基于AHP-Fuzzy法的煤矿立井冻结法施工风险管理研究

杨国梁，宋娇娇，张召冉，刘 杰

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.北方工业大学土木工程学院，北京 100141)

煤矿建设项目风险是多种风险因素综合作用的结果，具有客观性、不确定性、随机性等特点[1-3]，若不能对井筒施工风险进行有效管控，使各类风险产生量变到质变的转化，就会引发冻结壁失稳坍塌、钻孔漏水、冻结管断裂淹井、液氨泄漏中毒、火灾爆炸、作业人员高处坠落、机械违规操作伤人等安全事故。目前深立井建设需求增多，对施工技术、工艺和设备的要求提高，安全事故发生率也随之上升。王建涛等[4]基于安全角度分析了超深冻结立井井壁结构设计应考虑的因素；卫建军等[5]利用神经网络的非精确原理预测冻结壁的施工参数，解决立井冻结设计存在的客观问题，为井筒工程的安全快速施工提供技术保障；程桦等[6]在分析国内深立井冻结法凿井安全事故现状基础上，从技术层面分析事故产生原因，并提出了相应的解决策略。工程实践证明，国内学者在冻结凿井法理论、设备与技术等领域研究较多，而忽视了施工过程中的风险管理，因此需加强对冻结施工中潜在的风险事件分析和事前控制，减少安全事故的发生。由于单独运用AHP法存在主观性强、计算精度不高等问题，本文采用的层次分析法和模糊评价法可解决此类问题[7-9]，辅助煤矿企业对各风险因素进行重要性排序，由此确立安全生产指标体系，为煤矿安全评价及管理决策提供可靠的依据。

1 工程概况

某煤矿地处黄河冲积平原，地形平坦，局部地形微度起伏，地势略呈西高东低，地面标高+40.01～+46.14 m，自然地形坡度2‰。本区水系比较发育，河流沟渠纵横成网，且多为人工开掘的季节性河流。井田内断裂受区域构造控制，走向基本与区域性田桥断层一致，分带性明显，共查出52条大落差断层。

该煤矿风井井筒深度为880.01 m，冻结深度为840 m。井筒外壁施工采用“短段掘砌”施工方案；内层井壁-815～-827 m井筒壁座加强段先锚网喷一次支护，再采用1 m段高装配式钢模板，3 m3底卸式灰罐下灰，从下向上连续砌筑内层井壁；井筒采用临时锁口方式；井筒与回风联络巷和井底车场连接处采用分层法施工，锚网喷一次支护后随井筒井壁整体砌壁施工。该煤矿为巨厚松散层覆盖下全隐蔽井田，含多个岩层，其中，第四系、二叠系含有中砂岩层，总体构造复杂程度中等，在钻孔施工及用水过程中，易受矿压及采动影响，钻孔速度易受到用蛮力推气腿影响。井筒冻结选用液态氨，采用外圈孔、中圈孔、内圈孔加防片孔冻结方式，冻结孔深度较深在775～840 m之间、冻结孔圈径较大在15～29 m之间，加之外圈孔、中圈孔、内圈孔共计约100个冻结孔。因地下水渗流作用和地层的富水性，缺乏系统的温度场分布规律研究，该矿井580 m以下冲积层要求冻结壁厚度厚、强度高，冻结管内盐水循环一直采用正循环，优先加强下部冻结。井筒掘砌施工前，对抓岩司机和翻矸平台作业人员进行岗前安全培训、伞钻工打干眼前做好防尘安全保护、爆破工执行“一炮三检”，井筒掘砌需跟冻结的速度保持一致，适时调整混凝土配合比，避免发生混凝土离析现象；内外井壁间选用的夹层材料防水效果须达到设计标准；冻土揭露易产生局部化冻，当继续冻结时，对于产生的较小冻胀力，采取在井壁与冻土之间铺设泡沫板的措施。为了确保立井冻结施工项目质量、工期和成本三大目标最优化的实现，需要对其进行风险分析及控制。

2 煤矿立井冻结法施工风险评价

2.1 风险识别及风险评价指标体系的建立

根据该煤矿的实际工程特点，通过调研相关施工技术资料，进行土工试验和冻土试验，以调查问卷的形式通过专家打分进行风险识别，首先向20位专家进行立井冻结施工风险因素征集，经过3轮专家意见调整与反馈，最终识别出冻结法施工过程中风险因素主要包含一级风险指标5个，二级风险指标16个，建立风险评价指标体系，见表1。

2.2 构造判断矩阵

通过模糊-层次法对每个风险因素及整个工程项目风险程度进行定性与定量相结合的分析与评价。根据表1建立的风险评价指标体系，依次建立各层次的判断矩阵。其中，对一级风险指标层B各元素关于目标层A的重要性进行两两比较，建立判断矩阵，见表2。

表1 煤矿立井冻结法施工风险评价指标体系

表2 一级风险指标B层次判断矩阵

2.3 计算权重向量及一致性检验

根据判断矩阵计算每一指标对于上一层次指标的相对权重[10]，由式(1)和式(2)并结合表3，确定一致性比率CR值，检验判断矩阵是否符合一致性要求，即CR<0.1，满足一致性要求。

(1)

(2)

式中：λmax为判断矩阵最大特征值；n为判断矩阵阶数。

计算一级风险指标层B对于目标层A的最大特征值λmax=5.037 9，权重计算结果见表4。

由式(1)和式(2)计算得CI=0.009 475，检验系数CR=0.008 46<0.1，即满足一致性要求。

同理，构建第三层指标判断矩阵，计算其相对于二级风险指标层权重并进行一致性检验。通过计算得：B1-Ci(i=1，2)层次判断矩阵的相对应的权重W=(0.833，0.167)；B2-Ci(i=3，4)层次判断矩阵的相对应的权重W=(0.667，0.333)；B3-Ci(i=5，6)层次判断矩阵的相对应的权重W=(0.667，0.333)；B4-Ci(i=7，8)层次判断矩阵的相对应的权重W=(0.667，0.333)；B5-Ci(i=9，10，…，16)层次判断矩阵的相对应的权重W=(0.304，0.057，0.057，0.303，0.038，0.074，0.109，0.057)，且各判断矩阵均满足一致性要求。

通过首先合成单一标准层的权重，并逐层进行整体一致性检验，最后得到递阶层次结构中每一层中所有指标对总目标A的相对权重，见表5。

2.4 风险因素隶属度确定

依据上述某煤矿立井冻结法施工风险各评价指标对目标层的权重，结合20位专家的评分范围，划分评价标准为很高、高、中等、低、很低5类。经整理、汇总、计算，得到该煤矿风险因素隶属度见表6，表6中等级值为赞成此等级的专家人数占全部专家的比重。

表3 判断矩阵平均随机一致性指标值RI

表4 一级风险指标层B相对目标层A的权重

表5 各层级风险评价指标对目标层A的权重

表6 煤矿立井冻结法施工风险因素隶属度表

施工准备阶段风险隶属矩阵见式(3)。

(3)

冷冻站安装风险隶属矩阵见式(4)。

(4)

钻孔施工风险隶属矩阵见式(5)。

(5)

井筒冻结风险隶属矩阵见式(6)。

(6)

井筒掘砌风险隶属矩阵见式(7)。

(7)

进行综合评价风险一级模糊评价矩阵[11]见式(8)。

Y1=WB1-Ci·R1=[0.416 5 0.300 0 0.216 7 0.033 4 0.033 4](i=1，2)

Y2=WB2-Ci·R2=[0.299 9 0.266 7 0.266 7 0.100 0 0.066 7](i=3，4)

Y3=WB3-Ci·R3=[0.166 7 0.233 4 0.266 7 0.166 6 0.166 6](i=5，6)

Y4=WB4-Ci·R4=[0.299 9 0.266 7 0.266 7 0.100 0 0.066 7](i=7，8)

Y5=WB5-Ci·R5=[0.331 4 0.258 3 0.215 3 0.148 6 0.039 7](i=9，10，…，16)

(8)

根据最大隶属度原则，施工准备阶段风险属于“很高”；冷冻站安装风险属于“很高”；钻孔施工风险属于“一般”；井筒冻结风险属于“很高”；井筒掘砌风险属于“很高”。由一级模糊评价矩阵组成二级模糊评价矩阵见式(9)。

R=

(9)

权重向量计算见式(10)。

WBi=[0.043 0.121 0.222 0.265 0.349]

(10)

二级模糊矩阵见式(11)。

Y=WBi·R=

[0.286 3 0.257 8 0.246 6 0.128 9 0.078 0]

(11)

根据最大隶属度原则判断得出，该煤矿立井冻结施工整体风险属于“很高”。并针对各类风险制定出相应的预控措施。

1) 组织措施。设立专门的风险控制部门，通过定期的风险教育、安全培训和技能考核，严格规范施工行为，提高员工的安全意识。

2) 技术措施。采取预防性的工程技术方法，保证冻结盐水平均温度、掘进段高、制冷设备规格型号及冻结管连接方式选用的合理性，保证冻结壁厚度，降低爆破振动影响。

3) 经济措施。对井筒施工提供合理的资金支持，建立风险管理激励奖惩制度，资金计划上预留应对风险的额外资金等。

3 结 论

1) 结合该煤矿的工程数据资料，建立立井冻结施工的风险评价体系，根据专家打分的问卷结果确定风险因素，运用层次分析法计算出各评价指标的权重值。

2) 运用模糊综合评价方法，将各专家打分的定性分析结果进行定量化，克服了AHP单一方法计算结果的主观性问题，使风险评估结果更科学客观。

3) 定性定量分析结果表明，该煤矿立井冻结施工过程中，除钻孔施工阶段的风险属于一般风险外，其他各阶段风险整体很高，需由事后事故分析型向事前预控型的安全管理模式转变，从而实现“煤矿事故可防，事故风险可控”的风险管理目标，减少煤矿安全事故的发生。