煤礦安全風險分析系統(tǒng)研究和應(yīng)用

張 蘭，戴書球，孫中光，李 勇

(1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

作為我國基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，煤炭在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著重要作用，在較長時期內(nèi)，煤炭仍占一次能源消耗主體地位。在煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)過程中，安全風險一直困擾著監(jiān)管部門和煤炭企業(yè)[1-2]。煤炭生產(chǎn)環(huán)境惡劣、技術(shù)裝備復(fù)雜、管理水平良莠不齊，導(dǎo)致我國煤礦事故多、傷亡重、經(jīng)濟損失大，給國家和人民帶來生命及重大財產(chǎn)損失。煤礦安全也是全國安全生產(chǎn)工作的重點工作，國家監(jiān)管部門出臺了許多法律、法規(guī)，煤炭企業(yè)也通過提高工藝技術(shù)及裝備水平，改善材料性能，提高自動化、控制程度，加大安全投入來預(yù)防和控制安全事故[3-5]。

國務(wù)院辦公廳早在2015年就印發(fā)《關(guān)于加強安全生產(chǎn)監(jiān)管執(zhí)法的通知》，要求加快監(jiān)管執(zhí)法信息化建設(shè)。整合建立安全生產(chǎn)綜合信息平臺，統(tǒng)籌推進安全生產(chǎn)監(jiān)管執(zhí)法信息化工作，實現(xiàn)與事故隱患排查治理、重大危險源監(jiān)控、安全誠信、安全生產(chǎn)標準化、安全教育培訓(xùn)、安全專業(yè)人才、行政許可、監(jiān)測檢驗、應(yīng)急救援、事故責任追究等信息共建共享，消除信息孤島。要大力提升安全生產(chǎn)“大數(shù)據(jù)”利用能力，加強安全生產(chǎn)周期性、關(guān)聯(lián)性等特征分析，做到檢索查詢即時便捷、歸納分析系統(tǒng)科學(xué)，實現(xiàn)來源可查、去向可追、責任可究、規(guī)律可循。

信息技術(shù)的發(fā)展為海量事故數(shù)據(jù)提供了有效的分析工具。在國家監(jiān)管部門和煤礦企業(yè)的監(jiān)管信息建設(shè)中，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，可以對海量安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行挖掘分析，找出安全事故發(fā)生的特征，實現(xiàn)對安全生產(chǎn)形勢和安全生產(chǎn)事故的預(yù)測分析，以及重點區(qū)域、重點行業(yè)、甚至特定企業(yè)的預(yù)警預(yù)控，提升源頭治理能力，從而預(yù)防和控制安全生產(chǎn)事故的發(fā)生[6-7]。

1 煤礦安全風險指標體系構(gòu)建

1.1 煤礦安全風險因素識別

我國煤礦生產(chǎn)過程，地下環(huán)境中的采掘和運輸，不同地質(zhì)條件必須采用不同的開采方法。煤礦企業(yè)的安全風險與一般工業(yè)企業(yè)不同，具備復(fù)雜性、動態(tài)變化性、隨機性和模糊性、致災(zāi)因子控制對技術(shù)條件的依托性、災(zāi)害事故的相關(guān)性。各大院校和科研企業(yè)在煤礦安全風險分析領(lǐng)域開展了大量的研究，政府專家能夠?qū)γ旱V的安全程度做出合理評價，相關(guān)行業(yè)專業(yè)人士也能識別煤礦井下安全風險的因素。安全風險因素識別從機械設(shè)備和煤礦災(zāi)害控制方面，到企業(yè)管理體制方面。隨著管理學(xué)科的發(fā)展和企業(yè)管理制度的逐步完善，從業(yè)人員的因素也逐漸被重點關(guān)注，從業(yè)人員的專業(yè)技術(shù)能力、身體和心理情況以及文化教育素質(zhì)在煤礦安全事故發(fā)生時也具有主導(dǎo)性作用[8-9]。

結(jié)合煤礦生產(chǎn)環(huán)境特征和煤礦災(zāi)害致因機理，從“人、機、環(huán)、管”等方面，識別出了煤礦安全風險評價因素。由“人”所影響的因素主要是人員因素和管理因素，由“機”所影響的因素主要是機械設(shè)備和保障裝備，由“環(huán)”所影響的因素主要是煤礦自然因素和環(huán)境因素。這些已識別因素不是固定不變的，而是隨著煤礦行業(yè)生產(chǎn)形勢和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展變化。在識別過程中還要不斷得到實際安全生產(chǎn)狀況的檢驗，識別結(jié)果越貼近實際，就越科學(xué)[10-12]。

煤礦安全事故分為瓦斯、水災(zāi)、火災(zāi)、頂板、運輸、機電等，根據(jù)我國2002—2017年的事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，瓦斯、水災(zāi)、火災(zāi)、頂板事故平均死亡人數(shù)分別為5人、3人、21人、1人，特重大事故統(tǒng)計中，瓦斯事故49起，水災(zāi)9起，火災(zāi)4起，煤塵2起。因此單項災(zāi)害安全風險評價指標體系應(yīng)重點分析火災(zāi)、瓦斯、頂板、水害和煤塵等災(zāi)害的風險因素[13-15]。

1.2 煤礦安全風險評價指標體系

根據(jù)煤礦安全風險因素識別分析，煤礦綜合安全風險指標體系由歷史因素、單項災(zāi)害因素、人員素質(zhì)因素、安全管理因素、設(shè)備安全因素、應(yīng)急救援因素等構(gòu)成。綜合風險指標體系二級指標和三級指標構(gòu)成見表1。

表1 綜合風險指標體系Tab.1 Indicators system of comprehensive risk

各個單項災(zāi)害風險因素同理也包含各自的歷史因素、自然因素、人的因素、設(shè)施設(shè)備、安全管理因素和環(huán)境因素[16]。以瓦斯災(zāi)害為例，其設(shè)施設(shè)備因素細分為礦井通風、礦井瓦斯抽采、防治瓦斯一般措施和瓦斯監(jiān)測監(jiān)控等因素[17]。

1.3 煤礦安全風險模糊綜合評價模型

煤礦安全風險綜合評價很大程度上具有一定的模糊性，運用模糊理論能夠更加科學(xué)的對安全風險進行評估[18-22]。運用模糊綜合評價方法對評價對象進行模糊綜合評價時，包括以下步驟。

(1)建立煤礦安全評價因素集。將影響煤礦安全風險的各個因素組成一個集合，各個因素通常具有不同的模糊性。

(2)建立綜合評價的評判集。評判集是對煤礦安全風險可能做出各種判斷結(jié)果所組成的集合，反應(yīng)煤礦安全評價指標隸屬各個風險等級的程度。

(3)建立模糊安全評價矩陣。根據(jù)煤礦評價指標的評判集得到模糊集合，再由多個評價指標的模糊集合構(gòu)成模糊綜合評價矩陣。

(4)確定評價因素權(quán)重向量。一般可以采用Delphi法(德爾菲法，也稱專家調(diào)查法)計算影響煤礦安全的各個評價因素的權(quán)重，即各評價因素對最終結(jié)果中的影響程度。再根據(jù)所有評價因素的權(quán)重，構(gòu)成評價因素的權(quán)重向量。

(5)計算評價結(jié)果向量。通過對評價因素的權(quán)重向量和模糊安全評價矩陣的合成算子得到評價結(jié)果向量。為了更準確地達到綜合評價結(jié)果的預(yù)期效果，結(jié)合層次分析法，一般采用多層評價模型。

2 煤礦風險分析系統(tǒng)的實現(xiàn)和應(yīng)用

2.1 煤礦風險分析系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)設(shè)計

煤礦風險分析系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖1所示，煤礦安全風險分析系統(tǒng)包括以下功能模塊。

圖1 煤礦風險分析系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.1 Logic diagram of mine risk analysis system

(1)煤礦數(shù)據(jù)采集交換模塊。制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，通過多級聯(lián)網(wǎng)方案，將煤礦的人員信息數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、產(chǎn)量數(shù)據(jù)等采集到煤礦風險分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，通過數(shù)據(jù)清洗和BTL，加載到數(shù)據(jù)倉庫。

(2)煤礦安全風險指標體系管理模塊。結(jié)合不同區(qū)域、不同煤礦的安全風險特征，構(gòu)建可量化的煤礦安全風險指標體系。支持指標體系的配置和查詢，支持從區(qū)域到煤礦，從綜合指標到各個單項災(zāi)害指標體系。

(3)煤礦安全風險評價模型。基于模糊理論，使用計算機編程語言實現(xiàn)多層評價模型，實現(xiàn)專家分析系統(tǒng)。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，從多個維度，分析煤礦的安全風險因素，利用專家模型，科學(xué)、客觀、系統(tǒng)的分析煤礦安全風險，得到煤礦安全狀況等級。

(4)煤礦安全風險可視化展示。利用GIS圖形，大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，以思維導(dǎo)圖、柱狀圖、餅圖、曲線圖、熱力圖等豐富多樣的展現(xiàn)方式展示安全風險分析結(jié)果數(shù)據(jù)，支持按區(qū)域、按類別、按等級等多種分類展現(xiàn)方式，直觀地展現(xiàn)煤礦安全風險狀況。

2.2 煤礦風險分析系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

煤礦風險分析系統(tǒng)基于浪潮InCloud Sphere架構(gòu)搭建，有效提高IT基礎(chǔ)資源可用性和利用率，保障系統(tǒng)的高可用性和彈性計算能力。以SQL Server數(shù)據(jù)倉庫為基礎(chǔ)，利用OLAP等大數(shù)據(jù)分析能力，采用C#語言編程，實現(xiàn)煤礦風險分析系統(tǒng)。系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過礦井、企業(yè)集團、監(jiān)管部門多級互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集交換功能，采集礦井基礎(chǔ)信息、監(jiān)管數(shù)據(jù)和動態(tài)監(jiān)測信息，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)的真實性和客觀性。煤礦安全風險指標體系管理模塊圍繞礦井安全風險評估指標體系，明確指標的構(gòu)成、量化方法與評價模式，形成基于模糊理論的安全風險指標評價模型。該模塊支持煤礦安全風險指標體系管理，實現(xiàn)基于模糊理論的煤礦安全風險評價模型。通過OLAP分析能力，實現(xiàn)指標體系數(shù)據(jù)不同維度的上卷和下鉆。基于Apache ECharts開源技術(shù)，以GIS圖形、折線圖、柱狀圖、環(huán)形圖、雷達圖、和弦圖等多圖表聯(lián)動展現(xiàn)方式，綜合煤礦存在的瓦斯、煤塵、火災(zāi)、水害、頂板等自然因素以及煤礦安全隱患數(shù)據(jù)、監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)進行風險單項或綜合評估，實現(xiàn)煤礦安全風險分析數(shù)據(jù)的可視化，科學(xué)、客觀、系統(tǒng)的展現(xiàn)煤礦風險因素，便于企業(yè)針對性采取風險管控措施，減少煤礦的安全生產(chǎn)隱患，預(yù)防煤礦安全事故發(fā)生，保障煤礦安全生產(chǎn)活動，為監(jiān)管部門和煤礦企業(yè)提供有效的安全生產(chǎn)輔助決策依據(jù)。

2.3 煤礦風險分析系統(tǒng)的工程應(yīng)用

煤礦綜合安全風險指標體系構(gòu)成因素如圖2所示，某礦井綜合風險分析如圖3所示。

圖2 綜合安全風險指標體系構(gòu)成因素Fig.2 The composition of the comprehensive safety risk index system

圖3 某礦井綜合風險分析Fig.3 Comprehensive risk analysis chart of a mine

煤礦風險分析系統(tǒng)在國家礦井安全生產(chǎn)監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程“煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)”中應(yīng)用，該示范工程中，各個示范礦井按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換協(xié)議要求，上傳礦井的基礎(chǔ)信息、監(jiān)管數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)清洗和分析，評估各個礦井的綜合安全風險狀況。根據(jù)區(qū)域內(nèi)礦井單項事故風險等級率或綜合事故風險等級率為標準，計算出區(qū)域礦井安全風險評價等級。

3 結(jié)論

本文基于我國煤礦安全風險構(gòu)成的復(fù)雜性、模糊性及變化的多樣性，研究煤礦安全風險評價指標的選取及設(shè)計過程，識別煤礦安全風險因素，提出煤礦安全風險綜合評價指標體系和風險評價模型，動態(tài)指標與靜態(tài)指標相互結(jié)合，更加全面、系統(tǒng)地反映礦井安全程度的優(yōu)劣。并通過信息化技術(shù)實現(xiàn)煤礦安全風險分析系統(tǒng)，通過科學(xué)分析和工程應(yīng)用驗證了模型的有效性和正確性。

在體系指標的選擇上，考慮煤礦安全生產(chǎn)影響因素特點，結(jié)合國家和行業(yè)的相關(guān)法律、法規(guī)與標準，采用符合法規(guī)和標準的定性和定量指標來描述煤礦安全生產(chǎn)的影響因素。結(jié)合定量和定性分析方法，量化煤礦安全風險評價指標，發(fā)現(xiàn)“人、機、環(huán)、管”等方面的缺陷，科學(xué)、客觀、系統(tǒng)地分析煤礦風險因素，針對性地采取風險管控措施，減少煤礦的安全生產(chǎn)隱患，預(yù)防煤礦安全事故發(fā)生，保障煤礦安全生產(chǎn)活動，為監(jiān)管部門和煤礦企業(yè)提供安全生產(chǎn)的輔助決策依據(jù)。