仝瑞剛，曹慶貴，宋 潔，董 浩

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

煤塵爆炸事故是目前是我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅之一，系統(tǒng)、科學(xué)、合理地辨識(shí)煤礦爆炸的危險(xiǎn)因素，開(kāi)展煤礦爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，可有效防范煤礦爆炸事故的發(fā)生。目前學(xué)者對(duì)于煤塵爆炸危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方面研究不多，李雨成等[1-5]對(duì)于煤塵爆炸危險(xiǎn)的研究較為廣泛，主要有：在量綱分析理論的基礎(chǔ)上建立了煤礦煤塵爆炸能量預(yù)測(cè)模型；通過(guò)對(duì)40種煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)煤塵的變質(zhì)程度建立煤塵爆炸危險(xiǎn)的模糊結(jié)構(gòu)元綜合決策模型；通過(guò)激波管道改造，可以實(shí)現(xiàn)以火焰長(zhǎng)度來(lái)劃分煤塵爆炸的等級(jí)，并以改進(jìn)的近鄰函數(shù)準(zhǔn)則來(lái)評(píng)價(jià)煤塵爆炸的危險(xiǎn)等級(jí)；以煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑チμ匦砸蜃优cBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，基于主因子分析與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了煤塵爆炸危險(xiǎn)預(yù)警。施書(shū)磊[6]、陳慧慧等[7]通過(guò)研究模糊事故樹(shù)研究煤塵爆炸危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。張夢(mèng)雅等[8]通過(guò)改進(jìn)乘此分析模型來(lái)對(duì)煤塵爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法研究較少，且方法單一，存在局限性，計(jì)算粗略，人為主觀性影響大，本文通過(guò)研究提出一種準(zhǔn)確合理的集對(duì)分析-組合賦權(quán)煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型，可為有煤塵爆炸危險(xiǎn)性的煤礦進(jìn)行安全評(píng)價(jià)提供借鑒作用。

1 煤塵爆炸評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

煤塵爆炸是一種極快的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，其起因和影響因素很多，各因素間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)煤塵受到空氣波震動(dòng)或者有氣流吹動(dòng)時(shí)，即可形成懸浮狀態(tài)，一旦遇到滿(mǎn)足煤塵濃度、氧氣濃度、最低著火點(diǎn)、形成煤塵云等條件，很容易造成煤塵燃燒爆炸事故。煤礦在生產(chǎn)過(guò)程中，要科學(xué)合理地對(duì)煤塵爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要選取反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)狀況的指標(biāo)，建立煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系。通過(guò)前期資料分析，以及本課題組成員的研討，煤塵爆炸的影響因素主要包括以下幾個(gè)方面。

1) 由煤塵爆炸特性的工業(yè)分析測(cè)試可知，煤塵的粒徑、揮發(fā)分、水分、灰分對(duì)煤塵的煤塵爆炸有影響作用：隨煤塵的變質(zhì)程度升高，煤塵中揮發(fā)分減少，其最低著火點(diǎn)溫度顯著升高，煤塵越容易著火，爆炸的潛在危險(xiǎn)越大；煤塵粒度越小，在形成煤塵云時(shí)的比表面積更大，參與燃燒的活化量更大，爆炸危險(xiǎn)性也就越強(qiáng)；煤塵灰分是煤炭燃燒剩余產(chǎn)物，灰分不能燃燒，具有抑制著火的作用，煤塵中灰分越高，其燃燒放出的熱量越少，其爆炸危險(xiǎn)性越低。煤塵中水分在著火過(guò)程中會(huì)析出，帶走著火過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，增大煤塵的最低著火溫度，隨著煤塵中水分的增加，煤塵爆炸危險(xiǎn)性會(huì)受到抑制。

2) 引火源作為誘發(fā)煤塵爆炸的直接原因，主要包括以下三種：爆炸火焰、機(jī)電火花、摩擦火花；煤礦炮采等生產(chǎn)方式、不符合煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)設(shè)備、井下違反操作規(guī)程拆卸、啟閉電源都會(huì)產(chǎn)生引火源。

3) 采取適當(dāng)?shù)拇胧┛梢越档兔簤m濃度，綜采在生產(chǎn)時(shí)，工作面采取噴霧降塵措施，產(chǎn)生煤塵量少，危險(xiǎn)性降低；合理的井下通風(fēng)方式及時(shí)吹散煤塵；定期沖刷巷道除塵等通風(fēng)、預(yù)防措施，采取有效的監(jiān)測(cè)監(jiān)控措施對(duì)巷道中煤塵濃度進(jìn)行檢查、煤礦安全技術(shù)人員定期巡查等安全管理措施也會(huì)使煤塵爆炸的危險(xiǎn)性降低。

通過(guò)對(duì)煤塵爆炸的起因、爆炸產(chǎn)生的條件、煤塵爆炸影響因素等方面進(jìn)行綜合分析，選取可爆性危險(xiǎn)、煤塵濃度危險(xiǎn)、引火源危險(xiǎn)3個(gè)一級(jí)指標(biāo)；揮發(fā)分、水分、灰分、粒徑等14個(gè)二級(jí)指標(biāo)，建立煤礦煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系。該煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系如圖1所示。

圖1 煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系

Fig.1 Risk assessment system of coal dust explosion

2 集對(duì)分析理論

集對(duì)分析借助聯(lián)系數(shù)可以用來(lái)解決不確定性的數(shù)學(xué)分析理論，聯(lián)系數(shù)一般以μ來(lái)表示，見(jiàn)式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：N為2個(gè)集合具有的特性總數(shù)；S為2個(gè)集合共有的特性數(shù)；P為兩個(gè)相互對(duì)立的特性數(shù)；F為集對(duì)中不共有也不對(duì)立的特性數(shù)；i為差異度系數(shù)，其取值范圍為[-1,1]；j為對(duì)立度系數(shù)，其取值為-1。

實(shí)際情況下，集對(duì)分析的準(zhǔn)確度并不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求，因此應(yīng)對(duì)式(1)進(jìn)行優(yōu)化，見(jiàn)式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：N1、N2、N3為不同類(lèi)別集對(duì)中2個(gè)集合具有的特性總數(shù)；F1、F2、F3為不同類(lèi)別集對(duì)中不共有也不對(duì)立的特性數(shù)；i1、i2、i3為差異度系數(shù)，其取值范圍均為[-1,1]。

設(shè)U={u1,u2…un}為項(xiàng)目評(píng)價(jià)因素集合，評(píng)價(jià)因素ui(1≤i≤n)的評(píng)價(jià)等級(jí)為X={x1,x2,x3,x4,x5},則評(píng)價(jià)對(duì)象關(guān)于評(píng)價(jià)因素ui的同異反評(píng)價(jià)為rs1+rs2i+rs3i+rs4i+rs5j,式中rs1+rs2+rs3+rs4+rs5=1,則有同異反評(píng)價(jià)矩陣表達(dá)式見(jiàn)式(5)。

(5)

(6)

化簡(jiǎn)可得式(7)。

(7)

式中：μ為各評(píng)價(jià)指標(biāo)間總聯(lián)系度；ws為各評(píng)價(jià)指標(biāo)所占權(quán)重。

由最大隸屬的原則可知，最大聯(lián)系度所在級(jí)別即為最終的評(píng)價(jià)級(jí)別。

3 組合權(quán)重

將兩種或者兩種以上的權(quán)重確定方法相互結(jié)合，建立一種新的權(quán)重確定方法即為組合權(quán)重，本文以熵權(quán)法和層次分析法為例，進(jìn)行組合賦權(quán)。由于熵權(quán)法缺乏各指標(biāo)之間的橫向比較，且各指標(biāo)權(quán)數(shù)隨樣本而變化，客觀性較強(qiáng)，而層次分析法計(jì)算較為粗略，專(zhuān)家打分存在偶然性、主觀性等，對(duì)熵權(quán)法和層次分析法各自計(jì)算出的權(quán)重進(jìn)行乘法歸一化處理，得出組合權(quán)重，在一定程度上可以緩解熵權(quán)法和層次分析法在指標(biāo)賦權(quán)上的不足。

3.1 層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

層次分析法評(píng)定評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是用1～9標(biāo)度法構(gòu)建判斷矩陣，1～9標(biāo)度法見(jiàn)表1。

表1 1～9標(biāo)度法判斷標(biāo)準(zhǔn)

由專(zhuān)家對(duì)各個(gè)層次指標(biāo)的重要程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到準(zhǔn)則層和各指標(biāo)層因素的判斷矩陣，并根據(jù)判斷矩陣求出最大特征值λmax對(duì)應(yīng)的特征向量W，對(duì)特征向量歸一化處理后，得到各評(píng)價(jià)因素的響度權(quán)重。權(quán)重W和最大特征值的計(jì)算公式見(jiàn)式(8)～(11)。

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：aij為判斷矩陣第i行第j列元素；i=1,2,3,…,n；j=1,2,3,…,n。

各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量見(jiàn)式(12)。

W=(W1,W2,…,Wi,…,Wn)

(12)

3.2 熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

熵權(quán)法根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的差異程度和提供的信息量多少來(lái)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，熵權(quán)值越小，評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重越大。

待評(píng)價(jià)對(duì)象M=(M1,M2,…,Mm),評(píng)價(jià)指標(biāo)D=(D1,D2,…,Dn),待評(píng)價(jià)對(duì)象Mi對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)Dj可記作Xij,則評(píng)價(jià)矩陣見(jiàn)式(13)。

(13)

將得到的評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行無(wú)量綱化處理得式(14)。

(14)

j指標(biāo)下第i個(gè)待評(píng)價(jià)對(duì)象的特征比重Pij計(jì)算見(jiàn)式(15)。

(15)

第j向指標(biāo)的熵值ej計(jì)算見(jiàn)式(16)。

(16)

第j向指標(biāo)的差異系數(shù)dj計(jì)算見(jiàn)式(17)。

dj=1-ej

(17)

各指標(biāo)的熵權(quán)值wj計(jì)算見(jiàn)式(18)。

(18)

3.3 組合權(quán)重的確定

對(duì)熵權(quán)法和層次分析法的權(quán)重進(jìn)行相乘后歸一化處理，見(jiàn)式(19)。

(19)

式中，ai、bi為第i個(gè)屬性值的熵權(quán)法權(quán)重和層次分析法權(quán)重。

4 組合賦權(quán)-集對(duì)分析評(píng)價(jià)模型的建立

設(shè)第s個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的聯(lián)系度為μs,應(yīng)用集對(duì)分析原理對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行運(yùn)算，則第k項(xiàng)指標(biāo)的聯(lián)系度μsk,其組合權(quán)重的表達(dá)式wk,則評(píng)價(jià)指標(biāo)復(fù)合權(quán)重的表達(dá)式見(jiàn)式(20)。

μs=wkμsk

(20)

由上述內(nèi)容可知，評(píng)價(jià)指標(biāo)復(fù)合權(quán)重的表達(dá)式還可以表示為式(21)。

(21)

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

以山東省濟(jì)寧市金鄉(xiāng)縣某礦為例，該礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t/a，目前礦井有2個(gè)綜采工作面和5個(gè)掘進(jìn)工作面，采用走向長(zhǎng)壁采煤法開(kāi)采，全部垮落法管理頂板，主采3煤層，鉆孔煤層煤塵爆炸測(cè)試成果顯示，3煤層主要為肥煤，揮發(fā)分為35.11%，火焰長(zhǎng)度微火-300 mm，巖粉量75%，存在煤塵爆炸的危險(xiǎn)，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)采取預(yù)防煤塵爆炸措施。

5.1 集對(duì)分析-組合賦權(quán)評(píng)價(jià)模型

以7個(gè)煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因素集合U={u1,u2…u7},各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)為X={x1,x2,x3,x4,x5},其中x1為Ⅰ級(jí)(安全等級(jí))，x2為Ⅱ級(jí)(較安全等級(jí))，x3為Ⅲ級(jí)(一般危險(xiǎn)等級(jí))，x4為Ⅳ級(jí)(較危險(xiǎn)等級(jí))，x5為Ⅴ級(jí)(危險(xiǎn)等級(jí))。則煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因素的同異反評(píng)價(jià)為rs1+rs2i+rs3i+rs4i+rs5j,式中rs1+rs2+rs3+rs4+rs5=1。煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

將各評(píng)價(jià)因素歸一化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 各評(píng)價(jià)因素歸一化處理結(jié)果

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，由熵權(quán)法確定煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系各因素的權(quán)重集A={0.076 7,0.025 8,0.071 1,0.075 6,0.079 2,0.079 4,0.076 7,0.084 7,0.094 9,0.070 3,0.067 9,0.081 3,0.052 3,0.064 1}。

通過(guò)兩兩比較指標(biāo)間的相對(duì)重要程度，由層次分析法確定煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因素的判斷矩陣見(jiàn)表4，則由層次分析法計(jì)算的煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系各因素的權(quán)重集為B={0.075 9,0.075 1,0.075,0.075 7,0.075 7,0.075 7,0.075 7,0.068 3,0.068 3,0.068 3,0.068 3,0.066,0.066,0.066},經(jīng)一致性檢驗(yàn)，判斷矩陣和權(quán)重向量是可以接受的。

根據(jù)式(19)將熵權(quán)法和層次分析法得到的權(quán)重進(jìn)行相乘后歸一化處理，得到的組合權(quán)重向量為：w=[0.081 6,0.027 1,0.074 7,0.080 2,0.084,0.084 2,0.081 3,0.081,0.090 8,0.067 3,0.065,0.075 2,0.048 4,0.059 2]則該礦煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果的聯(lián)系度表達(dá)式為：0.065 4+0.262i1+0.345 7i2+0.249 8i3+0.049 7j。

根據(jù)最大隸屬度原則，該礦的煤塵爆炸危險(xiǎn)級(jí)別為一般危險(xiǎn)等級(jí)，具有煤塵爆炸的可能，評(píng)價(jià)結(jié)果與煤礦鉆孔煤層煤塵爆炸測(cè)試成果相互驗(yàn)證。

5.2 各評(píng)價(jià)模型結(jié)果比較

根據(jù)前期收集的目前認(rèn)可度較高的評(píng)價(jià)模型中，選取已應(yīng)用于煤礦煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)改進(jìn)FAHP模型、模糊事故樹(shù)模型、灰色聚類(lèi)評(píng)估體系、未確知測(cè)度評(píng)價(jià)模型[9-10]，對(duì)金鄉(xiāng)縣該礦的煤塵爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，將各模型得出評(píng)價(jià)結(jié)果與集對(duì)分析-組合賦權(quán)煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，其結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 判斷矩陣

表5 各評(píng)價(jià)模型結(jié)果對(duì)比

由表5可知，集對(duì)分析-組合賦權(quán)評(píng)價(jià)模型與改進(jìn)FAHP模型、灰色聚類(lèi)評(píng)估體系、未確知測(cè)度評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果一致，比模糊事故樹(shù)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果略高，因此集對(duì)分析-組合賦權(quán)評(píng)價(jià)模型對(duì)煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的適用性高，該評(píng)價(jià)模型對(duì)煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)具有一定的借鑒作用。

6 結(jié) 論

1) 本文選取可爆性危險(xiǎn)、煤塵濃度危險(xiǎn)、引火源危險(xiǎn)3個(gè)一級(jí)指標(biāo)，揮發(fā)分、水分、灰分、粒徑等14個(gè)二級(jí)指標(biāo)，建立集對(duì)分析-組合賦權(quán)煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系。

2) 將集對(duì)分析-組合賦權(quán)煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系應(yīng)用于濟(jì)寧市金鄉(xiāng)縣某礦煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)實(shí)踐中，評(píng)價(jià)結(jié)果為一般危險(xiǎn)等級(jí)，與鉆孔煤塵爆炸測(cè)試結(jié)果相互驗(yàn)證。

3) 通過(guò)與改進(jìn)FAHP模型、模糊事故樹(shù)模型、灰色聚類(lèi)評(píng)估體系、未確知測(cè)度評(píng)價(jià)模型進(jìn)行結(jié)果對(duì)比，集對(duì)分析-組合賦權(quán)評(píng)價(jià)模型與改進(jìn)FAHP模型、灰色聚類(lèi)評(píng)估體系、未確知測(cè)度評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果一致，對(duì)煤塵爆炸危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)較為適用。