基于组合权重和集对分析法的煤矿生产安全评价研究*

黄莺 杜树 郭俊浩 熊文文

（1.西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055；2.西安建筑科技大学 资源工程学院，西安 710055；3.上海建科工程咨询有限公司，上海 200032）

0 引言

我国能源资源储量丰富，其中煤炭在我国能源资源中占有非常重要的地位。我国煤炭多为地下开采，地质条件和作业环境恶劣，伴随着各种灾害，导致煤矿安全事故频发，严重威胁作业人员的生命安全。安全评价是煤炭企业发现安全隐患、防范事故发生的重要手段［1］。利用合适的安全评价方法找出煤矿实际存在的薄弱环节，提出针对性的整改建议对于煤矿企业降低事故风险具有重要的现实意义。

目前已经有大量学者对煤矿安全评价做了研究，其中包括李红霞等［2］建立了AHP-熵权法模型，并对实例研究，得出煤矿生产安全评价等级为较好的结论；黄继广等［3］基于区间层次分析法和集对分析法从8个维度出发，建立井工煤矿安全风险辨识评估模型，得到各个指标的风险等级；毕娟等［4］构建博弈论组合赋权耦合灰靶决策对河南义马煤业5组矿井进行评价，找出了矿井现状存在的薄弱环节，验证了模型的合理性；柯愈贤等［5］运用组合权重和物元分析对矿山进行安全评价，得出安全等级，验证了该模型的科学合理性；郝卫华［6］建立熵权-集对分析法模型，并对煤矿安全进行评价，展现了模型在实际应用中的可行性和有效性。虽然煤矿生产安全已有大量研究，但对于煤矿生产安全体系构建不完备，评价方法的选取不太合理，不能客观、综合地反映出评价结果，不能很好地解决煤矿在生产过程中复杂多变的问题。

为了能够有效地对煤矿生产安全进行评价，本文从人员因素、管理因素、环境因素和设备因素4个方面，构建组合赋权-集对分析评价模型。利用层次分析法和熵权法计算各指标权重，结合集对分析法确定评价指标与安全等级之间的关联度。利用综合联系度来评判煤矿生产状况安全等级。

1 组合赋权-集对分析评价模型

1.1 组合赋权法

1.1.1 层次分析法计算主观权重

层次分析法计算步骤［7］如下：

1）对评价指标的各元素Uij进行重要性分析，并建立判断矩阵。

式中，U为判断矩阵；Uij为评价指标重要度取值。

3）对判断矩阵进行一致性检验：

式中，CR为随机一致性比率；CI为一致性指标；RI为平均随机一致性指标值。

计算步骤［8］如下：

1）将判断矩阵归一化处理，得到标准矩阵R。

2）计算信息熵e：

1.1.3 计算组合权重

采用乘数归一法求取组合权重：

1.2 集对分析法介绍

集对分析理论是赵克勤在1989年提出的，其基本原理：将需要解决的问题看作是一个确定、不确定系统。确定性与不确定之间互相影响，互相转化［9］。将系统划分为两个有联系的集合A和B，用同一度、差异度、对立度表示两个集合的关系，用联系度表征研究对象的特性［10］，联系度表示为［11］：

式中，a为同一度；b为差异度；c为对立度；N为特征数；S为共同部分；P为对立部分；F为剩余部分；a+b+c=1。

1.3 联系度的确定

按下列公式计算联系度［12］：

式中，s0~s5为安全评价标准的临界值；nk为指标单联系度；xn为指标值。

1.4 综合联系度

评价指标体系的综合联系度：

2 煤矿安全生产评价模型建立

2.1 煤矿安全生产评价指标体系构建

通过参考大量国内学者对煤矿安全评价的研究，并对煤矿进行现场情况调查，综合考虑煤矿生产过程中可能存在的隐患，从人为因素（B1）、设备因素（B2）、管理因素（B3）和环境因素（B4）4个方面，选取了19个二级指标，构建煤矿生产安全评价指标体系，如图1所示。

图1 煤矿生产安全评价指标体系

2.2 建立安全评价等级

参考国家相关标准及目前对煤矿安全评价指标等级划分的研究［13］，将安全评价等级分为5个级别，Ⅰ级（安全）安全状态很好、Ⅱ级（较安全）安全状态较好、Ⅲ级（警戒）安全状态较差、Ⅳ级（危险）安全差、Ⅴ级（高度危险）安全状况很差。煤矿生产安全评价等级划分标准如表1所示。

表1 煤矿生产安全影响因素的评价指标分级标准

续表1

3 实例分析

3.1 工程概况

以陕北某煤矿为例，该煤矿采用全立井开拓方式，工作面煤层采用大巷条带式回采方式。煤层顶底板稳定，以泥岩、粉砂质泥岩为主。矿井属于低瓦斯矿井，富水性强，自燃～易自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性。

3.2 计算指标权重

3.2.1 层次分析法确定主观权重

邀请相关领域专家，依据1～9标度法对指标进行重要性评判，构建判断矩阵。利用式（2）求得各指标主观权重W＇，见表2。利用式（3）计算最大特征值，式（4）—式（5）进行一致性检验。

经计算，一致性比率CR小于0.1，判断矩阵构建合理。

3.2.2 熵权法确定客观权重

利用式（6）—式（9）得出客观权重W＇＇，见表2。

3.2.3 组合赋权法确定组合权重

根据式（10）得出组合权重W＇＇，见表2。

表2 煤矿生产安全评价指标权重

3.3 计算指标联系度

根据该矿相关测定数据及专家意见，确定该煤矿生产相关指标参评值，见表1。将表3数据代入式（12）—式（16），计算各指标联系度，式（17）计算综合联系度，见表3。

表3 煤矿生产安全评价指标联系度

3.4 结果分析

根据最大隶属度原则，综合联系度最大值对应的评价等级即为评价结果。该煤矿生产安全指标评价体系中人员、设备、管理、环境的综合联系度分别为0.054 1、0.090 0、0.363 6、-0.009 7。对应的安全等级分别为警戒、较安全、安全、危险。评价结果显示，该煤矿安全管理处于较高水平，生产过程中人员因素、设备因素、环境因素都存在隐患，应当排查整改。

指标的单联系度结果表明：人员因素中人员三违率是薄弱环节，企业应当加大奖惩力度，严格要求作业人员遵循作业规范。设备因素中设备故障率偏高，维修不及时，设备更新改造率低。煤矿企业应当加强日常设备检查、保养和维护，及时更新损坏的设备。环境因素中，该煤矿易发生自燃，矿井涌水量大并且工作面粉尘浓度过高。应编制专项的防灭火和排水设计，采取合理的降尘措施。

续表3

4 结论

1）运用组合赋权法确定权重，综合考虑专家意见和煤矿的实际情况，降低了主观因素对权重的影响，使权重结果更加符合实际。

2）将集对分析法应用到煤矿生产安全评价中，利用联系度确定生产安全指标与安全等级之间的联系。解决了评价过程中的不确定性和模糊性等问题。且评价结果与实际相符。

3）本文综合考虑影响煤矿生产安全的各种因素，构建了煤矿生产安全评价体系，该评价体系包括4个一级指标和19个二级指标。结合实例分析，得到该煤矿各个生产安全指标的安全等级，可以找出该煤矿存在的薄弱环节，煤矿企业可依据此评价结果采取针对性措施。