李博楊，李賢功，孟英辰，陳天喜

（中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

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基于灰色關(guān)聯(lián)和集對分析的煤礦頂板事故風(fēng)險(xiǎn)分析

李博楊，李賢功，孟英辰，陳天喜

（中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

為了對煤礦頂板事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效評價(jià)，構(gòu)建頂板事故風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，并運(yùn)用層次分析法確定了頂板事故風(fēng)險(xiǎn)影響因子的權(quán)重。運(yùn)用集對分析建立風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，并結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度確定集對分析所需的差異度系數(shù)，從而得出絕對聯(lián)系度。根據(jù)取值所在的安全區(qū)間分析頂板事故的風(fēng)險(xiǎn)等級及未來發(fā)展的趨勢，提出需要整改和加強(qiáng)的措施。此方法解決了單一集對分析聯(lián)系度不確定的問題，探索了一條新的頂板事故風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的途徑，為煤礦的安全管理和事故預(yù)防提供了有效支持。

集對分析；灰色關(guān)聯(lián)度；絕對聯(lián)系度；頂板事故

中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，約有500多萬煤礦工人。然而，煤礦事故和死亡人數(shù)也占到了世界總數(shù)的80%。在各類煤礦事故中，頂板事故占有很大的比重，其比例超過50%以上，死亡人數(shù)所占比重超過30%［1］。因此，研究煤礦頂板事故的致因，分析影響事故的因素，對降低煤礦頂板事故的發(fā)生率有著非常重要的意義。同時(shí)，對制定相應(yīng)的預(yù)防措施和治理方案具有一定的指導(dǎo)作用。

本文將集對分析與灰色關(guān)聯(lián)度相結(jié)合，對煤礦頂板事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析、預(yù)測、評價(jià)。集對分析的中心思想是將確定與不確定看作成一個(gè)確定不確定的系統(tǒng)，從而確定出所研究對象的確定性與不確定性［2］。頂板事故的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是一種確定不確定系統(tǒng)，可以用集對分析進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。但是，集對分析中的差異度系數(shù)無法得到具體的量化，通過灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，可以找到同一度與差異度、對立度之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而計(jì)算出集對分析方法中的差異度系數(shù)i的具體值，解決了單一的集對分析方法中無法具體量化聯(lián)系度這一問題，為煤礦頂板事故的風(fēng)險(xiǎn)性預(yù)測、評價(jià)提供了一種新的方法。

1　集對分析法

1.1基本原理

集對分析理論是中國學(xué)者趙克勤在1989年提出的，該方法主要分析各種不確定問題，并能夠清楚地描述和處理不確定系統(tǒng)中由模糊性、隨機(jī)性引起的問題。截至目前，該理論多用在工業(yè)、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)行業(yè)，取得良好的應(yīng)用效果。集對分析法就是把所研究對象的所有聯(lián)系因素看作一個(gè)不確定系統(tǒng)，從同一、差異、對立3個(gè)方面進(jìn)行問題的定性和量化，最終利用聯(lián)系度得出研究對象的特性，從而能夠以定量的形式表示所研究對象的特征［2］。由于煤礦頂板事故的風(fēng)險(xiǎn)分析過程存在很多不確定性因素，因而可以利用集對分析來解決風(fēng)險(xiǎn)評估。

1.2聯(lián)系度

式中，u為聯(lián)系度，反映H（A，B）中關(guān)聯(lián)性；i為差異度系數(shù)，取值范圍為［-1，1］；j表示A，B對立，通常取-1。

2　基于灰色關(guān)聯(lián)的集對分析模型

2.1灰色關(guān)聯(lián)度

計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度要選取參考數(shù)列和比較數(shù)列，一般設(shè)參考數(shù)列為X0（tk），比較數(shù)列為X1（tk），參考數(shù)列與比較數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)為ξ0i（tk），計(jì)算公式為［5］:

其中，一般取ξ=0.5；tk代表數(shù)列下的元素。

由于每個(gè)指標(biāo)在煤礦頂板事故風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系中的重要程度不同，因此需要對絕對關(guān)聯(lián)度采用加權(quán)平均值的算法，即:

關(guān)聯(lián)度的值按照從大到小的順序依次進(jìn)行排序，關(guān)聯(lián)度取值越大，說明該項(xiàng)指標(biāo)與參考數(shù)列的聯(lián)系越密切，關(guān)聯(lián)度越高；關(guān)聯(lián)度取值越小，說明該項(xiàng)指標(biāo)與參考數(shù)列的聯(lián)系越不相關(guān)，關(guān)聯(lián)度則越低。

2.2確定差異度系數(shù)

根據(jù)定性分析與定量分析相結(jié)合的方法，運(yùn)用集對的思想，通過式（1）得出同一度、差異度、對立度的量化值。

數(shù)量上，調(diào)研統(tǒng)計(jì)了105種廳堂擺花中，梅、蘭、菊等傳統(tǒng)花卉34種，銀杏、羅漢松等盆景花木5種，而紅掌、觀賞鳳梨、一品紅等栽培觀賞歷史較短的常用商業(yè)花卉種類則達(dá)到66種(表2)。傳統(tǒng)花卉僅占總體擺花種類的1/3。

因?yàn)閕的值要受到差異度、對立度、同一度的約束作用，因此要將a，b，c分為a，b和c，b兩組。將差異度數(shù)組b選作參考數(shù)列，選取同一度數(shù)組a和對立度數(shù)組c作為比較數(shù)列，跟據(jù)公式（2），（3），（4），（5）得出兩組數(shù)據(jù)的絕對關(guān)聯(lián)度rba和rbc，并將絕對關(guān)聯(lián)度大的值作為i的取值。即:

最后將得到的差異度系數(shù)i的值代入聯(lián)系度表達(dá)式（1），得到聯(lián)系度u的值。聯(lián)系度u的值越大，表明兩個(gè)集對之間同一度越高，聯(lián)系程度越緊密。與傳統(tǒng)的分析方法相比，該方法可以解決小批量數(shù)據(jù)、線性特征不明顯等難以分析解決的問題。

3　在頂板事故風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用

3.1建立煤礦頂板事故危險(xiǎn)性指標(biāo)評價(jià)體系

以某煤礦2014—2015年的數(shù)據(jù)為例，構(gòu)建頂板事故風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，從人、物、管理、環(huán)境4個(gè)方面考慮。將頂板事故風(fēng)險(xiǎn)影響因素劃分為4個(gè)準(zhǔn)則層，18個(gè)指標(biāo)層，通過層次分析的方法將兩個(gè)層次的指標(biāo)逐一進(jìn)行兩兩比較、計(jì)算，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，然后得出隨機(jī)一致性比率均小于0.1，滿足檢驗(yàn)要求，最后計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)所占的權(quán)重，如表1所示。

表1　頂板事故風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系權(quán)重

3.2煤礦頂板事故風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)

采用專家打分法對頂板風(fēng)險(xiǎn)的18個(gè)三級評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評分，所邀請的5位專家的權(quán)重分別為0.10，0.30，0.15，0.25，0.20，采用百分制打分法對該煤礦進(jìn)行評分，等級劃分為:［100，90］為A等級；［89，80］為B類等級；［79，70］為C類等級；［69，60］為D等級；［59，0］為E等級。專家最終評分結(jié)果見表2。

表2　頂板事故風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)專家打分

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，將各項(xiàng)指標(biāo)等級與專家打分兩兩進(jìn)行集對，因?yàn)楦黜?xiàng)指標(biāo)的權(quán)重會(huì)對風(fēng)險(xiǎn)體系評價(jià)產(chǎn)生影響，所以采用式（2），（3），（4）進(jìn)行計(jì)算，由于劃分了5個(gè)安全等級，不能均分為三部分，所以專家所打分?jǐn)?shù)若屬于評價(jià)等級范圍內(nèi)，則對應(yīng)于同一度a，若屬于相鄰的評價(jià)等級，則對應(yīng)差異度b，若屬于相間隔的評價(jià)等級范圍，則對應(yīng)對立度c［6］。根據(jù)5位專家對該煤礦頂板系統(tǒng)的打分，計(jì)算出絕對關(guān)聯(lián)度，最終結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3的結(jié)果，運(yùn)用式（5），通過計(jì)算得出絕對關(guān)聯(lián)度為rba=0.6832，rbc=0.6334，rba＞rbc，因此同一度與差異度的關(guān)聯(lián)程度比對立度與差異度的關(guān)聯(lián)程度要更高一些。根據(jù)式（6），差異度系數(shù)i的具體值為0.6834，將i=0.6834代入表3所示的25個(gè)聯(lián)系式中，得出5位專家打分與各個(gè)安全等級的聯(lián)系度，然后根據(jù)事先確定的每位專家的權(quán)重，計(jì)算得出最終的評價(jià)結(jié)果，如表4所示。

4　對結(jié)果進(jìn)行分析

（1）因?yàn)闅w一化后聯(lián)系度u的取值范圍為［-1，1］，根據(jù) “均分”原則，需要把聯(lián)系度的取值范圍平均分為5個(gè)子區(qū)間:（0.6，1］、（0.2，0.6］、（-0.2，0.2］、（-0.6，-0.2］和［-1，-0.6］，分別對應(yīng) “安全”、“較安全”、“一般安全”、“較危險(xiǎn)”、“危險(xiǎn)”這5個(gè)等級。由表4可知聯(lián)系度u的取值在區(qū)間［-0.2，0.2］內(nèi)的比重較大，且綜合聯(lián)系度過低，說明該煤礦頂板安全程度一般，事故風(fēng)險(xiǎn)較高。

（2）rba=0.6832，rbc=0.6334，rba＞rbc，因此同一度與差異度的關(guān)聯(lián)程度比對立度與差異度的關(guān)聯(lián)程度要高，表明系統(tǒng)有向好的方面發(fā)展的趨勢，但是并不明顯，需要采取措施加以促進(jìn)。

（3）分析結(jié)果表明:該煤礦頂板安全程度一般，事故風(fēng)險(xiǎn)等級比較高，但是有微弱的向好的方向發(fā)展的趨勢。因此應(yīng)參照評價(jià)體系對該煤礦頂板系統(tǒng)進(jìn)行安全監(jiān)管，從而發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源并及時(shí)進(jìn)行治理，加快系統(tǒng)向好的方面發(fā)展，降低煤礦頂板事故風(fēng)險(xiǎn)。

5　與單一的集對分析模型進(jìn)行比較

普通的集對分析中的差異度系數(shù)取值范圍為［-1，1］，并無法確定其具體值。由于集對分析只能夠得出表3中的聯(lián)系式，并無法得出最終的聯(lián)系度，其結(jié)果最終也無法得到確定。然而，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)確定差異度系數(shù)，可以很好地解決差異度不確定的問題，從而得出具體的聯(lián)系度，使評價(jià)結(jié)果得到很好的量化。

6　結(jié)束語

（1）結(jié)合煤礦頂板事故風(fēng)險(xiǎn)的影響因素和實(shí)際狀況，建立煤礦頂板的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評價(jià)體系，通過層次分析確定了各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，通過絕對聯(lián)系度對煤礦頂板進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，確定了頂板系統(tǒng)的安全等級。

（2）將灰色關(guān)聯(lián)下的集對分析模型應(yīng)用到該煤礦頂板事故的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中，通過灰色理論中絕對關(guān)聯(lián)度的方法，把關(guān)聯(lián)度中絕對值較大的對象當(dāng)作差異度系數(shù)i的量化值，并代入公式（1）得出相關(guān)的聯(lián)系度u，使差異度系數(shù)得到了量化，最終得出煤礦頂板的風(fēng)險(xiǎn)狀況，證明了此方法的適用性與可行性，解決了單一集對分析不能解決聯(lián)系度無法確定的問題，為煤礦頂板事故評價(jià)提供了一種新的思路和方法。而且還可以推廣到其他的事故風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中。

（3）采用集對分析法對該煤礦頂板事故的風(fēng)險(xiǎn)狀況發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。由于煤礦頂板系統(tǒng)的安全程度為中等，風(fēng)險(xiǎn)等級比較高，故需要引起相關(guān)管理部門的高度重視。該系統(tǒng)有著向好方面發(fā)展的趨勢，故應(yīng)該做好頂板系統(tǒng)的安全治理和檢查工作以便促進(jìn)其向好的方面發(fā)展。

［1］明崯崯，李亨英，李忠衛(wèi).基于ISM法對煤礦頂板事故致因研究［J］.煤礦安全，2013，44（9）:238-240.

［2］趙克勤.基于集對分析的方案評價(jià)決策矩陣與應(yīng)用［J］.系統(tǒng)工程，1994，12（4）:67-72.

［3］劉思峰，黨耀國，方志耕.灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［4］譚星宇，謝賢平，唐紹輝.基于灰色關(guān)聯(lián)度與集對分析的尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)［J］.黃金，2014，35（9）:70-73.

［5］羅 勇，周春梅，吳燕玲，等.尾礦庫安全評價(jià)的灰色關(guān)聯(lián)與集對分析研究［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（1）: 26-30.

［6］陳 驥，鄒樹梁，唐德文，等.基于灰色關(guān)聯(lián)度的集對分析方法在高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性評價(jià)中的應(yīng)用［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2015，11（5）:136-141.

［7］孫宜超.考慮生態(tài)調(diào)度的水庫多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度理論與應(yīng)用研究［D］.天津:天津大學(xué)，2012.

［8］程健維，楊勝強(qiáng).基于模糊集對分析優(yōu)選礦井通風(fēng)系統(tǒng)方案［J］.煤炭科技，2008（2）:86-89.

［9］李同鎖，何啟林.基于集對分析的采煤工作面頂板穩(wěn)定性評價(jià)［J］.煤炭工程，2014，44（6）:85-87.

［責(zé)任編輯：鄒正立］

Roof Accident Risk Assessment of Coal Mine Based on Set-pair Analysis and Gray Relational Degree

LI Bo-yang，LI Xian-gong，MENG Ying-chen，CHEN Tian-xi
（Mining Engineering School，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221116，China）

In order to evaluate roof accident risk of coal mine effectively，an evaluation index system of roof accident was built，and the weighting of influence factors of roof accident was confirmed by AHP.A risk evaluation model was built with set-pair analysis，and the diversity factor coefficient of set-pair analysis based on gray relational degree was confirmed，and then absolute relative degree was obtained，and risk degree and development trend of roof accident according the safety interval that the value belong to，the rectification and strengthen method were put forward，a new method of roof accident risk assessment was explored，it provided effectively supporting for safety management and accident prevention.

set-pair analysis；gray relational degree；absolute relative degree；roof accident

TD327.2

A

1006-6225（2016）04-0138-04

2015-12-28

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.035

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：多因素耦合作用下煤礦事故復(fù)雜性機(jī)理及其風(fēng)險(xiǎn)度量研究（71271206）

李博楊（1992-），男，山東淄博人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)工程、質(zhì)量管理。

［引用格式］李博楊，李賢功，孟英辰，等.基于灰色關(guān)聯(lián)和集對分析的煤礦頂板事故風(fēng)險(xiǎn)分析［J］.煤礦開采，2016，21（4）：138-141.