煤矿安全风险分析系统研究和应用

张 兰，戴书球，孙中光，李 勇

(1.重庆科技学院，重庆 401331； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

作为我国基础产业之一，煤炭在国民经济中发挥着重要作用，在较长时期内，煤炭仍占一次能源消耗主体地位。在煤炭产业发展和生产过程中，安全风险一直困扰着监管部门和煤炭企业[1-2]。煤炭生产环境恶劣、技术装备复杂、管理水平良莠不齐，导致我国煤矿事故多、伤亡重、经济损失大，给国家和人民带来生命及重大财产损失。煤矿安全也是全国安全生产工作的重点工作，国家监管部门出台了许多法律、法规，煤炭企业也通过提高工艺技术及装备水平，改善材料性能，提高自动化、控制程度，加大安全投入来预防和控制安全事故[3-5]。

国务院办公厅早在2015年就印发《关于加强安全生产监管执法的通知》，要求加快监管执法信息化建设。整合建立安全生产综合信息平台，统筹推进安全生产监管执法信息化工作，实现与事故隐患排查治理、重大危险源监控、安全诚信、安全生产标准化、安全教育培训、安全专业人才、行政许可、监测检验、应急救援、事故责任追究等信息共建共享，消除信息孤岛。要大力提升安全生产“大数据”利用能力，加强安全生产周期性、关联性等特征分析，做到检索查询即时便捷、归纳分析系统科学，实现来源可查、去向可追、责任可究、规律可循。

信息技术的发展为海量事故数据提供了有效的分析工具。在国家监管部门和煤矿企业的监管信息建设中，应用物联网、云计算、大数据等技术，可以对海量安全生产数据进行挖掘分析，找出安全事故发生的特征，实现对安全生产形势和安全生产事故的预测分析，以及重点区域、重点行业、甚至特定企业的预警预控，提升源头治理能力，从而预防和控制安全生产事故的发生[6-7]。

1 煤矿安全风险指标体系构建

1.1 煤矿安全风险因素识别

我国煤矿生产过程，地下环境中的采掘和运输，不同地质条件必须采用不同的开采方法。煤矿企业的安全风险与一般工业企业不同，具备复杂性、动态变化性、随机性和模糊性、致灾因子控制对技术条件的依托性、灾害事故的相关性。各大院校和科研企业在煤矿安全风险分析领域开展了大量的研究，政府专家能够对煤矿的安全程度做出合理评价，相关行业专业人士也能识别煤矿井下安全风险的因素。安全风险因素识别从机械设备和煤矿灾害控制方面，到企业管理体制方面。随着管理学科的发展和企业管理制度的逐步完善，从业人员的因素也逐渐被重点关注，从业人员的专业技术能力、身体和心理情况以及文化教育素质在煤矿安全事故发生时也具有主导性作用[8-9]。

结合煤矿生产环境特征和煤矿灾害致因机理，从“人、机、环、管”等方面，识别出了煤矿安全风险评价因素。由“人”所影响的因素主要是人员因素和管理因素，由“机”所影响的因素主要是机械设备和保障装备，由“环”所影响的因素主要是煤矿自然因素和环境因素。这些已识别因素不是固定不变的，而是随着煤矿行业生产形势和科学技术的发展而不断发展变化。在识别过程中还要不断得到实际安全生产状况的检验，识别结果越贴近实际，就越科学[10-12]。

煤矿安全事故分为瓦斯、水灾、火灾、顶板、运输、机电等，根据我国2002—2017年的事故统计数据分析，瓦斯、水灾、火灾、顶板事故平均死亡人数分别为5人、3人、21人、1人，特重大事故统计中，瓦斯事故49起，水灾9起，火灾4起，煤尘2起。因此单项灾害安全风险评价指标体系应重点分析火灾、瓦斯、顶板、水害和煤尘等灾害的风险因素[13-15]。

1.2 煤矿安全风险评价指标体系

根据煤矿安全风险因素识别分析，煤矿综合安全风险指标体系由历史因素、单项灾害因素、人员素质因素、安全管理因素、设备安全因素、应急救援因素等构成。综合风险指标体系二级指标和三级指标构成见表1。

表1 综合风险指标体系Tab.1 Indicators system of comprehensive risk

各个单项灾害风险因素同理也包含各自的历史因素、自然因素、人的因素、设施设备、安全管理因素和环境因素[16]。以瓦斯灾害为例，其设施设备因素细分为矿井通风、矿井瓦斯抽采、防治瓦斯一般措施和瓦斯监测监控等因素[17]。

1.3 煤矿安全风险模糊综合评价模型

煤矿安全风险综合评价很大程度上具有一定的模糊性，运用模糊理论能够更加科学的对安全风险进行评估[18-22]。运用模糊综合评价方法对评价对象进行模糊综合评价时，包括以下步骤。

(1)建立煤矿安全评价因素集。将影响煤矿安全风险的各个因素组成一个集合，各个因素通常具有不同的模糊性。

(2)建立综合评价的评判集。评判集是对煤矿安全风险可能做出各种判断结果所组成的集合，反应煤矿安全评价指标隶属各个风险等级的程度。

(3)建立模糊安全评价矩阵。根据煤矿评价指标的评判集得到模糊集合，再由多个评价指标的模糊集合构成模糊综合评价矩阵。

(4)确定评价因素权重向量。一般可以采用Delphi法(德尔菲法，也称专家调查法)计算影响煤矿安全的各个评价因素的权重，即各评价因素对最终结果中的影响程度。再根据所有评价因素的权重，构成评价因素的权重向量。

(5)计算评价结果向量。通过对评价因素的权重向量和模糊安全评价矩阵的合成算子得到评价结果向量。为了更准确地达到综合评价结果的预期效果，结合层次分析法，一般采用多层评价模型。

2 煤矿风险分析系统的实现和应用

2.1 煤矿风险分析系统的逻辑架构设计

煤矿风险分析系统逻辑架构如图1所示，煤矿安全风险分析系统包括以下功能模块。

图1 煤矿风险分析系统逻辑结构Fig.1 Logic diagram of mine risk analysis system

(1)煤矿数据采集交换模块。制定统一的数据交换协议，通过多级联网方案，将煤矿的人员信息数据、环境监测数据、产量数据等采集到煤矿风险分析系统数据中心，通过数据清洗和BTL，加载到数据仓库。

(2)煤矿安全风险指标体系管理模块。结合不同区域、不同煤矿的安全风险特征，构建可量化的煤矿安全风险指标体系。支持指标体系的配置和查询，支持从区域到煤矿，从综合指标到各个单项灾害指标体系。

(3)煤矿安全风险评价模型。基于模糊理论，使用计算机编程语言实现多层评价模型，实现专家分析系统。利用大数据分析技术，从多个维度，分析煤矿的安全风险因素，利用专家模型，科学、客观、系统的分析煤矿安全风险，得到煤矿安全状况等级。

(4)煤矿安全风险可视化展示。利用GIS图形，大数据可视化技术，以思维导图、柱状图、饼图、曲线图、热力图等丰富多样的展现方式展示安全风险分析结果数据，支持按区域、按类别、按等级等多种分类展现方式，直观地展现煤矿安全风险状况。

2.2 煤矿风险分析系统的功能实现

煤矿风险分析系统基于浪潮InCloud Sphere架构搭建，有效提高IT基础资源可用性和利用率，保障系统的高可用性和弹性计算能力。以SQL Server数据仓库为基础，利用OLAP等大数据分析能力，采用C#语言编程，实现煤矿风险分析系统。系统利用物联网技术，通过矿井、企业集团、监管部门多级互联，实现数据采集交换功能，采集矿井基础信息、监管数据和动态监测信息，保障系统数据的真实性和客观性。煤矿安全风险指标体系管理模块围绕矿井安全风险评估指标体系，明确指标的构成、量化方法与评价模式，形成基于模糊理论的安全风险指标评价模型。该模块支持煤矿安全风险指标体系管理，实现基于模糊理论的煤矿安全风险评价模型。通过OLAP分析能力，实现指标体系数据不同维度的上卷和下钻。基于Apache ECharts开源技术，以GIS图形、折线图、柱状图、环形图、雷达图、和弦图等多图表联动展现方式，综合煤矿存在的瓦斯、煤尘、火灾、水害、顶板等自然因素以及煤矿安全隐患数据、监测监控数据进行风险单项或综合评估，实现煤矿安全风险分析数据的可视化，科学、客观、系统的展现煤矿风险因素，便于企业针对性采取风险管控措施，减少煤矿的安全生产隐患，预防煤矿安全事故发生，保障煤矿安全生产活动，为监管部门和煤矿企业提供有效的安全生产辅助决策依据。

2.3 煤矿风险分析系统的工程应用

煤矿综合安全风险指标体系构成因素如图2所示，某矿井综合风险分析如图3所示。

图2 综合安全风险指标体系构成因素Fig.2 The composition of the comprehensive safety risk index system

图3 某矿井综合风险分析Fig.3 Comprehensive risk analysis chart of a mine

煤矿风险分析系统在国家矿井安全生产监管物联网应用示范工程“煤矿安全生产监管物联网应用系统”中应用，该示范工程中，各个示范矿井按照统一的数据交换协议要求，上传矿井的基础信息、监管数据和实时监测数据，经过系统的数据清洗和分析，评估各个矿井的综合安全风险状况。根据区域内矿井单项事故风险等级率或综合事故风险等级率为标准，计算出区域矿井安全风险评价等级。

3 结论

本文基于我国煤矿安全风险构成的复杂性、模糊性及变化的多样性，研究煤矿安全风险评价指标的选取及设计过程，识别煤矿安全风险因素，提出煤矿安全风险综合评价指标体系和风险评价模型，动态指标与静态指标相互结合，更加全面、系统地反映矿井安全程度的优劣。并通过信息化技术实现煤矿安全风险分析系统，通过科学分析和工程应用验证了模型的有效性和正确性。

在体系指标的选择上，考虑煤矿安全生产影响因素特点，结合国家和行业的相关法律、法规与标准，采用符合法规和标准的定性和定量指标来描述煤矿安全生产的影响因素。结合定量和定性分析方法，量化煤矿安全风险评价指标，发现“人、机、环、管”等方面的缺陷，科学、客观、系统地分析煤矿风险因素，针对性地采取风险管控措施，减少煤矿的安全生产隐患，预防煤矿安全事故发生，保障煤矿安全生产活动，为监管部门和煤矿企业提供安全生产的辅助决策依据。