煤礦瓦斯風險的綜合評價
黎錦賢1,2,周心權1,曲志明3
(1.中國礦業大學資源與安全工程學院,北京100083;2.宜春學院工學院,江西宜春336000;3.河北工程學院,河北邯鄲056038)
摘 要:利用煤礦安全狀況調查統計所獲得的基礎資料,分類歸納影響瓦斯風險的危險因素,對所有因素的定性和定量指標值進行深層次分析和冪函數處理,建立了具有確定系數的綜合評價模型,從而對瓦斯風險進行綜合評價。
關鍵詞:瓦斯風險;深層次法;冪函數;綜合評價
中圖分類號:TD712 文獻標識碼:B 文章編號:1003-496X(2006)
基金項目:國家“十五”科技攻關項目(2001BA803B0416);國家自然科學基金項目(550474031)
進行煤礦瓦斯風險評價是做好煤礦安全管理工作的重要手段。它有利于實現對煤礦按風險類型、嚴重程度、生產規模等進行分級分類管理和監察;有利于對煤礦的安全狀況進行動態監控,根據不同時間段的實際情況適時做出調整,以此來強化對煤礦安全生產的監管,提高煤礦安全監察的科學性、針對性。煤礦瓦斯風險評價工作有助于提高煤礦安全管理水平,并達到變事后處理為事先預防預測,使煤礦安全工作實現科學化;變縱向單科管理為全面系統管理,使煤礦安全工作實現系統化;變盲目管理為目標管理,使煤礦安全工作實現標準化。
目前,常用的風險評價方法可分為定性評價方法、指數法、概率危險評價方法、綜合模糊評價方法、灰色理論評價方法等幾大類。各種評價方法都有一定的科學依據和可行性。但對于不同的應用對象,評價模型結構、指標和參數存在很大的差別。我們對山東、河北、安徽的一些煤礦的安全狀況進行了調查及安全規劃,并利用這些基礎資料進行礦井瓦斯風險評價。本文是根據瓦斯爆炸的發生需要3個條件(一定濃度的瓦斯,一定溫度的引燃火源,足夠的氧氣濃度)而進行危險性分析和評價的。
1 瓦斯風險綜合評價指標值的確定利用煤礦安全狀況調查所獲得的統計資料為樣本,運用綜合評價方法確定模型中的待定系數項,進而建立具體的評價模型。首先要確定所統計礦井的瓦斯風險綜合評價指標值。目前,評價事故后果嚴重程度大多以事故造成人員傷亡的數量和比例為指標依據,而本文在確定瓦斯事故綜合指標時,重點考慮死亡事故,同時兼顧非死亡事故。確定瓦斯事故綜合指標的因素如圖1所示。為保證瓦斯事故的綜合指標能充分反映瓦斯事故的后果嚴重程度,充分利用了評價指標所傳遞的基礎信息,合理實現了對瓦斯事故評價指標的量化。
在保證評價指標值遞增變化的前提下,通過對各種函數特征的分析,認為冪函數和多項式函數是比較理想的量化函數模型。冪函數避免了對數函數及指數函數對應于0、1兩個數值的缺陷,保證了函數的連續性并反映出線性特征。結合調查中各基礎指標出現的最高值,以及歷
史資料中出現過的最高值,在滿足指標可比性原則的前提條件下,以冪函數為手段,逐步進行測試,將評價指標值壓縮至[0,1]范圍內的數值,使經過量化后指標值能充分表達基礎信息量的完整性,以微小的差異反映出實際指標值明顯的變化,增加了指標的靈敏性。同時這種歸一化處理使各項指標具有可比性。
在綜合評價過程中,確定評價指標的權重是非常關鍵的問題。本文以死亡事故主要表征瓦斯事故后果嚴重程度,所以在對權系數的確定時有所側重。結合現場情況和專家的意見以及瓦斯事故統計分析所反映的事故發生規律,對事故指標體系評價因素的權重進行確定, 如圖1所示。根據指標合成中各自的權重分配,對事故基礎指標加權求和,得出分析樣本事故綜合指標值。
圖1 瓦斯事故評價指標權重
2 礦井瓦斯風險影響因素及指標體系礦井瓦斯風險子系統由人、機、環境(瓦斯狀態)、以及完成任務的手段(安全管理)等基本元素構成,簡稱人機環系統。人機環的系統安全分析方法能較好地解決系統危險源確定問題,本文確定以人機環的系統安全分析方法為礦井瓦斯系統安全分析的手段,結合煤礦安全狀況調查的統計資料,從實際出發,實現對瓦斯風險系統的分析,分析內容如圖2所示。對影響瓦斯風險的各種因素采用層次分析方法,進行分類歸納,從而建立各因素之間的關系。
圖2 瓦斯風險分析內容示意圖
在人、機、瓦斯等多種影響因素確定后,下一步將是建立各種因素與風險綜合指標之間的關系。根據多元統計原理,使系統風險的綜合指標和危險因素的狀態指標值之間盡可能呈近似線性關系。例如礦井瓦斯的相對涌出量、煤層最高瓦斯壓力等都是具體確定值,各自表征危險因素的具體特征,它們與風險綜合指標并非呈線性關系。
瓦斯風險的綜合指標可以表示為人、機、瓦斯等多種影響因素的多元函數,函數可以表示為:
S=kx(x-x0)+ky(y-y0)+…+kz(z-z0)
+kxy(x-x0)(y-y0)+…+kxz(x-x0)(z-z0)
+R
式中 S———瓦斯風險的綜合指標;
x、y、z———人、機、瓦斯的狀態指標值,x0、y0、z0
分別表示x、y、z的中間值;
k———指標系數;
R———余項,表示人、機、瓦斯以外的其它影響因素及其交互項對S的作用。
瓦斯風險涉及因素眾多,要求必須用一套能從總體上反映評價對象本質的指標體系,合理確定評價指標體系是進行瓦斯風險綜合評價的關鍵所在。結合礦井瓦斯風險綜合評價的特點及瓦斯風險分析建立指標體系應遵循科學性原則、系統性原則、可操作原則、時效性原則、定性與定量相結合的原則。根據對瓦斯風險系統深層次分析所確定的危險因素及指標體系建立原則,建立瓦斯風險的評價指標體系,包括瓦斯狀態評價指標、機的評價指標、人的評價指標和安全管理指標,如圖3所示。人、機、瓦斯狀態評價指標包括有定性指標和定量指標,對指標進行量化處理就是將定性指標科學可靠地定量化,定量指標可靠地量化。
人、機、瓦斯狀態指標體系的構建依據煤礦安全狀況調查的內容,其中存在少量定性指標。定性指標具有較強的模糊性、隨機性。定性指標量化仍采用專家給定判斷,這些方法要求有大量專家,并且有充足的時間進行評價。本文對定性指標以事故分析、專家經驗、規程、規章為基礎,并參閱對安全狀況調查現狀內容的統計分析給定,使指標值具有較強的可操作性、一定的可靠性,反映客觀真實性,從而保證綜合評價的合理性。例如,根據煤礦地質構造形態、斷層和褶曲的發育情況以及巖漿巖的侵入情況,煤礦地質構造復雜程度可分為簡單、中等、復雜和極復雜4個級別,不同級別地質構造復雜程度的煤層,地質條件對瓦斯的生成、移、賦存和富集所表現出的地質作用也不同,對其影響作用的程度進行定量化,分別賦值0.3,0.5,0.75,1,即為該評價因素的指標值。
在確定事故指標評價值時對定量指標采用舍棄等級論域進行量化的做法,利用冪函數的形式,采取逐步測試的手段,對基礎指標值進行處理。例如對瓦斯相對涌出量值運用冪函數逐步進行開方測試,然后與事故指標進行比較分析,使經處理后的指標值與事故指標盡可能符合呈近似線性關系。經逐步測試后,對樣本的相對瓦斯涌出量基礎指標值開8次方后與事故指標值比較,效果比較理想,從而確定對相對瓦斯涌出量基礎指標值處理的量化函數為:
A2=a21/8
式中 a2———礦井相對瓦斯涌出量值,m2/t。
根據上述原則,采用冪函數的手段,對表征人、機、瓦斯狀態的基礎數據進行了量化。然后采用賦權值方法,確定各基礎指標的權重,由此得到人、機、瓦斯狀態指標值。
圖3 瓦斯風險綜合評價指標體系
3 評價模型的建立按照上述方法確定了礦井的指標參數,通過線性回歸分析,確定了評價模型中的待定系數。由此建立了瓦斯風險的綜合評價值S的計算式:S=0.14×(C-0.51)+0.42×(B-0.26)+
0.76×(A-1.18)+0.18×(B-0.26)(C-0.51)-
1.48×(A-1.18)( C-0.51)-0.068×(A-
1.18)( B-0.26)+0.72
式中 S———瓦斯風險的綜合指標;
A———瓦斯狀態指標值;
B———機的評價指標值;
C———人的評價指標值。
4 結 論
(1)通過煤礦瓦斯風險的特性分析,確定了人、機、環系統風險分析技術的手段,對影響礦井瓦斯風險的人、機、瓦斯、管理等因素進行了深層次分析,分類歸納出了影響瓦斯風險的危險因素。建立了瓦斯風險綜合評價的指標體系,并依據事故樹的原理構建人、機、瓦斯、管理4因素的邏輯層次關系,從而根據綜合評價方法建立相應評價模型。實現了定性指標和定量指標的無量綱化,確定了樣本人、機、瓦斯狀態指標及事故指標的評價值。(2)通過分析瓦斯事故的后果嚴重程度與瓦斯風險危險狀態之間的關系,研究了表征礦井瓦斯風險的指標值計算方法,提出了這種瓦斯風險綜合評價方法。
(3)以山東、河北、安徽一些礦井的調查資料為樣本,確定了模型中的具體參數,建立了具有確定參數的評價模型。
