殷 濤，謝雄剛,2

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

近年來，隨著煤炭開采強度的增大，開采水平的不斷延伸，礦井內(nèi)因火災(zāi)的危害性越來越大，礦井火災(zāi)對井下人員安全造成了嚴(yán)重的威脅，對資源、設(shè)備造成了巨大的損失[1]。因此，研究礦井內(nèi)因火災(zāi)對防治礦井火災(zāi)事故具有重要意義。

目前，評價礦井火災(zāi)安全性的方法主要有：火災(zāi)風(fēng)險指數(shù)評價法[2]、模糊綜合評價法[3]、模糊層次分析法[4]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]、事故樹分析法[6]、集對分析法[7]和熵值法[8]等。熵值法能夠深刻地反映出指標(biāo)信息熵值的效用價值，其給出的指標(biāo)權(quán)重值有較高的可信度[9]，但對各個指標(biāo)間進行橫向比較時，熵值法就出現(xiàn)了局限性，同時人為對指標(biāo)賦權(quán)時具有主觀性，因此在應(yīng)用上受到限制；突變理論能描述事物在穩(wěn)定狀態(tài)下突然質(zhì)變的過程。筆者將熵值法和突變理論結(jié)合運用，既能避免單一熵值法主觀人為賦權(quán)的弊端，又能契合礦井內(nèi)因火災(zāi)突發(fā)、多變的特性。

1 構(gòu)建評價模型

1.1 熵值法模型

熵值法是一種判斷指標(biāo)離散程度的數(shù)學(xué)分析方法，根據(jù)熵值法賦權(quán)可以評判某一指標(biāo)的離散度，進而得到對整體指標(biāo)體系評價的重要性[10]。文獻[11]說明了構(gòu)建熵值法模型的步驟。

1.2 突變理論模型

1972年法國數(shù)學(xué)家雷內(nèi)·托姆提出了突變理論，該理論是一種研究自然界突變現(xiàn)象的數(shù)學(xué)分析方法[12-13]，文獻[14]說明了突變理論的評價步驟。

不同的突變級數(shù)模型及歸一公式如表1所示[15]。

表1 幾種突變模型

2 礦井內(nèi)因火災(zāi)安全評價指標(biāo)體系建立

依據(jù)相關(guān)法律法規(guī)和大量的事故案例,并結(jié)合事故致因理論對礦井內(nèi)因火災(zāi)安全評價這一復(fù)雜系統(tǒng)進行全面分析[16]。把事故發(fā)生歸結(jié)于人、物、環(huán)境和管理4個方面的因素，將整個安全評價指標(biāo)體系分為4個二級指標(biāo)，7個三級指標(biāo)及20個四級指標(biāo)，如圖1所示。

圖1 礦井內(nèi)因火災(zāi)安全評價指標(biāo)體系

在對影響礦井內(nèi)因火災(zāi)安全狀況的因素分析的基礎(chǔ)上，將礦井內(nèi)因火災(zāi)安全等級劃分為5個等級，如表2所示。

表2 礦井內(nèi)因火災(zāi)安全等級劃分

3 實例分析

3.1 礦井概況

紅石巖煤礦位于陜西省延安市，該礦年生產(chǎn)能力120萬t，礦井煤田面積19.9 km2，煤層平均厚度為2.53 m，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，經(jīng)鑒定煤層屬Ⅰ類容易自燃煤層，具有嚴(yán)重的煤層自燃風(fēng)險。

3.2 底層指標(biāo)相對重要性排序

以陜西省紅石巖煤礦為例進行內(nèi)因火災(zāi)安全評價分析。根據(jù)已建立的評價指標(biāo)體系，邀請多位專家對影響該礦井安全現(xiàn)狀的20項指標(biāo)進行打分，賦值數(shù)據(jù)范圍為(0,1)，然后構(gòu)建熵值法模型:

1)分別取專家對各個指標(biāo)賦值的平均值建立一組評價矩陣；

2)將評價矩陣與礦井內(nèi)因火災(zāi)安全等級節(jié)點值組成決策矩陣X；

3)將決策矩陣X用線型比例變換法進行矩陣的初等變換處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y；

4)依次計算各個指標(biāo)熵值、差異系數(shù)，最終得到各個底層指標(biāo)的權(quán)重值。

決策矩陣X、標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y如下：

(1)

(2)

在得到底層指標(biāo)的權(quán)重值之后，逐層計算中層和上層指標(biāo)的權(quán)重值。中層指標(biāo)的權(quán)重值為對應(yīng)的底層指標(biāo)權(quán)重值之和；同理，上層指標(biāo)的權(quán)重值為對應(yīng)的中層指標(biāo)權(quán)重值之和。各層指標(biāo)的權(quán)重值如表3所示。

表3 各層指標(biāo)的權(quán)重值

由表3可得出，上層指標(biāo)的權(quán)重值排序為:{B,A,D,C}；中層指標(biāo)的權(quán)重值排序為:{B1,B2,A2,A1，D1,D2,C1}；底層指標(biāo)的權(quán)重值排序為:{B13,B11,B12,B21,B23,B22,A22,A21,A23,A13,A12,A11,D14,D12,D11,D13,D22,D21,C12,C11}。

3.3 礦井內(nèi)因火災(zāi)的安全性評價

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)和表1所示的幾種初等突變模型，按照突變理論的評價步驟對礦井內(nèi)因火災(zāi)的安全現(xiàn)狀進行評價。

影響采空區(qū)情況、安全監(jiān)測系統(tǒng)的因素有2個，選擇尖點形突變模型；影響安全責(zé)任機制、應(yīng)急救援能力、氧化條件、蓄熱條件的因素有3個，選擇燕尾形突變模型；影響防止自燃的措施的因素有4個，選擇蝴蝶形突變模型。底層指標(biāo)歸一化結(jié)果見表4。

表4 底層指標(biāo)的歸一化

在求出底層指標(biāo)的突變級數(shù)值后，運用“互補”或“不互補”原則求出中層指標(biāo)的突變級數(shù)值。

在安全責(zé)任機制中，安全生產(chǎn)責(zé)任制、安全生產(chǎn)檢查制和安全生產(chǎn)獎懲制之間存在“互補”關(guān)系，取平均值作為安全責(zé)任機制A1的突變級數(shù)值；在應(yīng)急救援能力中，教育培訓(xùn)、救援演練和應(yīng)急方案之間存在“互補”關(guān)系，取平均值作為應(yīng)急救援能力A2的突變級數(shù)值；在氧化條件中，煤的自燃傾向性、煤化程度和煤的水分之間存在“互補”關(guān)系，取平均值作為氧化條件B1的突變級數(shù)值；在蓄熱條件中，圍巖導(dǎo)熱性、煤的孔隙率和煤層厚度之間為“不互補”關(guān)系，選擇最小值作為蓄熱條件B2的突變級數(shù)值；在采空區(qū)情況中，采空區(qū)巷道布置、采煤方法之間存在“互補”關(guān)系，取平均值作為采空區(qū)情況C1的突變級數(shù)值；在防止自燃的措施中，預(yù)防性灌漿系統(tǒng)、惰性氣體防火系統(tǒng)、采空區(qū)封閉情況和均壓防滅火系統(tǒng)之間為“不互補”關(guān)系，選擇最小值作為防止自燃的措施D1的突變級數(shù)值；在安全監(jiān)測系統(tǒng)中，設(shè)備安裝有效和設(shè)備定期維護之間存在“互補”關(guān)系，取平均值作為安全監(jiān)測系統(tǒng)D2的突變級數(shù)值。求得的中層指標(biāo)的突變級數(shù)值如表5所示。

表5 中層指標(biāo)的突變級數(shù)值

在求出中層指標(biāo)的突變級數(shù)值后，進而求出上層指標(biāo)的突變級數(shù)值。在人的因素A和管理因素D中，各個中層指標(biāo)之間都存在“互補”關(guān)系，取平均值作為其突變級數(shù)值；在物的因素B中，各個中層指標(biāo)之間為“不互補”關(guān)系，選擇最小值作為其突變隸屬值；影響環(huán)境因素C只有單因素采空區(qū)情況。求得的上層指標(biāo)的突變級數(shù)值如表6所示。

表6 上層指標(biāo)的突變級數(shù)值

在求出上層指標(biāo)的突變級數(shù)值后，由于在人的因素A、物的因素B、環(huán)境因素C和管理因素D之間不存在“互補”關(guān)系，因此得出總的突變隸屬度值為：XS=min{XA,XB,XC,XD}=0.490。

4 討論

該礦井內(nèi)因火災(zāi)安全評價的總突變隸屬度為0.490，由礦井內(nèi)因火災(zāi)安全等級劃分(見表2)可知，該礦井內(nèi)因火災(zāi)安全狀況為比較危險。而人、物、環(huán)境、管理4個方面因素對應(yīng)的隸屬度值分別為：0.889，0.490，0.884、0.796?？梢钥闯觯?/p>

1)物的因素對應(yīng)的隸屬度最低，表現(xiàn)為比較危險，也是導(dǎo)致整個煤礦的安全等級較低的主要因素。主要因為該礦井的地質(zhì)條件極其復(fù)雜，煤層屬于 Ⅰ 類容易自燃煤層，屬于災(zāi)害嚴(yán)重的礦井。

2)人、環(huán)境和管理3個方面的因素都表現(xiàn)為比較安全，主要歸功于該煤礦已注重在生產(chǎn)過程中的安全問題，雖然該礦井早些年常因安全問題被勒令停產(chǎn)整改，但在近幾年該煤礦不斷加強安全投入，大大地提高了礦井的安全水平，包括:

①在人的因素方面，該煤礦不斷加強對員工進行安全教育培訓(xùn)并擬定火災(zāi)應(yīng)急方案，每年舉行一次安全知識比賽、開展救援演練及安全生產(chǎn)月活動；在日常生產(chǎn)活動中該煤礦要求員工間實施雙重安全確認(rèn)法，即手指口述雙重驗證，并做到全體員工人人參與，上下層之間層層落實；此外在井下的行人大巷中，該煤礦建設(shè)了長約3 000 m的安全文化長廊，并聘請專家對礦井進行安全巡查，在有安全隱患和易發(fā)生事故的地點增設(shè)了安全警告標(biāo)志和安全標(biāo)語。通過這些安全宣傳培訓(xùn)活動，使得員工的安全意識和安全素養(yǎng)得到了質(zhì)的提高，從人的因素方面加強了安全生產(chǎn)管理工作。

②在安全設(shè)備投入方面，該煤礦到目前已建成了先進的火災(zāi)防范系統(tǒng)和安全避險六大系統(tǒng)?；馂?zāi)防范系統(tǒng)包括預(yù)防性灌漿、惰性氣體滅火和均壓防滅火系統(tǒng)；安全避險六大系統(tǒng)包括監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、供水施救、壓風(fēng)自救、通訊聯(lián)絡(luò)和緊急避險系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，火災(zāi)防范系統(tǒng)能及時有效地控制火情發(fā)展，安全避險六大系統(tǒng)能給工作人員提供安全生存保障。此外該煤礦還配備了專業(yè)的技術(shù)人員對安全設(shè)備進行定期檢查維護，以確保設(shè)備穩(wěn)定有效運轉(zhuǎn)。

③在制度方面，該煤礦圍繞《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，制訂了一系列的安全生產(chǎn)制度。針對事故責(zé)任，制訂了安全生產(chǎn)責(zé)任制，在工作現(xiàn)場劃分了責(zé)任承包區(qū)，定區(qū)定人定責(zé)任，落實現(xiàn)場安全操作規(guī)范。針對安全管理隱患，制訂了安全生產(chǎn)檢查制和安全生產(chǎn)獎懲制，就生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)檢查出的漏洞和問題，依據(jù)所定制度進行責(zé)任追究，對相關(guān)員工落實對應(yīng)的獎懲措施，從而徹底杜絕了日常安全生產(chǎn)活動中員工的懶散、消極怠工等行為。

雖然該煤礦屬于災(zāi)害嚴(yán)重礦井，但經(jīng)過科技設(shè)備的投入和有效的管理措施使其徹底擺脫了內(nèi)因火災(zāi)安全隱患的威脅，取得了連續(xù)6 a百萬噸安全生產(chǎn)無人死亡的成績，并被評為省級模范煤礦企業(yè)，這說明科技設(shè)備的投入和管理方法的有效性，在實際層面上也符合該安全評價方法從人、物、環(huán)境、管理角度上的評價結(jié)果，使該方法得到了實踐的驗證，證明其可行性。

5 結(jié)論

1)依據(jù)相關(guān)法律法規(guī)和大量的事故案例并結(jié)合事故致因理論，從人的因素、物的因素、環(huán)境因素和管理因素4個方面考慮，建立了4級共20個指標(biāo)的礦井內(nèi)因火災(zāi)安全評價指標(biāo)體系。

2)將熵值法和突變理論進行有效結(jié)合，以陜西省紅石巖煤礦作實例分析。依據(jù)熵值法判斷各指標(biāo)的權(quán)重，運用突變級數(shù)法遞歸運算得出該礦井總的突變隸屬度值為0.490。安全評價結(jié)果為比較安全，物的因素是導(dǎo)致整個煤礦的安全等級較低的主要因素。

3)與物的因素的隸屬度相比，人、物、環(huán)境3方面因素對應(yīng)的隸屬度值偏高，評價結(jié)果都為比較安全。此結(jié)果與該煤礦的安全管理投入有關(guān)，符合礦井的實際情況，表明該評價方法的準(zhǔn)確性，使其得到了實踐的驗證。