王素云,凌標(biāo)燦,夏 潤,符 飛

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 101601)

煤炭資源是我國現(xiàn)有資源的主體,約占資源總和的80%。隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對于能源的需求也迅速增多[1]。巷道掘進(jìn)作為煤礦開采過程中必不可少的環(huán)節(jié)之一,其工作面環(huán)境狀況嚴(yán)重影響井下工作人員的身體健康及掘進(jìn)工效。對影響掘進(jìn)工作面環(huán)境的因素進(jìn)行科學(xué)評估,能夠針對性地應(yīng)對作業(yè)環(huán)境中的問題并做出相應(yīng)的改善。關(guān)維娟[2]等應(yīng)用隨機(jī)模擬法,在無評價偏好信息的情況下,對礦井井下工作面環(huán)境進(jìn)行綜合評價;歐曉英等[3]運(yùn)用模糊層次評價法對礦井下高溫工作環(huán)境的危害進(jìn)行分析,確定了礦井環(huán)境的評價等級;吳勇華[4]建立了基于模糊相似選擇原理的綜合評價方法,對礦井熱環(huán)境進(jìn)行分析;李瑞銀[5]等根據(jù)煤礦生產(chǎn)實際,從人的生理和心理對勞動環(huán)境的適應(yīng)程度出發(fā),應(yīng)用模糊評價理論對回采工作面勞動環(huán)境狀況建立了模糊綜合評價模型;孫光裕[6]等基于FOWA-模糊綜合評價法,從煤礦瓦斯爆炸危險性評價角度,對井下環(huán)境進(jìn)行了分析評價;施式亮[7]等利用灰色關(guān)聯(lián)度對掘進(jìn)面作業(yè)環(huán)境進(jìn)行了評價。

上述研究或從單一方面對井下環(huán)境進(jìn)行分析評價,或單純使用灰色關(guān)聯(lián)分析或?qū)哟畏治龇▽ぷ髅姝h(huán)境進(jìn)行關(guān)聯(lián)度排序,并沒有系統(tǒng)的對評價因素進(jìn)行量化,從而無法具體判斷工作面環(huán)境處于什么樣的級別。本文根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》[8]中對影響掘進(jìn)工作面環(huán)境的粉塵、CH4、噪聲、風(fēng)速、溫度和濕度等因素的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)作為參考依據(jù),通過計算標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度以及確定影響掘進(jìn)面作業(yè)環(huán)境因素的權(quán)重值,建立基于灰色關(guān)聯(lián)度對掘進(jìn)面工作環(huán)境的層次綜合評價模型,評價掘進(jìn)工作面的實際環(huán)境狀況。

1 運(yùn)用層次分析法對影響因素進(jìn)行量化評價

層次分析法(AHP)是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法,圍繞待評價系統(tǒng)的主題,對其影響因素按照不同屬性進(jìn)行分組,根據(jù)分組將整個評價系統(tǒng)劃分為階梯狀的層次結(jié)構(gòu)[9]。掘進(jìn)工作面作業(yè)環(huán)境的評價包含很多因素,參考相關(guān)研究成果[10-14],將最能夠反映掘進(jìn)面作業(yè)環(huán)境的因素分為兩個準(zhǔn)則層,即微氣候環(huán)境A1和空氣質(zhì)量A2。

煤礦微氣候是指在井下封閉空間內(nèi)由溫度、濕度、風(fēng)速、噪聲等共同作用的小氣候[15]。煤炭工業(yè)“十三五”規(guī)劃中,提出建成高效的現(xiàn)代煤炭工業(yè),即煤礦采煤機(jī)械化程度達(dá)到85%,掘進(jìn)機(jī)械化程度達(dá)到65%[16]。隨著機(jī)械化程度的提升,井下工作人員受到的噪聲污染也越發(fā)嚴(yán)重,因此將噪聲作為評價掘進(jìn)面工作環(huán)境的因素具有重要意義。

由于掘進(jìn)面沒有完整的通風(fēng)系統(tǒng),只能依靠局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng),因此工作面空氣質(zhì)量較差,空氣中氧氣含量偏低,對工人的身體健康有一定影響。同時,由于爆破所產(chǎn)生的CH4、粉塵更是惡化了掘進(jìn)工作面的作業(yè)環(huán)境。煤礦粉塵是我國塵肺病最主要的來源,且長期暴露在粉塵環(huán)境的工作設(shè)備,其壽命和精度都會降低。粉塵濃度過高不僅降低生產(chǎn)效率,而且還具有爆炸的風(fēng)險。CH4是瓦斯的主要成分,瓦斯含量過高會使空氣中氧含量降低,致使人缺氧死亡,且當(dāng)瓦斯含量達(dá)到一定值也會產(chǎn)生瓦斯爆炸的危險。

在此構(gòu)造成對比較矩陣。根據(jù)準(zhǔn)則層因素確定指標(biāo)層因素集如下:

A={A1,A2}，

A1={A11,A12,A13,A14}，

A2={A21,A22,A23}.

式中:A1為微氣候環(huán)境;A2為空氣質(zhì)量;A11為噪聲;A12為溫度;A13為濕度;A14為風(fēng)速;A21為粉塵濃度;A22為CH4體積分?jǐn)?shù);A23為O2體積分?jǐn)?shù)。

表1為1～9標(biāo)度的含義。根據(jù)1～9標(biāo)度,對每一層次指標(biāo)的重要性程度進(jìn)行兩兩比較。若因素i重要性與因素j的重要性相反,則Aij與Aji互為倒數(shù)。

表1 1-9標(biāo)度的含義Table 1 Meanings of scale 1 to 9

由此得到的判斷矩陣如表2-表4所示。

表2 判斷矩陣ATable 2 Judgment matrix A

表3 判斷矩陣A1Table 3 Judgment matrix A1

表4 判斷矩陣A2Table 4 Judgment matrix A2

(1)

計算特征向量的最大特征根

(2)

判斷矩陣A1:λmax=4.045 8 權(quán)重值為W=[0.093 7 0.491 4 0.268 9 0.146 0].

判斷矩陣A2:λmax=3權(quán)重值為W=[0.166 7 0.166 7 0.666 7].

計算一致性指標(biāo)IC和平均隨機(jī)一致性指標(biāo)ICR。

(3)

(4)

查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IR值(表5),當(dāng)ICR<0.1時,判定矩陣通過一致性檢驗。

表5 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IRTable 5 Mean random consistency index IR

權(quán)重排序為:W12>W13>W14>W11,ICR=0.017<0.1,所以A1具有滿意的一致性。

權(quán)重排序為:W23>W22=W21,ICR=0.066 9<0.1,所以A2具有滿意的一致性。

目標(biāo)層對準(zhǔn)則層A1的權(quán)重為:

W=0.333 3×[0.093 7 0.491 4 0.268 9 0.146 0]T=[0.031 2 0.163 8 0.089 6 0.048 7]T. 目標(biāo)層對準(zhǔn)則層A2的權(quán)重為:

W=0.666 7×[0.166 7 0.166 7 0.666 7]T=

[0.111 1 0.111 1 0.444 5]T.

2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析(Grey Relation Analysis,GRA)是研究在兩個或多個系統(tǒng)中,通過比較構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)因素與被比較系統(tǒng)因素的關(guān)聯(lián)度,評定被比較系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)程度。其關(guān)聯(lián)度越高表明被比較系統(tǒng)越接近標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。針對某煤礦的6個掘進(jìn)工作面噪聲、溫度、濕度、風(fēng)速、一氧化碳含量、粉塵濃度、甲烷含量和氧氣含量的六組數(shù)據(jù),根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程以及職業(yè)衛(wèi)生健康標(biāo)準(zhǔn)對生產(chǎn)環(huán)境的要求,選出最符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)作為最優(yōu)數(shù)據(jù),計算最優(yōu)數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度,如表6所示。

以最優(yōu)序列為基數(shù)對A1、A2的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,如表7和表8所示。

表6 A1和A2樣本數(shù)據(jù)Table 6 Sample data of A1and A2

表7 A1和A2歸一化數(shù)據(jù)Table 7 Normalization data of A1 and A2

表8 1-6與最優(yōu)序列歸一化差值Table 8 Normalization difference between the optimal sequence and sequence 1-6

2.1 求灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)δi(k)用來衡量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與被比較系統(tǒng)數(shù)據(jù)在各個時刻的差別程度,具體計算公式如下:

(5)

式中:ρ為分辨系數(shù),一般在0～1之間,通常取0.5。

將ρ=0.5，Δmin min|x0(k)-xi(k)|=0，Δmax max|x0(k)-xi(k)|=5代入(5)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)公式得到下式:

(6)

根據(jù)式(6)得到A1、A2的關(guān)聯(lián)系數(shù)如表9所示。

表9 A1和A2關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 9 Correlation coefficient of A1 and A2

2.2 計算評價系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度和評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)與其權(quán)值相結(jié)合建立綜合評價模型,計算6個參評系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度[17]。

表10 評價系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度Table 10 Correlation degree of the evaluation system

對各評價指標(biāo)的權(quán)值與關(guān)聯(lián)系數(shù)乘積之和得到關(guān)聯(lián)度,關(guān)聯(lián)度越接近1說明相關(guān)性越好。

(7)

由表10可知,關(guān)聯(lián)度排序為:

r2>r6>r1>r3>r4>r5.

表11 評價等級表Table 11 Evaluation grade

根據(jù)表11 對每個參評系統(tǒng)的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行評分,評分結(jié)果與各自的權(quán)重值組合,得到參評系統(tǒng)的最終排序結(jié)果如表12所示。

表12 評價系統(tǒng)得分及排序表Table 12 Score and ranking of the evaluation system

根據(jù)中值法對綜合得分總分等級評價,評價結(jié)果如表13所示。

表13 評價標(biāo)準(zhǔn)Table 13 Evaluation standard

由此可見,基于灰色關(guān)聯(lián)度的層次分析綜合評價模型對2號掘進(jìn)面評價結(jié)果為優(yōu),1號和6號掘進(jìn)面評價結(jié)果為良好,3號和4號掘進(jìn)面評價結(jié)果為較差,5號掘進(jìn)面評價結(jié)果為差。

3 結(jié)論

1)應(yīng)用層次分析法建立了掘進(jìn)面作業(yè)環(huán)境評價模型,根據(jù)對作業(yè)環(huán)境的影響因素確定目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層,利用9標(biāo)度法建立判斷矩陣,逐步得到目標(biāo)層相對于指標(biāo)層的權(quán)重,能夠反映各影響因素的重要性,從而能夠?qū)φ尉蜻M(jìn)面工作環(huán)境的重點做出清晰的判斷。

2)通過對掘進(jìn)面工作環(huán)境各個影響因素的數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理,解決了因量綱不同造成數(shù)據(jù)無法比較的問題?；诨疑P(guān)聯(lián)算法求出參比系統(tǒng)中各因素與最優(yōu)系統(tǒng)中各因素的關(guān)聯(lián)系數(shù),進(jìn)一步確定參比系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度。

3)采用基于灰色關(guān)聯(lián)度的層次分析綜合評價模型,將各影響因素的權(quán)重值與關(guān)聯(lián)系數(shù)結(jié)合,確定參比系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度。同時參照煤礦生產(chǎn)相關(guān)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)確定分級和得分標(biāo)準(zhǔn),得到最終的得分情況,根據(jù)此得分對6個參照系統(tǒng)進(jìn)行評價。

4)由各影響因素的權(quán)重值與關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)合得到的關(guān)聯(lián)度排序與根據(jù)權(quán)重值和各因素參照評價等級表所得到的綜合得分具有一致的排序性,均為2號>6號>1號>3號>4號>5號,驗證了該模型的合理性。