基于三类危险源分析的瓦斯爆炸事故灰色-层次评价

(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院 山东 青岛 266590；2.山东科技大学 矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590)

基于三类危险源分析的瓦斯爆炸事故灰色-层次评价

黄冬梅

(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院 山东 青岛 266590；2.山东科技大学 矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590)

在对瓦斯爆炸事故致因调查分析的基础上，依据三类危险源理论对各影响因素进行分类，构建了瓦斯爆炸事故评价指标体系；将层次分析法与灰色理论相结合，建立了瓦斯爆炸事故的灰色-层次评价(G-A)模型，并结合具体煤矿实例，确定评价指标的权重，运用G-A评价模型对该矿井瓦斯爆炸事故进行评价，确定了风险等级及重点防范问题，对我国矿井瓦斯爆炸事故预警具有一定的借鉴意义。

瓦斯爆炸；危险源；灰色理论；灰色-层次评价

Abstract: Based on the investigation and analysis of gas explosion accidents, various influencing factors were classified according to the theory of three kinds of hazards and an evaluation index system of gas explosion accidents was established. Then, the gray-hierarchy (G-A) evaluation model of gas explosion accidents was proposed by combining the analytic hierarchy process and grey theory. Finally, a coal mine was taken as an example to determine the weight of evaluation index and the G-A model was used to evaluate the gas explosion accidents of this coal mine to determine the risk level and key precautions. The proposed method has a certain reference to the warnings of coal mine gas explosion accidents.

Keywords: gas explosion; hazard; grey theory; grey-hierarchy evaluation

近年来随着我国煤矿监察、监管及法律、法规体系的完善，煤矿安全情况有较大好转。但由于我国煤炭生产绝大多数属于井下开采，且随着开采深度的增加，地质构造愈加复杂，由此引发的煤矿开采安全问题不断凸现，尤其是开采过程中发生的瓦斯爆炸事故。据统计，在2005—2014这十年间，瓦斯爆炸事故无论从事故数量还是死亡率来看都是最多的，分别占50.83%和64.05%[1]，2001—2014年，死亡达3人以上的瓦斯事故就高达1 122起，死亡人数9 336人，分别占到煤矿事故和死亡人数的52.33%和58.95%；而瓦斯爆炸事故则占瓦斯事故总数的55.97%，死亡人数占瓦斯事故总死亡人数的70.00%[2-3]。仅2012—2015年，我国发生瓦斯事故近百起，死亡600余人[4]。瓦斯爆炸事故是矿山行业的灾难性事故，严重威胁到矿井的安全生产。因此，对瓦斯爆炸事故进行分析和评价，从本质上减少事故发生，提高矿井开采的安全性具有明确的作用。

当前，我国学者在瓦斯爆炸事故领域进行了深入研究。施士亮等[5]结合层次分析和聚类法建立了瓦斯事故的非线性多层次评价模型；殷文涛[6]从人因角度，深入分析了瓦斯爆炸事故的动作致因；付晓等[7]对灰色分析法进行了改进，建立了灰色斜率关联模型；刘芮葭[8]通过灰类-IAHP方法建立了瓦斯爆炸事故评价模型，并进行了实例分析。国外学者TAUZIED等[9]对瓦斯爆炸危险评估及预测进行了研究，提出在矿井关闭前必须将地质条件及井下多种影响因素作为算子，对瓦斯爆炸进行风险评估；RAUFFLET等[10]研究了煤矿及油气开采中可能出现的瓦斯爆炸问题及其预防工作；PEJIC等[11]对矿井瓦斯爆炸事故提出预测模型，并进行了半定量评价。本研究通过分析瓦斯爆炸事故特点并结合矿井实际建立了评价指标，基于灰色系统理论和层次分析法构建了G-A综合评价模型，将信息不完全的瓦斯风险灰色系统白化，用数理方法对不确定信息量化分析，有效解决了灰色系统指标不确定性的问题。

1 基于三类危险源分析的瓦斯爆炸事故评价指标体系

对瓦斯爆炸事故进行风险评价，如果没有一个指标参照，评价效果就无法量化。而瓦斯爆炸作为一个复杂的系统，其发生本质上是由危险源而导致的。因此，本研究综合煤矿实际情况，并从固有、诱发因素及人因等三类危险源的角度入手，建立了针对一般煤矿瓦斯爆炸危险源系统的评价指标体系。该体系中，一级评价指标是影响瓦斯爆炸的目标层，即分为固有危险源(第一类危险源)、诱发危险源(第二类危险源)和人的因素(第三类危险源)；二级评价指标是评价的指标层，分为15个二级因素(图1所示)。

图1 瓦斯爆炸评价指标体系Fig. 1 Evaluation index system of gas explosion

2 灰色-层次评价模型的建立

2.1 基于层次分析和灰色关联分析确定权重

确定评价指标体系后，需要确定指标权重，也即对指标的重要性程度进行分类。将层次分析法嵌入到灰色系统分析中，并采用灰色关联分析来验证权重的合理性，直至达到一致性检验要求。

2.2 确定评价指标样本矩阵

瓦斯爆炸事故有多个方面的诱因，因此，在这里将风险等级划分为“优、良、中、差”四个等级，其对应的评分分值依据白化权函数的灰类级别而确定。通过该方法将煤矿瓦斯爆炸危险性中的定性指标转化为定量指标。当风险位于两个等级之间时，相应分值为两个级别之间的平均值。在此基础上，组织专家评分以建立评价样本矩阵。请评价专家按照上述评价等级标准打分，并填写打分表。根据专家打分dijh，求出样本矩阵D，其中dijh代表第h个专家对第i个风险因素的第j个指标进行的打分。

(1)

2.3 确定评价灰类和白化权函数

设评价灰类的序号ee=1,2…g，将评价灰类分为“优、良、中、差”4级，则g=4。其中，白化权函数[12-13]如下：

第一灰类“优”e=1，灰数l1∈d1,∞，白化权函数为f1：

(2)

第二灰类“良”e=2，灰数l2∈0,d2,2d2，白化权函数为f2：

(3)

第三灰类“中”e=3，灰数l3∈0,d3,2d3，白化权函数为f3：

(4)

第四灰类“差”e=4，灰数l4∈0,d4,2d4，白化权函数为f4：

(5)

2.4 确定灰色评价系数

各指标的原始评价样本值经过白化权处理[14-15]后，把同一灰类的白化权函数值之和作为其灰色评价系数，计算公式为

(6)

对二级指标属于各个灰类的总评价系数xij，其公式为

(7)

2.5 灰色评价权向量及矩阵的计算

评价专家就二级指标Cij的第e灰类灰色评价权为：

(8)

对于二级评价指标Cij，其各灰类的灰色评价权向量为：

rij=rij1,rij2,…,rijg。

(9)

将该级评价指标Cij的各个评价权向量汇总整理，可得Cij的各灰类对应的评价权矩阵Ri。

2.6 多级评价

1) 对二级评价指标集Bi作综合评价，其灰色评价矩阵即为：

Bi=WBi·Ri=bi1,bi2,…,big。

(10)

2) 对A作综合评价。由式(10)可得A所属指标Bi的各评价灰类的灰色评价权矩阵R，结合A的评价权重WA综合评价的结果记为A，则：

A=WA·R=b1,b2,…,bg。

(11)

3) 对项目进行总评价。由于综合评价结果是向量的方式，只有对其进一步数值化处理，才能明确风险的大小。采用4级灰类，并按照实际情况对各灰类等级进行赋值，则根据各评价灰类等级赋值化向量U=u1,u2,…,ug求出项目总目标的评价值为：

V=AUT。

(12)

最后，可得出对应综合评价值V，从而确定瓦斯爆炸事故的危险性等级。

表1 判断矩阵标度定义Tab.1 Judgement matrix for scaling definition

3 实例分析

3.1 指标体系及权重的确定

以山东新汶矿区某矿井瓦斯异常区的工作面为例，结合矿井实际情况，依据前面的一般性瓦斯爆炸事故评价指标建立相应的因素集，各因素集对应的指标如图1。在各级指标权重确定时，首先以表1中对应的1～9及其倒数为标度[16]进行两两比较，给出各层次指标对应的判断矩阵。其中一级指标的判断矩阵为：

(13)

继而进行一致性检验，

(14)

其中，λmax为判断矩阵的最大特征值。

经过计算可知：λmax=2.92，代入数值可知CR=-0.076<0.10，矩阵A的一致性是可以接受的。运用算术平均法计算权重。

(15)

根据上式和判断矩阵，对一级指标进行计算得出其权重为：

WA=0.120,0.272,0.608 。

(16)

同理可以计算出三类二级指标的权重：

WB1=0.466，0.161,0.219,0.154 ，

(17)

WB2=0.100,0.060,0.288,0.245,0.115,0.192 ，

(18)

WB3=0.194,0.194,0.081,0.388,0.143。

(19)

将上述各级指标权重进行灰色关联分析验证可知，该权重计算是合理的。

3.2 确定评分矩阵

根据白化权函数的灰类级别，确定各风险等级评分分值分别为“4、3、2、1”，组织5位熟悉本矿井情况的技术人员按照评分标准对三类瓦斯危险源指标进行打分，得出评分矩阵D，各专家评分如表2。

3.3 确定各级评价系数和评价矩阵

根据评价灰类和白化权函数公式可知，二级指标Cij属于第e个灰类的灰色评价系数分别是：

指标C11C12C13C14C21C22C23C24C25C26C31C32C33C34C35专家1343431233221334专家2333432224312323专家3442341133322234专家4333431233221333专家5343432322312333

(22)

(23)

对于二级指标C11，各灰类的总灰色评价体系x11e=1,2,3,4及对应的灰色评价权向量r11为：

(24)

同理，可以求出其他指标的灰色评价系数，进而确定评价权向量，得到灰色评价权矩阵R1,R2,R3，即：

(25)

(26)

(27)

3.4 综合评价

1)对B类评价因素做综合评价，评价结果为：

(28)

同理，可得：

(29)

(30)

(31)

3)对系统总目标进行评价

根据前文将该矿井瓦斯爆炸的危险性按照风险的高低分为4个等级，其评价灰类等级赋值化向量U=4,3,2,1，则该矿井瓦斯异常区发生爆炸风险的综合评价值为：

(32)

由灰色层次分析法计算可知：该工作面瓦斯异常区发生瓦斯爆炸的可能性分数值为2.927，根据风险等级可知该风险处于“中”和“良”之间，且靠近“良”级别较近，故其风险是可接受的。经与实际情况对比分析可知：评价结果与该矿井瓦斯异常区工作面的实际情况吻合度较好，且核心风险因素也符合实际情况。因此，应该看到其潜在的一些隐患，根据评价结果可知，该矿在安全投入、诱发性火源、工作面瓦斯涌出及防灾意识等方面还急需引起重视，加强防范措施，以保证矿井瓦斯爆炸各个影响因素的变化在可控范围内，尽量减少事故发生的可能性。

4 结论

将层次分析法与灰色系统理论结合，建立了G-A综合评价模型，并结合矿井实例进行了瓦斯爆炸事故风险评价，得出如下结论：

1)根据三类危险源理论，获取瓦斯爆炸事故关键致因，建立了一般矿井瓦斯爆炸三类危险源评价指标体系，并将层次分析法嵌入到灰色评价系数的计算中，对各级别风险因素进行排序，确定指标权重，经灰色关联分析验证了权重的合理性。

2)运用灰色层析分析法构建了瓦斯爆炸危险源G-A综合评价模型，该模型将定性分析通过数学方法转化为量化分析。并利用灰色系统论中的灰色白化权函数将信息不完全的瓦斯危险源系统白化。将评价结果跟实际情况进行对比分析可知，该评价体系是较为合理的，可为类似的事故分析及评价提供借鉴和参考。

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(责任编辑：高丽华)

Grey-hierarchyEvaluationofGasExplosionAccidentsBasedonAnalysisofThreeKindsofHazards

HUANG Dongmei

(1. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

TD712

A

1672-3767(2017)06-0103-06

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.06.015

2016-12-29

国家自然科学基金项目(51604165，51704179)；山东省自然科学基金项目(ZR2016EEB23)；山东省高校科技计划项目(J15LH02)；矿山灾害预防控制重点实验室开放基金项目(MDPC2016ZR03)

黄冬梅(1982—)，女，山东济宁人，讲师，博士，主要从事矿山安全评价等方面的研究工作. E-mail:kmcandy@126.com