(0.477 91,0.314 77,0.207 32)T

B2-C權重向量：WB2-C=(0.210 27,0.139 45,0.139 45,0.139 45,0.139 45,0.139 45,0.092 49)T

B3-C權重向量：WB3-C=(0.428 57,0.285 72,0.285 72)T

B4-C權重向量：WB4-C=(0.600 00,0.400 00)T

4.3 定量計算煤礦一通三防系統安全評價等級

通過改進模糊層次分析法計算出各層指標相對上層指標的權重向量后，根據隸屬關系，通過計算可以得到C層指標相對A層指標的權重，以C1指標為例，其相對A層指標的相對權重為C1相對B1的權重與B1相對A的權重的乘積，即Q1=0.477 91×0.324 99=0.155 32。

C層各指標相對權重計算結果見表4。

表4 C層指標相對權重

由于使用改進模糊層次分析法，其計算出來的權重向量結果轉化后變成各個影響因子的相對權重，該結果要結合現場工作人員或者專家的打分才能給出定量的評價結果。結合表3中對煤礦一通三防系統安全評價等級的劃分，通過10位專家以及10位現場工作人員對該礦一通三防各個子系統的影響因子指標進行逐一打分，并對這些分值取平均值作為各影響因子指標的評分，評分情況見表5。

表5 該礦一通三防系統安全評價體系C層指標打分情況(百分制)

通過專家對各個影響因子水平和情況進行打分，將C層每一個指標的相對權重與專家打分相乘可得出C層各指標的相對權重分值，各指標相對權重分值見表6。

表6 C層各指標相對權重分值

結合表2可知，78.241 6所在評分區間為75～90，更靠近75分，因此該礦“一通三防”系統安全評價等級為較安全，且更偏向于一般的評價等級，說明在某些指標上還存在一定的不足，可以優先對相對權重大且評分相對較低的指標進行針對性的改善，如滅火系統情況(C14)相對權重為0.105 01，其專家打分為70，安全監控情況(C13)相對權重為0.092 86，其專家打分為76，二者均為權重相對較大，但其評分低于整體評分水平，因此可對其進行優化處理，從而能夠更快地提高礦井“一通三防”系統安全水平。

5 結論

(1)改進模糊層次分析法相比傳統層次分析法，由于其所用到的數學方法有所不同，在方法簡潔的優點基礎上，通過改進模糊層次分析法計算出來的評價體系各指標的權重會更加準確，有利于提高后續對煤礦“一通三防”系統的安全評價的準確性。

(2)采用模糊層次分析法也是要結合專家打分的方法，在定性的基礎上進行定量的計算，將計算結果再進行定性，經過“定性—定量—定性”的過程之后，降低了主觀因素造成的不確定性，所得的結果更加符合實際。

(3)將該方法應用于山西省某礦，計算出各指標相對整個煤礦“一通三防”系統安全的相對權重，結合專家對這些指標所給的分數，定量計算出該礦“一通三防”系統最后的安全評分為78.241 6，根據劃分的系統安全評價等級，該礦“一通三防”系統安全等級最后評定為較安全。結合上面計算出的指標相對權重與其所得分值，若要提高該礦“一通三防”系統安全，可對權重較高但評分相對較低的指標進行針對性的改善。