基于灰色模糊评价与变权理论的采空区管道风险评估＊

2020-06-12邓克飞梁伟张潇婷梁晓斌

油气田地面工程 2020年6期

邓克飞梁伟张潇婷梁晓斌

1中石油北京天然气管道有限公司陕西输气管理处

2中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院

随着我国经济的快速发展，管道输送已经成为近年来主要的油气运输方式之一，为我国社会发展、经济建设提供了重要的能源保障。然而，管道在正常运行过程中，可能会受到因自然环境变化以及人类生产活动造成的各种不良地质条件的影响，对管道造成一定程度的破坏[1]。其中，采空区塌陷是最为常见的一种地质灾害形式，对管道的安全运行存在极大的威胁。一旦发生塌陷，造成管道泄漏或断裂事故，将直接影响当地居民的生命、财产安全，造成巨大的经济损失和环境破坏[2]。因此，对采空区管道进行及时、有效的风险评估，为管道管理部门提供精确的管道风险等级是十分必要的。

目前国内外对采空区管道的安全评价较少，主要有事故树分析法、模糊综合评价法[2-4]等，这些方法通常能较好地评价采空区管道的风险水平，但是仍然存在一定的局限性。在采空区管道的综合评价中，无论评价指标值如何变化，指标权重都不会发生改变。而在管道实际运行过程中，当一项或少数几项指标出现严重偏离正常值时，若按常权重处理，往往会覆盖少数极端异常指标的危险状态，从而使所得到的评估水平无法反映指标真实的客观状态[5-6]。同时，专家在指标的评分过程中，往往存在一定的不确定性、模糊性，如何充分挖掘专家知识，降低不确定性、模糊性对评价值的影响，尽可能地还原指标所处的实际状态显得尤为重要。

针对上述存在的问题，本文提出了一种基于灰色模糊评价[6]和变权理论的采空区管道风险评估方法，从而使所得的评价结果更接近实际情况。采用该方法首先从灾害发生、灾害防治、管道失效、管道防护、灾害后果5个方面建立采空区管道的风险评估指标体系；然后依据变权理论，获取各个风险指标的动态权重值；最后利用隶属度、点灰度描述指标的不确定性、模糊性，对风险指标进行灰色综合评价，使评价结果更加贴合实际，为管道的完整性管理提供技术支持。

1 采空区管道风险指标体系的建立

采空区管道的评价是一项非常复杂的系统工程，首先需要建立采空区管道的评价指标体系，当前的标准规范中没有统一规定。通过查阅相关文献资料，结合实地勘查和专家经验知识，将需要综合分析和评价的指标划分为灾害发生、灾害防治、管道失效、管道防护、管道失效后果5 个模块[7]，通过指标的筛选以及指标间的相关性分析，最终选取17项基本指标。体系指标模块[8]如下：

（1）灾害发生指标。指管道附近煤矿采空区发生塌陷造成的不利影响，包括矿层因素、采矿方法、开采范围、开采时间、煤层倾角、覆岩岩性、沉陷类型。

（2）灾害防治指标。指针对不良地质灾害现象，通过有效的防护手段，防止或减少灾害发生，实现预防为主、防治结合的目的。包括排水截水、煤柱加固、支撑防护。

（3）管道失效指标。在地面塌陷施加给管道的外部载荷超过管道的承受范围时，管道即发生失效。通过管道埋深、管道位置、管道敷设方式间接地分析管道失效概率。

（4）管道防护指标。指对长输天然气管道进行必要的保护措施，通常包括管道外表层的防腐措施和防止第三方破坏的保护。包括管道保护、管道监测指标。

（5）管道灾害后果指标。管道失效后果主要参考《风险管理手册》，采用KENT 建立的管道失效后果模型，主要从三个方面进行评价，即输送介质灾害、泄漏介质扩散、泄漏周围损失。输送介质灾害主要是通过介质的危害系数进行衡量的，管道输送的介质不同，泄漏后的危险性不同；泄漏介质扩散是通过扩散系数来衡量的，泄漏介质的扩散往往是造成周围环境损失的主要形式，依据地形的不同，扩散范围影响也不同；泄漏周围损失则是通过破坏系数来衡量的，通常包括人口、环境、周围环境等因素。

采空区管道风险评估指标体系如图1所示。

图1 采空区管道风险评估指标体系Fig.1 Risk assessment index system of gob area pipeline

2 变权理论

变权理论是相对于常权重而言的，常见的常权重法有层次分析法、综合评分法、熵值法、主成分分析法等。常权重法以简单、直观、实用的特点，广泛地应用于各行各业。但风险评估水平的综合分析受到多种因素以及具体实际情况的影响，例如当指标体系中出现严重偏离正常值的部分指标时，依据实际情况，可以直接影响顶事件的风险水平。如果遵循常权重法，可能导致所得评估结果最终被中和，造成所得的评估结果与实际情况严重不符。为了体现各指标在实际评价中对评价结果的影响，同时充分体现人们决策对指标均衡性的要求，本文采用惩罚型变权[9]方法，对各指标的权重进行动态调整，以提高权重排序的科学性、合理性。

变权向量W(X)=[w1(X),…,wm(X)]，定义[10]为1 个m 维惩罚型状态变权向量是指映射S：[0，1]m→[0,1]m，X →S(X)=[S1(X)，…，Sm(X)]，满足：①xi≥xj⇒Si(X)≤Sj(X)；②Sj(X)对每个变元连续（j=1，2，…，m）；③对常权变量W，式（1）满足归一性、连续性和单调性。

3 灰色模糊评价模型的构建

3.1 灰色模糊评价相关理论

3.2 灰色模糊评价模型

灰色模糊评价是将灰色理论和模糊理论相结合[12-13]的一种综合评判方法，该方法通过利用隶属度、点灰度试图解决人类对于特定风险指标的认知不确定问题。同时，在小样本、贫信息的情况下，充分挖掘专家对所评估信息的认识程度，从而使评估结果更加科学、可靠。基于此，本文将灰色模糊综合评价应用于采空区管道风险评估。

3.2.1 建立评价指标集和评语集

由图1 中的采空区管道评估指标体系可以看出，采空区管道风险水平作为指标体系的顶事件，各评价指标表示如下：

采空区管道风险水平X=(X1，X2，X3，X4，X5)={灾害发生概率，灾害防治，管道失效概率，管道防护，管道灾害后果}；

灾害发生概率X1=(X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17)={矿层因素，采矿方法，开采范围，开采时间，煤层倾角，覆岩岩性，沉陷类型}；

灾害防治X2=(X21，X22，X23)={排水截水，煤柱加固，支撑防护}；

管道失效概率X3=(X31，X32，X33)={管道埋深，管道位置，管道敷设}；

管道防护X4=(X41，X42)={管道保护，管道监测}；

管道灾害后果X5=(X51，X52，X53)={危害系数，扩散系数，破坏系数}。

评语集是对各个指标所处状态评价结果的集合，分为安全、较安全、中等、较危险、危险五个等级，对应的评语集为Y=(Y1，Y2，Y3，Y4，Y5)。参照SY/T 6828—2018 油气管道地质灾害风险管理技术规范的有关规定，将采空区管道风险水平划分为高、较高、中、较低、低五个等级，如表1所示。

表1 不同风险等级灾害点的风险控制措施Tab.1 Risk control measures for disaster points of different risk levels

3.2.2 确定权重集

权重集合用于描述评价对象与指标间的灰色模糊关系，利用变权理论，给出同一层次中各指标的相对权重及相应的点灰度，形成权重集合。

式中：ai为模糊部分；vi为灰色部分。

3.2.3 模型构建

与模糊综合评价[14]相似，灰色模糊综合评价的数学模型包括单层次模型和多层次模型两类，分别描述如下：

（1）单层次模型。设评判对象的指标集合为X={x1，x2，…，xm}，对各指标的评语集合为Y={y1，y2，…，yn} 。建立评判集合，总评判为直积空间X×Y 上的灰色模糊关系，用矩阵表示为

图2 隶属度函数模型Fig.2 Membership function model

利用权重集合和灰色模糊评判矩阵进行综合评判，为了使评判信息尽可能准确，体现各危险因素对煤矿采空区管道安全状况的综合影响，在计算时，模部采用M(·，⊗)算子，灰部采用M(∧，∨)算子，灰色模糊综合评判如式（6）所示。

（2）多层次模型。设评价对象的指标集合为X={x1，x2，…，xm}，满足条件=X，xi∩xj=Φ(i ≠j)。将指标集合X 分为k 类，即划分为k 个子集：X={X1，X2，…，Xk}。

对每一类Xi进行一级灰色模糊综合评判，各指标在集合Xi中的权重为，灰色模糊评判矩阵为，如式（7）所示。

同理，可进行三次及更多的灰色模糊综合评判，最后根据最大隶属原则和最小灰度原则判断风险级别。

4 工程实例应用

现以陕京一线的西岔沟煤矿采空区为例，采用灰色模糊评价与变权理论相结合的方法进行管道风险评估。

该采空区位于陕北黄土高原北部，以沙丘沙地地貌为主，地形南高北低。煤矿建于1996年，5-1号煤层采空区位于管道正下方，直接顶板主要为砂质泥岩和粉砂岩，间接顶板主要为粉砂岩，属中等坚硬稳定型顶板；底板以粉砂岩为主，属较稳定型；斜井开拓，房柱式开采，煤柱10 m×10 m，煤层深度约为160 m，煤层平均厚度2.91 m，采空区内部无积水情况。

管道当前埋深约为1 m，输送物质为天然气，管道周围无大型河流，此处管道环境为山区，附近存在少数居民，无重要公共设施，在该采空区附近有水泥路通过。