基于改進JHA-FRAM 的掘進過程作業風險定量評價

吳 兵，金 莎，趙晨光，崔心源

（中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083）

2021 年6 月10 日，最新通過的《中華人民共和國安全生產法》修改決議中要求生產經營單位建立安全風險分級管控制度，按照安全分級采取相應的管控措施。有研究表明，作業環節發生事故的可能性受到工藝復雜程度、設備運行情況以及環境等因素影響，認為煤礦井下不同作業環節危險性不同[1]，因此在作業前進行風險等級評價，確定風險點，是實現精準分級管控的前提。現有針對作業的風險研究以作業危害分析（JHA）為主，然而目前的JHA 只涉及靜態風險分析，忽略了復雜作業條件下各環節的動態約束性。功能共振分析（FRMA）[2]可以有效解決上述局限，考慮作業步驟間的關聯性，能夠識別作業節點源自上下游功能的耦合變異性，并在制造業[3]、醫療行業[4]、鐵路系統[5]，航空領域廣泛應用[7]，其缺點是只能進行定性分析。鑒于此，將作業危害分析（JHA）集成到功能共振分析（FRMA）中，全面識別潛在風險因素，并利用集對分析原理對其進行定量改進，實現了作業風險的動態和靜態綜合評價。

1 JHA-FRAM 風險識別擬合方法

作業危害分析（JHA）可以將作業劃分為若干個步驟節點，然后識別其潛在風險。功能共振分析（FRMA）可以對系統進行圖形化描述，利用六角形模塊表示分解后的功能節點，然后分析各節點的動態變化性。功能共振單元模型如圖1，6 個端口分別是功能模塊的輸入（Input）、輸出（Output）、時間（Time）、控制（Control）、前提（Preconditions）、資源（Resources）。

圖1 功能共振單元模型Fig.1 Functional resonance unit model

JHA-FRAM 將風險劃分為內部因素和外部因素，內部風險識別是基于JHA 分析，主要包括作業人員所處環境風險以及工具設備風險。

外部風險識別基于FRAM 理論，認為幾個相互關聯，相互約束的作業節點，當其中1 個節點發生變化，產生不正常的功能振蕩后，其他作業節點的性能也隨之發生變化并產生振蕩，當所有功能模塊的振蕩作用超出系統風險臨界閾值時，事故發生。這一環節側重于識別來自上下游功能變化對作業節點產生的影響[7]。上游作業的輸出（時間、速度、資源、信息）會對下游作業產生影響，下游作業的輸入時間同樣會對上游產生一定影響。除此之外，作業過程中還存在并行步驟，并行節點的變化情況也會對彼此安全狀態產生影響，因此，在前人研究的基礎上將并行節點之間的相互作用關系考慮在內，確保風險識別的準確性和全面性。

2 構建作業風險定量評價模型

由于JHA-FRAM 風險識別方法只能進行定性分析，難以形成定量評價結果，為了處理評價過程中的量化問題，采用AHP-SPA 方法對其進行改進。

2.1 確定作業節點風險度

構建基于AHP 的評價指標體系，根據上述風險識別結果，請相關技術人員，管理人員對指標重要程度兩兩對比并利用1～9 標度打分[8]，根據打分結果產生判斷矩陣，然后對判斷矩陣進行歸一化處理，每行元素的平均值為權重向量。最后進行一致性檢驗，一致性比例小于0.1 時，判斷矩陣元素分配及其邏輯順序合理[9]。

利用lsr 評價法分析作業節點各指標的風險值，然后通過加權風險度表征多因素影響下作業節點的風險程度，將風險指標的權重與其對應的風險值結合，計算作業節點的加權風險度。

式中：R 為單個作業節點加權風險度；li為i 種風險事件發生的可能性；Si為i 種風險事件后果嚴重性；Wi為風險因素指標權重。

2.2 評價作業風險等級

考慮到作業過程中各節點對于整個過程的影響程度不同，需要利用上述層次分析法（AHP）確定其重要度，然后利用集對分析進行定量評價。

集對分析的基本思路是將評價對象和評價標準擬合為一個集對，客觀地反映二者的同一、差異和對立關系，集對的同、異、反聯系度μ 為：

式中：N 為指標總個數；S 為2 個集合共有的指標個數；P 為2 個集合對立的指標個數；F 為2 個集合既不共有也不對立的指標數；i 為差異度系數分量：j 為對立度系數分量。

a＋b1＋b2＋b3＋…＋bn＋c=1，a 越接近于1，表明二者關系越趨向于同一，c 越接近于1，表明二者關系越對立。由此擬合集對的聯系度可表示為[10]：

式中：xc為評價指標值；i1、i2、i3為差異度分量；s1～s5為評價指標的分級標準值，且s1≤s2≤s3≤s4≤s5。

將各個指標的聯系度與其相對應的權重相乘，得到評價對象五元聯系度：

式中：WNi為第Ni項評價指標的權重；aNi為Ni項評價指標的同一度；bNi為Ni項評價指標的差異度；cNi為Ni項評價指標的對立度。

然后根據其趨同程度對評價等級做出判斷。

3 實例分析

選取山西某煤礦作為研究對象，通過實地調研了解其掘進過程，按上述方法步驟，進行實例分析。

3.1 掘進過程作業描述

作業指的是將施工過程分解為若干個可在一定時間內完成的工序環節，根據作業定義，將掘進過程分解為截割、安裝錨桿、安裝錨索3 個作業環節。

1）截割作業。N1：開始截割作業前檢查工作面支護、風量、瓦斯體積分數；N2：一切正常后發出送電信號，綜掘機司機操作綜掘機前進至截割工作面；N3：在有監護的情況下落下鏟板；N4：啟動噴霧泵；N5：開啟輸送機出煤；N6：根據巷道設計尺寸及進刀截割軌跡圖割煤；N7：出煤完畢后，掘進機截割頭落地，斷開掘進機電源，掘進機司機操作退掘進機。

2）安裝錨桿作業。N8：掘進機退出工作面后，敲幫問頂確認安全；N9：錨桿機進入作業位置；N10：將2塊架板兩端分別搭設在靠幫放置的鐵梯上，搭設可靠的工作臺；N11：作業人員站在工作臺上標定頂、幫錨桿位置；N12：1 人將鉆桿對準眼位與鉆機相連，然后放開鉆桿，開水沖孔；N13：另1 人操作鉆機將頂眼和幫眼打設至規定要求并清凈眼底煤粉；N14：打眼完成后安裝錨桿，作業人員將2 支樹脂藥卷依次裝入鉆孔并用桿體將藥卷送到孔底，邊推進邊攪拌；N15：攪拌時間控制30 s，中途不得間斷，直到將錨桿送入孔底，然后使用風動扳手或扭矩放大器將錨桿預緊力施加至設計值。

3）安裝錨索作業。N16：安裝錨索的鉆孔方法和以上錨桿鉆孔方法相同，按順序將樹脂藥卷裝入鉆孔，并用錨索將藥卷送到孔底；N17：用攪拌器將錨索與鉆機連接起來并擰緊載絲；N18：1 人扶鉆，保持鉆機與鉆孔成一直線；N19：1 人開動鉆機將錨索送入孔底；N20：等待2 min 后回落鉆機，卸下攪拌器。

待支護完成后繼續進行截割貫通，以此循環。

3.2 作業風險識別

依據JHA 作業分解原則，掘進過程的3 個作業環節共劃分為（N1～N20）20 個作業節點，將20 個作業節點確定為20 個功能模塊分析其具體內容，以截割作業（N6）為例，具體內容描述見表1。

表1 割煤（N6）具體內容描述Table 1 Specific content description of coal cutting（N6）

結合功能模塊具體內容及其相互約束關系，連接各個作業節點，構建掘進過程功能共振分析模型。

1）內部風險識別。割煤作業N6的自身風險因素為，C1：掘進機機械部件及電氣安全保護裝置故障，造成人員傷害；C2：掘進過程中，巷道內電氣設備或供電線路出現失爆，在發生電氣火災后有造成瓦斯爆炸。作業場所環境風險為，C3：作業場所煤塵較大，視線不清，造成誤操作；C4：工作面片幫、頂板離層，造成人員傷害；C5：巷道掘進過程中，由于煤體酥軟、瓦斯含量較大、工作面風流可能發生瓦斯超限，造成瓦斯事故。

2）并行步驟影響分析針。割煤作業N6并行作業節點的影響包括，C6：噴霧故障，缺少霧化，割煤過程產生大量煤塵；C7：帶式運輸機保護裝置故障，運行后損壞設備或造成人員傷害；C8：帶式運輸機的照明裝置故障，影響正常作業；C9：帶式運輸機帶邊毛絮摩擦起火，引發火災或爆炸。

3）上下游耦合變化分析。上游輸出變化影響包括，C10：供水時間過晚達不到霧化效果；C11：帶式輸送機距離過近導致人員卷入轉動部位；C12：信息傳達不準確，誤入設備運行或貫通區域，造成人員傷害。下游輸入影響包括，C13：退機時間過早，未將截割頭或鏟板落地，造成人員傷害。

3.3 掘進過程作業風險定量評價

3.3.1 計算作業節點風險度

將評價指標體系分為設備風險因素B1、環境風險因素B2、并行風險B3和上下游變化B44 個一級指標，以及13 個二級指標。邀請煤礦領域經驗豐富的技術人員對識別的風險指標進行打分，構造AHP 判斷矩陣，確定各風險指標權重，并計算出一致性比例為0.045，意味著計算所得權重有效。

利用風險值和權重表征以上13 個風險指標單因素的重要程度和風險大小，再耦合各自的權重得到單節點的綜合風險度，作業節點風險度見表2。

表2 作業節點風險度Table 2 Single node risk

由此得到節點N6（割煤） 的綜合風險度是9.399，且影響度最大的風險因素為割煤過程中電氣設備或線路失爆，同時其并行節點膠帶運輸機故障也會對割煤過程產生較大影響。用該方法計算截割作業N1～N7各節點綜合風險度，得到RNi=｛1.411，6.607，4.349，7.298，7.113，9.406，4.696｝。

3.3.2 作業風險等級評價

將作業風險劃分為5 個等級，分別是可忽略風險、可接受風險、中等風險、重大風險、巨大風險，評價等級劃分情況見表3。

表3 評價等級劃分情況Table 3 Classification of evaluation grades

截割作業包含N1～N77 個步驟節點，擬合聯系度集對如下：

擬合聯系度可以表征各個節點的風險程度，分析其趨同程度可知，N1節點風量、瓦斯體積分數監測風險程度為可忽略風險，風險等級為Ⅰ級；N3節點監護工監護、N7節點退掘進機為中等風險，風險等級為Ⅲ級；N2節點綜掘機前進至截割工作面、N4節點啟動噴霧泵，N5節點開啟輸送機出煤風險等級為重大風險，風險等級Ⅳ級；N6節點割煤為巨大風險，風險等級為Ⅴ級。

層次分析法計算各節點重要度，WNi=｛0.053，0.068，0.202，0.077，0.265，0.295，0.040｝，將各節點的聯系度與其重要度結合考慮，根據式（6）進行聯系度加權處理，得到截割作業的五元聯系度：

分析式（7）可知，截割作業對于5 個風險等級的趨同程度分別是4.2%、8.3%、18.3%、37.1%、32.1%，由此判斷截割作業的風險類別為重大風險。利用同樣的方法對安裝錨桿作業和安裝錨索作業進行評價，二者均為中等風險，安裝錨索風險略大于安裝錨桿的風險。結合評價過程和評價結果，能夠通過FRAM 模型直觀的看到掘進過程的風險點及可能發生事故路徑，作業風險點、風險路徑特征圖如圖2。

圖2 作業風險點、風險路徑特征圖Fig.2 Operational risk point and risk path characteristic diagram

通過圖2 可以看出，掘進過程3 個作業環節共有重大風險點5 個，巨大風險點3 個，根據風險程度的不同，施行不同的管控手段。同時容易導致事故發生的路徑共12 條，在對各作業節點進行管控的同時，關注節點上下游以及并行作業的狀態，保證風險路徑信息傳達和任務交接功能的正常和安全。

4 結 語

建立了基于改進JHA-FRAM 的作業風險評價模型，在風險識別階段實現動靜態風險因素融合分析。引入AHP 方法量化風險因素和步驟重要度，利用SPA 集對分析原理對作業風險進行等級評價，克服了定性分析的局限性。將該模型應用到山西某煤礦的掘進過程中，得到風險等級最高的作業為“截割”作業，需要重點管控，同時用特征圖的形式對掘進過程中的風險點和風險路徑進行表征，在管控過程中需要嚴格監管，規避風險。結果表明，定量改進后的JHA-FRAM 分析方法能夠有效應用于工程實際，為有效落實煤礦企業作業分級管控機制提供了依據。