姜青峰，劉 健，2

（1.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001）

礦井火災(zāi)是煤礦主要災(zāi)害之一，并且具有隱蔽性和多變性，使得發(fā)生火災(zāi)之后難以及時(shí)判斷[1]。隨著煤礦開采深度的增加，井下條件更為復(fù)雜，各種礦用設(shè)備及電纜的應(yīng)用使得礦井火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)逐年上升[2]。近年來有關(guān)學(xué)者對(duì)礦井火災(zāi)安全評(píng)價(jià)方法進(jìn)行許多研究，張九零等[3]基于灰熵理論與層次分析法建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)礦井火災(zāi)進(jìn)行評(píng)價(jià)；張順堂等[4]將熵權(quán)法與可變模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)行耦合，并對(duì)影響礦井火災(zāi)安全的因素進(jìn)行分析建立評(píng)價(jià)體系；景國勛等[5]對(duì)平煤六礦采用事故樹分析法進(jìn)行分析，并對(duì)底部事件按結(jié)構(gòu)重要度排序；賈進(jìn)章等[6]采用集值統(tǒng)計(jì)法確定指標(biāo)權(quán)重，采用兩級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法建立安全評(píng)價(jià)指標(biāo)模型進(jìn)行外因火災(zāi)危險(xiǎn)性分析；汪偉等[7]采用改進(jìn)指標(biāo)相關(guān)性權(quán)重確定法（CRITIC）修正G2賦權(quán)法，并根據(jù)理想排序法（TOPSIS）建立G2-TOPSIS 評(píng)價(jià)模型對(duì)鉆孔自燃危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是礦井火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是1 個(gè)包含眾多模糊、不確定性元素的復(fù)雜系統(tǒng)，常規(guī)評(píng)價(jià)方法在礦井火災(zāi)評(píng)價(jià)過程中有著明顯的局限性，而各類模糊評(píng)價(jià)進(jìn)行定量分析時(shí)無法表示出各指標(biāo)不確定性大小以及未來發(fā)展趨勢(shì)。為此，采用集對(duì)分析法建立聯(lián)系數(shù)模型，通過層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，從系統(tǒng)角度分析其中的確定和不確定性關(guān)系，克服對(duì)系統(tǒng)中灰色、模糊部分難以定量分析的缺點(diǎn)。集對(duì)分析法評(píng)價(jià)過程簡(jiǎn)單，評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性高，已經(jīng)被成功應(yīng)用于自然災(zāi)害評(píng)價(jià)[8]、湖泊水生態(tài)健康評(píng)價(jià)[9]、地鐵站安全評(píng)價(jià)[10]、基坑支護(hù)施工工藝優(yōu)化[11]等各個(gè)領(lǐng)域，將集對(duì)分析法應(yīng)用到礦井火災(zāi)安全評(píng)價(jià)，可以為礦井安全生產(chǎn)綜合評(píng)價(jià)提供新的定量決策方法。

1 集對(duì)分析模型

1.1 集對(duì)分析與聯(lián)系數(shù)模型

集對(duì)分析是趙克勤[12]提出的1 種處理系統(tǒng)中確定性與不確定性問題的理論，核心思想是將被研究對(duì)象中確定性事件和不確定性事件統(tǒng)一起來，視為1 個(gè)確定不確定系統(tǒng)，事物之間的聯(lián)系用“同一度”“對(duì)立度”“差異度”來刻畫，其中“同一”、“對(duì)立”為確定性，“差異”為不確定性，因此在集對(duì)分析中可以從同、反、異3 個(gè)角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

集對(duì)分析即為在1 個(gè)系統(tǒng)中，將具有關(guān)聯(lián)性的2 個(gè)集合A、B 組成集對(duì)H（A，B），對(duì)集對(duì)中所有特性進(jìn)行分析獲得N 個(gè)特性，其中S 個(gè)特性為2 個(gè)集合所共有的，P 為2 個(gè)集合中對(duì)立的特性數(shù)，剩下的2 個(gè)集合中既不共同具有，也不相互對(duì)立的特性數(shù)為F，F(xiàn)=N-S-P。則聯(lián)系度μ 的表達(dá)式為：

其中a+b+c=1，這個(gè)公式稱為標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)系度表達(dá)式，μ 又可以看做1 個(gè)數(shù)，因此μ 也稱為聯(lián)系數(shù)，式（2）也叫三元聯(lián)系數(shù)。因?yàn)槁?lián)系數(shù)被定義為1 個(gè)系統(tǒng)，所以它具有層次性。bi 能同時(shí)體現(xiàn)不確定性聯(lián)系可以在一定條件下確定和一定條件下不能確定的兩面性[13]，因此可以對(duì)該項(xiàng)進(jìn)行展開，當(dāng)n=2 時(shí)，式（2）可寫成：

1.2 礦井火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定

根據(jù)式（4）計(jì)算出系統(tǒng)總體聯(lián)系數(shù)μ 之后，為了劃分出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，最關(guān)鍵的一步是差異度系數(shù)i 和j的取值，采用改進(jìn)相似貼近度法取值，計(jì)算公式為：

式（8）中r∈V=｛安全，較安全，較危險(xiǎn)，危險(xiǎn)｝，為了確保評(píng)價(jià)結(jié)果更可靠，還應(yīng)從“最不利”角度為差異度系數(shù)取值。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定指標(biāo)見表1。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定指標(biāo)Table 1 Risk level determination indexes

1.3 集對(duì)勢(shì)

在集對(duì)分析中四元聯(lián)系數(shù)μ=a+bi+cj+dk，同一度a 與對(duì)立度d 的比值（d≠0）稱為集對(duì)勢(shì)，其數(shù)值在一定程度上反應(yīng)兩集合的發(fā)展趨勢(shì)。若a/d＞1，代表兩集合在某一指定條件下為同勢(shì)；當(dāng)a/d=1 時(shí)，代表兩集合在某一指定條件下為均勢(shì)；當(dāng)a/d＜1，代表兩集合在某一指定條件下為反勢(shì)。集對(duì)同勢(shì)表示兩集合存在同樣的趨勢(shì)，集對(duì)反勢(shì)表示兩集合存在對(duì)立的趨勢(shì)，集對(duì)均勢(shì)表示兩集合中“同一”與“對(duì)立”的趨勢(shì)相當(dāng)。顧成喜[14]根據(jù)a、b、c、d 之間的關(guān)系，將集對(duì)同勢(shì)、集對(duì)均勢(shì)、集對(duì)反勢(shì)又細(xì)分為準(zhǔn)同勢(shì)、強(qiáng)同勢(shì)、弱同勢(shì)、微同勢(shì)、準(zhǔn)反勢(shì)、強(qiáng)反勢(shì)、弱反勢(shì)、準(zhǔn)均勢(shì)、強(qiáng)均勢(shì)、弱均勢(shì)、微均勢(shì)。同勢(shì)態(tài)勢(shì)表見表2。

表2 同勢(shì)態(tài)勢(shì)表Table 2 Same potential table

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 建立礦井火災(zāi)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

選擇宿州某礦正在回采工作面為例。該工作面平均煤厚1.7 m，由暗煤和亮煤組成，自然發(fā)火期為60 d，自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層。通過對(duì)該礦工作面及井下生產(chǎn)環(huán)境分析，建立以下指標(biāo)體系，由該礦20 名不同崗位工作人員及領(lǐng)導(dǎo)對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，所得的各指標(biāo)檢查結(jié)果見表3。

表3 各指標(biāo)檢查結(jié)果Table 3 Check results of each index

2.2 確定指標(biāo)因素權(quán)重

采用層次分析法確定各級(jí)指標(biāo)權(quán)重[15]。

采取專家打分法對(duì)內(nèi)因火災(zāi)、外因火災(zāi)、防火管理和救災(zāi)系統(tǒng)之間的重要程度進(jìn)行打分，得到判斷矩陣A。

表4 隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 4 Random consistency indicators

2.3 聯(lián)系數(shù)的確定

根據(jù)表3 中的檢查結(jié)果，對(duì)檢查結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化處理，所得結(jié)果即為聯(lián)系度分量，根據(jù)式（1）得到二級(jí)指標(biāo)煤層地質(zhì)條件u11的聯(lián)系數(shù)表達(dá)式為：

由表5 可知，一級(jí)指標(biāo)內(nèi)因火災(zāi)U1的各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)向量為：

表5 指標(biāo)權(quán)重與聯(lián)系數(shù)計(jì)算表Table 5 Calculation table of index weight and connection number

由式（6）可得內(nèi)因火災(zāi)的聯(lián)系數(shù)為：

1）風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分析。四元聯(lián)系數(shù)中i∈［0，1］，j∈［-1，0］，k=-1。采用相似貼近度法求得差異度系數(shù)i與j 的值：i=0.251 3，j=-0.018 0，此時(shí)系統(tǒng)聯(lián)系度μ=0.791 9，礦井整體安全狀態(tài)處于安全；為使評(píng)價(jià)結(jié)果更具有可信性，從“最壞”的角度對(duì)聯(lián)系度系數(shù)取值，即i=0，j=-1，此時(shí)系統(tǒng)聯(lián)系度μ=0.723 3，此時(shí)礦井整體安全狀態(tài)仍處于安全。綜合來看該礦井火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為安全。

2）集對(duì)勢(shì)分析。由系統(tǒng)整體聯(lián)系度表達(dá)式μ=0.761 0+0.200 3i+0.017 7j+0.019 1k 可得同一度a=0.761 0，偏同差異度b=0.200 3，偏反差異度c=0.017 7，對(duì)立度d=0.019 1，根據(jù)表2 可知系統(tǒng)的集對(duì)勢(shì)處于強(qiáng)同勢(shì)，態(tài)勢(shì)等級(jí)為2 級(jí)，整體上呈同一的趨勢(shì)。a=0.761 0 說明該礦井整體處于安全狀態(tài)，但是差異度b、c 也占了0.218 0，說明部分指標(biāo)存在向“危險(xiǎn)”轉(zhuǎn)變的可能，需要加強(qiáng)管理，整改不安全因素。從各二級(jí)指標(biāo)聯(lián)系數(shù)分析可知，機(jī)械摩擦指標(biāo)和電氣設(shè)備起火指標(biāo)處于弱同勢(shì)，其他二級(jí)指標(biāo)均為強(qiáng)同勢(shì)，需要加強(qiáng)對(duì)井下設(shè)備日常維護(hù)，檢查井下電氣線路是否老化，存在摩擦部位要重點(diǎn)巡察。

根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重可知，在該礦中采空區(qū)管理與防滅火措施對(duì)礦井火災(zāi)的影響較大，結(jié)合該礦正在回采的工作面條件，該工作面所在煤層為與其他煤層層間距較小，屬于小層間距煤層群，煤層自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層，開采過程中受采動(dòng)影響，采空區(qū)完全垮落后形成的垮落帶有可能與上覆煤層采空區(qū)貫通，形成復(fù)合采空區(qū)，導(dǎo)致氧化時(shí)間更長，煤自燃可能性更大，因此加強(qiáng)采空區(qū)管理和制定合理有效的防滅火措施十分重要。

3 結(jié) 語

1）基于集對(duì)分析聯(lián)系數(shù)理論從一個(gè)全新的角度評(píng)價(jià)礦井火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)過分析計(jì)算得到礦井火災(zāi)總體聯(lián)系數(shù)公式，采用相似貼近度法與最不利法為聯(lián)系數(shù)中的可變因素，即偏同差異度系數(shù)與偏反差異度系數(shù)賦值，獲得聯(lián)系數(shù)的具體值，從而得到礦井整體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為：安全。四元聯(lián)系數(shù)模型充分考慮到礦井火災(zāi)評(píng)價(jià)中各種確定與不確定因素，使評(píng)價(jià)結(jié)果更真實(shí)可靠。

2）通過分析各指標(biāo)和整體聯(lián)系數(shù)的集對(duì)勢(shì)，可以獲得各指標(biāo)與系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，不但可以看出整體是否處于安全狀態(tài)，系統(tǒng)中每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)當(dāng)前狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)也能通過集對(duì)勢(shì)大小表示。通過對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較大的指標(biāo)進(jìn)行整改和采區(qū)預(yù)防措施，使礦井安全生產(chǎn)。

3）將集對(duì)分析聯(lián)系數(shù)模型引入礦井火災(zāi)評(píng)價(jià)可以為礦井安全管理提供決策支撐，在評(píng)價(jià)過程中減少了人為主觀因素的影響，將確定與不確定因素組成集對(duì)，兩兩之間組成確定不確定系統(tǒng)，由部分到整體，從二級(jí)指標(biāo)到一級(jí)指標(biāo)，可以對(duì)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)也可以從整體評(píng)價(jià)系統(tǒng)當(dāng)前與未來發(fā)展態(tài)勢(shì)，為礦井火災(zāi)評(píng)價(jià)提供新思路。

4）對(duì)宿州某礦進(jìn)行的實(shí)證分析結(jié)果為安全，該結(jié)論與專家現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研所得結(jié)論較為一致，驗(yàn)證了將集對(duì)分析聯(lián)系數(shù)模型應(yīng)用于礦井火災(zāi)評(píng)價(jià)的合理性與可行性。同時(shí)在評(píng)價(jià)過程中發(fā)現(xiàn)的機(jī)械摩擦與電氣設(shè)備起火2 個(gè)指標(biāo)同一性較弱，需對(duì)井下危險(xiǎn)部位的機(jī)械與電氣加強(qiáng)管理仔細(xì)排查，提高礦井安全開采水平。