基于層次分析法的煤礦頂板災害事故影響因素分析*

曹美玲，舒仕海，范婷婷，張 鵬

（興義民族師范學院物理與工程技術學院，貴州 興義 562400）

1 研究背景及意義

頂板災害事故是指在煤礦井下采掘的過程中，頂板意外冒落造成的人員傷亡、設備損毀、生產終止等事故[1-2]。頂板事故相對于煤礦瓦斯爆炸、透水等事故而言，其事故總量及死亡人數呈同步下降趨勢，但事故發生頻率高，較大事故發生起數及死亡人數均有增長趨勢，成為控制煤礦事故總量的重點。多年來，我國煤礦的頂板事故及頂板災害以其點多面廣、控制難度大等特點，在各類煤礦事故中一直居于前列[2-4]。據資料統計顯示，我國煤礦頂板事故起數和死亡人數分別占煤礦事故總起數和死亡總人數的50%、40%，80%的頂板事故發生在回采工作面。通過對2011—2021 年近10 年全國頂板事故災害總數及死亡人數進行統計分析（見圖1），結合2004—2008 年煤礦頂板事故起數變化趨勢圖[3]，得出頂板事故不但給國家和人民的生命、財產造成了巨大損失，而且也對社會造成了不良影響。因此，對頂板災害認識和防治具有重要的現實意義[3]。筆者在查閱大量文獻的基礎上，利用層次分析法對煤礦頂板災害事故的影響因素進行分析，從而找出導致煤礦頂板事故發生的主控因素，并提出有針對性的、有關現階段我國煤礦頂板災害的防治措施。

圖1 2011—2021 年全國頂板事故災害總數及死亡人數

2 層次分析法及煤礦頂板災害事故影響因素分析

2.1 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是美國運籌學家、匹茨堡大學教授薩蒂提出的一種層次權重決策分析方法[5]，是一種建立在系統理論基礎上解決實際問題的方法。其原理是將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統，將決策問題分解為不同的層次結構[6]，兩兩層級構建判斷矩陣，通過求解判斷矩陣特征向量與特征值的方法，求出每一層級的元素對上一層元素的優先權重，并對指標權重判斷矩陣進行一致性檢驗，在此基礎上通過加權求和的方法計算出各層級元素對總體目標的最終組合權重。

2.2 煤礦頂板災害事故影響因素分析

事故系統的四要素分別是人、機器、環境、管理。以下從人的不安全行為、物的不安全狀態、環境影響因素、管理上的缺陷四方面給出影響煤礦頂板事故的因素[7-10]。

1） 人的不安全行為：安全素質、操作能力、生理心理因素、人員進入冒落區域等。

2） 物的不安全狀態：監測預報系統、頂板破碎程度、支護強度等。

3） 環境影響因素：地質構造、煤層性質、突發自然災害等。

4） 管理上的缺陷：三違行為、監督管理制度、安全教育培訓等。

3 煤礦頂板事故層次分析結構模型的建立

通過對煤礦頂板事故影響因素進行分析，結合相關煤礦頂板事故研究文獻，構建煤礦頂板事故影響因素層次結構，共分為以下3 層。

第一層為目標層（O）：煤礦頂板事故。

第二層為準則層（C）：C1人的不安全行為、C2物的不安全狀態、C3環境影響因素、C4管理上的缺陷。

第三層為措施層（P）：共13 個子因子，見圖2。

圖2 煤礦頂板事故影響因素層次結構模型

4 權重的確定與分析

根據煤礦頂板災害事故影響因素層次結構模型構造判斷矩陣，采用九級標度法[1]，見表1。對判斷矩陣中各層元素進行重要度標識，進而得出指標權重判斷矩陣，兩兩比較得出每一層級之間的相互影響程度。求出判斷矩陣的最大特征值，將相對應的特征向量歸一得到權重值W，利用指標權重一致性比率（Consistent Ratio，CR） 對其進行一致性檢驗。

表1 比例標度的確定

CR 等于指標權重的一致性指標（Concordance Index，CI） 除以平均隨機一致性指標（Random Index，RI），RI[11-13]（N≤15），見表2。

表2 平均隨機一致性指標

4.1 權重的確定

4.1.1 確定準則層（C） 對目標層（O） 的權重

通過對貴州某煤礦進行實地調研，與煤礦管理人員和技術人員進行訪談，并邀請多名專家對影響煤礦頂板事故的指標體系進行賦值，得出以下判斷矩陣。

C～O 之間構成的判斷矩陣見表3。

表3 C～O 判斷矩陣

判斷矩陣的最大特征值λmax=4.099 0，將相對應的特征向量歸一得到權重值WC/O= [0.281 4 0.114 9 0.059 4 0.544 3]T，利用指標權重CR 對其進行一致性檢驗，CIC/O=0.033 0，RIC/O=0.90，CRC/O=0.036 7＜0.100 0，即該判斷矩陣通過一致性檢驗。

4.1.2 確定措施層（P） 對準則層（C） 的權重

措施層（P） 對準則層（C） 構成的4 個判斷矩陣分別如下。

C1判斷矩陣見表4。

表4 C1 判斷矩陣

判斷矩陣的最大特征值λmax=4.048 4，將相對應的特征向量歸一得到權重值WP/C1= [0.491 5 0.305 9 0.124 9 0.077 7]T，利用指標權重CR 對其進行一致性檢驗，CIP/C1=0.016 1，RIP/C1=0.90，CRP/C1=0.017 9＜0.100 0，即該判斷矩陣通過一致性檢驗。

C2判斷矩陣見表5。

表5 C2 判斷矩陣

判斷矩陣的最大特征值λmax=3.024 6，將相對應的特征向量歸一得到權重值WP/C2= [0.097 4 0.333 1 0.569 5]T，利用指標權重CR 對其進行一致性檢驗，CIP/C2=0.012 3，RIP/C2=0.58，CRP/C2=0.021 2＜0.100 0，即該判斷矩陣通過一致性檢驗。

C3判斷矩陣見表6。

表6 C3 判斷矩陣

判斷矩陣的最大特征值λmax=3.064 9，將相對應的特征向量歸一得到權重值WP/C3= [0.279 0 0.649 1 0.071 9]T，利用指標權重CR 對其進行一致性檢驗，CIP/C3=0.032 5，RIP/C3=0.58，CRP/C3=0.055 9＜0.100 0，即該判斷矩陣通過一致性檢驗。

C4判斷矩陣見表7。

表7 C4 判斷矩陣

判斷矩陣的最大特征值λmax=3.038 5，將相對應的特征向量歸一得到權重值WP/C4= [0.637 0 0.258 3 0.104 7]T，利用指標權重CR 對其進行一致性檢驗，CIP/C4=0.019 3，RIP/C4=0.58，CRP/C4=0.033 2＜0.100 0，即該判斷矩陣通過一致性檢驗。

4.1.3 確定組合權重

由準則層（C） 對目標層（O） 的權重和措施層（P） 對準則層（C） 的權重得出措施層（P） 對目標層（O） 的組合權重（見表8），并做整體一致性檢驗，進而得出層次總排序。

表8 組合權重

CRP/C=CIP/C/RIP/C=0.027 5＜0.100 0，即滿足一致性檢驗。

4.2 權重結果分析

從以上結果看，由準則層對目標層的權重可知，管理上的缺陷（權重0.544 3） 和人的不安全行為（權重0.281 4） 二者權重所占比例為82.57%，為影響煤礦頂板災害事故的主控因素。由表8 可知，三違行為（權重0.349 6）、監督管理制度（權重0.140 6） 是導致煤礦頂板事故發生的本質原因，所占比重最大；安全素質（權重0.138 2）、操作能力（權重0.086 0） 是人為因素中的主要因素；突發自然災害（權重0.004 3）、監測預報系統（權重0.011 2） 所占比重最小。

5 結論

1） 針對煤礦頂板災害事故的影響因素，利用層次分析法構建其指標體系，確定各項指標權重。從事故系統四要素：人、機器、環境、管理著手，構建煤礦頂板災害事故層次分析結構模型，分析結果表明，三違行為、監督管理制度、安全素質、操作能力是對煤礦頂板災害事故影響最大的4 個因素。在煤礦開采過程中，首先要使作業人員思想上高度重視，加強頂板安全教育培訓，杜絕“三違”發生，煤礦企業從自身做起；其次要對煤礦巖層進行預先危險性分析，根據巖層的性質與地質構造，使用符合質量標準的支護材料等，全方位保障煤礦開采過程的安全性。

2） 利用層次分析法計算權重，對權重結果進行排序，得出影響煤礦頂板事故的主控因素，為提出煤礦頂板事故的防治對策提供有力依據，并且該方法有效降低了專家判斷過程中主觀因素的影響，具有較高的準確度。

3） 運用層次分析法對貴州某煤礦進行評價，評價結果與開展實地調研的情況和頂板事故評價報告結論相符，表明基于層次分析法的煤礦頂板災害影響因素評價分析是可行的。