基于模糊綜合評價法的大傾角煤層飛矸安全評價及應用

劉 明，李 寬，伍永平，呂文玉

（1.遼寧石油化工大學 機械工程學院，遼寧 撫順 113001；2.西安科技大學 能源學院，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的發展，我國大傾角煤層開采礦井數目逐年增多，隨之而來的飛矸災害事故也屢屢發生。從目前發表的文獻資料中不難發現，國內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雜又系統的過程[1-3]。為消除評價體系中存在的主觀性和片面性，提高安全評價的準確度，反映飛矸對工作面的實際影響狀況，采用模糊數學和層次分析法的相關理論將定量指標和定性指標進行科學而又系統的整合在一起[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，人是安全系統中的重要的子系統之一。將人作為人機環管系統分析模型的核心，是事故分析、事故預防和安全分析的重要因素。大傾角煤層工作面飛矸事故發生的原因是多方面的，包括人、設備、環境和管理等各方面因素。如人對工作項目結果的誤判、操作的失誤，違章指揮及違章作業；防護設備的設計、生產和加工等產生的缺陷；自然環境和作業環境的缺陷；安全管理的疏漏等，都可能導致飛矸事故的發生。因此，飛矸的防治與生產過程中的諸多環節和條件發生聯系，并受其制約，如果不考慮這些聯系和制約關系，而孤立的從個別環節或在某一局部范圍內分析和研究安全措施，是難以奏效的。所以，必須從人、機、環境和管理4 方面來分析工作面飛矸系統的安全性。

2 評價指標體系

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

2.1 確定影響因素集

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

2.2 評價集

根據行業準則或者是相關的理論體系對各個被評價指標確定其相應的評價集。首先，可以將大傾角煤層開采飛矸安全評價結果劃分為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，確立評價集對應的量化值 V=（V1，V2，…，Vn）。

2.3 指標權重

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

2.3.1 建立遞階層次結構

將待解決的問題按照系統層次劃分為若干區域，這樣可以將復雜的系統分解成由若干元素構成的小部分，以此構建層次結構模型。

2.3.2 構造比較判斷矩陣

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

2.3.3 各因素權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。

式中：Wi為元素的相對重要程度，即權重值。

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；n 為判斷矩陣階數，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RI 來度量。維度n=1 或2，平均隨機一致性指標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 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的修正，在通過一致性檢驗后，最終得出各指標的權重。

2.4 建立隸屬度矩陣

各個指標的隸屬度由專家打分法來計算。對專職技術人員和該學術領域學者使用問卷調查來獲得各個指標的評價個數，從而可以得到關系矩陣R 中各個元素rij的值。根據m 份的調查問卷和每個指標的評語評價個數向量，求出隸屬函數rijz：

式中：Fijz為賦予第i 個一級指標的第j 個二級指標中第z 個評語等級的人數；m 為專職技術人員和學者調查問卷的有效份數。

2.5 計算模糊綜合評價最終值

首先，根據權重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向量：

式中：Hi為各個評價指標的綜合評價值。

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

根據所構建的大傾角煤層工作面飛矸傷害安全評價指標步驟和方法，設計相應的安全指標調查問卷，通過對艾維爾溝礦區新疆焦煤集團2130 煤礦的25221 工作面工況進行調查。對此煤礦調查發現，煤層為典型的大傾角煤層，基于對操作人員綜合素質、擋矸設備可靠性、工況環境和該煤礦管理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體系，其遞階層次結構如圖1。

3.1 計算指標權重

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

根據此方法，計算各層指標權重，例如：構造準則層指標，即員工綜合素質A、飛矸防護設備B、工作面環境性質C、安全管理D 等的比較判斷矩陣，并進行一致性檢驗。指標判斷矩陣見表1。

表1 指標判斷矩陣Table 1 The weight table of each index

員工綜合素質A、飛矸防護設備B、工作面環境性質 C、安全管理 D 指標權重分別為 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因素權重（表2）。

層次分析法可以簡明有效的分析出系統中各個指標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。從各個指標的結果來看，準則層中，工作面性質所占比重最大，其次是飛矸防護設備，最后才是員工綜合素質和安全管理，由此更加強調了工作面環境性質的重要性。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備受到危害的較大影響因素。這些重要性排序靠前的指標要素是影響工作面飛矸安全評價的關鍵因素，也是工況下監測和監察的重點。

表2 各個指標權重表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

根據評語集對該工作面獨立地對每個評價因素指標進行評價，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技術人員對艾維爾溝礦區新疆焦煤集團2130 煤礦的25221 工作面飛矸安全情況進行分析，根據實際情況進行打分評價，并對指標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）系統總得分e 為72.802 0。查各個指標權重表表2 可以得出，該工作面為一般安全，可能會出現個別飛矸現象，但安全在可控范圍內，可以正常上崗。所得到的結果與歷年該工作面飛矸造成災害的頻次大致相同。

4 結 語

通過運用層次分析法與模糊綜合評價法，結合影響大傾角煤層工作面飛矸對人員與設備傷害的諸多因素，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，結合25221 工作面的環境特征和生產情況，對該工作面飛矸傷害進行安全評價，結果與實際情況相同，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。