黎錦賢1,2,周心權(quán)1,曲志明3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,北京100083;2.宜春學(xué)院工學(xué)院,江西宜春336000;3.河北工程學(xué)院,河北邯鄲056038)

摘　要:利用煤礦安全狀況調(diào)查統(tǒng)計所獲得的基礎(chǔ)資料,分類歸納影響瓦斯風(fēng)險的危險因素,對所有因素的定性和定量指標(biāo)值進行深層次分析和冪函數(shù)處理,建立了具有確定系數(shù)的綜合評價模型,從而對瓦斯風(fēng)險進行綜合評價。

關(guān)鍵詞:瓦斯風(fēng)險;深層次法;冪函數(shù);綜合評價

中圖分類號:TD712　　　　文獻標(biāo)識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006)03-0017-04

基金項目:國家“十五”科技攻關(guān)項目(2001BA803B0416);國家自然科學(xué)基金項目(550474031)

　　進行煤礦瓦斯風(fēng)險評價是做好煤礦安全管理工作的重要手段。它有利于實現(xiàn)對煤礦按風(fēng)險類型、嚴(yán)重程度、生產(chǎn)規(guī)模等進行分級分類管理和監(jiān)察;有利于對煤礦的安全狀況進行動態(tài)監(jiān)控,根據(jù)不同時間段的實際情況適時做出調(diào)整,以此來強化對煤礦安全生產(chǎn)的監(jiān)管,提高煤礦安全監(jiān)察的科學(xué)性、針對性。煤礦瓦斯風(fēng)險評價工作有助于提高煤礦安全管理水平,并達到變事后處理為事先預(yù)防預(yù)測,使煤礦安全工作實現(xiàn)科學(xué)化;變縱向單科管理為全面系統(tǒng)管理,使煤礦安全工作實現(xiàn)系統(tǒng)化;變盲目管理為目標(biāo)管理,使煤礦安全工作實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

目前,常用的風(fēng)險評價方法可分為定性評價方法、指數(shù)法、概率危險評價方法、綜合模糊評價方法、灰色理論評價方法等幾大類。各種評價方法都有一定的科學(xué)依據(jù)和可行性。但對于不同的應(yīng)用對象,評價模型結(jié)構(gòu)、指標(biāo)和參數(shù)存在很大的差別。我們對山東、河北、安徽的一些煤礦的安全狀況進行了調(diào)查及安全規(guī)劃,并利用這些基礎(chǔ)資料進行礦井瓦斯風(fēng)險評價。本文是根據(jù)瓦斯爆炸的發(fā)生需要3個條件(一定濃度的瓦斯,一定溫度的引燃火源,足夠的氧氣濃度)而進行危險性分析和評價的。

1　瓦斯風(fēng)險綜合評價指標(biāo)值的確定利用煤礦安全狀況調(diào)查所獲得的統(tǒng)計資料為樣本,運用綜合評價方法確定模型中的待定系數(shù)項,進而建立具體的評價模型。首先要確定所統(tǒng)計礦井的瓦斯風(fēng)險綜合評價指標(biāo)值。目前,評價事故后果嚴(yán)重程度大多以事故造成人員傷亡的數(shù)量和比例為指標(biāo)依據(jù),而本文在確定瓦斯事故綜合指標(biāo)時,重點考慮死亡事故,同時兼顧非死亡事故。確定瓦斯事故綜合指標(biāo)的因素如圖1所示。為保證瓦斯事故的綜合指標(biāo)能充分反映瓦斯事故的后果嚴(yán)重程度,充分利用了評價指標(biāo)所傳遞的基礎(chǔ)信息,合理實現(xiàn)了對瓦斯事故評價指標(biāo)的量化。

在保證評價指標(biāo)值遞增變化的前提下,通過對各種函數(shù)特征的分析,認(rèn)為冪函數(shù)和多項式函數(shù)是比較理想的量化函數(shù)模型。冪函數(shù)避免了對數(shù)函數(shù)及指數(shù)函數(shù)對應(yīng)于0、1兩個數(shù)值的缺陷,保證了函數(shù)的連續(xù)性并反映出線性特征。結(jié)合調(diào)查中各基礎(chǔ)指標(biāo)出現(xiàn)的最高值,以及歷

史資料中出現(xiàn)過的最高值,在滿足指標(biāo)可比性原則的前提條件下,以冪函數(shù)為手段,逐步進行測試,將評價指標(biāo)值壓縮至[0,1]范圍內(nèi)的數(shù)值,使經(jīng)過量化后指標(biāo)值能充分表達基礎(chǔ)信息量的完整性,以微小的差異反映出實際指標(biāo)值明顯的變化,增加了指標(biāo)的靈敏性。同時這種歸一化處理使各項指標(biāo)具有可比性。

在綜合評價過程中,確定評價指標(biāo)的權(quán)重是非常關(guān)鍵的問題。本文以死亡事故主要表征瓦斯事故后果嚴(yán)重程度,所以在對權(quán)系數(shù)的確定時有所側(cè)重。結(jié)合現(xiàn)場情況和專家的意見以及瓦斯事故統(tǒng)計分析所反映的事故發(fā)生規(guī)律,對事故指標(biāo)體系評價因素的權(quán)重進行確定, 如圖1所示。根據(jù)指標(biāo)合成中各自的權(quán)重分配,對事故基礎(chǔ)指標(biāo)加權(quán)求和,得出分析樣本事故綜合指標(biāo)值。

圖1　瓦斯事故評價指標(biāo)權(quán)重

2　礦井瓦斯風(fēng)險影響因素及指標(biāo)體系礦井瓦斯風(fēng)險子系統(tǒng)由人、機、環(huán)境(瓦斯?fàn)顟B(tài))、以及完成任務(wù)的手段(安全管理)等基本元素構(gòu)成,簡稱人機環(huán)系統(tǒng)。人機環(huán)的系統(tǒng)安全分析方法能較好地解決系統(tǒng)危險源確定問題,本文確定以人機環(huán)的系統(tǒng)安全分析方法為礦井瓦斯系統(tǒng)安全分析的手段,結(jié)合煤礦安全狀況調(diào)查的統(tǒng)計資料,從實際出發(fā),實現(xiàn)對瓦斯風(fēng)險系統(tǒng)的分析,分析內(nèi)容如圖2所示。對影響瓦斯風(fēng)險的各種因素采用層次分析方法,進行分類歸納,從而建立各因素之間的關(guān)系。

圖2　瓦斯風(fēng)險分析內(nèi)容示意圖

　　在人、機、瓦斯等多種影響因素確定后,下一步將是建立各種因素與風(fēng)險綜合指標(biāo)之間的關(guān)系。根據(jù)多元統(tǒng)計原理,使系統(tǒng)風(fēng)險的綜合指標(biāo)和危險因素的狀態(tài)指標(biāo)值之間盡可能呈近似線性關(guān)系。例如礦井瓦斯的相對涌出量、煤層最高瓦斯壓力等都是具體確定值,各自表征危險因素的具體特征,它們與風(fēng)險綜合指標(biāo)并非呈線性關(guān)系。

　　瓦斯風(fēng)險的綜合指標(biāo)可以表示為人、機、瓦斯等多種影響因素的多元函數(shù),函數(shù)可以表示為:

S=kx(x-x0)+ky(y-y0)+…+kz(z-z0)

+kxy(x-x0)(y-y0)+…+kxz(x-x0)(z-z0)

+R

式中　S———瓦斯風(fēng)險的綜合指標(biāo);

　x、y、z———人、機、瓦斯的狀態(tài)指標(biāo)值,x0、y0、z0

分別表示x、y、z的中間值;

　k———指標(biāo)系數(shù);

　R———余項,表示人、機、瓦斯以外的其它影響因素及其交互項對S的作用。

瓦斯風(fēng)險涉及因素眾多,要求必須用一套能從總體上反映評價對象本質(zhì)的指標(biāo)體系,合理確定評價指標(biāo)體系是進行瓦斯風(fēng)險綜合評價的關(guān)鍵所在。結(jié)合礦井瓦斯風(fēng)險綜合評價的特點及瓦斯風(fēng)險分析建立指標(biāo)體系應(yīng)遵循科學(xué)性原則、系統(tǒng)性原則、可操作原則、時效性原則、定性與定量相結(jié)合的原則。根據(jù)對瓦斯風(fēng)險系統(tǒng)深層次分析所確定的危險因素及指標(biāo)體系建立原則,建立瓦斯風(fēng)險的評價指標(biāo)體系,包括瓦斯?fàn)顟B(tài)評價指標(biāo)、機的評價指標(biāo)、人的評價指標(biāo)和安全管理指標(biāo),如圖3所示。人、機、瓦斯?fàn)顟B(tài)評價指標(biāo)包括有定性指標(biāo)和定量指標(biāo),對指標(biāo)進行量化處理就是將定性指標(biāo)科學(xué)可靠地定量化,定量指標(biāo)可靠地量化。

人、機、瓦斯?fàn)顟B(tài)指標(biāo)體系的構(gòu)建依據(jù)煤礦安全狀況調(diào)查的內(nèi)容,其中存在少量定性指標(biāo)。定性指標(biāo)具有較強的模糊性、隨機性。定性指標(biāo)量化仍采用專家給定判斷,這些方法要求有大量專家,并且有充足的時間進行評價。本文對定性指標(biāo)以事故分析、專家經(jīng)驗、規(guī)程、規(guī)章為基礎(chǔ),并參閱對安全狀況調(diào)查現(xiàn)狀內(nèi)容的統(tǒng)計分析給定,使指標(biāo)值具有較強的可操作性、一定的可靠性,反映客觀真實性,從而保證綜合評價的合理性。例如,根據(jù)煤礦地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、斷層和褶曲的發(fā)育情況以及巖漿巖的侵入情況,煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度可分為簡單、中等、復(fù)雜和極復(fù)雜4個級別,不同級別地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度的煤層,地質(zhì)條件對瓦斯的生成、移、賦存和富集所表現(xiàn)出的地質(zhì)作用也不同,對其影響作用的程度進行定量化,分別賦值0.3,0.5,0.75,1,即為該評價因素的指標(biāo)值。

在確定事故指標(biāo)評價值時對定量指標(biāo)采用舍棄等級論域進行量化的做法,利用冪函數(shù)的形式,采取逐步測試的手段,對基礎(chǔ)指標(biāo)值進行處理。例如對瓦斯相對涌出量值運用冪函數(shù)逐步進行開方測試,然后與事故指標(biāo)進行比較分析,使經(jīng)處理后的指標(biāo)值與事故指標(biāo)盡可能符合呈近似線性關(guān)系。經(jīng)逐步測試后,對樣本的相對瓦斯涌出量基礎(chǔ)指標(biāo)值開8次方后與事故指標(biāo)值比較,效果比較理想,從而確定對相對瓦斯涌出量基礎(chǔ)指標(biāo)值處理的量化函數(shù)為:

　　A2=a21/8

式中　a2———礦井相對瓦斯涌出量值,m2/t。

根據(jù)上述原則,采用冪函數(shù)的手段,對表征人、機、瓦斯?fàn)顟B(tài)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行了量化。然后采用賦權(quán)值方法,確定各基礎(chǔ)指標(biāo)的權(quán)重,由此得到人、機、瓦斯?fàn)顟B(tài)指標(biāo)值。

圖3　瓦斯風(fēng)險綜合評價指標(biāo)體系

3 評價模型的建立按照上述方法確定了礦井的指標(biāo)參數(shù),通過線性回歸分析,確定了評價模型中的待定系數(shù)。由此建立了瓦斯風(fēng)險的綜合評價值S的計算式:S=0.14×(C-0.51)+0.42×(B-0.26)+

0.76×(A-1.18)+0.18×(B-0.26)(C-0.51)-

1.48×(A-1.18)( C-0.51)-0.068×(A-

1.18)( B-0.26)+0.72

式中　S———瓦斯風(fēng)險的綜合指標(biāo);

　A———瓦斯?fàn)顟B(tài)指標(biāo)值;

　B———機的評價指標(biāo)值;

　C———人的評價指標(biāo)值。

4　結(jié)　論

(1)通過煤礦瓦斯風(fēng)險的特性分析,確定了人、機、環(huán)系統(tǒng)風(fēng)險分析技術(shù)的手段,對影響礦井瓦斯風(fēng)險的人、機、瓦斯、管理等因素進行了深層次分析,分類歸納出了影響瓦斯風(fēng)險的危險因素。建立了瓦斯風(fēng)險綜合評價的指標(biāo)體系,并依據(jù)事故樹的原理構(gòu)建人、機、瓦斯、管理4因素的邏輯層次關(guān)系,從而根據(jù)綜合評價方法建立相應(yīng)評價模型。實現(xiàn)了定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的無量綱化,確定了樣本人、機、瓦斯?fàn)顟B(tài)指標(biāo)及事故指標(biāo)的評價值。(2)通過分析瓦斯事故的后果嚴(yán)重程度與瓦斯風(fēng)險危險狀態(tài)之間的關(guān)系,研究了表征礦井瓦斯風(fēng)險的指標(biāo)值計算方法,提出了這種瓦斯風(fēng)險綜合評價方法。

(3)以山東、河北、安徽一些礦井的調(diào)查資料為樣本,確定了模型中的具體參數(shù),建立了具有確定參數(shù)的評價模型。