基于多标度的矿井突水风险等级模糊综合评价

徐 星,孙文标,田坤云,苏 政

(河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 451191)

基于多标度的矿井突水风险等级模糊综合评价

徐 星,孙文标,田坤云,苏 政

(河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 451191)

矿井突水是仅次于瓦斯突出的严重事故，是困扰煤矿生产和建设的突出问题.以事故致因理论和安全人-机-环境理论分析并构建了矿井突水风险评价指标体系，采用基于九标度的模糊层次分析法(FAHP)针对评价指标建立模糊判断矩阵、构建模糊一致矩阵并求取各指标的权重与综合权重，结合模糊综合评价法(FCE)进行了该评价指标体系的两级模糊综合评价.实例应用结果表明，基于多标度的矿井突水风险模糊综合评价模型能够对矿井突水风险进行数据挖掘，该评价结果可以为矿井突水防治提供理论参考和依据，亦可以为矿井其他类似的风险评价提供借鉴.

矿井突水风险；评价指标体系；多标度；模糊综合评价

矿井突水是一种典型的地下采矿事故和灾害，严重制约着高产高效矿井的建设与生产，不仅造成巨大的经济损失，同时也在社会上产生较大的负面影响.如何行之有效地对不同风险程度的矿井进行分类指导,杜绝或减少突水事故的发生，是一个亟待解决的难题[1-2].

矿井突水风险评价的方法主要有事故树分析法、层次分析法、安全检查表法和模糊综合评价法等，众多学者亦进行了一定研究.许江涛等[3]利用事故树分析方法求出了突水事故树的44组最小割集和19组最小径集，得到了矿井突水事故的各基本事件结构重要度，评价结果为矿井水害的防治提供了有力支持；桂祥友等[4]使用具有定量评价特性的层次分析法以掘进工作面为例进行了矿井突水事故的危险性评价，该评价结果与矿井的客观实际吻合；胡永达[5]依据安全系统工程中的事故致因理论建立了煤矿水害事故模型，利用安全系统分析法辨识和选择具有代表性的危险源作为安全检查表评价指标，依据安全检查表评价各地方煤矿水害的危险等级；田水承等[6]运用层次分析法对煤矿水害影响因素进行权重计算，构建了水害险兆事件管理的评价指标体系，最后使用模糊综合评价法对某矿进行了综合评价和分析.由于评价指标大多具有一定的模糊性，人们在决策问题时更倾向于模糊判断，模糊层次分析法将模糊综合评价与层次分析相结合，能够弥补层次分析法的局限性,使评价结果更趋于客观.同时，考虑到矿井突水风险评价具有模糊性大、不确定性因素多且动态变化的特点，将九标度的模糊层次分析法应用于矿井突水风险的权重确定，并结合模糊综合评价法建立基于多标度的矿井突水风险模糊综合评价模型，进行实例应用，以期提高矿井突水风险评价的准确性和可靠性.

1 评价模型

1.1 使用FAHP确定权重

首先，确定评价指标集U={u1，u2，…，un}，其中，ui(i=1，2，…，n)表示综合评价中的指标，n是评价指标的个数.指标ui权重的求取步骤如下：

(3)指标权重的确定.对模糊一致矩阵采用行和归一化,按公式(1)得到各指标关于某个准则的权重：

(1)

(4)确定综合权重.根据各层指标的权重，按公式(2)可计算因素层各指标相对于目标层的综合权重：

(2)

1.2 使用FCE进行综合评价

模糊综合评价利用模糊数学中的模糊运算法则对评价集进行量化综合，评价过程具有非线性的特点，步骤如下：

(1)确定评价评语集V={v1，v2，…，vp}，其中vj(j=1，2，…，p)表示综合评价中的评语等级，是对被评指标的区间划分，p是评语等级数或档次数.

(2)确定隶属度矩阵R.求出评价指标的隶属度，得到隶属度矩阵：

式中：rij为评价指标ui对应vj等级模糊子集的隶属度，i=1,2,…,n,j=1,2,…,p.该矩阵中的每一行是对每一个指标的评价结果，模糊关系矩阵R包含了按评语集V对评价指标集合U进行评价所获得的全部信息.

(3)模糊综合评价.模糊综合评价的模型为

B=W⊗R=(b1，b2，…，bp)，

(3)

式中：“⊗”表示模糊合成运算符号；B为权重向量W与模糊关系矩阵R合成的向量，即模糊综合评价结果.

2 工程应用

在对新郑某矿的水文地质状况调查与分析的基础上，建立了该矿突水风险评价体系的层次分析结构.该评价指标体系分为目标层、准则层和因素层，共21个评价指标[7-8]，如图1所示.

聘请来自设计院、煤矿现场和高等院校的10名专家组成安全诊断小组，对层次分析结构的各指标进行多标度的FAHP权重分析和FCE突水风险等级评判.

2.1 指标权重的计算

利用模糊一致矩阵的性质对模糊判断矩阵进行一致性检验：任意两行的差满足常数值，否则收集安全诊断小组成员的意见并反馈信息，对判断矩阵经过多轮调整，一直到诊断小组成员不再改变自己的意见为止，此时形成的判断矩阵具有模糊一致性.以构建A-Bj(j=1,2,3,4,5)模糊一致矩阵为例，见表1.

利用指标权重求取公式(1)可以得到wA-Bj=(0.21，0.16，0.26，0.26，0.11).同理，可以构建其他模糊判断矩阵、模糊互补矩阵转换与一致性检验并求取相应的权重，则因素层的21个指标的综合权重依据公式(2)可以获得：W=(0.048 9，0.077 1，0.063 0，0.021 0，0.056 0，0.034 7，0.045 3，0.024 0，0.056 4，0.073 6，0.091 0，0.039 0，0.078 0，0.060 6，0.060 6，0.060 6，0.027 5，0.022 0，0.016 5，0.033 0，0.011 0).如果以指标的累计百分比率在0%～80%为控制因素，则地下水(0.091 0)、构造断裂带(0.078 0)、征兆识别(0.048 9)、地表水(0.073 6)、专业技能(0.063 0)、导水裂隙带(0.060 6)、人为工程类通道(0.060 6)、其他类导水通道(0.060 6)、大气降水(0.056 4)、地表防水工程(0.056 0)、生理状况(0.048 9)、水仓与排水管路(0.045 3)、老空水(0.039 0)共13个指标(因素)占据总权重的82%，这13个因素涵盖了职工素质B1、防排水设备B2、充水水源B3、导水通道B4共4个一级指标.从安全系统原理来看，印证了煤矿水害的发生是人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不安全因素在一定的安管水平下相互作用的结果.这13个因素被称为煤矿水害危险性的控制因素，这为有的放矢地制定水害防治措施提供了有力的决策依据和出发点.

图1 矿井突水风险评价指标体系Fig.1 Mine water bursting risk evaluation index system

2.2 模糊综合评价

表1 A-Bj模糊一致矩阵Tab.1 Fuzzy consistent matrix of A-Bj

表2 评价等级分值与加权值Tab.2 Rating scale and weighted value

(1)一级模糊综合评价

经分析，职工素质B1的模糊综合评判结果向量如下：

B1=W1⊗R1=[0.328 3 0.196 7 0.233 3 0.160 0 0.036 7].

矿井突水风险评价其他指标Bi(i=2,3,4,5)的评判结果向量如下：

B2=W2⊗R2= [0.321 6 0.336 7 0.199 0 0.141 8 0.000 0]，

B3=W3⊗R3= [0.136 7 0.265 0 0.215 0 0.348 3 0.035 0]，

B4=W4⊗R4=[0.023 3 0.276 4 0.323 0 0.299 7 0.077 6]，

B5=W5⊗R5=[0.430 0 0.305 0 0.220 0 0.045 0 0.000 0].

(2)二级模糊综合评价

上述评价结果向量可以构成模糊隶属度矩阵R：

则矿井突水风险评价结果为

(0.209 3，0.269 6，0.244 8，0.229 6，0.046 7).

由于计算结果中0.269 6，0.244 8和0.224 8比较接近，且最大隶属度原则没有估计到其他Bi值对评价结果的影响，所以这里使用加权平均的计算方法转化为分值：

T=B·V=(0.209 3×95+0.269 6×85+0.244 8×75+0.229 6×65+0.046 7×30)=77.480 0.

将分值按照表2的评价等级标准值进行定级，定位为中等风险，结合该矿的水文地质条件及地质构造复杂程度可知，该评价结果具有一定的可信度.

根据最大隶属度原则，由B1 max=0.328 3确定该矿的职工素质B1为低风险等级，由B2 max=0.336 7可知该矿的防排水设备B2处于较低风险等级，由B3 max=0.348 3确定该矿的充水水源B3处于较高风险等级，由B4 max=0.323 0可知该矿导水通道B4处于中等风险等级，由B5 max=0.430 0可知该矿的安全管理B5处于低风险等级.由此可以看出，该矿的充水水源B3和导水通道B4所辖的几个影响因素对该矿的水害危险程度起到了控制作用.结合该矿的水害危险性评价体系各个指标的影响权重值可以得出，该矿应在地下水(权重值为0.091 0，排名第1)、构造断裂带(权重值为0.081 2，排名第2)、地表水(权重值为0.073 6，排名第4)、导水裂隙带、人为工程类通道、其他类导水通道(权重值均为0.060 6，排名并列第6)、大气降水(权重值为0.056 4，排名第9)、地表防水工程(权重值为0.056 0，排名第10)、老空水(权重值为0.039 0，排名第13)等方面有针对性地制定措施，以防止突水灾害的发生.同时也可以看出，职工素质B1、防排水设备B2所处状态比较好，得到了诊断小组多位专家的认可，应继续在职工素质所辖的征兆识别(权重值为0.048 9，排名第3)、专业技能(权重值为0.063 0，排名第6)、生理状况(权重值为0.048 9，排名第11)这3个控制因素及防排水设备所辖的水仓与排水管路(权重值为0.045 3，排名第12)方面进行保持、加强和完善.

3 结论

(1)在搜集已有资料和对现场水文地质条件调查的基础上，构建了矿井突水风险评价指标体系.使用基于多标度的FAHP构造模糊判断矩阵并确定了21个指标的权重及其总排序，地下水(0.091 0)、构造断裂带(0.078 0)、征兆识别(0.048 9)、地表水(0.073 6)、专业技能(0.063 0)、导水裂隙带(0.060 6)、人为工程类通道(0.060 6)、其他类导水通道(0.060 6)、大气降水(0.056 4)、地表防水工程(0.056 0)、生理状况(0.048 9)、水仓与排水管路(0.045 3)、老空水(0.039 0)共13个指标(因素)占据总权重的82%，是矿井突水风险的控制因素，同时也是矿井突水防治的重点.

(2)将基于多标度的FAHP—FCE评价模型进行实例应用，采取加权计算法得T=77.48，确定该矿的突水风险等级为中等，评价结果与实际情况相符，能够有效并准确地反映该矿的突水风险程度.模糊综合评价的量化综合直观地展现了矿井安全生产系统中突水潜在的安全隐患及部位，据此提出了相应的防治措施，具有一定的指导意义.

[1] 傅贵,杨春,殷文韬.煤矿水灾事故动作原因研究[J].中国安全科学学报,2014,24(5):56-61.

[2] 董书宁.对中国煤矿水害频发的几个关键科学问题的探讨[J].煤炭学报,2010,35(1):66-71.

[3] 许江涛,邓寅生,文广超,等.事故树分析法在矿井水害防治中的应用[J].西安科技大学学报,2009,7(4):405-408.

[4] 桂祥友,郁钟铭.矿井水灾害预测的安全评价研究[J].中国矿业,2006,15(5):35-37.

[5] 胡永达.杨庄煤矿水害危险性评价及防范对策研究[D].合肥:合肥工业大学, 2009.

[6] 田水承,寇猛,金梦.煤矿水害险兆事件管理评价指标体系构建及其应用[J].西安科技大学学报, 2016,32(2):182-186.

[7] 徐星,吴金刚,张惠聚,等.赵家寨二1煤底板突水影响因素分析与防治建议[J].煤矿安全, 2011(9):151-153.

[8] 凌标灿. 煤矿水灾安全评价内容探讨[J].中国安全科学学报, 2004,14(7):64-66.

Researchonthefuzzycomprehensiveevaluationofminewaterburstingriskgradebasedonmulti-scale

XUXing,SUNWenbiao,TIANKunyun,SUZheng

(CollegeofSafetyEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Mine water bursting is the only serious accident after gas outburst, and the water bursting has been a prominent problem which has been plagued the production and construction of coal mine. Based on the theory of accident causing theory and safety of man-machine-environment theory analysis, the mine water bursting risk evaluation index system is analyzed. Fuzzy AHP (FAHP) based on nine scale is used to establish the fuzzy judgment matrix for the index of evaluation index system, fuzzy uniform matrix and the weight and comprehensive weight of each index. It was combined with fuzzy comprehensive evaluation method (FCE) for the two grade fuzzy comprehensive evaluation of the evaluation index system, the results show that: the fuzzy comprehensive evaluation which was based on risk multi scale model of water bursting could dig out potential threats of mine water bursting risk, according to the evaluation results, it could provide a theoretical reference and the basis for the prevention of water bursting from coal mine, it could also provide methodological reference for other similar coal mine risk evaluation.

mine water bursting risk; evaluation system; multi scale; fuzzy comprehensive evaluation

TD745

A

1674-330X(2017)04-0039-05

2017-08-13

国家自然科学基金(51604091);河南省高等学校重点科研项目(18A440010)

徐星(1979-)，男，山东烟台人，讲师，博士研究生，主要从事矿山水害防治与安全评价研究.