劉 明，李 寬，伍永平，呂文玉

（1.遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054）

近年來，隨著深部煤層和傾角較大煤層開采力度的加大和綜采技術(shù)的發(fā)展，我國大傾角煤層開采礦井?dāng)?shù)目逐年增多，隨之而來的飛矸災(zāi)害事故也屢屢發(fā)生。從目前發(fā)表的文獻資料中不難發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對飛矸安全評價方面的研究較少。對大傾角煤層工作面飛矸安全評價是一個既復(fù)雜又系統(tǒng)的過程[1-3]。為消除評價體系中存在的主觀性和片面性，提高安全評價的準(zhǔn)確度，反映飛矸對工作面的實際影響狀況，采用模糊數(shù)學(xué)和層次分析法的相關(guān)理論將定量指標(biāo)和定性指標(biāo)進行科學(xué)而又系統(tǒng)的整合在一起[4-7]。

1 建立以人為本安全分析模型

以人為本的重要之處在于，人是安全系統(tǒng)中的重要的子系統(tǒng)之一。將人作為人機環(huán)管系統(tǒng)分析模型的核心，是事故分析、事故預(yù)防和安全分析的重要因素。大傾角煤層工作面飛矸事故發(fā)生的原因是多方面的，包括人、設(shè)備、環(huán)境和管理等各方面因素。如人對工作項目結(jié)果的誤判、操作的失誤，違章指揮及違章作業(yè)；防護設(shè)備的設(shè)計、生產(chǎn)和加工等產(chǎn)生的缺陷；自然環(huán)境和作業(yè)環(huán)境的缺陷；安全管理的疏漏等，都可能導(dǎo)致飛矸事故的發(fā)生。因此，飛矸的防治與生產(chǎn)過程中的諸多環(huán)節(jié)和條件發(fā)生聯(lián)系，并受其制約，如果不考慮這些聯(lián)系和制約關(guān)系，而孤立的從個別環(huán)節(jié)或在某一局部范圍內(nèi)分析和研究安全措施，是難以奏效的。所以，必須從人、機、環(huán)境和管理4 方面來分析工作面飛矸系統(tǒng)的安全性。

2 評價指標(biāo)體系

在大傾角煤層飛矸傷害安全評價中應(yīng)該把抽象的評價內(nèi)容轉(zhuǎn)化為具體、實在的價值判定要素。根據(jù)井下生產(chǎn)的實際狀況應(yīng)將評價體系分為人、機、環(huán)境和管理4 個方面考察[8-14]。

2.1 確定影響因素集

對系統(tǒng)的分析，將評價體系中的評價指標(biāo)進行系統(tǒng)的劃分，建立相對應(yīng)的指標(biāo)體系，并確定指標(biāo)體系中的各個指標(biāo)。因素集 U=（U1，U2，…，Un）為指標(biāo)體系中的n 種指標(biāo)的集合。

2.2 評價集

根據(jù)行業(yè)準(zhǔn)則或者是相關(guān)的理論體系對各個被評價指標(biāo)確定其相應(yīng)的評價集。首先，可以將大傾角煤層開采飛矸安全評價結(jié)果劃分為5 個安全等級，即Q={非常安全，安全，一般安全，比較不安全，不安全}；然后，確立評價集對應(yīng)的量化值 V=（V1，V2，…，Vn）。

2.3 指標(biāo)權(quán)重

采用層次分析法計算模型的指標(biāo)重要度。首先，采用層次分析法將系統(tǒng)中的各個要素排序，可以把系統(tǒng)中比較復(fù)雜的問題通過此方法轉(zhuǎn)換為有序的遞階層次結(jié)構(gòu)模型；其次，把同層次的要素分別兩兩對比；最后根據(jù)比較結(jié)構(gòu)對評價指標(biāo)進行重要性排序。其基本操作步驟如下：

2.3.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)

將待解決的問題按照系統(tǒng)層次劃分為若干區(qū)域，這樣可以將復(fù)雜的系統(tǒng)分解成由若干元素構(gòu)成的小部分，以此構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。

2.3.2 構(gòu)造比較判斷矩陣

將處于同分層中的指標(biāo)的重要性進行兩兩對比，可以得到同分層中各個評價指標(biāo)的相對重要度。在構(gòu)建比較判斷矩陣時，可采用指數(shù)標(biāo)度法構(gòu)造比較判斷矩陣 A=（aij）n×n[15]。

2.3.3 各因素權(quán)重計算及一致性檢驗

式中：aij為比較判斷矩陣中第i 行的第j 個評價指標(biāo)。

式中：Wi為元素的相對重要程度，即權(quán)重值。

再次，計算比較判斷矩陣A 的最大特征值λmax：

最后，判斷矩陣偏離一致性：

式中：CI 為一致性指標(biāo)；n 為判斷矩陣階數(shù)，若n=1，2 時則不必檢驗。

在不同階段的判斷矩陣中是否具有滿意的一致性，用平均隨機一致性指標(biāo)RI 來度量。維度n=1 或2，平均隨機一致性指標(biāo)RI=0；n=3，RI=0.58；n=4，RI=0.94；n=5，RI=1.12；n=6，RI=1.24；n=7，RI=1.32；n=8，RI=1.41；n=9，RI=1.45。令當(dāng) CR＜0.1時，認為比較判斷矩陣的一致性可以接受，否則需要對判斷矩陣作適當(dāng)?shù)男拚谕ㄟ^一致性檢驗后，最終得出各指標(biāo)的權(quán)重。

2.4 建立隸屬度矩陣

各個指標(biāo)的隸屬度由專家打分法來計算。對專職技術(shù)人員和該學(xué)術(shù)領(lǐng)域?qū)W者使用問卷調(diào)查來獲得各個指標(biāo)的評價個數(shù)，從而可以得到關(guān)系矩陣R 中各個元素rij的值。根據(jù)m 份的調(diào)查問卷和每個指標(biāo)的評語評價個數(shù)向量，求出隸屬函數(shù)rijz：

式中：Fijz為賦予第i 個一級指標(biāo)的第j 個二級指標(biāo)中第z 個評語等級的人數(shù)；m 為專職技術(shù)人員和學(xué)者調(diào)查問卷的有效份數(shù)。

2.5 計算模糊綜合評價最終值

首先，根據(jù)權(quán)重W 和隸屬度矩陣R，計算大傾角煤層工作面飛矸安全評價一級指標(biāo)向量：

式中：Hi為各個評價指標(biāo)的綜合評價值。

其次，將Hi歸一化：

最后，得到評判值e 為：

由此得到大傾角煤層工作面飛矸安全評價的等級 e。非常安全評語分值＞90，80＜安全＜90 ，60＜一般安全＜80 ，40＜比較不安全＜60 ，不安全＜40。

3 實例驗證

根據(jù)所構(gòu)建的大傾角煤層工作面飛矸傷害安全評價指標(biāo)步驟和方法，設(shè)計相應(yīng)的安全指標(biāo)調(diào)查問卷，通過對艾維爾溝礦區(qū)新疆焦煤集團2130 煤礦的25221 工作面工況進行調(diào)查。對此煤礦調(diào)查發(fā)現(xiàn)，煤層為典型的大傾角煤層，基于對操作人員綜合素質(zhì)、擋矸設(shè)備可靠性、工況環(huán)境和該煤礦管理4 方面進行影響因素分析，并確定該煤層工作面的飛矸安全評價指標(biāo)體系，其遞階層次結(jié)構(gòu)如圖1。

3.1 計算指標(biāo)權(quán)重

圖1 大傾角煤層飛矸安全評價指標(biāo)體系圖Fig.1 Diagram of evaluation index system of flying gangue safety in steeply dipping seam

根據(jù)此方法，計算各層指標(biāo)權(quán)重，例如：構(gòu)造準(zhǔn)則層指標(biāo)，即員工綜合素質(zhì)A、飛矸防護設(shè)備B、工作面環(huán)境性質(zhì)C、安全管理D 等的比較判斷矩陣，并進行一致性檢驗。指標(biāo)判斷矩陣見表1。

表1 指標(biāo)判斷矩陣Table 1 The weight table of each index

員工綜合素質(zhì)A、飛矸防護設(shè)備B、工作面環(huán)境性質(zhì) C、安全管理 D 指標(biāo)權(quán)重分別為 0.172，0.317，0.358、0.1524。CI=0.005，CR=0.005 3＜0.1，即一致性可以接受。同理可求得余下指標(biāo)因素權(quán)重（表2）。

層次分析法可以簡明有效的分析出系統(tǒng)中各個指標(biāo)在該評價體系中的地位，從而識別出該體系中的重點和次重點，從而在實施飛矸防治時更有針對性。從各個指標(biāo)的結(jié)果來看，準(zhǔn)則層中，工作面性質(zhì)所占比重最大，其次是飛矸防護設(shè)備，最后才是員工綜合素質(zhì)和安全管理，由此更加強調(diào)了工作面環(huán)境性質(zhì)的重要性。而在方案層中，工作面傾角所占比重最大，其次是擋矸裝置完好和擋矸裝置可靠性。由層次分析法計算的權(quán)重可知，在大傾角煤層工作面上，煤層傾角大小和擋矸裝置的完好與可靠程度是員工和井下設(shè)備受到危害的較大影響因素。這些重要性排序靠前的指標(biāo)要素是影響工作面飛矸安全評價的關(guān)鍵因素，也是工況下監(jiān)測和監(jiān)察的重點。

表2 各個指標(biāo)權(quán)重表Table 2 Weight table of each index

3.2 大傾角煤層工作面飛矸安全等級計算

根據(jù)評語集對該工作面獨立地對每個評價因素指標(biāo)進行評價，得出隸屬度矩陣。邀請了10 位大傾角煤層開采方面專家和專業(yè)技術(shù)人員對艾維爾溝礦區(qū)新疆焦煤集團2130 煤礦的25221 工作面飛矸安全情況進行分析，根據(jù)實際情況進行打分評價，并對指標(biāo)體系中的各評價因素分別給出評價等級。

1）將各因素隸屬度代入上述步驟逐層計算得：

2）分別對 A、B、C、D 歸一化處理得出結(jié)果 B1、B2、B3、B4，總評價矩陣 R 為：

3）綜合因素評價矩陣為：

4）歸一化處理得：

5）系統(tǒng)總得分e 為72.802 0。查各個指標(biāo)權(quán)重表表2 可以得出，該工作面為一般安全，可能會出現(xiàn)個別飛矸現(xiàn)象，但安全在可控范圍內(nèi)，可以正常上崗。所得到的結(jié)果與歷年該工作面飛矸造成災(zāi)害的頻次大致相同。

4 結(jié) 語

通過運用層次分析法與模糊綜合評價法，結(jié)合影響大傾角煤層工作面飛矸對人員與設(shè)備傷害的諸多因素，建立了大傾角煤層工作面飛矸安全評價模型。運用該評價模型，結(jié)合25221 工作面的環(huán)境特征和生產(chǎn)情況，對該工作面飛矸傷害進行安全評價，結(jié)果與實際情況相同，此方法對大傾角煤層開采工作面飛矸安全評價及防護具有重要的理論和實踐意義。