基于层次分析法和综合模糊分析法的瓦斯抽采风险管控分析

赵 双,张瑞林,周银波,田坤云 ,卢格格

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作 454003; 2.河南工程学院 资源与安全工程学院,郑州 451191; 3.周口技师学院,河南 周口 466000)

在矿井开采作业过程中,煤层瓦斯一直是极易引发安全事故的重大隐患。当作业环境中的瓦斯含量过高时,会影响到作业人员的呼吸,造成瓦斯中毒甚至窒息,并且极易引发爆炸。矿井瓦斯抽采是预防瓦斯灾害行之有效的治理方法,然而随着矿井开采年限和开采深度的增加,瓦斯抽采作业也愈加复杂,抽采过程中的风险越来越高[1-4]。因此,提高瓦斯抽采过程中的风险管控对矿井安全作业具有很大意义。

模糊综合评价法(Fuzzy Comprehensive Evaluation,FCE)是一种可以将边界比较模糊的因素量化,从多个因素对事物进行分析的方法。层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是一种将复杂系统分层,通过对影响因素的比较判断构建矩阵,计算相应的权重,从而得出结论的方法[5]。二者结合可以定量、分层次分析问题,使分析结构更加科学,分析结果更加准确。二者在风险管控领域应用广泛并取得了有效成果。云峰等[6]就瓦斯隧道穿越煤层施工问题,运用模糊层次分析法构建了相应的安全评价体系,对工程的安全、快速推进具有指导作用。申嘉辉等[7]运用层次分析法和模糊分析法对某危化品物流公司的安全状况进行了定量分析,得出安全制度、危化品固有危害、设备固有危害是影响安全的主要因素,对企业安全管控重心工作安排具有重要意义。房婷等[8]运用层次分析法和模糊分析法对矿山安全应急体系进行了系统分析,并根据结果提出若干措施,提高了矿山安全应急体系的科学性和完善性。任浩[9]研究了矿井的通风系统,并运用层次分析法和模糊分析法对几种不同的采掘方案进行分析,根据计算结果确定了最优方案。还有许多学者使用层次分析法在瓦斯抽采基础条件、顺层钻孔抽采、瓦斯爆炸数值模拟等方面进行了分层加权分析,均取得了一定的研究成果[10-14]。

综上所述,层次分析法和模糊分析法在风险管控方面应用广泛,但在瓦斯抽采风险管控方面缺乏细致研究。本文对瓦斯抽采过程中存在的安全隐患进行整理并细致分层,进而通过层次分析法和模糊分析法量化分析,根据分析结果对瓦斯抽采风险管控给出针对性的建议,有助于提高井下瓦斯抽采风险管控水平。

1 分析原理

1.1 层次分析法基本原理

层次分析法的基本原理是通过分层、比较和加权的方式,将一个复杂的决策问题分解为多个层次,并对各个层次的因素进行定量分析和评估。具体步骤如下。

1.1.1建立判断矩阵

(1)

式中:Kij为所属同一个层次的两个因素重要性比值,根据对比判断重要性的不同,比值分别用1～9表示,两两对比判断构成上述矩阵。比值赋予准则如表1所示。

表1 比值赋予准则Table 1 Ratio assignment criteria

1.1.2权重计算方法

采用方根法计算权重,具体计算方法如下:

(2)

式中:Pi为判断矩阵的归一化元素,其计算方法如下:

(3)

式中:bi为每行元素乘积,具体计算方法如下:

(4)

1.1.3计算结果检验

检验计算结果是否正确,可以通过计算矩阵的最大特征根λmax来判定:

(5)

式中:K为判断矩阵;Wi为指标层中元素的权重向量。

然后进行一致性检验,具体方法如下:

(6)

式中:IC为平均一致性指标;IR为随机一致性指标;n为判断矩阵阶数。

查表2可得,RC为一致性比率,当满足RC<0.1时,一致性检验通过,计算结果正确。

表2 IR的对照取值Table 2 The control value of the IR

1.2 模糊综合评价法分析原理

模糊综合评价法是一种基于模糊数学理论的评价方法,用于处理具有不确定性和模糊性的决策问题。通常用于多指标、多因素的综合评价,通过将定性和定量指标转化为模糊数值,然后进行模糊运算和模糊推理,最终得出评价结果。具体计算步骤如下。

1.2.1建立评价对象和评语集

1)评价对象P=(P1,P2,…,Pn).

2)评语集是评价对象所涉及因素的对应等级,结合瓦斯抽采风险管控实际,拟定风险等级见表3所示。

表3 抽采作业影响因素风险等级Table 3 Risk levels of influencing factors of extraction

1.2.2建立模糊综合评价因素等级矩阵

根据抽采工作实际,每个因素都分为3个等级。根据建立的评语集,咨询相关专家对每个因素的不同等级进行评定。各因素与因素等级、评语集一起构成一个模糊映射,形成的因素等级矩阵R为:

(7)

式中:Rij为因素等级矩阵R中每个评价对象对于评判集的隶属度,其含义为当因素i处于j等级时,对应评价结论的影响。

1.2.3模糊综合评价计算

各因素权重集可采用层次分析法确定。层次分析的具体方法和计算结果见上文。基于模糊变换原理,对与评价对象相关的各因素作综合评价,则模糊综合评价集为:

C=Wi·R.

(8)

式中:Wi为对应层次分析法各因素权重向量;R为因素等级矩阵。

最后,根据计算结果,通过最大隶属度原则做出评价。

2 理论计算结果

2.1 层次分析法理论计算结果

瓦斯抽采工作复杂,危险因素多,在抽采过程中易发生安全事故,所以其风险管控具有重要意义。将瓦斯抽采风险因素划分为3大类:作业人员因素,作业设备因素,管理措施因素。在此基础上对各个因素进行分析评价,咨询相关专家意见划分出二级指标,具体层次结构见表4所示。

表4 瓦斯抽采风险管控AHP层次结构Table 4 AHP hierarchy structure of risk control of gas extraction

一级指标层中各因素之间两两对比,构建一级指标的判断矩阵K,结果如表5所示。

一级指标各因素的权重向量计算过程如下。

每行元素乘积为:

归一化矩阵为:

根据公式(2)得到权重向量为:

根据公式(5)计算得到最大特征根:

λmax=3.018 5

根据式(6)计算检验RC=0.015<0.1,满足一致性,表明指标合理有效。

进一步构建二级指标层元素之间的判断矩阵,分别如表6、表7和表8所示。

表6 作业人员因素判断矩阵Table 6 Judgment matrix of operators

表7 作业设备因素判断矩阵Table 7 Judgment matrix of operation equipment

表8 管理措施因素判断矩阵Table 8 Judgment matrix of management measures

进一步对作业人员因素、作业设备因素和管理措施因素的二级指标层元素的权重向量进行分析,可得到各因素指标的权重向量。

作业人员因素:

作业设备因素:

管理措施因素:

各因素二级指标层的RC值均满足一致性,表明判断矩阵数据合理有效。

模型计算结果显示,在瓦斯抽采风险管控的一级指标因素中,抽采设施所占权重较大,其权重值为0.558 5;其次为管理措施,其权重值为0.319 6。二级指标的计算结果显示,在作业人员因素中最重要的是操作规范,权重为0.417 1;在作业设备因素中最重要的是抽采设备,权重为0.451 9;在管理措施因素中瓦斯监控与监测权重为0.539 3。

因此,根据层次分析法计算结果,瓦斯抽采风险管控的进一步优化应从设备设施、管理措施中进行改进,其中的重点又应放在抽采设备、员工按规章作业、加强瓦斯监控监测等方面。

2.2 综合模糊分析法理论计算结果

根据表4所示的结构划分,在对某矿进行实地考察后发现,煤矿企业普遍存在着未能定期检修、维护和保养瓦斯抽采设备的问题,这导致了抽采设备存在潜在的“带病”运行隐患。此外,还发现企业的管理人员对于安全应急管理措施重视程度不高,且很少对作业员工进行培训和演练。综合考量以上相关情况,邀请专家进行评分,评分结果见表9所示。

表9 一级指标层判断矩阵Table 9 Judgment matrix of first-level indicators

二级指标层结合相关实际,同样邀请员工及专家打分,结果如表10所示。

则一级指标的评价集的计算过程和结果为:

式中:WA、WB、WC分别为作业人员因素、作业设备因素、管理措施因素的权重向量;RA、RB、RC分别为作业人员因素、作业设备因素、管理措施因素的判断矩阵。

综合模糊评价计算过程及结果为:

(0.373 4 0.276 8 0.193 6)

根据最大隶属度原则,作业设备与管理措施分别以0.379 6和0.425 4的隶属度被归类为高风险,作业人员因素以0.417 1的隶属度被归类为中风险,瓦斯抽采整体以0.373 4的隶属度被归类为高风险。

根据模糊分析法的计算结果,在风险管控工作中应加强对抽采设备设施的关注和检维修力度,同时企业管理人员应完善应急措施,并确保其执行到位。这与层次分析法的分析结果基本一致。

3 改进措施

通过对瓦斯抽采风险管控工作中的各种因素运用层次分析法建立模型进行分析,得出瓦斯抽采风险管控工作的重点,并根据计算结果对各个因素的的重要程度进行量化,再根据计算结果并结合现有的风险管控措施提出一系列具有重要意义的改进措施。

1)确保规范作业。瓦斯抽采是一项安全风险很高的工作,作业时是否严格按照规章制度规范作业对瓦斯抽采风险管控具有相当重要的意义,直接影响抽采工作能否安全顺利进行。在抽采工作的实际操作中,存在很多员工为贪图便利而违规违章操作的现象,这也直接导致了许多安全事故的发生,企业应严肃看待这一风险源,在员工招聘时尽量提高就业“门槛”,防止员工因缺乏应有的知识储备而导致操作违规,并在员工入职后进行严格培训,让作业人员做到“心中有数”。最后企业还应设置专门的巡查小组,对存在违规操作现象的员工应马上制止并设置相应的处罚条例,尽量杜绝因违规作业造成的安全事故。

2)关注抽采设备稳定性。瓦斯抽采过程所用的抽采设备零件繁多,构造复杂,且井下作业环境恶劣,设备在长期作业过程中,各部位容易磨损或出现隐患。在抽采作业中,设备稳定运行是保障安全抽采的重要条件,对瓦斯抽采风险管控同样具有重要意义。井下作业环境复杂,一旦设备出现问题极易造成安全事故,建议企业应定期对设备进行全面检查,提早发现安全隐患并解决。同时要求作业人员积极“自转”,在抽采作业开始前对设备易出现故障的部位进行自我检查,作业时不能存在侥幸心理,一旦发现异常应马上停止作业并上报停工检查,最大限度减少安全事故的发生。

3)增强瓦斯监控与监测。瓦斯含量异常是影响瓦斯风险管控的重要因素,改进瓦斯监控与监测可以实时监控瓦斯含量,并及时发现异常情况和危险信号,采取相应的措施进行防范,有效预防瓦斯抽采事故的发生。引入先进的监测设备,建立完善的瓦斯监控系统可以减少人工监测的工作量和时间成本,监测数据的准确性和及时性也能得到提高,从而在保证安全抽采的前提下提高工作效率和生产效率。

4 结论

1)层次分析法结果表明,在一级指标中,作业设备的权重最大为0.558 5,其次是管理措施,权重为0.319 6。在作业人员、作业设备、管理措施的二级指标中,所占权重最大的分别为:操作规范权重0.417 1,抽采设备权重0.451 9,瓦斯监控与监测权重0.539 3。

2)模糊分析法的结果显示,作业设备与管理措施两者分别以0.379 6和0.425 4的隶属度隶属于高风险范畴。作业人员以0.417 1的隶属度隶属于中风险。

3)根据计算结果,提出了针对瓦斯抽采风险管控的建议,包括确保规范作业、关注抽采设备稳定性、确保抽采设备安全可靠、加强瓦斯监控监测等,有助于提高井下瓦斯抽采风险管控水平。