基于改進(jìn)Bow-tie 分析法的煤礦冒頂危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究

王 龍 侯 瑋 徐志強(qiáng)

（河北工程大學(xué)礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056002）

在煤礦生產(chǎn)工作中，安全問題一直是企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，其中煤礦冒頂是最常見事故之一。根據(jù)國(guó)內(nèi)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示[1]，冒頂事故發(fā)生的比例高于其他災(zāi)害事故。為避免事故的發(fā)生，需要充分了解事故的發(fā)生過程以及煤礦發(fā)生冒頂?shù)奈ｋU(xiǎn)性。影響冒頂?shù)囊蛩赜泻芏啵也糠诛L(fēng)險(xiǎn)因素難以度量，因此單獨(dú)一種危險(xiǎn)分析方法很難奏效。Bow-tie 分析法是由ETA 和FTA 分析法結(jié)合產(chǎn)生的，它有效地避免了兩種分析方法單獨(dú)使用的弊端，可以清晰地展示事故的情景分析[2]。

1 改進(jìn)Bow-tie 分析法原理

Bow-tie 分析法（領(lǐng)結(jié)圖分析法）最早是在1979 年由澳大利亞昆士蘭大學(xué)提出的，英國(guó)殼牌石油公司將其應(yīng)用在商務(wù)中。由于該方法的簡(jiǎn)單、直觀的優(yōu)點(diǎn)，逐漸發(fā)展成一種應(yīng)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(jié)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(fā)展過程，從而進(jìn)行定性分析。

由圖1 可以看出，Bow-tie 分析法主要有兩個(gè)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(fā)生的整個(gè)過程，幫助安全工作人員在風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)找到有效的措施進(jìn)行控制[4]。

圖1 Bow-tie 分析法模型圖

傳統(tǒng)的Bow-tie 分析法中的原因和后果事件都是無(wú)規(guī)則的羅列，造成一種凌亂、無(wú)序的現(xiàn)象，不便于解決和分析問題。由于這種不便，本文提出了改進(jìn)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(fā)，將原因事件按照“人、機(jī)、環(huán)、管”四要素分類，使控制屏障措施實(shí)施更加直觀，事故后果也按照人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失這兩個(gè)方面去分析消減屏障措施，對(duì)事故的應(yīng)急救援更高效。除此之外，可以根據(jù)改進(jìn)Bow-tie 定性分析模型引入定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，劃分評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)層次，為評(píng)價(jià)煤礦冒頂危險(xiǎn)性提供基礎(chǔ)。

圖2 改進(jìn)Bow-tie 分析法模型圖

2 構(gòu)建煤礦冒頂危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型

2.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

運(yùn)用改進(jìn)Bow-tie 分析法分析冒頂事故，首先將發(fā)生冒頂作為頂上事件進(jìn)行事故樹分析，通過查閱事故報(bào)告和文獻(xiàn)資料從“人、機(jī)、環(huán)、管”四個(gè)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(cái)產(chǎn)損失這兩種后果對(duì)冒頂事故進(jìn)行事件樹分析，根據(jù)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(jié)合事故樹和事件樹的分析模型構(gòu)建改進(jìn)Bow-tie 分析模型，如圖3。

根據(jù)改進(jìn)Bow-tie 分析法模型劃分冒頂事故的影響因素評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖4 所示，將煤礦發(fā)生冒頂?shù)奈ｋU(xiǎn)性作為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，作業(yè)安全性、支護(hù)牢固性 、管理合理性和頂板穩(wěn)固性作為四個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，另外選擇員工身體狀況、支護(hù)質(zhì)量、采煤方法合理性、煤層松軟度等21 項(xiàng)影響因素作為三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖4 冒頂危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2 聯(lián)系度及評(píng)價(jià)等級(jí)確定

由于煤礦冒頂危險(xiǎn)性的各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)冒頂事故的影響程度不同，需要對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值，在改進(jìn)Bow-tie 定性分析模型結(jié)構(gòu)層次的基礎(chǔ)上選用層次分析法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的確定。專家根據(jù)歷史資料以及自身的經(jīng)驗(yàn)對(duì)指標(biāo)之間的相對(duì)重要性進(jìn)行判別，得到指標(biāo)相對(duì)重要程度的評(píng)判表，通過指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算和一致性檢驗(yàn)得到各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值。

通過集對(duì)分析確定煤礦冒頂危險(xiǎn)性等級(jí)，將評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)組成集對(duì)，利用二者之間的聯(lián)系度反映評(píng)價(jià)對(duì)象的等級(jí)，選用聯(lián)系測(cè)度IDO 法確定集對(duì)中的聯(lián)系度[5]。由于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分為五個(gè)等級(jí)，分別為安全、較安全、一般安全、危險(xiǎn)、十分危險(xiǎn)，故按照公式（1）～（5）計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的聯(lián)系度。

式中：μ1、μ2、μ3、μ4、μ5分別代表評(píng)價(jià)指標(biāo)針對(duì)5 個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的聯(lián)系度；X1、X2、X3、X4、X5表示評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)臨界值；qi表示第i項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值。

集對(duì)勢(shì)表示兩集合的聯(lián)系程度趨勢(shì)，記為shi（H）=a/c。通過最大集對(duì)勢(shì)原理確定評(píng)價(jià)等級(jí)。最大集對(duì)勢(shì)[5]原理與模糊數(shù)學(xué)中的最大隸屬度相似，從評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)應(yīng)于評(píng)價(jià)等級(jí)的集對(duì)勢(shì)向量中選取最大值，代表評(píng)價(jià)對(duì)象與該評(píng)價(jià)等級(jí)的聯(lián)系度最強(qiáng)，則評(píng)價(jià)結(jié)果屬于該評(píng)價(jià)等級(jí)。

3 實(shí)例應(yīng)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(xiāng)西湖村西，井田南北長(zhǎng)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(chǎn)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60 萬(wàn)t/a。通過多次技術(shù)改造，礦井生產(chǎn)能力得到了大幅度提高，2014 年12 月4 日經(jīng)河北省煤炭工業(yè)安全管理局審批，核定生產(chǎn)能力為180 萬(wàn)t/a。

作者參與對(duì)邯鄲礦業(yè)集團(tuán)云駕嶺礦安全評(píng)價(jià)項(xiàng)目，以云駕嶺煤礦發(fā)生冒頂?shù)奈ｋU(xiǎn)性為評(píng)價(jià)對(duì)象，根據(jù)圖4 設(shè)該煤礦的21 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)值構(gòu)成集合Q={q1,q2,……,q21}，則危險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值構(gòu)成集合P，定性相對(duì)指數(shù)按照“均分原則”劃分，見表1。因此，指標(biāo)評(píng)價(jià)值集合Q和危險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)集合P構(gòu)成了集對(duì)H=（Q，P）。

表1 安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)圖4 建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)用層次分析法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重值，權(quán)重結(jié)果見表2。

表2 指標(biāo)權(quán)重值

根據(jù)文獻(xiàn)查閱及相關(guān)專家對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值qi進(jìn)行估算和測(cè)量，得到煤礦冒頂危險(xiǎn)性指標(biāo)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，見表3。

表3 煤礦冒頂評(píng)價(jià)指標(biāo)估算評(píng)價(jià)表

將給定的指標(biāo)數(shù)據(jù)代入公式（1）～（5）計(jì)算出各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的聯(lián)系度。將各指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)的聯(lián)系度計(jì)算結(jié)果組成聯(lián)系度矩陣μ=（a+bi+cj）21×5，根據(jù)指標(biāo)的權(quán)重向量W=[w1,w2,w3,……,w21]，計(jì)算綜合聯(lián)系度矩陣Y：

最后結(jié)合集對(duì)勢(shì)的計(jì)算得出集對(duì)勢(shì)向量N0=[5.0 69,401.917,361.650,3.513,0.735]，結(jié)合最大集對(duì)勢(shì)原理分析得出該煤礦關(guān)于冒頂事故的危險(xiǎn)性與Ⅱ級(jí)的聯(lián)系度最強(qiáng)，即屬于“較安全”狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）改進(jìn)Bow-tie 分析法優(yōu)化了原有分析方法的事故原因無(wú)序陳列，不僅使事故發(fā)生的動(dòng)態(tài)過程更加直觀，便于針對(duì)性提出預(yù)防和管控冒頂風(fēng)險(xiǎn)的措施，對(duì)冒頂事故分析具有重要意義，還可以據(jù)此建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為構(gòu)建評(píng)價(jià)模型提供基礎(chǔ)。

（2）基于改進(jìn)Bow-tie 分析法建立煤礦關(guān)于冒頂事故的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型，結(jié)合實(shí)例得出云駕嶺煤礦關(guān)于冒頂?shù)奈ｋU(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，證明了該方法的適用性，使事故是否發(fā)生更加明確化，便于煤礦企業(yè)對(duì)煤礦冒頂采取預(yù)防措施，為煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)工作提供良好的指導(dǎo)。