煤礦瓦斯風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)
黎錦賢1,2,周心權(quán)1,曲志明3
(1.中國(guó)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(jì)所獲得的基礎(chǔ)資料,分類歸納影響瓦斯風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)因素,對(duì)所有因素的定性和定量指標(biāo)值進(jìn)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(píng)價(jià)模型,從而對(duì)瓦斯風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
關(guān)鍵詞:瓦斯風(fēng)險(xiǎn);深層次法;冪函數(shù);綜合評(píng)價(jià)
中圖分類號(hào):TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1003-496X(2006)
基金項(xiàng)目:國(guó)家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目(2001BA803B0416);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(550474031)
進(jìn)行煤礦瓦斯風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是做好煤礦安全管理工作的重要手段。它有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦按風(fēng)險(xiǎn)類型、嚴(yán)重程度、生產(chǎn)規(guī)模等進(jìn)行分級(jí)分類管理和監(jiān)察;有利于對(duì)煤礦的安全狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控,根據(jù)不同時(shí)間段的實(shí)際情況適時(shí)做出調(diào)整,以此來強(qiáng)化對(duì)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(duì)性。煤礦瓦斯風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作有助于提高煤礦安全管理水平,并達(dá)到變事后處理為事先預(yù)防預(yù)測(cè),使煤礦安全工作實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。
目前,常用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法可分為定性評(píng)價(jià)方法、指數(shù)法、概率危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法、綜合模糊評(píng)價(jià)方法、灰色理論評(píng)價(jià)方法等幾大類。各種評(píng)價(jià)方法都有一定的科學(xué)依據(jù)和可行性。但對(duì)于不同的應(yīng)用對(duì)象,評(píng)價(jià)模型結(jié)構(gòu)、指標(biāo)和參數(shù)存在很大的差別。我們對(duì)山東、河北、安徽的一些煤礦的安全狀況進(jìn)行了調(diào)查及安全規(guī)劃,并利用這些基礎(chǔ)資料進(jìn)行礦井瓦斯風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。本文是根據(jù)瓦斯爆炸的發(fā)生需要3個(gè)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(jìn)行危險(xiǎn)性分析和評(píng)價(jià)的。
1 瓦斯風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)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(jì)資料為樣本,運(yùn)用綜合評(píng)價(jià)方法確定模型中的待定系數(shù)項(xiàng),進(jìn)而建立具體的評(píng)價(jià)模型。首先要確定所統(tǒng)計(jì)礦井的瓦斯風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值。目前,評(píng)價(jià)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(shí),重點(diǎn)考慮死亡事故,同時(shí)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(píng)價(jià)指標(biāo)所傳遞的基礎(chǔ)信息,合理實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯事故評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化。
在保證評(píng)價(jià)指標(biāo)值遞增變化的前提下,通過對(duì)各種函數(shù)特征的分析,認(rèn)為冪函數(shù)和多項(xiàng)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(duì)數(shù)函數(shù)及指數(shù)函數(shù)對(duì)應(yīng)于0、1兩個(gè)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(jìn)行測(cè)試,將評(píng)價(jià)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(dá)基礎(chǔ)信息量的完整性,以微小的差異反映出實(shí)際指標(biāo)值明顯的變化,增加了指標(biāo)的靈敏性。同時(shí)這種歸一化處理使各項(xiàng)指標(biāo)具有可比性。
在綜合評(píng)價(jià)過程中,確定評(píng)價(jià)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(duì)權(quán)系數(shù)的確定時(shí)有所側(cè)重。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況和專家的意見以及瓦斯事故統(tǒng)計(jì)分析所反映的事故發(fā)生規(guī)律,對(duì)事故指標(biāo)體系評(píng)價(jià)因素的權(quán)重進(jìn)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(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重
2 礦井瓦斯風(fēng)險(xiǎn)影響因素及指標(biāo)體系礦井瓦斯風(fēng)險(xiǎn)子系統(tǒng)由人、機(jī)、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(jiǎn)稱人機(jī)環(huán)系統(tǒng)。人機(jī)環(huán)的系統(tǒng)安全分析方法能較好地解決系統(tǒng)危險(xiǎn)源確定問題,本文確定以人機(jī)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(jì)資料,從實(shí)際出發(fā),實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的分析,分析內(nèi)容如圖2所示。對(duì)影響瓦斯風(fēng)險(xiǎn)的各種因素采用層次分析方法,進(jìn)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(xiǎn)分析內(nèi)容示意圖
在人、機(jī)、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(xiǎn)綜合指標(biāo)之間的關(guān)系。根據(jù)多元統(tǒng)計(jì)原理,使系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的綜合指標(biāo)和危險(xiǎn)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(duì)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(xiǎn)因素的具體特征,它們與風(fēng)險(xiǎn)綜合指標(biāo)并非呈線性關(guān)系。
瓦斯風(fēng)險(xiǎn)的綜合指標(biāo)可以表示為人、機(jī)、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(xiǎn)的綜合指標(biāo);
x、y、z———人、機(jī)、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(xiàng),表示人、機(jī)、瓦斯以外的其它影響因素及其交互項(xiàng)對(duì)S的作用。
瓦斯風(fēng)險(xiǎn)涉及因素眾多,要求必須用一套能從總體上反映評(píng)價(jià)對(duì)象本質(zhì)的指標(biāo)體系,合理確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是進(jìn)行瓦斯風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵所在。結(jié)合礦井瓦斯風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)的特點(diǎn)及瓦斯風(fēng)險(xiǎn)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(shí)效性原則、定性與定量相結(jié)合的原則。根據(jù)對(duì)瓦斯風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)深層次分析所確定的危險(xiǎn)因素及指標(biāo)體系建立原則,建立瓦斯風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,包括瓦斯?fàn)顟B(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)、機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)、人的評(píng)價(jià)指標(biāo)和安全管理指標(biāo),如圖3所示。人、機(jī)、瓦斯?fàn)顟B(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括有定性指標(biāo)和定量指標(biāo),對(duì)指標(biāo)進(jìn)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(jī)、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(qiáng)的模糊性、隨機(jī)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(shí)間進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文對(duì)定性指標(biāo)以事故分析、專家經(jīng)驗(yàn)、規(guī)程、規(guī)章為基礎(chǔ),并參閱對(duì)安全狀況調(diào)查現(xiàn)狀內(nèi)容的統(tǒng)計(jì)分析給定,使指標(biāo)值具有較強(qiáng)的可操作性、一定的可靠性,反映客觀真實(shí)性,從而保證綜合評(píng)價(jià)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(jiǎn)單、中等、復(fù)雜和極復(fù)雜4個(gè)級(jí)別,不同級(jí)別地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度的煤層,地質(zhì)條件對(duì)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(duì)其影響作用的程度進(jìn)行定量化,分別賦值0.3,0.5,0.75,1,即為該評(píng)價(jià)因素的指標(biāo)值。
在確定事故指標(biāo)評(píng)價(jià)值時(shí)對(duì)定量指標(biāo)采用舍棄等級(jí)論域進(jìn)行量化的做法,利用冪函數(shù)的形式,采取逐步測(cè)試的手段,對(duì)基礎(chǔ)指標(biāo)值進(jìn)行處理。例如對(duì)瓦斯相對(duì)涌出量值運(yùn)用冪函數(shù)逐步進(jìn)行開方測(cè)試,然后與事故指標(biāo)進(jìn)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(cè)試后,對(duì)樣本的相對(duì)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(duì)相對(duì)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(duì)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(duì)表征人、機(jī)、瓦斯?fàn)顟B(tài)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)、瓦斯?fàn)顟B(tài)指標(biāo)值。
圖3 瓦斯風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
3 評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)模型中的待定系數(shù)。由此建立了瓦斯風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)值S的計(jì)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(xiǎn)的綜合指標(biāo);
A———瓦斯?fàn)顟B(tài)指標(biāo)值;
B———機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)值;
C———人的評(píng)價(jià)指標(biāo)值。
4 結(jié) 論
(1)通過煤礦瓦斯風(fēng)險(xiǎn)的特性分析,確定了人、機(jī)、環(huán)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)的手段,對(duì)影響礦井瓦斯風(fēng)險(xiǎn)的人、機(jī)、瓦斯、管理等因素進(jìn)行了深層次分析,分類歸納出了影響瓦斯風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)因素。建立了瓦斯風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系,并依據(jù)事故樹的原理構(gòu)建人、機(jī)、瓦斯、管理4因素的邏輯層次關(guān)系,從而根據(jù)綜合評(píng)價(jià)方法建立相應(yīng)評(píng)價(jià)模型。實(shí)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(jī)、瓦斯?fàn)顟B(tài)指標(biāo)及事故指標(biāo)的評(píng)價(jià)值。(2)通過分析瓦斯事故的后果嚴(yán)重程度與瓦斯風(fēng)險(xiǎn)危險(xiǎn)狀態(tài)之間的關(guān)系,研究了表征礦井瓦斯風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)值計(jì)算方法,提出了這種瓦斯風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)模型。
