基于层次分析法的煤矿瓦斯事故风险评价模型研究

李亚男　李晨晨（中南财经政法大学 信息与安全工程学院，湖北 武汉 430073）

基于层次分析法的煤矿瓦斯事故风险评价模型研究

李亚男李晨晨（中南财经政法大学 信息与安全工程学院，湖北 武汉 430073）

为对矿井瓦斯事故进行合理性评价，进而预防与控制煤矿瓦斯事故发生，分析并归纳矿井瓦斯事故影响因素，并基于此建立矿井瓦斯事故风险评价指标体系。在此基础上，运用层次分析法确定矿井瓦斯事故影响因素的权重，建立矿井瓦斯事故风险评价模型，并对评价结果进行验证。结果表明：基于层次分析法建立的煤矿瓦斯事故风险评价模型可提高矿井瓦斯事故评价的有效性和精确度，符合客观实际，值得推广并借鉴应用。

矿井瓦斯事故；层次分析法；指标体系权重；风险评价模型

长期以来，煤矿企业一直是我国安全生

产事故发生最多，危害最大的行业，煤矿生产过程中的灾害类型众多，灾害事故频发［1］。其中，瓦斯事故以其破坏性强，经济损失大，人员伤亡多等显著性特点，对煤矿安全生产造成了严重的危害［2］，它已成为严重影响我国煤炭安全生产形势稳定好转和煤炭行业健康发展的突出因素。因此，评价、预防与控制矿井瓦斯事故是亟待解决的安全问题。

在安全事故分析中，层次分析法是一种应用极其广泛的方法。所谓层次分析法，是指首先将一个非常复杂的，目标多样的决策问题作为一个整体的系统，将决策的目标分解成多个准则，进而将问题分解为多目标（或准则、约束）的若干层次，最后通过定性指标模糊量化方法算出每个层次单排序（权数）和总排数，以作为目标（多目标）、多方案优化决策的系统方法［3］。其运用包括6个主要步骤：（1）构建层次模型、（2）确定评价指标体系、（3）构造判断矩阵，（4）确定权重、（5）判断一致性、（6）总体排序。同样，上述分析方法可适用于矿井瓦斯事故风险评价。

鉴于此，笔者在分析并归纳矿井瓦斯事故影响因素的基础上，建立矿井瓦斯事故风险评价指标体系，并运用层次分析法确定矿井瓦斯事故影响因素的权重，建立矿井阿斯事故风险评价模型，以期为煤矿瓦斯事故风险评价提供理论依据与方法参考。

1　矿井瓦斯事故风险评价指标的确立

1.1矿井瓦斯事故影响因素分析

瓦斯事故的类型多种多样，主要包括：瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯中毒等。首先，我们要分析清楚造成瓦斯事故的主要原因。瓦斯爆炸的形成包括3个必要条件，分别是：①一定的瓦斯浓度。瓦斯浓度一般在5%～16%之间。②一定的引火温度。瓦斯的燃点介于650～750℃之间，且存在时间必须大于瓦斯爆炸的感应期。③充足的含氧量。氧气浓度不得低于12%。因此，引发煤矿瓦斯事故的原因主要与地质条件、技术装备、人员素质、安全教育、环境安全、管理水平等要素有关。

1.2矿井瓦斯事故风险评价指标体系构建

由上述分析建立矿井瓦斯事故的AHP结构模型图，详见图1。

图1　矿井瓦斯事故的AHP结构模型图

2　基于AHP法的矿井瓦斯事故风险评价模型构建

2.1构造两两比较判断矩阵

层次分析法要求逐层计算出有关相互关联的元素间的相对重要性，并予以量化，进而组成判断矩阵，作为分析的基础［3，6］。当一个上层元素与下层多个元素有关联时，难以判定出下层多个元素之间的相对重要度，但如果每次仅仅取2个元素来比较，就易于判定了。在成对的比较矩阵中，具体用数字标度来代表一个元素针对准则超越另一个元素的相对重要性［7］。这种量化的判断是近似的，如表1所示。

现设上一层次中的一个元素A与下一层次B层中的3个元素，具有关联性，用表示（对于因素A而言）

表1　比例标度的意义

元素对元素的相对重要性，结合专家打分的方法［5～7］将全部比较结果构成了对于因素A的判断矩阵B。如表2所示：

表2　二级指标对一级指标的判断矩阵

同理，结合专家打分的方法及相关资料，做出三级指标对各二级指标的判断矩阵。

基于“瓦斯爆炸”的准则，构造出导致矿井瓦斯事故各种因素之间的相对重要性的比较，做出的判断矩阵如表3所示。

表3　瓦斯爆炸危险性判断矩阵

基于“煤与瓦斯突出”准则，构造导致矿井瓦斯事故各种因素之间的相对重要性比较，做出的判断矩阵如表4所示。

表4　煤与瓦斯突出危险性判断矩阵

基于“瓦斯中毒窒息”准则，构造导致矿井瓦斯事故各种因素之间的相对重要性比较，做出的判断矩阵如表5所示。

表5　瓦斯中毒窒息危险性判断矩阵

2.2计算各项指标的权值

（1）采用方根法计算权重向量，步骤为：首先计算元素几何平均值，即需要算出各个两两比较判断矩阵的每行的所有元素的几何平均值，从而得到向量=（），其中，

（2）对列向量进行归一化处理，进而得到相对权重W=，其中

由（1）（2）可以算出各判断矩阵的权重向量，将在后面的结果中体现出来。

2.3层次单排序及其一致性检验

判断矩阵作为AHP的基础，具有一定的主观性。因此，采用AHP来处理问题时，能否保证判断矩阵具有良好的一致性至关重要，需要对该矩阵进行一致性检验以保证其具有良好一致性。其检验步骤如下：

（1）计算判断矩阵的最大特征值

其中表示的i个分量。

（2）计算判断矩阵的一致性指标

其中，n为判断矩阵的维数。

（3）计算判断矩阵的随机一致性比例

其中，RⅠ为判断矩阵的随机一致性指标值。平均随机一致性指标RⅠ，RⅠ是多次（大于500次）重复进行随机判断矩阵特征值得计算后取算术平均值得到的。表6给出了1～6阶判断矩阵的RⅠ值［5，6］。

表6　判断矩阵的RI值

当CR＜0.1时，一般认为A的一致性在可接受范围之内。否则需要重新调整判断矩阵，直至该矩阵满足一致性检验。

因此由（3）（4）（5）可对以上矩阵可分别进行一致性检验，其计算结果如下：

CR CI 3.038 6.132 0.039 0.580 1.240 4.117 0.026 0.090 0.029 0.43 0.019 3.030 0.015 0.580 0.021 RI 0.033

2.4层次总排序及其一致性检验

根据上述各判断矩阵所计算出的各因素权重结果，将造成矿井瓦斯事故各类型的因素层次综合起来，排序列表，如表7所示。

表7　层次总排序表

层次一致性检验如下：

由上述（6）（7）（8）式算出本模型一致性：

因此上述方法是合理的。

3　结语

（1）由以上数据可知，导致“矿井瓦斯事故”这个结果，所考虑6种因素的相对优先排序为“技术装备”；其次是“地质条件”“环境安全”，“管理水平”“安全教育”；最后是“人员素质”。因此要大大加强技术装备的改善，其次是注重环境安全以及管理水平的提高。显然，这种分析方法对矿井瓦斯事故的风险评估提供了理论依据。

（2）由矩阵A可知，瓦斯爆炸是煤矿瓦斯灾害的主要类型。而防止瓦斯爆炸事故重点在于解决技术设备、安全教育、以及环境安全方面的问题。需要关注的是中毒窒息事故多发，反应了煤矿基础安全管理工作中的突出问题，煤矿企业在加大安全生产基础建设和科技投入的同时，迫切需要强化职工安全教育，促进煤矿安全的可持续发展。

（3）层次分析法，简单易懂。用来确定煤矿瓦斯事故风险评价指标的权重，比主观经验法、专家打分法等方法更加准确。由指标所对应的权重，可以帮助矿井瓦斯更好分清各因素的相对重要性，有效的发现矿井瓦斯生产过程中对应的安全隐患，及时制定有效的安全管理措施，防范矿井瓦斯事故的发生。

（4）进行矿井瓦斯事故风险评价的重要前提是确定科学合理的安全评价指标体系，但目前矿井瓦斯安全评价指标甚至是煤矿安全评价指标仍没有统一的划分标准，还需进一步改进。

［1］刘亚静，毛善军等.基于层次分析法的煤矿安全综合评价［J］.矿业研究与开发，2007，27（4）：82～84.

［2］谢景娜，罗新荣.基于层次分析法的煤矿瓦斯灾害评价［J］.能源技术与管理，2011，4.

［3］刘玉雪，王章虎.层次分析法（AHP）在风险分析和评价中的应用［J］.工程与建设，2008，22（1）：22～24.

［4］卢国志，李希勇等.煤矿安全评价指标体系研究及应用［J］.安全与环境学报，2003，3（3）：29～31.

［5］郭德勇，范金志.煤与瓦斯突出层次分析～模糊综合评判方法研究［D］.北京：中国矿业大学（北京），2003：37.

［6］王朋飞，李翠平等.基于层次分析法的矿井突水风险评价［J］.金属矿山，2012，38（12）：95～97.

［7］宋士学，曹庆贵等.基于AHP和模糊数学的煤矿瓦斯爆炸危险性评价及应用［J］.中国矿业，2008.10.