矿井内因火灾的安全评价研究
——基于熵值法和突变理论

殷 涛，谢雄刚,2

(1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025)

近年来，随着煤炭开采强度的增大，开采水平的不断延伸，矿井内因火灾的危害性越来越大，矿井火灾对井下人员安全造成了严重的威胁，对资源、设备造成了巨大的损失[1]。因此，研究矿井内因火灾对防治矿井火灾事故具有重要意义。

目前，评价矿井火灾安全性的方法主要有：火灾风险指数评价法[2]、模糊综合评价法[3]、模糊层次分析法[4]、神经网络法[5]、事故树分析法[6]、集对分析法[7]和熵值法[8]等。熵值法能够深刻地反映出指标信息熵值的效用价值，其给出的指标权重值有较高的可信度[9]，但对各个指标间进行横向比较时，熵值法就出现了局限性，同时人为对指标赋权时具有主观性，因此在应用上受到限制；突变理论能描述事物在稳定状态下突然质变的过程。笔者将熵值法和突变理论结合运用，既能避免单一熵值法主观人为赋权的弊端，又能契合矿井内因火灾突发、多变的特性。

1 构建评价模型

1.1 熵值法模型

熵值法是一种判断指标离散程度的数学分析方法，根据熵值法赋权可以评判某一指标的离散度，进而得到对整体指标体系评价的重要性[10]。文献[11]说明了构建熵值法模型的步骤。

1.2 突变理论模型

1972年法国数学家雷内·托姆提出了突变理论，该理论是一种研究自然界突变现象的数学分析方法[12-13]，文献[14]说明了突变理论的评价步骤。

不同的突变级数模型及归一公式如表1所示[15]。

表1 几种突变模型

2 矿井内因火灾安全评价指标体系建立

依据相关法律法规和大量的事故案例,并结合事故致因理论对矿井内因火灾安全评价这一复杂系统进行全面分析[16]。把事故发生归结于人、物、环境和管理4个方面的因素，将整个安全评价指标体系分为4个二级指标，7个三级指标及20个四级指标，如图1所示。

图1 矿井内因火灾安全评价指标体系

在对影响矿井内因火灾安全状况的因素分析的基础上，将矿井内因火灾安全等级划分为5个等级，如表2所示。

表2 矿井内因火灾安全等级划分

3 实例分析

3.1 矿井概况

红石岩煤矿位于陕西省延安市，该矿年生产能力120万t，矿井煤田面积19.9 km2，煤层平均厚度为2.53 m，地质条件极其复杂，经鉴定煤层属Ⅰ类容易自燃煤层，具有严重的煤层自燃风险。

3.2 底层指标相对重要性排序

以陕西省红石岩煤矿为例进行内因火灾安全评价分析。根据已建立的评价指标体系，邀请多位专家对影响该矿井安全现状的20项指标进行打分，赋值数据范围为(0,1)，然后构建熵值法模型:

1)分别取专家对各个指标赋值的平均值建立一组评价矩阵；

2)将评价矩阵与矿井内因火灾安全等级节点值组成决策矩阵X；

3)将决策矩阵X用线型比例变换法进行矩阵的初等变换处理，得到标准化矩阵Y；

4)依次计算各个指标熵值、差异系数，最终得到各个底层指标的权重值。

决策矩阵X、标准化矩阵Y如下：

(1)

(2)

在得到底层指标的权重值之后，逐层计算中层和上层指标的权重值。中层指标的权重值为对应的底层指标权重值之和；同理，上层指标的权重值为对应的中层指标权重值之和。各层指标的权重值如表3所示。

表3 各层指标的权重值

由表3可得出，上层指标的权重值排序为:{B,A,D,C}；中层指标的权重值排序为:{B1,B2,A2,A1，D1,D2,C1}；底层指标的权重值排序为:{B13,B11,B12,B21,B23,B22,A22,A21,A23,A13,A12,A11,D14,D12,D11,D13,D22,D21,C12,C11}。

3.3 矿井内因火灾的安全性评价

根据标准化处理后的数据和表1所示的几种初等突变模型，按照突变理论的评价步骤对矿井内因火灾的安全现状进行评价。

影响采空区情况、安全监测系统的因素有2个，选择尖点形突变模型；影响安全责任机制、应急救援能力、氧化条件、蓄热条件的因素有3个，选择燕尾形突变模型；影响防止自燃的措施的因素有4个，选择蝴蝶形突变模型。底层指标归一化结果见表4。

表4 底层指标的归一化

在求出底层指标的突变级数值后，运用“互补”或“不互补”原则求出中层指标的突变级数值。

在安全责任机制中，安全生产责任制、安全生产检查制和安全生产奖惩制之间存在“互补”关系，取平均值作为安全责任机制A1的突变级数值；在应急救援能力中，教育培训、救援演练和应急方案之间存在“互补”关系，取平均值作为应急救援能力A2的突变级数值；在氧化条件中，煤的自燃倾向性、煤化程度和煤的水分之间存在“互补”关系，取平均值作为氧化条件B1的突变级数值；在蓄热条件中，围岩导热性、煤的孔隙率和煤层厚度之间为“不互补”关系，选择最小值作为蓄热条件B2的突变级数值；在采空区情况中，采空区巷道布置、采煤方法之间存在“互补”关系，取平均值作为采空区情况C1的突变级数值；在防止自燃的措施中，预防性灌浆系统、惰性气体防火系统、采空区封闭情况和均压防灭火系统之间为“不互补”关系，选择最小值作为防止自燃的措施D1的突变级数值；在安全监测系统中，设备安装有效和设备定期维护之间存在“互补”关系，取平均值作为安全监测系统D2的突变级数值。求得的中层指标的突变级数值如表5所示。

表5 中层指标的突变级数值

在求出中层指标的突变级数值后，进而求出上层指标的突变级数值。在人的因素A和管理因素D中，各个中层指标之间都存在“互补”关系，取平均值作为其突变级数值；在物的因素B中，各个中层指标之间为“不互补”关系，选择最小值作为其突变隶属值；影响环境因素C只有单因素采空区情况。求得的上层指标的突变级数值如表6所示。

表6 上层指标的突变级数值

在求出上层指标的突变级数值后，由于在人的因素A、物的因素B、环境因素C和管理因素D之间不存在“互补”关系，因此得出总的突变隶属度值为：XS=min{XA,XB,XC,XD}=0.490。

4 讨论

该矿井内因火灾安全评价的总突变隶属度为0.490，由矿井内因火灾安全等级划分(见表2)可知，该矿井内因火灾安全状况为比较危险。而人、物、环境、管理4个方面因素对应的隶属度值分别为：0.889，0.490，0.884、0.796。可以看出：

1)物的因素对应的隶属度最低，表现为比较危险，也是导致整个煤矿的安全等级较低的主要因素。主要因为该矿井的地质条件极其复杂，煤层属于 Ⅰ 类容易自燃煤层，属于灾害严重的矿井。

2)人、环境和管理3个方面的因素都表现为比较安全，主要归功于该煤矿已注重在生产过程中的安全问题，虽然该矿井早些年常因安全问题被勒令停产整改，但在近几年该煤矿不断加强安全投入，大大地提高了矿井的安全水平，包括:

①在人的因素方面，该煤矿不断加强对员工进行安全教育培训并拟定火灾应急方案，每年举行一次安全知识比赛、开展救援演练及安全生产月活动；在日常生产活动中该煤矿要求员工间实施双重安全确认法，即手指口述双重验证，并做到全体员工人人参与，上下层之间层层落实；此外在井下的行人大巷中，该煤矿建设了长约3 000 m的安全文化长廊，并聘请专家对矿井进行安全巡查，在有安全隐患和易发生事故的地点增设了安全警告标志和安全标语。通过这些安全宣传培训活动，使得员工的安全意识和安全素养得到了质的提高，从人的因素方面加强了安全生产管理工作。

②在安全设备投入方面，该煤矿到目前已建成了先进的火灾防范系统和安全避险六大系统。火灾防范系统包括预防性灌浆、惰性气体灭火和均压防灭火系统；安全避险六大系统包括监测监控、人员定位、供水施救、压风自救、通讯联络和紧急避险系统。当发生火灾时，火灾防范系统能及时有效地控制火情发展，安全避险六大系统能给工作人员提供安全生存保障。此外该煤矿还配备了专业的技术人员对安全设备进行定期检查维护，以确保设备稳定有效运转。

③在制度方面，该煤矿围绕《煤矿安全规程》规定，制订了一系列的安全生产制度。针对事故责任，制订了安全生产责任制，在工作现场划分了责任承包区，定区定人定责任，落实现场安全操作规范。针对安全管理隐患，制订了安全生产检查制和安全生产奖惩制，就生产管理环节检查出的漏洞和问题，依据所定制度进行责任追究，对相关员工落实对应的奖惩措施，从而彻底杜绝了日常安全生产活动中员工的懒散、消极怠工等行为。

虽然该煤矿属于灾害严重矿井，但经过科技设备的投入和有效的管理措施使其彻底摆脱了内因火灾安全隐患的威胁，取得了连续6 a百万吨安全生产无人死亡的成绩，并被评为省级模范煤矿企业，这说明科技设备的投入和管理方法的有效性，在实际层面上也符合该安全评价方法从人、物、环境、管理角度上的评价结果，使该方法得到了实践的验证，证明其可行性。

5 结论

1)依据相关法律法规和大量的事故案例并结合事故致因理论，从人的因素、物的因素、环境因素和管理因素4个方面考虑，建立了4级共20个指标的矿井内因火灾安全评价指标体系。

2)将熵值法和突变理论进行有效结合，以陕西省红石岩煤矿作实例分析。依据熵值法判断各指标的权重，运用突变级数法递归运算得出该矿井总的突变隶属度值为0.490。安全评价结果为比较安全，物的因素是导致整个煤矿的安全等级较低的主要因素。

3)与物的因素的隶属度相比，人、物、环境3方面因素对应的隶属度值偏高，评价结果都为比较安全。此结果与该煤矿的安全管理投入有关，符合矿井的实际情况，表明该评价方法的准确性，使其得到了实践的验证。