煤矿危险源多层递阶模型及风险评价

煤矿危险源多层递阶模型及风险评价

高晓旭，张旭，董丁稳，李鑫杰，聂尧

(西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

摘要：为研究有效的煤矿生产系统危险源信息表述方法以提高现场安全评价的可操作性，促进煤矿隐患风险预控与管理，针对煤矿危险源信息庞杂多变且难于辨识与控制的问题，基于霍尔三维结构模式和因素空间理论，建立煤矿危险源三维多粒度结构和危险源因素空间，并运用有限覆盖思想构建煤矿危险源多层递阶结构模型。在此基础上，研究利用煤矿危险源辨识信息建立动态安全评价体系及指标量化的方法；运用熵权法动态确定指标权值，运用灰色关联分析法描述评价指标量化值对于设定评价目标的接近程度，确定评价等级。结果表明：煤矿危险源多层递阶结构的建立将煤矿生产系统危险因素按不同维度归类表述，方便从不同角度提取生产系统安全要素并量化其安全状态，安全动态评价方法的应用可充分利用现场安全信息，反应生产系统安全状况，促进安全管理工作持续改进。

关键词：煤矿；危险源；因素空间；多层递阶；风险评价

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0207

文章编号：1672-9315(2015)02-0175-06

收稿日期:*2015-01-10责任编辑：刘洁

通讯作者:高晓旭(1978-)，男，山西吕梁人，博士，副教授，E-mail:280699722@qq.com

中图分类号：TD 79+1；X 913.4文献标志码： A

Multi-layerhierarchicalstructuremodelandriskevaluationforminehazards

GAOXiao-xu，ZHANGXu，DONGDing-wen，LIXin-jie，NIEYao

(College of Energy Science and Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

Abstract：In order to improve the practical operability of the risk evaluation，promote the pre-control level of coal mine hidden danger and solve the problem that it is difficult to identify and control hazards information，the three-dimension multi-granularity structure model and factor spaces of mine hazards are constructed based on Hall three dimension structure and the theory factor spaces.And multi-layer hierarchical structure model of mine hazards is constructed based on Heine-Borel theorem.The dynamic safety evaluation index system is established and the indicators quantitative method is proposed based on coal mine hazards information；the indicators quantitative number and risk level are calculated by entropy weight and grey correlation analysis.The results indicate that the multi-layer hierarchical structure model reflects the safety situation of production system and improves the safety management level by classifying hazard factors from different dimensions and doing dynamic safety evaluation based on site hazards information.

Key words：coal mine；hazards；factor spaces；multi-layer hierarchical structure；risk evaluation

0引言

煤矿生产系统是一个立体式变化的复杂巨系统，其危险源普遍存在且动态积聚、叠加与耦合，可能导致事故的发生。国外学者倾向于把生产作业场所中包含某种能量、可能导致某种事故的单元作为危险源，在对危险源实施评价和控制时进一步识别单元内和与单元相关联的更具体的事故致因因素。国内学者则在危险源的概念[1]、分类[2]、辨识[3]与风险评估[4]等方面展开了一系列的研究工作。这些研究主要从煤矿各类灾害致因机理、风险类型、生产系统区域和管理对象等方面考虑进行危险源信息表述。然而，在煤矿生产系统安全评价阶段，由于考虑角度的不同会存在系统安全主控因素难以提取并量化的问题。运用一种有效的方法来标记或描述评估对象、主要影响因素及其相互关系，是合理评估煤矿危险源系统安全性的有效手段。因此文中基于霍尔三维模型与因素空间理论描述煤矿生产系统危险源信息，并运用熵权法和灰色关联分析法来评价系统安全性，从而实现系统安全动态评价，将有利于促进现场安全管理工作的持续改进。

1霍尔三维结构模式与因素空间理论

1.1霍尔三维结构模式

霍尔三维结构是美国学者A.D.霍尔于1969年提出的系统工程方法，为涉及多因素、多阶段、多领域、多目标、多利益相关者的大型复杂系统的规划、组织和管理提供了系统化分析的思路。三维分别是时间维、逻辑维和知识维。这个三维空间结构体系形象的描述了系统工程研究的框架，对其中任一阶段和每一个步骤又可进一步展开，形成分层次的立体结构体系[5]。

1.2因素空间理论

“因素空间”理论是汪培庄于1981年提出的，用来解释随机性的根源及概率规律的数学实质[6]，并且已转向模糊集理论及其应用研究[7]。因素空间理论给出了一个知识描述的框架，利用这一描述框架，可以对各类事物及其属性进行表达和描述。文中主要运用因素空间理论中左配对、相关关系与状态空间的定义[8]。

2煤矿危险源信息表述

2.1煤矿危险源多层递阶模型

在煤矿现场危险源辨识的过程中，根据矿井的实际情况，划分系统、工序，从人的不安全行为、物的不安全状态等方面出发提取影响安全生产的主要危险因素。煤矿危险源体系从煤矿大系统到各个子系统，进一步深入子系统内各工序，再细化到影响每个工序的主要危险因素形成一个多层递阶结构如图1所示。

图1　煤矿危险源多层递阶结构图 Fig.1　Multi-layer hierarchical structure of mine hazards

依据因素空间理论中左配对、相关关系、状态空间的定义，该模型满足以下条件

Ⅰ相关关系

①R(M,Mi)=1；②R(Mi,Mij)=1；

③R(Mij,Mijk)=1；

Ⅱ左配对

Ⅲ状态空间

其中M为“某煤矿企业”；Mi为“第i个系统”，i=1,2,…,n；Mij为“第i个系统的第j个工序”，j=1,2,…,n(i)；Mijk为“第i个系统的第j个工序的第k个主危险因素”，k=1,2,…,n(i,j).

2.2危险源因素空间

基于霍尔三维结构模式建立煤矿危险源三维多粒度结构模型如图2所示。

图2　煤矿危险源三维多粒度结构模型 Fig.2　Three-dimension multi-grnularity structure model

图2模型的三维划分中，Z轴表示危险源系统维，代表煤矿企业根据自身生产系统结构、管理部门职能、经济技术条件将其划分为若干具有独特运转功能的子系统，坐标依次标记为1系统，2系统，…，i系统；X轴表示危险因素维，代表可能导致事故发生的煤矿瓦斯、顶板、水、火、煤尘、个人失误、物的故障、环境因素、组织失误等要素；Y轴表示危险源时间维，t1,t2,…,ty依次为时间坐标。X轴坐标与Z轴坐标交叉点表示隶属x系统内因某一危险因素可能导致事故发生的危险源，即平面XZ表示危险源平面，平面XZ沿Y轴方向延伸表示连续时间段内危险源因素的累积即“危险源因素库”，符号L,C分别表示风险矩阵法[9]中事故发生可能性和发生后人员伤害程度及范围。

以陕北某煤矿掘进系统危险因素空间构建为例，危险因素空间构建路线如图3所示，来源于该矿第i系统的第j工序的第k主危险因素的危险源信息数据见表1.

图3　危险因素空间构建路线 Fig.3　Establishing path of hazard factors spaces

工序层j主危险源因素层kLCDijk风险等级M111便携仪器不完好H5E210中等M112未检察通风状况J3C412中等M113敲帮问顶人员站位或处理不当I4D312中等M11井下爆破M114敲帮问顶工具不合适J3E26一般M115顶板或巷帮不完好I4C416中等M116打眼时煤电钻操作不当J3D39中等……………M121未使用专用工具和规程规定的支护材料J3E26一般M122搬动支护材料操作不当J3E26一般M123树脂药卷破损J3E26一般M12锚杆支护M124锚杆机及配套设备不完好H5D315中等M125网片搭接、钢带压设不符合要求I4D312中等M126锚杆工未配带防护用品K2E24一般M127供风管路接口松动或老化J3D39中等……………………………

3煤矿生产系统风险评价

3.1工序层指标量化值的确定

由于系统内各工序的复杂程度不同，因此影响工序的危险因素风险等级及其各等级内危险因素数量也不同，即确定工序层指标量化值，需要综合危险因素的风险等级及其各等级范围内危险因素数量进行考虑。构造工序层指标量化值Mij计算方法如下

(1)

表2　工序层风险等级划分及指标量化值确定范围

表3　煤矿企业连续时间段内工序指标量化值统计表

3.2系统层风险评价方法

3.2.1熵权法确定工序层指标权重

设由m个对象n项指标构成的评价矩阵为X=(xij)m×n，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n.指标标准化方法如下

(2)

(3)

式中pij为第i个评价对象在第j个指标下的指标比重。指标的熵为

(4)

指标权系数为

(5)

熵权wj越大，该指标代表的信息量越大，表示该指标对综合评价的作用越大。

3.2.2灰色关联分析综合评价

设有m个评价对象，每个对象有n个评价指标，为了统一标准便于分析，对评价指标数据进行规范化处理，规范化数据样本为x1,x2,…xm,xi=[xi(1),xi(2),…,xi(n)],i=1,2,…,m.文中采用均值比规范化处理，以x0={1,1,…,1}作为理想方案。x0与xi关于第k个元素的关联系数为

(6)

(7)

其中wk为应用熵权法得到的指标权重。

将以上得到的灰色加权关联度按照数据标准化还原处理后，就可以得出最后的评价结果及对应的评价等级：很差(40,50]；较差(50,60]；中等(60,80]；较好(80,90]；很好(90,100]。

4实例分析

基于文中以上方法，对陕北某煤矿掘进系统8个工序存在危险因素进行建模。结合2014年1月至5月陕北某煤矿掘进系统8个工序危险因素，进行该矿6月份系统评价用以说明文中研究方法的应用过程，限于篇幅，在此仅列出了6月份的危险源辨识信息见表4.

利用式(2)～(3)对指标量化值进行标准化处理后，再利用式(4)～(5)计算得到指标熵权值，w=[0.174 9，0.101 3，0.110 0，0.222 6,0.105 5,0.078 1,0.073 5,0.134 1].由式(6)得到灰色关联系数矩阵如下

最后，利用式(7)得熵权灰色关联度γ=[0.667 1,0.693 5，0.827 4，0.862 7，0.860 2，0.631 9].6月评价得分63.19，1～6月评价结果见表6.

由表6中的评价结果可知，6月份评价得分63.19，系统安全状况为中等。1月、2月、6月的评价结果得分在(60,80]之间，评价等级为中等；3月、4月、5月的评价结果得分在(80,90]之间，评价等级为较好，对比得出当月掘进系统安全性有明显下降，存在高风险隐患。结合灰色关联系数矩阵可得出6月份影响掘进系统安全状态的工序由强到弱依次为M14,M13,M18,M11,M17,M12,M16,M15.由此可知7月份掘进系统安全管理工作防范的重点对象依次是工序M14综掘机割煤、M13综掘机割煤前准备和M18处理冒顶和维护巷道。

表4　陕北某煤矿6月份掘进系统工序各等级范围内危险因素数量统计表

表5　陕北某煤矿掘进系统工序指标量化值1月至6月统计表

表6　熵权灰色关联度及评价结果

5结论

1)针对煤矿现场的危险源辨识，结合霍尔三维模式与因素空间理论构建的煤矿危险源多层递阶模型，形成有效刻画煤矿生产系统安全状态的逻辑结构，是实现客观风险评价的基础；

2)运用因素空间理论进行主要危险因素的标记、分析和提取，克服了风险评价过程中由于危险源信息庞杂、积聚与耦合状态下难以约减、量化分析的问题；

3)在煤矿危险因素空间构建的基础上完成动态风险评价，是促进现场安全管理工作持续改进的有效手段。

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