基于模糊综合评价法的大倾角煤层飞矸安全评价及应用

刘 明，李 宽，伍永平，吕文玉

（1.辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054）

近年来，随着深部煤层和倾角较大煤层开采力度的加大和综采技术的发展，我国大倾角煤层开采矿井数目逐年增多，随之而来的飞矸灾害事故也屡屡发生。从目前发表的文献资料中不难发现，国内外对飞矸安全评价方面的研究较少。对大倾角煤层工作面飞矸安全评价是一个既复杂又系统的过程[1-3]。为消除评价体系中存在的主观性和片面性，提高安全评价的准确度，反映飞矸对工作面的实际影响状况，采用模糊数学和层次分析法的相关理论将定量指标和定性指标进行科学而又系统的整合在一起[4-7]。

1 建立以人为本安全分析模型

以人为本的重要之处在于，人是安全系统中的重要的子系统之一。将人作为人机环管系统分析模型的核心，是事故分析、事故预防和安全分析的重要因素。大倾角煤层工作面飞矸事故发生的原因是多方面的，包括人、设备、环境和管理等各方面因素。如人对工作项目结果的误判、操作的失误，违章指挥及违章作业；防护设备的设计、生产和加工等产生的缺陷；自然环境和作业环境的缺陷；安全管理的疏漏等，都可能导致飞矸事故的发生。因此，飞矸的防治与生产过程中的诸多环节和条件发生联系，并受其制约，如果不考虑这些联系和制约关系，而孤立的从个别环节或在某一局部范围内分析和研究安全措施，是难以奏效的。所以，必须从人、机、环境和管理4 方面来分析工作面飞矸系统的安全性。

2 评价指标体系

在大倾角煤层飞矸伤害安全评价中应该把抽象的评价内容转化为具体、实在的价值判定要素。根据井下生产的实际状况应将评价体系分为人、机、环境和管理4 个方面考察[8-14]。

2.1 确定影响因素集

对系统的分析，将评价体系中的评价指标进行系统的划分，建立相对应的指标体系，并确定指标体系中的各个指标。因素集 U=（U1，U2，…，Un）为指标体系中的n 种指标的集合。

2.2 评价集

根据行业准则或者是相关的理论体系对各个被评价指标确定其相应的评价集。首先，可以将大倾角煤层开采飞矸安全评价结果划分为5 个安全等级，即Q={非常安全，安全，一般安全，比较不安全，不安全}；然后，确立评价集对应的量化值 V=（V1，V2，…，Vn）。

2.3 指标权重

采用层次分析法计算模型的指标重要度。首先，采用层次分析法将系统中的各个要素排序，可以把系统中比较复杂的问题通过此方法转换为有序的递阶层次结构模型；其次，把同层次的要素分别两两对比；最后根据比较结构对评价指标进行重要性排序。其基本操作步骤如下：

2.3.1 建立递阶层次结构

将待解决的问题按照系统层次划分为若干区域，这样可以将复杂的系统分解成由若干元素构成的小部分，以此构建层次结构模型。

2.3.2 构造比较判断矩阵

将处于同分层中的指标的重要性进行两两对比，可以得到同分层中各个评价指标的相对重要度。在构建比较判断矩阵时，可采用指数标度法构造比较判断矩阵 A=（aij）n×n[15]。

2.3.3 各因素权重计算及一致性检验

式中：aij为比较判断矩阵中第i 行的第j 个评价指标。

式中：Wi为元素的相对重要程度，即权重值。

再次，计算比较判断矩阵A 的最大特征值λmax：

最后，判断矩阵偏离一致性：

式中：CI 为一致性指标；n 为判断矩阵阶数，若n=1，2 时则不必检验。

在不同阶段的判断矩阵中是否具有满意的一致性，用平均随机一致性指标RI 来度量。维度n=1 或2，平均随机一致性指标RI=0；n=3，RI=0.58；n=4，RI=0.94；n=5，RI=1.12；n=6，RI=1.24；n=7，RI=1.32；n=8，RI=1.41；n=9，RI=1.45。令当 CR＜0.1时，认为比较判断矩阵的一致性可以接受，否则需要对判断矩阵作适当的修正，在通过一致性检验后，最终得出各指标的权重。

2.4 建立隶属度矩阵

各个指标的隶属度由专家打分法来计算。对专职技术人员和该学术领域学者使用问卷调查来获得各个指标的评价个数，从而可以得到关系矩阵R 中各个元素rij的值。根据m 份的调查问卷和每个指标的评语评价个数向量，求出隶属函数rijz：

式中：Fijz为赋予第i 个一级指标的第j 个二级指标中第z 个评语等级的人数；m 为专职技术人员和学者调查问卷的有效份数。

2.5 计算模糊综合评价最终值

首先，根据权重W 和隶属度矩阵R，计算大倾角煤层工作面飞矸安全评价一级指标向量：

式中：Hi为各个评价指标的综合评价值。

其次，将Hi归一化：

最后，得到评判值e 为：

由此得到大倾角煤层工作面飞矸安全评价的等级 e。非常安全评语分值＞90，80＜安全＜90 ，60＜一般安全＜80 ，40＜比较不安全＜60 ，不安全＜40。

3 实例验证

根据所构建的大倾角煤层工作面飞矸伤害安全评价指标步骤和方法，设计相应的安全指标调查问卷，通过对艾维尔沟矿区新疆焦煤集团2130 煤矿的25221 工作面工况进行调查。对此煤矿调查发现，煤层为典型的大倾角煤层，基于对操作人员综合素质、挡矸设备可靠性、工况环境和该煤矿管理4 方面进行影响因素分析，并确定该煤层工作面的飞矸安全评价指标体系，其递阶层次结构如图1。

3.1 计算指标权重

图1 大倾角煤层飞矸安全评价指标体系图Fig.1 Diagram of evaluation index system of flying gangue safety in steeply dipping seam

根据此方法，计算各层指标权重，例如：构造准则层指标，即员工综合素质A、飞矸防护设备B、工作面环境性质C、安全管理D 等的比较判断矩阵，并进行一致性检验。指标判断矩阵见表1。

表1 指标判断矩阵Table 1 The weight table of each index

员工综合素质A、飞矸防护设备B、工作面环境性质 C、安全管理 D 指标权重分别为 0.172，0.317，0.358、0.1524。CI=0.005，CR=0.005 3＜0.1，即一致性可以接受。同理可求得余下指标因素权重（表2）。

层次分析法可以简明有效的分析出系统中各个指标在该评价体系中的地位，从而识别出该体系中的重点和次重点，从而在实施飞矸防治时更有针对性。从各个指标的结果来看，准则层中，工作面性质所占比重最大，其次是飞矸防护设备，最后才是员工综合素质和安全管理，由此更加强调了工作面环境性质的重要性。而在方案层中，工作面倾角所占比重最大，其次是挡矸装置完好和挡矸装置可靠性。由层次分析法计算的权重可知，在大倾角煤层工作面上，煤层倾角大小和挡矸装置的完好与可靠程度是员工和井下设备受到危害的较大影响因素。这些重要性排序靠前的指标要素是影响工作面飞矸安全评价的关键因素，也是工况下监测和监察的重点。

表2 各个指标权重表Table 2 Weight table of each index

3.2 大倾角煤层工作面飞矸安全等级计算

根据评语集对该工作面独立地对每个评价因素指标进行评价，得出隶属度矩阵。邀请了10 位大倾角煤层开采方面专家和专业技术人员对艾维尔沟矿区新疆焦煤集团2130 煤矿的25221 工作面飞矸安全情况进行分析，根据实际情况进行打分评价，并对指标体系中的各评价因素分别给出评价等级。

1）将各因素隶属度代入上述步骤逐层计算得：

2）分别对 A、B、C、D 归一化处理得出结果 B1、B2、B3、B4，总评价矩阵 R 为：

3）综合因素评价矩阵为：

4）归一化处理得：

5）系统总得分e 为72.802 0。查各个指标权重表表2 可以得出，该工作面为一般安全，可能会出现个别飞矸现象，但安全在可控范围内，可以正常上岗。所得到的结果与历年该工作面飞矸造成灾害的频次大致相同。

4 结 语

通过运用层次分析法与模糊综合评价法，结合影响大倾角煤层工作面飞矸对人员与设备伤害的诸多因素，建立了大倾角煤层工作面飞矸安全评价模型。运用该评价模型，结合25221 工作面的环境特征和生产情况，对该工作面飞矸伤害进行安全评价，结果与实际情况相同，此方法对大倾角煤层开采工作面飞矸安全评价及防护具有重要的理论和实践意义。