基于模糊理論的煤礦開采風險分析

范利軍

(山西新村煤業有限公司,山西 長治 046000)

煤礦安全直接影響煤礦生產經營,對煤礦項目進行安全風險管理,可以減少煤礦安全風險帶來的損失[1]。煤礦安全風險管理及控制主要包括:煤礦風險因素分析、模糊方法介紹、模糊分析及對煤礦項目的風險等級進行判斷[2]。本文以山西某煤礦實際情況為研究背景,對煤礦開采風險等級進行劃分,并根據劃分等級提出相應的風險控制對策,對今后煤礦開采風險評定以及安全管理提供理論支持。

1　煤礦開采風險因素分析

1.1　煤礦風險特點

1)復雜性。煤礦的生產及工作環境主要在地下進行,由于作業環境的復雜多變及生產系統龐雜,煤礦生產屬于復雜系統。

2)動態變化性。一旦地質條件不同或作業環境變化就會導致采掘面的推進方式變化,礦井延伸也相應地改變。

3)隨機性。煤礦安全處于復雜的灰色關聯系統中,尤其是井下自然災害較多,隨機性較為明顯。煤層瓦斯賦存量、粉塵中所含有害氣體的種類、水量及涌出、風流中的瓦斯濃度等均具有一定的隨機性。

4)災害事故的關聯性。煤礦井下安全影響因素種類較多,災害的發生是由多個因素共同作用、影響,多種影響因素之間相互作用導致事故發生的概率增加。

1.2　煤礦風險分析過程

對煤礦風險進行分析識別,包括人員因素、管理因素、煤礦固有因素、工作環境因素、機械裝備因素、技術因素六個方面。

人員因素:煤礦員工平均受教育水平較低,通常受教育的時間長短跟個人的綜合素質水平呈正相關。

管理因素:及時對發現的安全隱患做出有效的整改,表現了煤礦管理安全風險的能力,發揮著降低風險的作用。

煤礦固有因素:礦井瓦斯條件,包括瓦斯涌出量和抽采難度,瓦斯涌出量越大,發生瓦斯爆炸事故的可能性越高。

工作環境因素:開采的煤層工作面釋放的有毒有害物體達到一定的濃度標準會對人體造成威脅和傷害,嚴重的甚至能導致員工窒息死亡。

機械裝備因素:系統裝置的可靠狀態就是非故障狀態,處于可靠狀態的設備占比越多,煤礦的風險等級越低。

設備安裝、存放位置是否合理:技術措施的落實狀況,要認真抓好技術工作,維護技術管理的權威性、嚴肅性,增強技術管理的科學性、預見性、針對性、可操作性。

2　模糊方法介紹

為反映各因素重要性賦予指標因素權重,模糊綜合評價可以表示為[3]:

=(b1,b2,…,bn).

(1)

式中:B為各因素的綜合評判向量;A表示各權數組成向量;R表示評價指標的模糊綜合評判矩陣;a表示各權數,r代表評價矩陣的每一項;b表示各因素的綜合。

(2)

式中:rij代表評價矩陣的每一項;Pij代表評價指標體系中每一個打分的數值。

根據最大隸屬原則,確定評判對象所對應的評語級別。

3　層次分析法

層次分析包括構造層次結構、構造對比矩陣、計算權重及一致性檢驗。其中指標層次結構根據專家意見已構建完成,對指標重要性進行評比,評比依據相對重要性定量表示構成評價矩陣[4]。指標權重計算一致性檢驗:

(3)

(4)

式中:CI表示一致性指標;λmax表示最大特征根;n表示樣本數量;CR表示一致性比率;RI表示平均隨機一致性指標,RI=[0 0 0.52 0.89 1.12 1.26 1.36 1.41 1.46 1.49 1.52 1.54 1.56 1.58 1.59]。

CR<0.10表示矩陣的一致性可以接受,否則矩陣的一致性不可以接受。

專家評價根據相對重要性的原則,采取1-10表示相對重要性強度,對6個一級評價指標進行重要性比較,比較結果如表1所示。

表1　判斷矩陣及一致性檢驗Table 1　Judgment matrix and consistency check

表1中,數字越大表示重要性越強,1表示同樣重要,3表示前者比后者重要性程度較高,1/3表示后者比前者重要性較高。X1表示影響要素1,即人員要素；X2表示管理因素；X3表示煤礦固有因素；X4表示工作環境因素；X5表示機械裝備因素；X6表示技術因素。例如X1對應X4重要性影響程度值為4,表示因素1比因素4較為重要;X2對X1重要性影響值為1/3,表示因素1不如因素2重要,且重要度相對較低;橫欄和豎欄的X1-X6表示一級指標要素。

表內數據組成得到判斷矩陣,并根據MATLAB計算得出:最大特征根λmax為6.335 4,一致性指標CI為0.067 1且一致性CR為0.053 2<0.1,故該判斷矩陣的一致性是可接受的。

根據層次分析法計算一級指標權重A=[0.31 0.21 0.17 0.07 0.11 0.14]。在6個一級指標中人員因素的權重是最大的,為0.31,其次是管理因素,其權重為0.21,故應加強管理以減輕煤礦的安全風險。

本文以孟家窯煤礦的實際情況為背景,對評價指標體系中的各指標進行客觀的評價和判斷,對煤礦安全風險進行評價打分。每項評價指標分別設置I、II、III、IV、V五個等級,通過對每個指標進行打分,運用模糊熵值法對各因素進行模糊評價計算:

人員風險模糊矩陣[0.33 0.30 0.29 0.15 0];管理風險模糊矩陣[0.30 0.26 0.29 0.23 0];煤礦固有風險模糊矩陣[0.30 0.30 0.27 0.16 0];工作環境模糊矩陣[0.33 0.29 0.21 0.19 0];機械裝備模糊矩陣[0.28 0.30 0.24 0.18 0];技術分析模糊矩陣[0.29 0.32 0.24 0.21 0.03]。

模糊層次分析法最終求得R=P·C=[0.31 0.30 0.27 0.16 0];判斷風險等級為I級,表示風險程度低。

4　風險應對

1)煤礦資源自然風險控制對策。加大對煤礦的勘查力度,對煤礦褶皺、斷層、頂底板穩定性、煤層等進行詳細的勘探,確保煤礦儲存情況及煤層穩定性符合安全開采的條件。對存在危險的區域進行有效的控制,避開危險區域。在合適的地方建設巷道、設計采區及水平,對煤礦開采、建設進行合理設計,盡量減少投資降低風險,減少人員搬運次數,巷道、采區、水平、采煤方法及工藝等均根據煤礦自然條件進行合理安排,對瓦斯、突水等自然災害進行有效預防及控制。

2)煤礦企業運營風險控制對策。煤炭經營主要風險在于煤炭價格及市場供需,對于煤礦企業來說,應對市場、政策、稅收等進行分析,加強企業活動、加大管理力度、增加環保人力物力,合理規劃企業生產運營并降低稅收風險。煤礦企業屬于高風險的行業,主要風險來源價格風險,簽訂相應協議,不斷地提出相應的保障措施,進行有效的控制措施,可以降低風險。

3)煤礦開采過程風險控制對策。對于煤田來說,開采過程風險在于頂底板控制方式、采煤工藝、煤炭開采方式等。根據煤炭資源及煤礦企業實際情況,可從合理有效的設計、高素質人才培養、高效率的管理體制等方面對煤礦開采過程進行風險控制。

5　結論

1)通過安全風險因素分析及風險因素識別,選取煤礦相關風險因素,采用模糊層次分析法結合選取評價指標并建立模糊矩陣,確定煤礦采區模糊隸屬度,得到模糊評價。

2)根據模糊層次分析法所得結果進行分析,判斷孟家窯煤礦安全風險等級屬于I級低警狀態。分析結果與煤礦實際情況基本上符合,因此確定為低警。

3)根據風險等級制定相應的預警措施,分別對煤礦自然風險、煤礦企業運營風險、煤礦開采過程風險進行控制。