(1.山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院 山東 青島 266590；2.山東科技大學 礦山災害預防控制國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590)

基于三類危險源分析的瓦斯爆炸事故灰色-層次評價

黃冬梅

(1.山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院 山東 青島 266590；2.山東科技大學 礦山災害預防控制國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590)

在對瓦斯爆炸事故致因調(diào)查分析的基礎上，依據(jù)三類危險源理論對各影響因素進行分類，構建了瓦斯爆炸事故評價指標體系；將層次分析法與灰色理論相結合，建立了瓦斯爆炸事故的灰色-層次評價(G-A)模型，并結合具體煤礦實例，確定評價指標的權重，運用G-A評價模型對該礦井瓦斯爆炸事故進行評價，確定了風險等級及重點防范問題，對我國礦井瓦斯爆炸事故預警具有一定的借鑒意義。

瓦斯爆炸；危險源；灰色理論；灰色-層次評價

Abstract: Based on the investigation and analysis of gas explosion accidents, various influencing factors were classified according to the theory of three kinds of hazards and an evaluation index system of gas explosion accidents was established. Then, the gray-hierarchy (G-A) evaluation model of gas explosion accidents was proposed by combining the analytic hierarchy process and grey theory. Finally, a coal mine was taken as an example to determine the weight of evaluation index and the G-A model was used to evaluate the gas explosion accidents of this coal mine to determine the risk level and key precautions. The proposed method has a certain reference to the warnings of coal mine gas explosion accidents.

Keywords: gas explosion; hazard; grey theory; grey-hierarchy evaluation

近年來隨著我國煤礦監(jiān)察、監(jiān)管及法律、法規(guī)體系的完善，煤礦安全情況有較大好轉。但由于我國煤炭生產(chǎn)絕大多數(shù)屬于井下開采，且隨著開采深度的增加，地質(zhì)構造愈加復雜，由此引發(fā)的煤礦開采安全問題不斷凸現(xiàn)，尤其是開采過程中發(fā)生的瓦斯爆炸事故。據(jù)統(tǒng)計，在2005—2014這十年間，瓦斯爆炸事故無論從事故數(shù)量還是死亡率來看都是最多的，分別占50.83%和64.05%[1]，2001—2014年，死亡達3人以上的瓦斯事故就高達1 122起，死亡人數(shù)9 336人，分別占到煤礦事故和死亡人數(shù)的52.33%和58.95%；而瓦斯爆炸事故則占瓦斯事故總數(shù)的55.97%，死亡人數(shù)占瓦斯事故總死亡人數(shù)的70.00%[2-3]。僅2012—2015年，我國發(fā)生瓦斯事故近百起，死亡600余人[4]。瓦斯爆炸事故是礦山行業(yè)的災難性事故，嚴重威脅到礦井的安全生產(chǎn)。因此，對瓦斯爆炸事故進行分析和評價，從本質(zhì)上減少事故發(fā)生，提高礦井開采的安全性具有明確的作用。

當前，我國學者在瓦斯爆炸事故領域進行了深入研究。施士亮等[5]結合層次分析和聚類法建立了瓦斯事故的非線性多層次評價模型；殷文濤[6]從人因角度，深入分析了瓦斯爆炸事故的動作致因；付曉等[7]對灰色分析法進行了改進，建立了灰色斜率關聯(lián)模型；劉芮葭[8]通過灰類-IAHP方法建立了瓦斯爆炸事故評價模型，并進行了實例分析。國外學者TAUZIED等[9]對瓦斯爆炸危險評估及預測進行了研究，提出在礦井關閉前必須將地質(zhì)條件及井下多種影響因素作為算子，對瓦斯爆炸進行風險評估；RAUFFLET等[10]研究了煤礦及油氣開采中可能出現(xiàn)的瓦斯爆炸問題及其預防工作；PEJIC等[11]對礦井瓦斯爆炸事故提出預測模型，并進行了半定量評價。本研究通過分析瓦斯爆炸事故特點并結合礦井實際建立了評價指標，基于灰色系統(tǒng)理論和層次分析法構建了G-A綜合評價模型，將信息不完全的瓦斯風險灰色系統(tǒng)白化，用數(shù)理方法對不確定信息量化分析，有效解決了灰色系統(tǒng)指標不確定性的問題。

1 基于三類危險源分析的瓦斯爆炸事故評價指標體系

對瓦斯爆炸事故進行風險評價，如果沒有一個指標參照，評價效果就無法量化。而瓦斯爆炸作為一個復雜的系統(tǒng)，其發(fā)生本質(zhì)上是由危險源而導致的。因此，本研究綜合煤礦實際情況，并從固有、誘發(fā)因素及人因等三類危險源的角度入手，建立了針對一般煤礦瓦斯爆炸危險源系統(tǒng)的評價指標體系。該體系中，一級評價指標是影響瓦斯爆炸的目標層，即分為固有危險源(第一類危險源)、誘發(fā)危險源(第二類危險源)和人的因素(第三類危險源)；二級評價指標是評價的指標層，分為15個二級因素(圖1所示)。

圖1 瓦斯爆炸評價指標體系Fig. 1 Evaluation index system of gas explosion

2 灰色-層次評價模型的建立

2.1 基于層次分析和灰色關聯(lián)分析確定權重

確定評價指標體系后，需要確定指標權重，也即對指標的重要性程度進行分類。將層次分析法嵌入到灰色系統(tǒng)分析中，并采用灰色關聯(lián)分析來驗證權重的合理性，直至達到一致性檢驗要求。

2.2 確定評價指標樣本矩陣

瓦斯爆炸事故有多個方面的誘因，因此，在這里將風險等級劃分為“優(yōu)、良、中、差”四個等級，其對應的評分分值依據(jù)白化權函數(shù)的灰類級別而確定。通過該方法將煤礦瓦斯爆炸危險性中的定性指標轉化為定量指標。當風險位于兩個等級之間時，相應分值為兩個級別之間的平均值。在此基礎上，組織專家評分以建立評價樣本矩陣。請評價專家按照上述評價等級標準打分，并填寫打分表。根據(jù)專家打分dijh，求出樣本矩陣D，其中dijh代表第h個專家對第i個風險因素的第j個指標進行的打分。

(1)

2.3 確定評價灰類和白化權函數(shù)

設評價灰類的序號ee=1,2…g，將評價灰類分為“優(yōu)、良、中、差”4級，則g=4。其中，白化權函數(shù)[12-13]如下：

第一灰類“優(yōu)”e=1，灰數(shù)l1∈d1,∞，白化權函數(shù)為f1：

(2)

第二灰類“良”e=2，灰數(shù)l2∈0,d2,2d2，白化權函數(shù)為f2：

(3)

第三灰類“中”e=3，灰數(shù)l3∈0,d3,2d3，白化權函數(shù)為f3：

(4)

第四灰類“差”e=4，灰數(shù)l4∈0,d4,2d4，白化權函數(shù)為f4：

(5)

2.4 確定灰色評價系數(shù)

各指標的原始評價樣本值經(jīng)過白化權處理[14-15]后，把同一灰類的白化權函數(shù)值之和作為其灰色評價系數(shù)，計算公式為

(6)

對二級指標屬于各個灰類的總評價系數(shù)xij，其公式為

(7)

2.5 灰色評價權向量及矩陣的計算

評價專家就二級指標Cij的第e灰類灰色評價權為：

(8)

對于二級評價指標Cij，其各灰類的灰色評價權向量為：

rij=rij1,rij2,…,rijg。

(9)

將該級評價指標Cij的各個評價權向量匯總整理，可得Cij的各灰類對應的評價權矩陣Ri。

2.6 多級評價

1) 對二級評價指標集Bi作綜合評價，其灰色評價矩陣即為：

Bi=WBi·Ri=bi1,bi2,…,big。

(10)

2) 對A作綜合評價。由式(10)可得A所屬指標Bi的各評價灰類的灰色評價權矩陣R，結合A的評價權重WA綜合評價的結果記為A，則：

A=WA·R=b1,b2,…,bg。

(11)

3) 對項目進行總評價。由于綜合評價結果是向量的方式，只有對其進一步數(shù)值化處理，才能明確風險的大小。采用4級灰類，并按照實際情況對各灰類等級進行賦值，則根據(jù)各評價灰類等級賦值化向量U=u1,u2,…,ug求出項目總目標的評價值為：

V=AUT。

(12)

最后，可得出對應綜合評價值V，從而確定瓦斯爆炸事故的危險性等級。

表1 判斷矩陣標度定義Tab.1 Judgement matrix for scaling definition

3 實例分析

3.1 指標體系及權重的確定

以山東新汶礦區(qū)某礦井瓦斯異常區(qū)的工作面為例，結合礦井實際情況，依據(jù)前面的一般性瓦斯爆炸事故評價指標建立相應的因素集，各因素集對應的指標如圖1。在各級指標權重確定時，首先以表1中對應的1～9及其倒數(shù)為標度[16]進行兩兩比較，給出各層次指標對應的判斷矩陣。其中一級指標的判斷矩陣為：

(13)

繼而進行一致性檢驗，

(14)

其中，λmax為判斷矩陣的最大特征值。

經(jīng)過計算可知：λmax=2.92，代入數(shù)值可知CR=-0.076<0.10，矩陣A的一致性是可以接受的。運用算術平均法計算權重。

(15)

根據(jù)上式和判斷矩陣，對一級指標進行計算得出其權重為：

WA=0.120,0.272,0.608 。

(16)

同理可以計算出三類二級指標的權重：

WB1=0.466，0.161,0.219,0.154 ，

(17)

WB2=0.100,0.060,0.288,0.245,0.115,0.192 ，

(18)

WB3=0.194,0.194,0.081,0.388,0.143。

(19)

將上述各級指標權重進行灰色關聯(lián)分析驗證可知，該權重計算是合理的。

3.2 確定評分矩陣

根據(jù)白化權函數(shù)的灰類級別，確定各風險等級評分分值分別為“4、3、2、1”，組織5位熟悉本礦井情況的技術人員按照評分標準對三類瓦斯危險源指標進行打分，得出評分矩陣D，各專家評分如表2。

3.3 確定各級評價系數(shù)和評價矩陣

根據(jù)評價灰類和白化權函數(shù)公式可知，二級指標Cij屬于第e個灰類的灰色評價系數(shù)分別是：

指標C11C12C13C14C21C22C23C24C25C26C31C32C33C34C35專家1343431233221334專家2333432224312323專家3442341133322234專家4333431233221333專家5343432322312333

(22)

(23)

對于二級指標C11，各灰類的總灰色評價體系x11e=1,2,3,4及對應的灰色評價權向量r11為：

(24)

同理，可以求出其他指標的灰色評價系數(shù)，進而確定評價權向量，得到灰色評價權矩陣R1,R2,R3，即：

(25)

(26)

(27)

3.4 綜合評價

1)對B類評價因素做綜合評價，評價結果為：

(28)

同理，可得：

(29)

(30)

(31)

3)對系統(tǒng)總目標進行評價

根據(jù)前文將該礦井瓦斯爆炸的危險性按照風險的高低分為4個等級，其評價灰類等級賦值化向量U=4,3,2,1，則該礦井瓦斯異常區(qū)發(fā)生爆炸風險的綜合評價值為：

(32)

由灰色層次分析法計算可知：該工作面瓦斯異常區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸的可能性分數(shù)值為2.927，根據(jù)風險等級可知該風險處于“中”和“良”之間，且靠近“良”級別較近，故其風險是可接受的。經(jīng)與實際情況對比分析可知：評價結果與該礦井瓦斯異常區(qū)工作面的實際情況吻合度較好，且核心風險因素也符合實際情況。因此，應該看到其潛在的一些隱患，根據(jù)評價結果可知，該礦在安全投入、誘發(fā)性火源、工作面瓦斯涌出及防災意識等方面還急需引起重視，加強防范措施，以保證礦井瓦斯爆炸各個影響因素的變化在可控范圍內(nèi)，盡量減少事故發(fā)生的可能性。

4 結論

將層次分析法與灰色系統(tǒng)理論結合，建立了G-A綜合評價模型，并結合礦井實例進行了瓦斯爆炸事故風險評價，得出如下結論：

1)根據(jù)三類危險源理論，獲取瓦斯爆炸事故關鍵致因，建立了一般礦井瓦斯爆炸三類危險源評價指標體系，并將層次分析法嵌入到灰色評價系數(shù)的計算中，對各級別風險因素進行排序，確定指標權重，經(jīng)灰色關聯(lián)分析驗證了權重的合理性。

2)運用灰色層析分析法構建了瓦斯爆炸危險源G-A綜合評價模型，該模型將定性分析通過數(shù)學方法轉化為量化分析。并利用灰色系統(tǒng)論中的灰色白化權函數(shù)將信息不完全的瓦斯危險源系統(tǒng)白化。將評價結果跟實際情況進行對比分析可知，該評價體系是較為合理的，可為類似的事故分析及評價提供借鑒和參考。

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(責任編輯：高麗華)

Grey-hierarchyEvaluationofGasExplosionAccidentsBasedonAnalysisofThreeKindsofHazards

HUANG Dongmei

(1. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

TD712

A

1672-3767(2017)06-0103-06

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.06.015

2016-12-29

國家自然科學基金項目(51604165，51704179)；山東省自然科學基金項目(ZR2016EEB23)；山東省高?？萍加媱濏椖?J15LH02)；礦山災害預防控制重點實驗室開放基金項目(MDPC2016ZR03)

黃冬梅(1982—)，女，山東濟寧人，講師，博士，主要從事礦山安全評價等方面的研究工作. E-mail:kmcandy@126.com