基于层次分析法的煤矿顶板安全评价

张晓剑

(大同煤矿集团永煤定庄煤业有限责任公司 准备区，山西 大同 037003)

0 引言

在我国国民经济发展中，煤炭是最主要的能源之一，在所有一次能源生产总量和消费总量中分别占76%和69%左右[1]。在《能源中长期发展规划纲要(2004—2020年)》中，也指出我国的能源战略是“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展”，由此可见煤炭在我国的地位[2]。对于煤炭生产而言，安全问题是重中之重，既关系到煤炭行业的经济效益，又关系到从业人员的健康和生命。

我国煤炭行业伤亡事故仍然十分严重，据相关数据统计，2016年我国的煤炭百万吨死亡率0.156，而美国为0.038，澳大利亚为0.013[3]。如何确保煤炭的安全高效开采，如何保持煤炭行业的高速、安全发展，是整个行业面临的重大难题，也是煤炭行业的安全稳定发展面临的严峻挑战。对于安全管理评价而言，首先需一套具有科学基础、又具备较强操作性、还能直观准确反映安全情况的管理体系。目前，在煤矿企业安全管理中，建立综合评价体系的并不多见。主要采用的方式是危险源评价和安全检查表，这2种方法主要以定性分析为主，缺少定量的评价结果。此外，还有一些研究，是针对煤矿某一事故进行事故树分析；事故树分析法能够较好地对某一具体煤矿生产事故进行分析，但是在综合评价上仍然难以满足实际需求[4-5]。

1 顶板安全评价体系的建立

在煤生产过程中，顶板事故是发生频率较高，危害较大的事故之一。在2017年，山西省共发生23起煤矿事故，其中8起是顶板事故。顶板事故对煤矿安全生产的影响在国内外都较大。据统计，在美国，顶板事故导致的死亡人数占所有地下死亡总人数的70%左右；在印度，顶板事故导致的死亡人数占所有井下事故死亡人数的42%左右[6]。通过对顶板事故分析，认为评价顶板安全性应该从顶板特性与支护2个方面进行。具体指标说明如下：①直接顶的厚度—直接顶的厚度对于顶板稳定性而言是非常重要的一个参数，顶板越厚，其内部小断层的发育就越小，这样可以提高顶板稳定性。而且同一岩性的顶板厚度越大，其稳定性就越好；②顶板的分层数—顶板的分层数越大，其悬空层面就越多，顶板的整体性就越差，容易发生冒落。顶板的稳定性取决于靠近煤层3 m内的顶板岩层稳定性；③顶板岩性与断裂程度—顶板的岩性有软质岩石和硬质岩石。如果顶板岩性中，硬质(如砂岩)岩石含量比较高，顶板的稳定程度就比较高。断裂程度也对顶板稳定性有一定影响。裂隙越发育，顶板的稳定性就越差，越容易发生冒落危险；④支护情况—除了顶板自身特性外，支护的质量也决定着顶板事故发生的概率。支护情况主要体现在支护方案是否合理，比如锚杆长度的选择、排距的选择以及锚杆质量是否合格等；再比如锚杆的力学性能、锚杆的材料等；⑤顶板管理情况—顶板管理的水平高低，也是影响顶板安全的因素之一。主要有顶板管理制度是否完善、施工人员素质高低、顶板监控是否到位等。根据以上分析，建立煤矿顶板安全评价体系，体系框图如图1所示。

图1 体系框图

2 基于层次分析法的评价分析

层次分析法(Analytic Hierarchy Process)是一种针对多因素、复杂系统的评价方法，既可以进行定性分析，也可以进行定量计算[7]。其定量计算的基础是对每个同层因数进行两两的重要度对比，并将对比结果写成矩阵，然后通过矩阵运算得出各个指标的重要程度(即矩阵的特征向量)。层次分析法能够科学、客观地对建立的评价体系进行分析，能够较好的满足煤矿安全评价的需求。因此，本研究选择层次分析法作为煤矿安全管理评价的方法。

2.1 判断矩阵的建立

根据层次分析法原理，首先，建立判断矩阵，如式(1)所示。

(1)

2.2 权重的计算与检验

通过MATLAB软件进行特征向量的计算并进行一致性检验。特征向量即各因素在本层中的权重，本层权重与上层权重的乘积即为总权重。计算结果见表1。

表1 煤矿顶板爆炸评价体系分析结果

2.3 综合评价结果的确定

要对整个安全管理评价体系进行综合评价，需要建立对应的评价标准。本文根据现场情况，将评价分为5个等级：优秀、良好、一般、合格、不合格，对应赋值分数为5分、4分、3分、2分、0分。

根据与现场技术人员和安全管理负责人的沟通，可以对各个因素进行打分，然后得出综合评价结果，结果的计算方法见式(2)。

(2)

式中：F—煤矿安全管理评价结果；P—因素C1、C2,…,Cn的得分矩阵；pk—现场分数结果。最终的计算结果作为某矿井的安全管理评价结果，评价也可分为5个等级，其中4

2.4 评价体系的应用

以同煤集团某煤矿为例，目前，该煤矿没有针对安全系统的定量计算评价方法，主要的安全评价是通过安全检查表和事故树进行分析。安全评价表是一种传统的评价方法，但是没有考虑各类事故的不同权重；而事故树评价方法主要是针对事故原因进行研究的分析方法，侧重点主要是原因分析而不是综合评价[8]。因此，本文建立的评价体系和开发的软件能够在该煤矿进行较好地应用。邀请生产一线的技术人员共10人根据评分标准对各个指标进行打分，这些技术人员来自技术科、通风科、安全科、地质科、安监站等部门。

对他们的评分结果取平均值，并根据式(2)计算最终的评价得分为：3

通过与技术人员的沟通发现，有一个问题是急需解决的，即计算问题。技术人员反映，该评价体系比较全面，应用也比较方便。但是后期的数据处理比较繁琐，对各个因素打分以后，要对每个系统进行综合评价，再计算整个系统的最终评分。这个过程计算量很大，而且枯燥、单调，很容易出现计算错误，影响评价的准确度。

因此，为了减少技术人员的重复计算，提高工作效率和准确度，开发出针对煤矿安全管理评价的应用软件。

3 顶板安全评价软件的开发

Visual Basic(以下简称为VB语言)是能够在Windows操作系统中开发面向对象的应用程序的一种编程工具[9]。

3.1 软件功能分析

已经对煤矿安全管理评价进行了系统的分析和研究，根据建立的评分体系和计算得出的各指标权重值，可以得到综合评价结果。因此，软件的功能主要有以下几点。

完整的指标体系界面：针对每个不同的评价类别，将该类别下的所有指标列出。通过选择的方式对每一个指标进行评价，并根据建立的评分标准显示相应的分数。

综合评价和结果显示：由于综合评价结果的计算方式为累加每个指标相应权重与现场打分的乘积，因此，在软件设计时就将每个指标的得分，再结合权重进行计算，得到最终的得分。根据得分，在文本框中显示不同的评价。设得分结果为F，当4

3.2 软件设计流程及运行

根据对软件功能的分析，设计绘制软件流程图，如图2所示。

图2 煤矿安全管理评价软件流程图

根据软件功能和设计流程，进行软件的界面设计、程序编写和程序调试。软件界面及运行示意图如图3所示。

图3 煤矿顶板评价软件界面及运行示意图

4 结语

通过一段时间的试用，技术人员已经对评价体系的原理和软件有了一定程度的了解，得到的安全评价结果符合现场实际，比原来的方法更加具体，更有针对性。此外，通过与技术人员的沟通，普遍反映使用评价软件可以很大程度减少计算量，提高工作效率；同时，对每个系统的评价结果也可以直观地显示和保存。因此，该评价软件有着比较好的应用效果和前景。