基于组合赋权的煤矿水害危险性模糊综合评价*

2018-04-12郭兵兵田坤云王公忠

灾害学 2018年2期

徐　星, 郭兵兵, 田坤云, 王公忠

(河南工程学院安全工程学院，河南郑州 451191)

煤矿水害事故严重制约和影响着煤炭的安全生产；水害事故的发生，不仅造成巨大的经济损失，同时在社会上产生负面影响，违背“以人为本，建立和谐社会”的方针[1-2]。据国家煤监局统计数据，近年来全国共发生水害事故756起，死亡3 834人[3]，及时的开展煤矿水害危险性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煤矿进行分类指导，有利于杜绝或减少水害事故的发生。

目前，煤矿水害危险性评价方法有：安全检查表法、事故树分析法、层次分析法(AHP)、模糊综合评价法(FCE)等[4]，众多学者对煤矿水害危险性评价开展了一定的研究，如：王长申等[5]采用安全检查表法以杨庄矿周边六个地方煤矿为例，实现了突水危险性专项评价。王长申等[6]使用事故树方法以杨庄矿及其周边6个地方煤矿为例，完成了复杂煤矿突水危险性专项安全评价。王朋飞等[7]应用AHP和专家打分法对某矿井进行了突水风险评价。刘仕瑞[8]使用AHP与FCE建立了AHP-FCE评价模型，对充矿集团Y煤矿进行了突水危险程度评价。如何行之有效的对煤矿水害危险性程度进行评价是一个需要不断研究课题。文献[9]使用模糊层次分析方法(FAHP)对煤矿水害事故致因因素的相对重要性进行了排序，克服AHP判断矩阵一致性检验比较困难的缺点。笔者考虑到AHP虽然判断矩阵一致性的检验比较困难，但能够准确的反映出评价指标的内涵和外延；FAHP虽然模糊判断矩阵检验标准更加准确和科学，但其是依照目标区实际指标之间相对于目标的优劣等级的隶属程度来确定权重，因此这里拟对AHP和FAHP进行主观赋权和客观赋权的组合，采用线性组合二者的权重并进行折衷处理来提取水害各影响因素的组合权重；由于FCE通过模糊集合论的有关运算和变换，能够对模糊对象进行定量分析，笔者拟在实例应用的基础上建立基于组合赋权的模糊综合评价模型，以期准确、有效的评价出煤矿水害危险性程度。

1　评价指标体系的建立

评价指标体系的建立是否科学合理，将直接影响评价结果的准确性。在根据已有资料和对煤矿水文地质条件现场调研的基础上[10-12]，将煤矿水害危险性评价指标体系分为三个层次：目标层，包含的指标为煤矿水害危险性A；准则层，包含的指标为职工素质B1、防排水设备B2、充水水源B3、导水通道B4和安全管理B5；因素层，组成B层的21个二级指标。评价体系如图1所示。

2　评价方法与模型

2.1　组合赋权法

指标权重的精确性直接决定了煤矿水害危险性评价结果的准确性。这里使用AHP和FAHP对各因素的影响权重进行赋权，首先确定评价指标集U={u1,u2,…,un}，其中，ui(i=1,2,…,n)表示综合评价中的指标，n是评价指标的个数。

图1　煤矿水害危险性评价指标体系

2.1.1AHP赋权

AHP是一种定性与定量分析相结合的分析方法，能够对经验判断进行量化，通过比较各指标之间的相对重要程度来确定各层次评价指标的权重，这种方法依据决策者的经验和知识能，够准确的反映评价指标的内涵和外延。方法如下。

(1)构造判断矩阵，采用T.L.SAATY的1～9标度方法，以上一层指标为准则进行同一层指标的两两比较，建立两两比较的判断矩阵。

(2)计算权重及一致性检验，求解判断矩阵的最大特征向量，检验是否满足一致性，确定相应的权重。

(3)确定综合权重，将各分指标权重进行合成计算，确定总目标权重并进行一致性检验。

2.1.2FAHP赋权

FAHP考虑到人判断的模糊性，其构建的模糊判断矩阵可通过一定的方式转化为一致性模糊判断矩阵，依照目标区实际指标之间相对优劣的隶属程度来确定权重。方法如下。

(1)建立模糊判断矩阵，采用0.1～0.9标度的FAHP建立两两指标关于某准则相对重要程度的模糊判断矩阵，并将模糊判断矩阵转化为模糊互补矩阵。

(3)指标权重的确定，对模糊一致矩阵采用行和归一化求得到各指标相关于某个准则的权重。

(4)确定综合权重，根据各层指标的权重，按公式1可以计算因素层各指标相对于目标层的综合权重。

(1)

2.1.3组合权重

组合权重是评价者主观判断和评价指标客观信息的综合反映，采用组合赋权可以可以弥补两种赋权方法各自的缺点和局限性，从而提高指标权重的科学合理性。组合权重W如下：

(2)

2.2　模糊综合评价

模糊综合评价是运用模糊数学工具对事物做出综合评判，其评价过程具有非线性的特点[14-15]。步骤如下。

(1)确定评价评语集V={v1,v2,…,vp}。

其中，vj(j=1,2,…,p)表示综合评价中的评语等级，是对被评指标的区间划分，p是评语等级数。

(2)建立模糊关系矩阵R。

求出评价指标的隶属度，得到模糊关系矩阵：

(3)

式中：rij为评价指标ui来看对应vj等级模糊子集的隶属度，i=1,2,…,n；j=1,2,…,p。该矩阵中的每一行是对每一个指标的评价结果，因此，模糊关系矩阵R包含了按评语集V对评价指标集合U进行评价所获得的全部信息。

(3)FCE模型

B=W·R=(b1,b2,…,bp)。

(4)

式中：B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。

3　工程应用

3.1　煤矿水文地质条件

新郑赵家寨煤矿设计生产能力300万t/年，主采全区可采、山西组下部的二1煤层。水文地质条件中等偏复杂，充水水源有：①大气降水，大气降水是井田内岩溶承压水补给源，承压水水位随季节而变化，其年变化幅度在0.28～4.54 m之间。②地表水，井田内有自西北向东南流经该井田的常年性河流―双洎河，河流距主要开采煤层二1煤约400 m，对地下水的补给仅限于局部地段。③地下水，地下主要含水层有二1煤顶板砂岩含水层和二1煤底板灰岩含水层，特别是太原组上部灰岩岩溶裂隙承压水是二1煤层底板直接充水水源，水量较丰富，补给强度中等，水头压力大。二1煤层底板隔水层，厚度1.61～43.82 m，平均10.96 m，具一定隔水性，但此砂泥岩隔水层在煤层采动后易发生底鼓变形，引起L7～8灰岩含水层滞后出水，影响生产。导水通道，井田内岩溶、构造断裂发育，富水性较好，巷道接近、采煤揭露或接近含水层时，地下水通过导水通道向矿井充水，另外井田内的有93处不良或未封闭的钻孔亦是造成矿井充水的重要原因。

3.2　指标权重的确定

聘请来自设计院、高校和煤矿现场的10名专家组成安全诊断小组，对图1中的各评价指标依据该矿的水文地质条件进行权重分析和FCE分析。

3.2.1AHP权重分析

矿井充水水源、导水通道和充水程度三个因素构成了矿井充水条件，而该矿的水文地质条件中等复杂，因此以构建B3～C3j(j=1,2,3,4)判断矩阵(表1)为例进行分目标权重的确定

CR=CI/RI=0.003852<0.1，通过一致性检验。同理可以构建其他判断矩阵的和求取相应的权重，则因素层的21个指标相对于总目标“煤矿水害危险性评价”的综合权重为：W′=(0.1052，0.0565，0.0304，0.0565，0.0211，0.0106，0.0422，0.0422，0.1003，0.0226，0.2005，0.0370，0.0271，0.0097，0.0049，0.0138，0.0243，0.0423，0.096，0.0390，0.0176)。

3.2.2FAHP权重分析

构建B3～C3j(j=1,2,3,4)模糊判断矩阵(表2)，并进行模糊一致矩阵的检验和权重的计算。

表1　判断矩阵B3～C3j(j=1,2,3,4)

表2　模糊判断矩阵B3～C3j(j=1,2,3,4)

同理可以构建其他模糊判断矩阵、模糊互补矩阵转换与一致性检验并求取相应的权重，则因素层的21个指标的综合权重依据公式1可以获得：W″=(0.0489，0.0771，0.0630，0.0210，0.0560，0.0347，0.0453，0.0240，0.0564，0.0736，0.0910，0.0390，0.0780，0.0606，0.0606，0.0606，0.0275，0.0220，0.0165，0.0330，0.0110)。

3.2.3折衷权重

根据AHP和FAHP所确定的综合权重，依据公式2可得：W=(0.0771，0.0668，0.0467，0.0388，0.0386，0.0227，0.0437，0.0331，0.0784，0.0481，0.1458，0.0380，0.0526，0.0351，0.0327，0.0372，0.0259，0.0322，0.0563，0.0360，0.0143)，煤矿水害影响因素的权重柱状图如图2所示。

图2　煤矿水害影响因素权重柱状图

3.2.4权重分析及防治建议

(1)如果以指标的累计百分比率在0～80%称为控制因素[16]，则地下水、大气降水、生理状况、征兆识别、防治水技术措施、构造断裂带、地表水、专业技能、水仓与排水管路、避灾意识、地表防水工程、老空水、其他类导水通道、应急救援共14个指标(因素)占据总权重的80.41%，称为煤矿水害危险性的控制因素，可以为煤矿水害防治提供有力的决策依据和出发点。这14个因素涵盖了充水水源B3、职工素质B1、安全管理B5、导水通道B4、防排水设备B2五个一级指标，从安全系统原理来看，印证了煤矿水害的发生是人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不安全因素在一定的安管水平下相互作用的结果。

(2)以上14个控制因素中，充水水源所含因素权重和占总权重的31.03%，职工素质为22.94%，安全管理为9.23%，导水通道为8.98%，防排水设备为8.23%。在五个一级指标中充水水源所占权重最大，排第一位，其所支配的四个二级因素均上榜，其影响效果亦远超职工素质B1的影响，充水水源是煤矿水害发生的物质基础，是煤矿防治水部门不能松懈的部位；充水水源的地下水：二1煤顶板砂岩含水层是矿井直接充水含水层，顶板砂岩含水层富水性弱；二1煤底板灰岩含水层L7～8灰含水层是二1煤底板直接充水水源，水量较丰富，补给强度中等，水头压力大，对煤矿安全开采起到了严重的威胁。职工素质则排第二，其所支配的四个二级因素亦均上榜，这突出了以人为本的生产理念，亦可以看出人是煤矿的生产主体，其素质对煤矿水害的发生与控制起着至关重要的作用，煤矿亦应调动工人的积极性、加强安全生产培训、提高生产技能以提高职工的素质。安全管理排第三，进行安全管理就是落实“安全第一，预防为主，综合治理”的安全生产方针，建立健全生产岗位责任制、事故应急的组织机构，并编制事故应急处理预案。导水通道虽然所占权重排第四，可以看出该矿的构造复杂程度是中等复杂，对于矿井水害起到一定的控制作用，因此，矿井主要开拓工程过断层、揭露或接近灰岩等强含水层时，应采取预注浆和超前探放水等措施预防煤矿水害的发生。防排水设备所占权重排最后，防排水设备是抑制煤矿水害发生的措施，应积极主动做好“水仓与排水管路”、“地表防水工程”两方面的有关工作。

图3　煤层底板突水评价指标体系

(3)进一步对煤矿水害影响因素进行深入分析以提高煤矿水害防治措施制定的准确性、全面性，以评价指标体系中权重排第一的地下水(占总权重的14.58%)为例进行剖析(其他控制因素的分析相似，由于篇幅原因在这里略)。结合该矿的水文地质条件可知，二1煤顶板砂岩含水层富水性弱，对煤层开采影响不大，但是二1煤底板L7～8灰含水层水量较丰富，水头压力大，其下伏L1～4灰含水层、O2m灰含水层通过断裂构造对L7～8含水层进行纵向补给，是造成煤矿水害的主要原因。因此，建立二1煤底板突水影响因素与煤层底板突水评价的指标体系如图3所示。

进行突水影响因素判断矩阵的构建及权重的确定，其17个影响因素的权重为(0.1432，0.0852，0.1204，0.0716，0.0915，0.0544，0.0768，0.0457，0.0510，0.0230，0.0325，0.0147，0.0254，0.0221，0.0491，0.0788，0.0146)，从而可以确定二1煤底板突水的控制因素(按所占总权重的大小排序)为：断层密度、断层导水性、岩溶裂隙发育程度、断层规模、开采深度、承压水水压、褶皱强度、富水程度、隔水层岩性组合、煤层开采厚度，这10个因素占总权重的82.21%，是煤层底板突水的控制因素。

针对二1煤底板突水，地质构造(断层密度、断层导水性、断层规模、褶皱强度)是造成矿井底板突水的主要原因之一，起到控制作用；水文地质条件(岩溶裂隙发育程度、富水程度)是基础因素，岩溶裂隙发育程度、富水程度决定着底板突水后，水害的程度及对矿井威胁的大小；底板含水层(隔水层岩性组合)对底板突水其抑制作用，由软硬交替的岩层组成的底板能相互弥补各自的缺陷，提高阻抗突水能力；开采条件(开采深度、煤层开采厚度)，底板突水受到开采活动的影响，不同的开采条件造成的底板突水可能性不同，开采条件起到诱发作用。煤层底板突水的控制应从控制因素出发，以煤层底板突水发生的机制、演化为依据进行底板水害的防治。

3.3　FCE分析

表3　评价等级分值与加权值

(1)一级FCE评价

经分析，职工素质B1的模糊综合评判结果向量为：

B1=W1·R1=[0.32980.24610.17890.15390.0914]

煤矿水害危险性评价其他指标Bi(i=2,3,4,5)的评判结果向量为：

B2=W2·R2=[0.27340.28550.21120.21120.0477]B3=W3·R3=[0.18080.17940.17520.25800.2065]B4=W4·R4=[0.13730.18100.28460.15550.2414]B5=W5·R5=[0.22870.25650.32040.15260.0419]

(2)二级FCE评价

从而可得模糊关系矩阵R：

则煤矿水害危险性评价结果为：

B=W·R=(0.22293,0.1381,0.3102,0.1578,0.1647)·

因评判结果向量B的Bi(i=1,2,3,4,5)值较为接近，如果使用最大隶属度法则没有顾及到其他Bi值对评价结果的影响，故采取加权计算法将上述结果由F=B×V转化为分值：

根据表3按评价等级的标准分值进行定级，则煤矿水害危险性程度为“危险”，这与该矿的实际状况较为相符。

(3)模糊综合评价结果分析

由FB1=95.01，确定该矿的职工素质为“低危险”等级；由FB2=81.24，可知该矿的防排水设备处于“较低危险”等级；由FB3=68.54，确定该矿的充水水源处于“较高危险”等级；由FB4=67.11，可知该矿的导水通道处于“较高危险”等级；由FB5=78.73，可知该矿的安全管理处于“危险”等级。

结合3.2获得的14个煤矿水害控制因素及权重排序，由B1max=0.3298，B2max=0.2855，B3max=0.2580，B4max=0.2846，B5max=0.3204可知，职工素质、防排水设备所处状态比较好，得到了诊断小组多位专家的认可，应继续在职工素质所辖的四个控制因素、防排水设备所辖的两个控制因素方面进行保持、加强和完善；充水水源是煤矿水害发生的主要因素，在充水水源所辖的四个控制因素中，尤其以地下水威胁最为严重，煤矿防治水部门应着重关注二1煤底板水害的防治，这是该矿防治水害的重中之重，结合图2评价指标体系分析的结果，建议该矿应采取：(仅以3.2.4—(3))展开的分析为基础，其他因素的详细分析因此也略)

①超前探查。为保证二1煤采掘安全，应采用三维地震探测技术配合瞬变电磁探测技术与高密度电法探测技术探测灰岩水导、含水条件，对受高承压水威胁块段进行富水性、构造等水文勘查，以水文钻探对重点地段进行验证，必要时侯采用放水试验，实现物探与钻探相互验证，确保准确性。

②疏水降压。L7～8灰含水层承压水压力大，富水性较强，是二1煤层底板直接充水含水层，不仅可以在巷道施工专门的疏水巷、疏水钻孔直接疏水降压，还可以利用突水点对L7～8灰岩层进行疏水降压。通过疏水降压使L7～8灰承压水头降到安全位置，消除L7～8灰突水隐患。

③注浆堵水与改造底板及含水层。对于断裂构造高水位的富水导水带，采掘接近时将有可能发生突水事故，应采取注浆堵水加固围岩，确保采掘顺利通过。对于底板隔水层薄弱、底板含水层富水性较强的区域内在未出水的条件下进行底板注浆加固改造，在底板布置注钻孔，通过注浆来充填底板含水层的岩溶裂隙和导水裂隙，既可以达到减弱L7～8灰含水层赋水性，也可以阻断L1～4灰含水层补给L7～8灰涌水水源的补给通道。

④合理开采方法与工艺。通过选择合理的二1煤开采方法和开采参数降低采动对底板影响效应，减少矿压对底板的破坏，减少或抑制底板突水事故的发生。

⑤留设合理防水煤柱。区内断裂构造较发育，正断层较多，底板岩溶发育，含水量丰富，水压高，补给条件好，即使与二1煤间有一定厚度隔水层，但在薄弱地段由于导水断层与煤层沟通，也为形成突水通道埋下隐患，必须对该含水层采取隔离的办法，留设足够防水煤柱。

该矿的导水通道、安全管理的安全状况优于于充水水源，但远不如职工素质、防排水设备所处的安全状态，导水通道的存在为煤矿水害的发生埋下了安全隐患，该矿下一步要下大力气进一步做好断裂构造带、其他类导水通道的控制和防御；在安全管理上，应该认真落实生产岗位责任制，制定并落实各项防治水的规章制度，落实“安全第一，预防为主，综合治理”的安全生产方针，做到防患于未然。

4　结论

(1)构建了煤矿水害安全评价指标体系，使用AHP和FAHP进行组合赋权，采用折衷办法求得21个指标的综合权重及其总排序，并确定了14个指标是煤矿水害影响的控制因素，同时也是煤矿水害防治的重点部位。

(2)为进一步有的放矢地防治煤矿水害，并为煤矿水害的防治措施的制定提供有力的决策依据，以控制因素中总权重排第一的地下水为例，分析并建立了二1煤底板突水评价指标体系，确定了煤层底板突水的10个控制因素；结合该矿的水文地质条件深入剖析可知：地质构造是造成该矿底板突水的主要原因之一，起到控制作用；水文地质条件是基础因素；底板含水层对底板突水其抑制作用；不同的开采条件造成的底板突水可能性不同，开采条件起到诱发作用。这为二1煤底板水害的防治提供了理论依据与出发点。

(3)应用基于组合权重模糊综合评价模型进行工程应用，采取加权计算法得F=72.14，确定该矿的水害危险性等级为“危险”，评价结果与实际情况较为相符；依据模糊综合评价的量化综合，直观的展现出煤矿生产系统水害潜在的安全隐患以及隐患部位。据此提出相应的防治措施以提高该矿的水害安全等级。

参考文献：

[1]卜昌森. 煤矿水害探查、防治实用技术应用与展望[J]. 中国煤炭, 2014,40(7):100-107.

[2]傅贵, 杨春, 殷文韬. 煤矿水灾事故动作原因研究[J]. 中国安全科学学报, 2014,24(5):56-61.

[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]林登科, 沈斐敏, 廖素娟. 基于可拓理论与区间赋权的煤矿水害安全评价[J]. 安全与环境工程, 2015,22(2):124-128.

[5]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.

[6]王长申, 孙亚军, 杭远. 基于事故树分析的煤矿潜在突水危险评价研究[J]. 岩土力学与工程学报, 2009,28(2):298-305.

[7]王朋飞, 李翠平, 李仲学, 等. 基于层次分析法的矿井突水风险评价[J]. 金属矿山, 2012,438(12):95-98.

[8]刘仕瑞. 对兖矿集团Y煤矿突水的安全评价研究[D]. 太原:中北大学，2013.

[9]史晓明. 基于模糊层次分析法的煤矿水害事故危险源辨识[J]. 中国矿业, 2010,19(S1):203-214.

[10] 徐星, 吴金刚, 张惠聚, 等. 赵家寨二1煤底板突水影响因素分析与防治建议[J]. 煤矿安全, 2011(9):151-153.