煤礦危險源多層遞階模型及風險評價

高曉旭，張旭，董丁穩，李鑫杰，聶堯

(西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

摘要：為研究有效的煤礦生產系統危險源信息表述方法以提高現場安全評價的可操作性，促進煤礦隱患風險預控與管理，針對煤礦危險源信息龐雜多變且難于辨識與控制的問題，基于霍爾三維結構模式和因素空間理論，建立煤礦危險源三維多粒度結構和危險源因素空間，并運用有限覆蓋思想構建煤礦危險源多層遞階結構模型。在此基礎上，研究利用煤礦危險源辨識信息建立動態安全評價體系及指標量化的方法；運用熵權法動態確定指標權值，運用灰色關聯分析法描述評價指標量化值對于設定評價目標的接近程度，確定評價等級。結果表明：煤礦危險源多層遞階結構的建立將煤礦生產系統危險因素按不同維度歸類表述，方便從不同角度提取生產系統安全要素并量化其安全狀態，安全動態評價方法的應用可充分利用現場安全信息，反應生產系統安全狀況，促進安全管理工作持續改進。

關鍵詞：煤礦；危險源；因素空間；多層遞階；風險評價

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0207

文章編號：1672-9315(2015)02-0175-06

收稿日期:*2015-01-10責任編輯：劉潔

通訊作者:高曉旭(1978-)，男，山西呂梁人，博士，副教授，E-mail:280699722@qq.com

中圖分類號：TD 79+1；X 913.4文獻標志碼： A

Multi-layerhierarchicalstructuremodelandriskevaluationforminehazards

GAOXiao-xu，ZHANGXu，DONGDing-wen，LIXin-jie，NIEYao

(College of Energy Science and Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

Abstract：In order to improve the practical operability of the risk evaluation，promote the pre-control level of coal mine hidden danger and solve the problem that it is difficult to identify and control hazards information，the three-dimension multi-granularity structure model and factor spaces of mine hazards are constructed based on Hall three dimension structure and the theory factor spaces.And multi-layer hierarchical structure model of mine hazards is constructed based on Heine-Borel theorem.The dynamic safety evaluation index system is established and the indicators quantitative method is proposed based on coal mine hazards information；the indicators quantitative number and risk level are calculated by entropy weight and grey correlation analysis.The results indicate that the multi-layer hierarchical structure model reflects the safety situation of production system and improves the safety management level by classifying hazard factors from different dimensions and doing dynamic safety evaluation based on site hazards information.

Key words：coal mine；hazards；factor spaces；multi-layer hierarchical structure；risk evaluation

0引言

煤礦生產系統是一個立體式變化的復雜巨系統，其危險源普遍存在且動態積聚、疊加與耦合，可能導致事故的發生。國外學者傾向于把生產作業場所中包含某種能量、可能導致某種事故的單元作為危險源，在對危險源實施評價和控制時進一步識別單元內和與單元相關聯的更具體的事故致因因素。國內學者則在危險源的概念[1]、分類[2]、辨識[3]與風險評估[4]等方面展開了一系列的研究工作。這些研究主要從煤礦各類災害致因機理、風險類型、生產系統區域和管理對象等方面考慮進行危險源信息表述。然而，在煤礦生產系統安全評價階段，由于考慮角度的不同會存在系統安全主控因素難以提取并量化的問題。運用一種有效的方法來標記或描述評估對象、主要影響因素及其相互關系，是合理評估煤礦危險源系統安全性的有效手段。因此文中基于霍爾三維模型與因素空間理論描述煤礦生產系統危險源信息，并運用熵權法和灰色關聯分析法來評價系統安全性，從而實現系統安全動態評價，將有利于促進現場安全管理工作的持續改進。

1霍爾三維結構模式與因素空間理論

1.1霍爾三維結構模式

霍爾三維結構是美國學者A.D.霍爾于1969年提出的系統工程方法，為涉及多因素、多階段、多領域、多目標、多利益相關者的大型復雜系統的規劃、組織和管理提供了系統化分析的思路。三維分別是時間維、邏輯維和知識維。這個三維空間結構體系形象的描述了系統工程研究的框架，對其中任一階段和每一個步驟又可進一步展開，形成分層次的立體結構體系[5]。

1.2因素空間理論

“因素空間”理論是汪培莊于1981年提出的，用來解釋隨機性的根源及概率規律的數學實質[6]，并且已轉向模糊集理論及其應用研究[7]。因素空間理論給出了一個知識描述的框架，利用這一描述框架，可以對各類事物及其屬性進行表達和描述。文中主要運用因素空間理論中左配對、相關關系與狀態空間的定義[8]。

2煤礦危險源信息表述

2.1煤礦危險源多層遞階模型

在煤礦現場危險源辨識的過程中，根據礦井的實際情況，劃分系統、工序，從人的不安全行為、物的不安全狀態等方面出發提取影響安全生產的主要危險因素。煤礦危險源體系從煤礦大系統到各個子系統，進一步深入子系統內各工序，再細化到影響每個工序的主要危險因素形成一個多層遞階結構如圖1所示。

圖1　煤礦危險源多層遞階結構圖 Fig.1　Multi-layer hierarchical structure of mine hazards

依據因素空間理論中左配對、相關關系、狀態空間的定義，該模型滿足以下條件

Ⅰ相關關系

①R(M,Mi)=1；②R(Mi,Mij)=1；

③R(Mij,Mijk)=1；

Ⅱ左配對

Ⅲ狀態空間

其中M為“某煤礦企業”；Mi為“第i個系統”，i=1,2,…,n；Mij為“第i個系統的第j個工序”，j=1,2,…,n(i)；Mijk為“第i個系統的第j個工序的第k個主危險因素”，k=1,2,…,n(i,j).

2.2危險源因素空間

基于霍爾三維結構模式建立煤礦危險源三維多粒度結構模型如圖2所示。

圖2　煤礦危險源三維多粒度結構模型 Fig.2　Three-dimension multi-grnularity structure model

圖2模型的三維劃分中，Z軸表示危險源系統維，代表煤礦企業根據自身生產系統結構、管理部門職能、經濟技術條件將其劃分為若干具有獨特運轉功能的子系統，坐標依次標記為1系統，2系統，…，i系統；X軸表示危險因素維，代表可能導致事故發生的煤礦瓦斯、頂板、水、火、煤塵、個人失誤、物的故障、環境因素、組織失誤等要素；Y軸表示危險源時間維，t1,t2,…,ty依次為時間坐標。X軸坐標與Z軸坐標交叉點表示隸屬x系統內因某一危險因素可能導致事故發生的危險源，即平面XZ表示危險源平面，平面XZ沿Y軸方向延伸表示連續時間段內危險源因素的累積即“危險源因素庫”，符號L,C分別表示風險矩陣法[9]中事故發生可能性和發生后人員傷害程度及范圍。

以陜北某煤礦掘進系統危險因素空間構建為例，危險因素空間構建路線如圖3所示，來源于該礦第i系統的第j工序的第k主危險因素的危險源信息數據見表1.

圖3　危險因素空間構建路線 Fig.3　Establishing path of hazard factors spaces

工序層j主危險源因素層kLCDijk風險等級M111便攜儀器不完好H5E210中等M112未檢察通風狀況J3C412中等M113敲幫問頂人員站位或處理不當I4D312中等M11井下爆破M114敲幫問頂工具不合適J3E26一般M115頂板或巷幫不完好I4C416中等M116打眼時煤電鉆操作不當J3D39中等……………M121未使用專用工具和規程規定的支護材料J3E26一般M122搬動支護材料操作不當J3E26一般M123樹脂藥卷破損J3E26一般M12錨桿支護M124錨桿機及配套設備不完好H5D315中等M125網片搭接、鋼帶壓設不符合要求I4D312中等M126錨桿工未配帶防護用品K2E24一般M127供風管路接口松動或老化J3D39中等……………………………

3煤礦生產系統風險評價

3.1工序層指標量化值的確定

由于系統內各工序的復雜程度不同，因此影響工序的危險因素風險等級及其各等級內危險因素數量也不同，即確定工序層指標量化值，需要綜合危險因素的風險等級及其各等級范圍內危險因素數量進行考慮。構造工序層指標量化值Mij計算方法如下

(1)

表2　工序層風險等級劃分及指標量化值確定范圍

表3　煤礦企業連續時間段內工序指標量化值統計表

3.2系統層風險評價方法

3.2.1熵權法確定工序層指標權重

設由m個對象n項指標構成的評價矩陣為X=(xij)m×n，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n.指標標準化方法如下

(2)

(3)

式中pij為第i個評價對象在第j個指標下的指標比重。指標的熵為

(4)

指標權系數為

(5)

熵權wj越大，該指標代表的信息量越大，表示該指標對綜合評價的作用越大。

3.2.2灰色關聯分析綜合評價

設有m個評價對象，每個對象有n個評價指標，為了統一標準便于分析，對評價指標數據進行規范化處理，規范化數據樣本為x1,x2,…xm,xi=[xi(1),xi(2),…,xi(n)],i=1,2,…,m.文中采用均值比規范化處理，以x0={1,1,…,1}作為理想方案。x0與xi關于第k個元素的關聯系數為

(6)

(7)

其中wk為應用熵權法得到的指標權重。

將以上得到的灰色加權關聯度按照數據標準化還原處理后，就可以得出最后的評價結果及對應的評價等級：很差(40,50]；較差(50,60]；中等(60,80]；較好(80,90]；很好(90,100]。

4實例分析

基于文中以上方法，對陜北某煤礦掘進系統8個工序存在危險因素進行建模。結合2014年1月至5月陜北某煤礦掘進系統8個工序危險因素，進行該礦6月份系統評價用以說明文中研究方法的應用過程，限于篇幅，在此僅列出了6月份的危險源辨識信息見表4.

利用式(2)～(3)對指標量化值進行標準化處理后，再利用式(4)～(5)計算得到指標熵權值，w=[0.174 9，0.101 3，0.110 0，0.222 6,0.105 5,0.078 1,0.073 5,0.134 1].由式(6)得到灰色關聯系數矩陣如下

最后，利用式(7)得熵權灰色關聯度γ=[0.667 1,0.693 5，0.827 4，0.862 7，0.860 2，0.631 9].6月評價得分63.19，1～6月評價結果見表6.

由表6中的評價結果可知，6月份評價得分63.19，系統安全狀況為中等。1月、2月、6月的評價結果得分在(60,80]之間，評價等級為中等；3月、4月、5月的評價結果得分在(80,90]之間，評價等級為較好，對比得出當月掘進系統安全性有明顯下降，存在高風險隱患。結合灰色關聯系數矩陣可得出6月份影響掘進系統安全狀態的工序由強到弱依次為M14,M13,M18,M11,M17,M12,M16,M15.由此可知7月份掘進系統安全管理工作防范的重點對象依次是工序M14綜掘機割煤、M13綜掘機割煤前準備和M18處理冒頂和維護巷道。

表4　陜北某煤礦6月份掘進系統工序各等級范圍內危險因素數量統計表

表5　陜北某煤礦掘進系統工序指標量化值1月至6月統計表

表6　熵權灰色關聯度及評價結果

5結論

1)針對煤礦現場的危險源辨識，結合霍爾三維模式與因素空間理論構建的煤礦危險源多層遞階模型，形成有效刻畫煤礦生產系統安全狀態的邏輯結構，是實現客觀風險評價的基礎；

2)運用因素空間理論進行主要危險因素的標記、分析和提取，克服了風險評價過程中由于危險源信息龐雜、積聚與耦合狀態下難以約減、量化分析的問題；

3)在煤礦危險因素空間構建的基礎上完成動態風險評價，是促進現場安全管理工作持續改進的有效手段。

參考文獻References

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T28001-2001職業健康安全管理體系規范[S].北京：中國標準出版社,2001.

GeneralAdministrationofQualitySupervision.GB/T28001-2001InspectionandQuarantineofthePeople’sRepublicofChina.Occupationhealthsafetymanagementsystemstandard[S].Beijing：ChinaStandardsPress，2001.

[2]陳寶智.安全原理(第2版)[M].北京：冶金工業出版社,2002．

CHENBao-zhi.Safetyprinciple(2nd)[M].Beijing：MetallurgicalIndustryPress，2002.

[3]田水承.第三類危險源辨識與控制研究[D].北京：北京理工大學,2001.

TIANShui-cheng.Studyonrecognitionandcontrolforthethirdhazard[D].Beijing：BeijingInstituteofTechnology,2001.

[4]施式亮.礦井安全非線性動力學評價模型及應用研究[D].長沙：中南大學,2000.

SHIShi-liang.Studyonnon-lineardynamicsafetyassessmentmodelsandapplicationincoalmines[D].Changsha：CentralSouthUniversity，2000.

[5]楊洋,趙映超,馬有才,等.基于霍爾三維結構的項目風險動態管理研究[J].科技管理研究,2010,30(13)：280-282.

YANGYang，ZHAOYing-chao，MAYou-cai，etal.Researchofprojectdynamicriskmanagementbasedonhallthreedimensionstructure[J].ScienceandTechnologyManagementResearch，2010,30(13)：280-282.

[6]汪培莊,SugenoM.因素場與模糊集的背景結構[J].模糊數學,1982(2)：45-54.

WANGPei-zhuang，SugenoM.Thefactorsfieldandbackgroundstructureforfuzzysubsets[J].FuzzyMathematics,1982(2)：45-54.

[7]汪培莊.因素空間與因素庫[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版,2013(10)：1 297-1 304.

WANGPei-zhuang.Factorspacesandfactordata-bases[J].JournalofLiaoningTechnicalUniversity：NaturalScience，2013(10)：1 297-1 304.

[8]李洪興.因素空間理論與知識表示的數學框架(Ⅵ)-ASMm-func的生成與綜合決策的一般模型[J].系統工程學報,1999,14(1):1-8.

LIHong-xing.Factorspacesandmathematicalframeofknowledgerepresentation(Ⅵ)-generationofASMm-funcandgeneralmodelsofmultifactorialdecision-making[J].JournalofSystemsEngineering，1999,14(1):1-8.

[9]GarveyPR,LansdowneZF.Riskmatrix：anapproachforidentifying，assessing，andrankingprogramrisks[J].AirForceJournalofLogistics,1998(25)：16-19.

[10]羅毅,李昱龍.基于熵權法和灰色關聯分析法的輸電網規劃方案綜合決策[J].電網技術,2013,37(1)：77-81.

LUOYi，LIYu-long.Comprehensivedecision-makingoftransmissionnetworkplanningbasedonentropyweightandgreyrelationalanalysis[J].PowerSystemTechnology，2013,37(1)：77-81.