紫金煤矿3204工作面作业环境安全评价

张建峰

（山西汾西矿业集团 紫金煤业有限责任公司，山西 灵石 031300）

紫金煤矿3204工作面作业环境安全评价

张建峰

（山西汾西矿业集团 紫金煤业有限责任公司，山西 灵石 031300）

采用改进的层次分析法，对紫金煤矿3204工作面作业环境进行安全评价。引入最优传递矩阵的概念，对层次分析法进行改造，使之自然满足一致性要求，直接求出权重值，减少了一致性检验的过程，减少了大量的计算步骤，简化计算过程。在人机环境系统分析和安全状态层次分析的基础上，确定了影响工作面作业环境的6个主要因素。工作面作业环境的安全问题直接影响作业工作人员的身体健康甚至生命安全，科学合理地评价其安全状况具有重要意义。

作业环境；改进的层次分析法；安全评价

1 概述

工作面作业环境（采场作业环境）即是对采场工作面的空间范围内，对工人工作舒适度、工作效率、系统可靠性影响的微气候、有害气体、矿尘、噪声的统称[1]。煤矿井下工作面作业环境是一个受限空间，作业环境受到传统的爆破方法和打钻设备所产生的粉尘，有害气体、噪声、环境因素和气象条件等因素的综合影响，可能引起人体的健康损害或导致职业病。影响工作面作业环境的因素主要有：噪音、有害气体、粉尘、微气候、照明、作业场所等。

2 工作面作业环境安全评价模型的建立

2.1 改进的层次分析法确定权重值

层次分析法（Analytic Hierarchy Process AHP）是将决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。AHP解决问题的思路[2]是：首先，把要解决的问题分层系列化，根据问题的性质和要达到的目标，将问题分解为不同的组成因素，按照因素之间的相互影响和隶属关系，将其分层聚类组合，形成一个递阶的、有序的层次结构模型。然后，对模型中每一层次因素的相对重要性，依据人们对客观现实的判断给予定量表示，再利用数学方法确定每一层次各因素相对重要性次序的权值。最后，通过综合计算各层因素相对重要性的权值，得到最低层(指标层)相对于最高层(总目标)的相对重要性次序的组合权值，以此作为评价依据。

以往经典的AHP中，一致性检验是必不可少的，因此，往往多次调整判断矩阵才能通过一致性检验，而调整过程一般凭着大致估计、带有盲目性。所以在此引入最优传递矩阵[3-4]概念，对AHP进行改造，使之自然满足一致性要求，直接求出权重值，从而减少了大量计算步骤，简化计算过程。

2.1.1 改进的AHP理论基础

设实数矩阵A=［ai］j，B=［bi］j，C=［ci］j，A，B，C∈

定义：1若aij=，则称A为互反矩阵；若bij=bji，则称B为反对称矩阵。

定义2：若A是互反矩阵，且aij=则称A为一致性矩阵；若B是反对称矩阵，且bij=bik+bkj；则称B为传递矩阵。

定义3：若存在传递矩阵C使得

最小，则称C是B的最优传递矩阵。

定理1：若B是反对称矩阵，则B的最优传递矩阵C应满足

定理2：若A是互反矩阵，B=lgA（B=lnA），且C是B的最优传递矩阵，那么，矩阵A*=10（cA*=e）c是A的一个拟优一致性矩阵。因此求出A*=10（cA*=e）c的特征值也就得到判断矩阵A的特征值，继而得到权重值

2.1.2 改进的AHP分析过程

1）构造判断矩阵B：判断矩阵元素的值反映了人们对各因素重要性的认识，一般采用1-9及其倒数的标度方法。当相互比较因素的重要性能够用具有实际意义的比值说明时，判断矩阵相应因素的值可取其值。判断矩阵表示针对上一层次某一单元（元素），本层次与之有关单元之间相对重要性的比较，写成判断矩阵的形式。

2）构造传递矩阵C：

3）构造最优传递矩阵D：

4）确定拟优一致阵B*：根据B*=10D求出拟优一致阵如下：

5）求权重矩阵PT即为B*的特征向量

利用方根法求出特征向量：

再将向量归一化：

得到权重矩阵：

2.2 基于等效数值法的评价模型

等效数值法[5]是将不同性质量纲的指标无因次化，转化为某种标准形式，转化后的指标值均在（0，1）之间，这些实数称为“等效数值”。在工作面作业环境中，设有m项评价指标，n个实测样本，h级分级标准，这样，共有m×n×h个指标值fijt(i＝1，2，……，m;j＝1，2，……，n；t＝1，2，……，h)。这些值均为大于零的实数，采用下式化为等效数值fijt:

式中：fijt为第j个实测样本对第t级安全评价级别在第i个评价指标下的等效数值；fit为第t级安全评价级别中第i个标准值；fij为第j个样本的第i个评价指标值。

在获得fijt后，由下式计算综合等效数值：

式中：ωij为第j个样本对第i个评价指标的权值。

采用等效数值法评价时，对于第j个实测样本，如果fij为最大，则第j个样本代表的矿井通风系统的安全级别就判定为t级。

3 工作面作业环境评价指标的建立

工作面作业环境的影响因素很多，主要包括：有害气体、噪声、粉尘、温度、湿度、风速、照明、作业场所等。各指标的分类标准列于表1。

表1 工作面作业环境指标的分类标准

4 实例应用

4.1 工作面简介

以紫金矿3204工作面为研究对象，对工作面的作业环境进行安全评价。

3204工作面开采煤田属霍西煤田，2号煤层，煤厚2.35m～2.25m，均厚2.30 m，含有一层夹矸，厚0.050 m～0.150 m，煤层起伏较大，煤层倾角4°～24°、平均9°左右，属缓倾斜煤层。工业储量32.56万t；可采储量26.29万t。3204工作面为紫金矿三采区第三个工作面，两顺槽走向长度750 m，工作面长度162.26 m，工作面局部地段最大坡度23°。采煤方法为走向长壁式采煤，工作面采煤机横向布置，与工作面输送机、液压支架配套使用，组成采煤工作面综合机械化采煤设备，完成截煤、落煤、装煤作业。瓦斯相对涌出量1.88 m3/t，绝对涌出量2.63m3/h。煤尘具有爆炸性，爆炸性指数9.699 MPam/s。自燃发火期为6个月，地温14℃，地压678mmHg。

4.2 原始数据采集

工作面作业环境的有害气体物质主要包括CO，SO2等，有害气体评价指标为S，其算式为：

式中：Ci为第i种有害物质的浓度；Mi为第i种有害物质的允许浓度；L为肺总通气量权系数，当存在多种有害气体时，应考虑其联合作用：

经现场测试3204工作面CO浓度0.29 mg/m3，SO2浓度3.77 mg/m3，代入式（7）、式（8）得到S值B1为0.783。

经过现场实测，3204工作面噪声指数B2=89dB；粉尘浓度B3=4.9 mg/m3；工作时的温度B4=23℃；湿度B5=74%；风速B6=2.3m/s；照明B7=78lx；作业场所采用百分制的方法，主要考虑巷道支护，巷道成形，采场管理，遵章守纪等方面，经现场评估得分B8=83分。

4.3 数据处理

1）构造判断矩阵B：

2）计算传递矩阵C：根据式（3）Cij=lgBij算得：

3）计算C的最优传递矩阵D， 根据公式(4)

4）计算判断矩阵B的拟优一致阵B*，B*=10D。

5）计算拟优一致阵B*的特征向量即为评价指标的权值。根据式3、式4算得B*的特征向量为：W=（0.444,0.008,0.198,0.037,0.035,0.184,0.019,0.074）.所以，影响工作面工作环境的评价指标的权重分别为：（0.444,0.008,0.198,0.037,0.035,0.184,0.019,0.074）；

6）将所测得的实测数据组成参考数列fi1（i=1，2，…25）；

7）各项评价指标标的准值（取区间的中间值，边界值）组成被比较数列fit（i=1，2，…8；t=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ）：

8）由式（5）算出等效数值fi1t（i=1,2…8;t=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ）；

9）由式（6）算出工作面工作环境的评价指标的综合等效数值fit（t=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ）；

fiⅡ最大，则判定该煤矿的矿井通风系统的安全级别为Ⅱ级，即较安全。

5 结束语

煤矿工作面作业环境的安全状况，不仅影响人的身心健康，还会影响劳动生产率。通过对工作面作业环境进行安全评价得出，紫金矿3204工作面的安全状况属于Ⅱ级，即较安全，还有待改进，应采取一些有效措施，降低工作面温度，通过安装固定照明装置提高工作面的照度水平，提高工作面生产的安全性，减少事故发生。

[1]龙升照.人-机-环境系统工程研究进展(第2卷)[M].北京：科学技术出版社,1995.

[2]SAATY TL[美].许树柏等译.层次分析法[M].北京:煤炭工业出版社，1986.

[3] 梁梁,盛照瀚,徐南荣.一种改进的层次分析法[J].系统工程,1989,7(3):5-7.

[4]张天军,苏琳,乔宝明,马咪娜.改进的层次分析法在煤与瓦斯突出危险等级预测中的应用[J].西安科技大学学报,2010,30（5）：536-542.

[5]纪桂霞.大气环境质量的等效数值评价法[J].环境工程,1999,17（6）：58-60.

Operation Environment Safety Evaluation on3204 Working Face of Zijin Mine

ZHANG Jian-feng
(Zijin Coal Co.,Fenxi Mining Group,Lingshi Shanxi 031300)

With improved analytic hierarchy process,operation environment of3204 working face was evaluated in terms of safety.The optimum transfer matrix was introduced to improve the analytic hierarchy process to satisfy consistency requirement.Weight value was achieved directly to reduce the consistency checking and a lot of calculation,and the simplification was realized.On the basis of man-machine environment analysis and safety hierarchy analysis,the6 main factors which may influence the operation environment are determined.The operation environment directly threatens the health even the life of staff,so its scientific evaluation is very important.

operation environment;improved analytic hierarchy process;safety evaluation

X936

A

1672-5050（2012）04-0075-04

2011-12-08

张建峰（1964—），男，山西平遥人，大学本科，工程师，从事矿山安全评价研究工作。

刘新光