基于多灾耦合综合评估的采煤工作面安全评价研究

张爱然 张连军 彭英健 白玉花 姚有利

(1.山西大同大学煤炭工程学院，山西省大同市，037003;2.徐州博安科技发展有限责任公司，江苏省徐州市，221008)

安全评价是从预防事故的观点出发，对系统可能产生的危害和损失进行预测和评价，有针对性地采取有效措施以实现系统安全的总目标。安全评价对预防事故、提高安全管理水平和进行安全决策等都有重要的指导意义。目前我国学者对煤矿安全评价做了大量研究，按评价内容不同可归纳为两大类：一类是从单一致灾因子角度建立安全评价模型，如田云丽等应用BP神经网络对煤与瓦斯突出的预测方法进行了研究；孙斌等应用灰色关联分析对瓦斯爆炸事故危险源进行了评价研究；曹树刚等应用模糊综合评价法对瓦斯爆炸危险源进行了动态风险评价；廖文德等应用层次分析和模糊综合评价法对煤矿瓦斯灾害危险源进行了定量评价；张梦雅等应用模糊层次分析法对煤尘爆炸危险性进行了评价研究；白雯等建立了基于熵权物元可拓的矿井火灾安全评价体系；芦庆和等应用不确定信息的不精确推理(D-S理论)建立了矿井内因火灾危险性评价模型；林登科等应用可拓理论与区间赋权方法对煤矿水害安全评价进行了研究；徐会军等对矿井工作面水害进行了基于熵权物元可拓模型的评价研究；高峰等应用盲数理论对冲击地压危险性的不确定性进行了评价；姜福兴等提出了基于应力叠加的回采工作面冲击危险性评价方法；张凯等研究了不同采掘扰动下冲击地压危险评价方法；朱峰等综合应用层次分析和熵权法，并根据逼近理想解排序法建立了CW-TOPSIS冲击地压综合评判模型。另一类是从人-机-环-管角度建立指标体系，运用一定的数学理论对煤矿整体进行安全评价。但两类评价都没有考虑井下各致灾因子之间的相互影响。煤矿井下条件复杂多变、生产环节多，影响安全的因素非常多，且引发事故的各危险因素相互关联，仅研究单一危险因素或不考虑致灾因子间的相互作用，不能全面反映矿井的安全状况。因此本文在前人研究基础之上，采用多灾种耦合理论对采煤工作面进行综合评价研究，以期提高煤矿安全评价的准确性，为煤矿安全管理提供指导。

1 多灾种耦合综合风险评估

目前国内外对多灾种风险评估的研究和实践主要在自然灾害领域。多灾种通常指评价单元内多种致灾因子并存或并发的状况，多灾种耦合综合风险评估则是考虑评价单元内多灾种及其相互作用关系，对其导致的潜在风险进行评估。在多灾种风险评估中，灾害的风险一般由致灾因子的危险性(发生灾害的可能性)和承灾体的脆弱性(包括暴露度和安全设防水平)确定，即R=f(H,V)。

1.1 多灾耦合危险性评价

为了便于多灾耦合危险性评价的量化计算，用危险指数H表征各灾种及其指标的危险性，危险指数与危险等级的对应关系见表1。

表1 危险指数和危险等级对应表

(1)确定各灾种的初始危险性指数。确定各单一灾种的初始危险指数并进行分级是多灾耦合分析的基础。设评价单元内共有n种灾害，灾害i的初始危险指数Hi可按公式(1)计算：

(1)

式中：n——灾种个数，任一灾种用i标记；

m——灾种i的指标个数，指标用j标记；

ωij——第j个指标对灾种i的权重；

Hij——第j个指标的危险指数。

(2)基于多灾耦合的危险指数修正。多灾种之间的相互作用关系，前人多使用灾害链、级联效应、耦合关系和触发关系等来描述。耦合规则的建立及实现是进行多灾耦合风险评估的难点，目前仍处于尝试阶段，缺乏理论和实践指导。本文依据矿井各灾害之间的作用建立基于触发和相关关系的耦合规则，见表2，引入变量△Hi表示初始危险指数在其他致灾因子影响下的改变量,包括触发关系增加量△Hi-C和相关关系改变量△Hi-R。当触发灾害的初始危险等级为中、高或非常高时，被触发灾害的危险指数增加量△Hi-C分别为0.2、0.4、0.8；若触发灾害的初始危险等级为非常低或低时，△Hi-C为0；若灾种之间在发生过程中存在正相关影响，则△Hi-R根据实际影响取0.1～0.5；若某种灾害可能被多种灾害触发或受多灾种影响，则对△Hi-C和△Hi-R进行累加。

表2 多灾种耦合规则

1.2 承灾体的脆弱性

脆弱性通常包括承灾体的潜在损失和应对能力，并从经济、社会和生态等尺度选择评价指标。本文考虑我国事故分级标准，从人员伤亡、经济损失、社会影响和安防应对能力4个尺度选择指标对脆弱性进行评价，并引入脆弱性指数V来表征脆弱性等级，见表3。

表3 脆弱性指数和脆弱性等级分级标准

1.3 多灾耦合综合风险评估

为了和我国重大危险源等级和风险预警等级一致，本文将多灾种风险等级分为4级，用风险指数R表示，潜在风险指数和风险等级分级标准见表4。针对风险指数和脆弱性指数的不确定性特点，借鉴文献的模糊逻辑推理模型来确定风险等级类别，如图1所示。按评价单元内最大风险确定其综合风险等级。

表4 潜在风险指数和风险等级分级标准

2 应用实例

以寺塔煤矿首采工作面为评价单元，对其进行综合风险评估，5种致灾因子包括瓦斯、煤尘、自然发火、冲击地压和地下水。

2.1 多灾耦合危险性评估

(1)各灾种初始危险指数计算。综合前人研究基础，结合寺塔矿实际生产情况，建立对5种致灾因子的评价指标体系，分别邀请省级专家、矿总工程师和安全管理人员采用层次分析法计算指标权重，并进行赋值，对结果平均后汇总，见表5。

图1 风险矩阵模糊推理模型

(2)危险指数的修正。对5种致灾因子的初始危险指数按照前文建立的规则进行修正，由于具有触发关系的瓦斯爆炸和煤尘爆炸的初始危险等级都是低风险，所以触发关系增加量为0，其他灾害之间不具有触发关系；由于井下瓦斯、煤尘、高温、各可燃气体共存，会使物质的爆炸下限下降和最小点火能降低，矿压显现时，会导致瓦斯异常涌出等，所以根据实际情况，相关关系增加量取相应数值，具体见表6。修正后各灾害的危险指数见表5。

表5 各致灾因子的危险性指标、权重及结果

表6 各灾害之间的关系统计

2.2 采煤工作面脆弱性评估

因为不同灾害的影响范围及矿井对不同灾害的安防水平和救援能力不同，本文统计并分析发生瓦斯爆炸、煤尘爆炸、自然发火、冲击地压、地下透水事故的指标特征，建立多灾种承灾体脆弱性指标体系，并邀请前面3位专家按表3的标准进行分级,结果见表7。

表7 承灾体脆弱性指标体系，权重及结果

2.3 工作面多灾耦合综合风险评估

根据R=f(H,V)，用各致灾因子修正后的危险指数和对应的脆弱性指数进行计算，得出潜在风险指数，利用图1的模糊推理模型可以计算各灾害的风险程度，见表8。该工作面各灾害风险排序为煤尘爆炸>瓦斯爆炸>冲击地压>地下水>自然发火，按最大风险原则确定该单元的综合风险，则该工作面的综合风险属于潜在低风险的程度为0.43%，属于潜在中风险的程度为99.03%，属于潜在高风险的程度为0.54%。可见寺塔煤矿应该针对该工作面采取相应的风险缓解措施，尤其是提高承灾体的应对能力，以降低风险等级。

表8 多灾耦合综合评估结果

3 结论

(1)在分析单一灾种基础上建立了基于触发和相关关系的多灾耦合风险评估模型，能更全面合理地反映井下各致灾因子之间的相互影响。

(2)采用风险矩阵模糊逻辑模型确定风险等级，风险信息更加丰富，能清晰明确地反映风险的模糊比重分布情况，有助于更好地指导风险缓解措施的制定。

(3)以寺塔煤矿首采工作面为例，应用该方法，评估结果所属风险等级更加明确，反映出承灾体应对不同风险的差异性，可为制定风险缓解措施和安全管理提供依据。

本文首次将多灾耦合评价模型引入到煤矿安全研究中，还有很多工作需要继续深入研究。如在今后的实践中，要加强对煤矿各灾种耦合过程的跟踪、监测和记录，建立煤矿多灾种信息数据库，以提高修正危险指数的准确度；随着云计算技术和图像信息技术的发展，可以实时显示评估计算结果并将其进行可视化显示，提醒现场人员时刻注意工作环境的风险状态。