基于层次分析法的矿井突水风险模糊综合评价*

徐星　孙光中　王公忠，2

(1.河南工程学院安全工程学院　郑州 451191；　2.武汉理工大学资源与环境工程学院　武汉 430070)



安全管理与咨询

基于层次分析法的矿井突水风险模糊综合评价*

徐星1孙光中1王公忠1，2

(1.河南工程学院安全工程学院郑州 451191；2.武汉理工大学资源与环境工程学院武汉 430070)

摘要突水风险评价是矿井水害预控管理的重要内容，应用层次分析法与模糊数学理论，对矿井的突水风险进行科学与合理评价。在评价过程中，建立了矿井突水风险评价指标体系，通过比较矩阵的计算确定出突水风险各相关因素的影响权重，并进行权重总排序，找出矿井突水主要影响因素。基于该评价体系，建立二级模糊综合评价模型。应用表明：该评价方法能够对多个定性与定量指标影响的评价进行综合权衡，比较准确有效地反映出矿井突水风险等级。

关键词矿井突水风险评价指标层次分析法权重模糊综合评价

0引言

煤炭是我国主要能源，约占一次性能源消耗结构中的70%左右，到2050年预计还能占到50%左右[1-2]。煤炭开采受煤层赋存地质条件、水文地质条件、施工技术等各方面因素的制约，矿井灾害时有发生，其中矿井突水问题日益严重，影响甚大，据国家煤监局统计数据，近年来全国共发生突水事故756起，死亡3 834人[3]。开展矿井突水风险评价依然是重要的基础工作，通过评价可实现对不同安全程度的矿井进行分类指导，有利于提高矿井突水风险识别的有效性与准确性；有利于矿井预控突水管理水平的提高、减少突水事故的发生。

矿井突水是由众多相关因素所构成的有机体，因其多指标性，对其风险的评价造成了困难。如何行之有效的对突水风险进行分析评价，建立科学、合理的评价模型，是突水风险控制的关键工作。目前，矿井安全评价方法有层次分析法(AHP)、灰色综合评价法、模糊综合评价法、多元统计法以及人工神经网络评价法等[4]，矿井突水具有模糊性大、不确定性因素多且动态变化的特点，可应用模糊综合评价法对矿井突水风险进行评价。

1模糊综合评价法

1.1模糊综合评价基本原理

模糊综合评价是应用模糊变换和关系合成原理，从多个因素对隶属于被评价事物的等级状况进行综合评价和综合分析的方法。由于某些评价因素带有一定程度的模糊性，其界限和外延并不存在十分精确的肯定与否定。模糊综合评价可将定性描述和定量分析紧密地结合起来, 运用模糊运算法则，对非线性评价进行量化综合，得出定量评价。

1.2模糊综合评价主要步骤

(1)建立评价指标体系。设A={B1,B2,…,Bm}为影响评价对象的m种因素，而Bi={Ci1,Ci2,…,Cin}为其子因素集，综合评价所涉及的以上因素集合则组成了评价指标体系。

(2)确定评语集。建立p个评价结果的集合，V={v1,v2,…,vp}，评语集是评价者对评价指标可能做出的评价结果组成的集合。

(3)应用AHP确定评价因素的权重：

①建立判断矩阵。将Bi因素集中的各因素进行两两重要性比较，并将比较的结果写成矩阵形式，打分标准依照T.L.SAATY的1～9标度方法，建立Bi的评判矩阵Bi-Cin。

②计算权重向量。采用特征根法求解判断矩阵Bi最大特征根λmax和相应的归一化特征向量Wi，即权重向量。为了保证判断矩阵的一致性，需要计算一致性指标CI与一致性比例CR，CR=CI/RI，其中，RI为平均随机一致性指标，其值可见表1。

表1　随机一致性指标RI值

当CR<0.1时，认为判断矩阵的一致性可以接受；当CR≥0.1时，认为偏离一致性程度的指标，应对判断矩阵做适当修正以满足要求。同样可求出A={B1,B2,…,Bm}所对应的权重向量W。

(4)构建模糊关系矩阵R。对Bi中的各因素进行单因素模糊评判后，建立模糊关系矩阵：

矩阵R中第i行第j列元素rij，表示第i个因素对第j个评语的隶属度，R包含了按评价结果集合V对评价因素集合A进行评价所获得的全部信息，即构成V与A的一种模糊关系。

(5)模糊综合评价。模糊综合评价的模型为：

F=W·R=(w1,w2,…,wm)·R=(f1,f2,…,fp)

F为权重向量W与模糊关系矩阵R合成的向量，亦即模糊综合评价结果。

2矿井突水风险模糊综合评价

2.1建立矿井突水风险指标体系

矿井突水风险评价指标体系的建立与否合理，将直接影响评价的结果和精度，因此评价指标的选取十分重要。在对新密矿区某矿的突水状况调查、分析基础上，建立了该矿突水风险评价体系的层次分析结构。该结构分为三个层次：A层次(目标层)，矿井突水风险；B层次(准则层)，职工素质、防排水设备、充水水源、导水通道和安全管理；C层次(方案层)，组成B层的二级指标，并受B层的支配，共5个一级指标，21个二级指标，见图1。综合评价过程采用两级模糊综合评价方法来求解，指标层由专家根据经验及规范进行量化。

图1　矿井突水风险评价指标体系

2.2确定评语集

根据对矿井的现场调研以及结合有关安全诊断专家组的经验、相关标准规范，将矿井突水风险程度划分为五个等级，V={低风险，较低风险，中等风险，较高风险，高风险}，各个等级与相应的评价分值区间如表2。

2.3确定评价因素的权重

应用AHP法，运用“征集专家评分”的方法，咨询煤矿、设计院和高校等多名相关技术研究人员，构建评判矩阵B1-C1j，见表3。

表2　评价等级分值与加权值

表3　判断矩阵B1-C1j(ij=1,2,3,4)

首先将矩阵的各个行向量进行几何平均，然后归一化，最后得到的行向量就是各突水风险相关因素的权重向量。经计算求得λmax=4.398 5，W1=(0.423 1，0.227 4，0.122 1，0.227 4)，判断矩阵B1-C1j一致性检验：CI=0.005 1,CR=0.005 7<0.1，通过一致性检验。同理可以求得各指标层的权重向量Wi，并进行权重的总排序，见表4。

2.4构建模糊关系矩阵

由来自不同领域、具有矿井突水防治经验的10人组成专家诊断小组，首先对职工因素B1因素集中各子因素的突水风险程度进行评估，然后根据专家诊断小组的综合评判结果，应用概率与数学期望方法进行统计，从而求得模糊关系矩阵R1：

表4　矿井突水风险权重及总排序

同理可以得到R2，R3，R4和R5。

2.5模糊综合评价

(1)一级模糊综合评价。对该矿突水风险进行评价，经计算求得职工素质B1的评判结果向量：

F1=W1·R1

=(0.322 7，0.245 5，0.187 8，0.154 5，0.089 5)

同理可以求得影响矿井突水的其他因素Bi的评判结果向量：

F2=W2·R2

=(0.281 8，0.272 7，0.172 7，0.190 9，0.081 8)

F3=W3·R3

=(0.146 7，0.172 2，0.172 2，0.265 9，0.243 1)

F4=W4·R4

=(0.111 4，0.168 7，0.276 0，0.157 7，0.286 2)

F5=W5·R5

=(0.222 4，0.262 9，0.335 7，0.145 1，0.033 9)

则矿井突水风险模糊综合评价结果为：

F=W·R

=(0.220 8，0.221 8，0.217 8，0.197 0，0.1427)

(3)综合评价结论。考虑到评判结果向量F的f1，f2，f3，f4值较为接近，且最大隶属度原则没有顾及其他Bi值对评价结果的影响，因此，这里采取加权计算法，将上述结果由T=F×V转化为分值：

T=(0.220 8×95+0.221 8×85+0.217 8×75+

0.197 0×65+0.142 7×30)=73.25

将其对照表2，按评价等级标准分值进行定级，应定为“中等风险”。

3模糊综合评价过程分析

3.1突水风险影响因素的权重分析

由表4可知，充水水源中的地下水与大气降水与老空水；职工素质中的生理状况、征兆识别、专业技能与避灾意识；安全管理方面的防治水技术措施、生产岗位责任制与应急救援；防排水设备方面的水仓与排水管路、供电线路与设备；导水通道方面的构造断裂带共13个因素占据突水风险总权重的87.52%，说明这13个因素是该矿突水风险的主要影响因素(或称为主控因素)，进而可知该矿要防治突水应在这13方面下大力量、做工作，来杜绝矿井突水事故的发生。

3.2突水风险模糊评价结果分析

由职工素质B1的评判结果向量F1max=0.322 7知，为“低风险”，可知该矿职工的精神状态、专业技术和自我保护意识较好，由于人是矿井的生产主体，其素质对矿井突水的发生与控制起着重要的作用，这与职工素质的生理状况、征兆识别、专业技能与避灾意识均在总权重的前列相符。

由防排水设备B2的评判结果向量F2max=0.281 8知，为“低风险”，说明该矿的地面防水工程与井下防排水设施均处于较好的状况。结合权重分析，虽然为“低风险”，但该矿应该在防排水设备方面的水仓与排水管路、供电线路与设备上多加重视、防患于未然。

由充水水源B3的评判结果向量F3max=0.265 9知，为“较高风险”。由于该矿现在主采二1煤的底板下伏含水层有石炭系上段L7～8灰L1～4灰O2m灰岩含水层。直接充水含水层L7～8灰目前水位标高为-173 m左右，突水系数为0.146 MPa/m，根据《煤矿防治水规定》可知，二1煤的开采具有突水可能。因此在关注大气降水与周围老空水体同时，尤其应做好承压水的防治。

由导水通道B4的评判结果向量F4max=0.286 2知，为“高风险”。该矿地质构造中等复杂，其水文地质条件为复杂，因此大气降水、地表水均可以通过构造断裂带对矿井造成充水，这与上述权重结果分析相对应，后期开采过程应加强对地面断层、断裂构造、密封不良的导水通道的监察与治理。

由安全管理B5的评判结果向量F5max=0.335 7知，为“中等风险”。由评判结果可知该矿特别要重视安全管理方面的防治水技术措施、生产岗位责任制与应急救援的投入，落实安全生产方针。

4结论

(1)从系统安全管理理论出发，构建了比较全面的矿井突水风险评价指标体系。采用层次分析法最终确定了21个指标权重及其影响力排序，并获得突水风险的13个主控因素，该结论可为该矿突水风险控制提供一定的思路与方向，为以后工作做到有的放矢。

(2)基于各指标的权重值，应用模糊综合评价法对该矿突水风险进行评判，经加权计算，评判最终结果为“中等风险”，评判结果与实际情况较为相符，能够有效准确的反映出矿井突水风险状况。

(3)模糊综合评价可以比较客观、综合的考虑影响突水风险的各种因素，并进行定量评价，直观的展现生产过程中安全隐患部位，有助于采取和制定相应措施来防治矿井突水事故的发生，该方法简便、可行，具有较强的实用性。

参考文献

[1]金永飞, 靳运章. 我国煤矿安全生产存在的若干问题及应对措施[J]. 煤矿安全, 2015,46(4):234-240.

[2]尹华, 马媛, 崔巍. 煤炭开采业技术进步贡献率测算：基于“十五”和“十一五”期间的比较[J]. 中国矿业, 2014,23(12):20-23.

[3]魏久传, 肖乐乐, 牛超，等. 2001-2013年中国矿井水害事故相关性因素特征分析[J]. 中国科技论文, 2015,10(3):336-341.

[4]王长申, 孙亚军, 杭远. 安全检查表法评价中小煤矿潜在突水危险性[J]. 采矿与安全工程学报, 2009,26(3):297-303.

*基金项目：国家“十二五“科技支撑计划重点项目(2011BAB05B03)，“矿灾害预防与控制河南省高校重点实验室培育基地”建设经费资助(200925)。

作者简介徐星，硕士，讲师，现从事矿山水害防治及安全评价教学与科研工作。

(收稿日期：2015-12-25)

Fuzzy Comprehensive Evaluation of Mine Water-inrush Risk Based on Analytic Hierarchy Process

XU Xing1SUN Guangzhong1WANG Gongzhong1,2

(1.SchoolofSafetyEngineering,HenanInstituteofEngineeringZhengzhou451191)

AbstractWater-inrush risk evaluation is the important part of mine water disaster pre-control management and AHP and fuzzy mathematical theory is used to carry out scientific classification and rational evaluation for coal mine water-inrush risk. In the evaluation process, the mine water-inrush risk evaluation index system is established, the comparison matrix is calculated to determine the influence weight of water-inrush risk factors, the total weight of the right is sorted and the main influencing factors of mine water-inrush are found out. Based on this evaluation system, a two level fuzzy comprehensive evaluation model is established. The application shows: this evaluation method can comprehensively judge and weigh the impact of multiple qualitative and quantitative indicators, more accurately and effectively reflect the risk level of mine water inrush.

Key Wordsmine water-inrush riskevaluation indexanalytic hierarchy processweightfuzzy comprehensive evaluation