基于變權可拓理論的煤礦安全風險預警

靳澤鵬, 趙江平，劉 茜

(西安建筑科技大學 資源工程學院，西安 710055)

近年來國內外專家針對煤礦安全風險評估展開了一系列研究，主要包括TOPSIS分析、BP神經網絡、模糊層次分析、熵權-集對分析等[1-5]。盡管國內外關于煤礦安全風險評估取得了不少成果，但現有研究以安全風險評價分析為主，少有煤礦風險預警和控制的研究。本文引入變權可拓理論[6-7]，建立煤礦風險預警模型，以期為煤礦安全風險預警防范工作提供理論支撐。

1 煤礦安全風險預警指標體系

根據企業風險辨識分析，結合《礦山安全法》和《煤礦安全規程》等相關法律法規，并遵循科學性、原則性和可操作性等原則，參照指標體系建立的相關研究[8-9]，構建煤礦安全風險預警指標體系，如圖1所示。

圖1 煤礦安全風險預警指標體系

2 基于變權可拓理論的風險預警模型構建

2.1 可拓理論與AHP相結合的指標權重確定

根據煤礦生產過程中預警指標變化的敏感性差異，采用專家打分法對一級指標及人員和管理的二級指標按總分的排序構造判斷矩陣A；采用可拓動態權重法對設備和環境的二級指標按指標實測值距Ⅳ級值域的標準化距離排序構造判斷矩陣A，結合層次分析法確定預警指標的權重wi。指標權重確定流程如圖2所示，具體步驟如下：

1) 根據判斷矩陣計算重要性排序，同時求其最大特征根λmax所對應的特征向量。方程如下：

Aw=λmax·w

(1)

2) 計算一致性指標。

(2)

3) 計算一致性比率。

(3)

若一致性比率CR≤0.1，則通過一致性檢驗。

在可拓動態權重法中，指標實測值距Ⅳ級預警值域的標準化距離公式為：

(4)

L越小，說明該項預警指標距離Ⅳ級預警值域越近，其風險敏感度越高，故其指標權重也更大。

圖2 可拓理論與AHP相結合確定指標權重流程

2.2 經典域、節域和待預警物元的確定

1) 經典域物元。

(5)

式中：Rj為物元R的經典域；Nj為煤礦風險等級中第j個預警等級；ci為煤礦風險預警指標；Vji為預警等級Nj關于ci的取值范圍，而aji和bji為該量值域的上界值和下界值。

2) 節域物元。

(6)

式中:Np為煤礦所有的預警等級，Vpi為Ci在預警等級Np下的取值范圍，ap1和bp1分別為Ci在所有預警等級的上界值和下界值。

3) 待預警物元。

(7)

式中:Tt為待預警事物，Vi為Tt關于預警指標Ci的量化值。

2.3 單項預警指標對單項預警等級關聯度的確定

單項預警指標可通過構造最優點在區間中點的關聯函數計算單項預警指標的關聯度，即關聯函數為：

(8)

式中:ρ(Vi,Vji)為點Vi到點Vji的距離，且：

(9)

2.4 系統預警等級綜合關聯度的確定

系統預警的綜合關聯度為：

(10)

3 實例應用

本文以S省某煤礦為例進行風險預警，該煤礦可采儲量0.96億t，礦區占地面積11.24 km2，年平均生產煤炭量120萬t，地貌表現主要為黃土梁崗和河流階地區，地形起伏變化小。本文通過對該煤礦相關資料整理和35位職工及管理人員走訪調研，獲取風險預警指標的實測值。

根據礦業領域雙重預防機制建設要求，將風險預警等級劃分為4個級別，即Ⅰ級(低風險)、Ⅱ級(一般風險)、Ⅲ級(較大風險)和Ⅳ級(重大風險)，并結合煤礦與非煤礦山安全評價指導手冊和相關行業標準確定預警等級的量值域[10]。

基于上述煤礦風險預警指標的預警等級和量值域，確定煤礦風險預警的經典域物元Rj、節域物元Rp和待預警物元Rt，見表1。

根據專家打分法和可拓動態權重法構造風險預警指標的判斷矩陣，計算風險預警指標的權重、關聯度和預警等級，見表2。根據式(10)計算煤礦的綜合關聯度和系統預警等級，見表3。

根據單項預警指標與各預警等級的關聯度結果，所有預警指標均低于Ⅳ級預警等級，6項預警指標處于處于Ⅲ級預警等級，8項預警指標處于Ⅱ級預警等級，6項預警指標處于Ⅰ級預警等級。從系統整體來看，煤礦的綜合關聯度為(-0.020 1，0.031 7，-0.121 3，-0.486 4)，即該煤礦處于Ⅱ級預警等級。

表1 煤礦安全風險預警的經典域、節域和待預警物元

表2 煤礦安全風險預警指標權重和關聯度

表3 煤礦綜合關聯度和預警等級

4 結 語

1) 根據指標敏感性差異建立利用可拓理論和層次分析法的預警指標動態賦權方法，構造了指標實測值距Ⅳ級預警值域的標準化距離公式。

2) 應用可拓理論建立煤礦風險預警模型，利用可拓關聯函數計算單項預警指標關于預警等級關聯度，根據綜合關聯度確定系統預警等級。

3) 以某煤礦為實例分析，得出單指標預警等級和煤礦系統預警等級。驗證了模型的適用性，為煤礦系統級預警提供了新的思路。