基于改進Bow-tie 分析法的煤礦冒頂危險性評價研究

王 龍 侯 瑋 徐志強

（河北工程大學礦業與測繪工程學院，河北 邯鄲 056002）

在煤礦生產工作中，安全問題一直是企業關注的重點，其中煤礦冒頂是最常見事故之一。根據國內的相關統計資料顯示[1]，冒頂事故發生的比例高于其他災害事故。為避免事故的發生，需要充分了解事故的發生過程以及煤礦發生冒頂的危險性。影響冒頂的因素有很多，且部分風險因素難以度量，因此單獨一種危險分析方法很難奏效。Bow-tie 分析法是由ETA 和FTA 分析法結合產生的，它有效地避免了兩種分析方法單獨使用的弊端，可以清晰地展示事故的情景分析[2]。

1 改進Bow-tie 分析法原理

Bow-tie 分析法（領結圖分析法）最早是在1979 年由澳大利亞昆士蘭大學提出的，英國殼牌石油公司將其應用在商務中。由于該方法的簡單、直觀的優點，逐漸發展成一種應用廣泛的分析方法[3]。該方法是由事故樹分析法和事件樹分析并結合“瑞士奶酪模型”組成的，可以更加完整、直觀地了解事故的發展過程，從而進行定性分析。

由圖1 可以看出，Bow-tie 分析法主要有兩個步驟，第一步是左半部分的事故樹分析，第二步是右半部分的事件樹分析。Bow-tie 分析法可以直觀地看出事故發生的整個過程，幫助安全工作人員在風險分析時找到有效的措施進行控制[4]。

圖1 Bow-tie 分析法模型圖

傳統的Bow-tie 分析法中的原因和后果事件都是無規則的羅列，造成一種凌亂、無序的現象，不便于解決和分析問題。由于這種不便，本文提出了改進Bow-tie 分析法，如圖2 所示，從安全綜合管理四要素的角度出發，將原因事件按照“人、機、環、管”四要素分類，使控制屏障措施實施更加直觀，事故后果也按照人員傷亡、財產損失這兩個方面去分析消減屏障措施，對事故的應急救援更高效。除此之外，可以根據改進Bow-tie 定性分析模型引入定量評價指標，劃分評價結構層次，為評價煤礦冒頂危險性提供基礎。

圖2 改進Bow-tie 分析法模型圖

2 構建煤礦冒頂危險性評價模型

2.1 建立評價指標體系

運用改進Bow-tie 分析法分析冒頂事故，首先將發生冒頂作為頂上事件進行事故樹分析，通過查閱事故報告和文獻資料從“人、機、環、管”四個角度分析冒頂事故的影響因素，完成事故樹分析部分。從人員傷亡和財產損失這兩種后果對冒頂事故進行事件樹分析，根據不同影響因素得到不同條件下的事故后果，完成事件樹分析部分。最后結合事故樹和事件樹的分析模型構建改進Bow-tie 分析模型，如圖3。

根據改進Bow-tie 分析法模型劃分冒頂事故的影響因素評價指標，如圖4 所示，將煤礦發生冒頂的危險性作為一級評價指標，作業安全性、支護牢固性 、管理合理性和頂板穩固性作為四個二級評價指標，另外選擇員工身體狀況、支護質量、采煤方法合理性、煤層松軟度等21 項影響因素作為三級評價指標。

圖4 冒頂危險性評價指標

2.2 聯系度及評價等級確定

由于煤礦冒頂危險性的各評價指標對冒頂事故的影響程度不同，需要對各指標進行權重賦值，在改進Bow-tie 定性分析模型結構層次的基礎上選用層次分析法進行指標權重的確定。專家根據歷史資料以及自身的經驗對指標之間的相對重要性進行判別，得到指標相對重要程度的評判表，通過指標權重的計算和一致性檢驗得到各項指標的權重值。

通過集對分析確定煤礦冒頂危險性等級，將評價指標和評價等級標準組成集對，利用二者之間的聯系度反映評價對象的等級，選用聯系測度IDO 法確定集對中的聯系度[5]。由于評價標準等級劃分為五個等級，分別為安全、較安全、一般安全、危險、十分危險，故按照公式（1）～（5）計算評價對象和評價標準等級的聯系度。

式中：μ1、μ2、μ3、μ4、μ5分別代表評價指標針對5 個評價等級的聯系度；X1、X2、X3、X4、X5表示評價標準臨界值；qi表示第i項指標的評價值。

集對勢表示兩集合的聯系程度趨勢，記為shi（H）=a/c。通過最大集對勢原理確定評價等級。最大集對勢[5]原理與模糊數學中的最大隸屬度相似，從評價對象對應于評價等級的集對勢向量中選取最大值，代表評價對象與該評價等級的聯系度最強，則評價結果屬于該評價等級。

3 實例應用

云駕嶺礦隸屬于冀中能源股份有限公司邯鄲分公司，位于河北省武安市西土山鄉西湖村西，井田南北長約6 km，東西寬1.7 km，面積約10.7 km2。礦井于1982 年12 月25 日開始建井，1992 年12 月28 日建成投產，礦井設計生產能力60 萬t/a。通過多次技術改造，礦井生產能力得到了大幅度提高，2014 年12 月4 日經河北省煤炭工業安全管理局審批，核定生產能力為180 萬t/a。

作者參與對邯鄲礦業集團云駕嶺礦安全評價項目，以云駕嶺煤礦發生冒頂的危險性為評價對象，根據圖4 設該煤礦的21 個評價指標評價值構成集合Q={q1,q2,……,q21}，則危險等級標準值構成集合P，定性相對指數按照“均分原則”劃分，見表1。因此，指標評價值集合Q和危險等級標準集合P構成了集對H=（Q，P）。

表1 安全等級標準

對圖4 建立的評價指標體系應用層次分析法計算各指標權重值，權重結果見表2。

表2 指標權重值

根據文獻查閱及相關專家對各項指標的評價值qi進行估算和測量，得到煤礦冒頂危險性指標評價數據，見表3。

表3 煤礦冒頂評價指標估算評價表

將給定的指標數據代入公式（1）～（5）計算出各個評價指標與評價等級之間的聯系度。將各指標對于評價等級的聯系度計算結果組成聯系度矩陣μ=（a+bi+cj）21×5，根據指標的權重向量W=[w1,w2,w3,……,w21]，計算綜合聯系度矩陣Y：

最后結合集對勢的計算得出集對勢向量N0=[5.0 69,401.917,361.650,3.513,0.735]，結合最大集對勢原理分析得出該煤礦關于冒頂事故的危險性與Ⅱ級的聯系度最強，即屬于“較安全”狀態。

4 結語

（1）改進Bow-tie 分析法優化了原有分析方法的事故原因無序陳列，不僅使事故發生的動態過程更加直觀，便于針對性提出預防和管控冒頂風險的措施，對冒頂事故分析具有重要意義，還可以據此建立評價指標體系，為構建評價模型提供基礎。

（2）基于改進Bow-tie 分析法建立煤礦關于冒頂事故的危險性評價模型，結合實例得出云駕嶺煤礦關于冒頂的危險等級為Ⅱ級，證明了該方法的適用性，使事故是否發生更加明確化，便于煤礦企業對煤礦冒頂采取預防措施，為煤礦企業的安全生產工作提供良好的指導。