模糊综合评判法判定煤矿瓦斯的安全度

张海鹏 张鹏冲 张志霄

（1.中国神华神东煤炭集团保德煤矿，内蒙古鄂尔多斯市，017000；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008）

模糊综合评判法判定煤矿瓦斯的安全度

张海鹏1张鹏冲2张志霄2

（1.中国神华神东煤炭集团保德煤矿，内蒙古鄂尔多斯市，017000；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008）

使用模糊综合评判模型确定矿井安全度，以矿井各作业面和巷道安全性作为一级因素，以不同时段的安全性作为二级因素；根据历史统计资料，合理确定权重集；利用统计方法分析矿井瓦斯浓度和煤尘浓度分布，确定了隶属系数和评判矩阵。并且用此模型准确地评价了煤矿掘进工作面、采煤工作面以及回风巷和整个矿井综合的安全程度，对煤矿安全检测和控制具有较高的理论和实践指导意义。

模糊综合评判 瓦斯涌出量 隶属度 安全度

TD712

A

煤矿安全生产是我国目前亟待解决的问题之一，同其他国家相比，我国的煤矿事故死亡人数是其他国家煤矿死亡人数总和的3倍。煤矿事故的频繁发生不仅给国家和人民带来了巨大的经济损失，也给人民心理上带来了难以弥补的创伤。在我国煤矿瓦斯事故中，瓦斯事故的死亡人数占煤矿事故总死亡人数的三分之一左右，仅次于顶板事故，危害程度极大。因此，为了煤矿的安全生产，有必要对煤矿瓦斯的安全度进行综合评判。

安全评价是利用系统工程方法对拟建或已有工程、系统可能存在的危险性及其可能产生的后果进行综合评价和预测，并根据可能导致的事故风险的大小提出相应对策措施，以达到工程、系统安全的目的。安全评价是现代化、科学化安全管理的重要环节和保证。安全这个概念的外延具有模糊性，划分上具有不确定性。也就是说在安全与不安全之间存在着中间过渡，即它们的划分具有不分明性。因此，安全问题是一个模糊的问题，如果用一般的评价方法来衡量它，很难得出合理的结论。传统的安全评价方法具有推理过程容易理解、对样本的要求较低等优点，但是它只承认要么安全、要么不安全，不承认有中间状态存在，这实际是难以做到的。模糊综合评判法是在已知信息不充分的前提下，评判具有模糊因素的事物或现象的一种方法，能较好地处理方案评估与排序过程的模糊性，有效克服传统方法的不足，使评价结果更加客观准确。目前已有不少的学者和专家运用模糊综合评判法对煤矿进行安全评价，但是大多数只从人、机、环境的角度去考虑对煤矿安全的影响，而根据事故致因理论，大多数事故是由于人的不安全行为与物的不安全状态在同一时间、同一空间相遇而发生的，因此时间因素也是必不可少的一个评价因素，本文就加入了分析矿难发生时间作为安全评价的一个标准，旨在为减少或杜绝瓦斯事故的发生提供理论依据。

1 模糊综合评判法确定煤矿安全度

安全是指人类所面临的系统存在或运行的状态对人类自身的生命、财产、环境可能造成的危害低于人类目前最大的承受能力限度的一种状态过程。系统的安全程度是由系统内外各影响因素组成的多元随机函数。

模糊综合评判方法是应用模糊关系合成的原理，从多个因素进行综合性评判需要评判事务隶属等级状况的一种方法。模糊综合评判包含6个基本要素：评判因素论域U，代表综合评判中各评判因素所组成的集合；模糊关系矩阵R，是单因素评判的结果，模糊综合评判所综合的对象正是R；评语等级论域V，代表综合评判中评语所组成的集合；评判因素权向量W，代表评价因素在被评事物中的相对重要程度，它在综合评判中用来对R作加权处理；合成算子，指合成W与R所用的计算方法，也就是合成方法；评判结果向量A，是对每个被评判对象综合状况分等级的程度描述，模糊综合评判结果对被评对象通常具有唯一性。模糊综合评判可以对较复杂事物多层次处理，满足评价要求，且在评判过程是可以循环的。前一过程综合评判结果，可以作为后一过程综合评判的投入数据。对于一个多因素的复杂事物，可以进行多层次的模糊综合评判。

2 模糊综合评判法模型建立

由于井下条件较为复杂，为了简化模型便于更精确的计算，假设矿井内湿度、气压、温度较为稳定，忽略瓦斯涌出不均衡性，以及该煤矿的不安全性主要与瓦斯浓度和煤尘浓度有关，矿井中产生的除瓦斯以外的其他有害气体均忽略不计，且瓦斯浓度、煤尘浓度近似服从正态分布，建立模型过程中根据正态分布假设，求出该矿井各作业面瓦斯浓度和煤尘浓度均值以及置信区间。忽略井下作业人员所需的空气量的影响，各作业面备用风量系数、矿井通风系数等，均取一般水平。

2.1 确定要素集

（1）将要素集U分为6个子要素集：U＝｛U1，U2，U3，U4，U5，U6｝。

其中，U1，U2，U3，U4，U5，U6分别表示工作面1，工作面2，掘进工作面，回风巷1，回风巷2，总回风巷。

（2）每个要素Ui（i＝1，2，3，4，5，6）分为若干个早班、中班、晚班时段子要素：

U1＝｛u11，u12，u13｝，U2＝｛u21，u22，u23｝，U3＝｛u31，u32，u33｝，U4＝｛u41，u42，u43｝，U5＝｛u51，u52，u53｝，U6＝｛u61，u62，u63｝。

2.2 确定权重集

根据各类要素对安全生产的重要程度，赋予每个要素类相应的权数，得U＝｛U1，U2，U3，U4，U5，U6｝的权重分别为a1，a2，a3，a4，a5，a6，记为：

根据每一类要素中各要素的重要程度，测得子要素集的各时段子要素的重要度，记为：

其中aij表示第i类要素集Ui的第j个子要素uij的权重（i＝1，2，…6；j＝1，2，3）。

2.3 建立评价集

设V＝｛v1，v2，v3，v4，v5｝为安全度情况评价集，其中v1表示安全，v2表示较安全，v3表示一般，v4表示较危险，v5表示危险。

2.4 一级模糊综合评判

设第i类要素Ui的第j个子要素uij隶属于评价集中第k个元素vk的隶属度为rijk，（k＝1，2，3，4，5），则可以得到6个一级评判矩阵为：

因此第i类要素模糊综合评价集为：

2.5 二级模糊综合评判

由上一步得一级指标评判矩阵

因此，二级模糊综合评价集为：B＝A°R＝［d1，d2，d3，d4，d5］。

3 模糊综合评判法实例

3.1 确定权重集

图1 2003年全国重特大瓦斯事故发生地点分析

根据2003年国家安全监督管理总局公布的数据，全国重特大瓦斯事故发生地点分析见图1，采煤工作面发生重特大瓦斯爆炸事故3起、死亡46人，占总起数的14.29%和死亡人数的11.25%；掘进工作面发生12起、死亡195人，占57.14%和47.68%；巷道（包括大巷）4起、死亡74人，占19.05%和18.09%；密闭区2起、死亡94人，占9.52%和22.98%。

图2 瓦斯事故发生的小时概率

同时，通过对煤矿事故的研究表明：上午8∶00－10∶00点，夜里0－3∶00点是伤亡事故发生率较高的时段，瓦斯事故发生的小时概率见图2。

结合以上统计信息，采取传统的层次分析法，确定各要素在煤矿安全生产中重要性次序，得到各级要素权重集：

3.2 建立评判矩阵

本文以山西柳林矿井为例，根据该矿的2个工作面、1个掘进面和3个回风巷所测数据，建立评判模型进行分析，并用统计的方法，算出了各个巷道在早、中、晚三班中的瓦斯和煤尘浓度在置信度为95%时的置信区间以及区间均值，见表1。

根据2011版《煤矿安全规程》的相关规定，并参照表1，建立各级要素评判矩阵：

表1 各监测点的瓦斯和煤尘的监测数据统计表

3.3 综合评判

3.4 评判结果

将评价集各等级进行量化，设：v1＝9，v2＝7，v3＝5，v4＝3，v5＝1，得到各个评价结果如下：

工作面1的安全度评价结果V1为3.54；工作面2的安全度评价结果V2为2.42；掘进工作面的安全度评价结果V3为7.46；回风巷1的安全度评价结果V4为4.96；回风巷2的安全度评价结果V5为3.72；总回风巷的安全度评价结果V6为6；煤矿系统综合安全度评价结果V为4.81。

3.5 结果分析

在安全度的6个方面的比较中，对掘进工作面的安全度评判值最大，为7.46，说明该矿井掘进工作面比较安全；对工作面2的安全度评价值最低，为2.42，该工作面瓦斯和煤尘安全度处于较危险和危险之间，应该引起重视；对工作面1和回风巷2的安全度评判值接近较危险，情况不容乐观；对该煤矿瓦斯和煤尘综合安全度评判值为4.81，为一般水平，可以继续保持现状。

4 结论

（1）模糊数学综合评判法能够较为全面考虑多因素情况下瓦斯安全问题，可通过评判集合、权重集的有效确定，克服单因素评判的缺陷，得到较为合理的结果，可为矿井瓦斯危险性预测、预防及控制水平的提高，提供理论依据。

（2）瓦斯事故是诸多因素相互作用引起的，其随机性、模糊性和非线性关系使传统的评价方法不能很好地解决该问题。本文建立了以矿井各作业面和巷道安全性作为一级因素，以不同时段的安全性作为二级因素的评价指标体系，构建了模糊综合评判模型，并且进行了实例分析，确保了煤矿总体安全。

（3）实例分析表明，该煤矿应在继续保证相对重要的掘进工作面安全状态前提下，加强对工作面1、工作面2和回风巷2的检测和通风。该模型评判结果较为合理，其评判结果符合煤矿瓦斯安全程度实际情况。

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Fuzzy comprehensive evaluation method is used to determine the mine gas safety degree

Zhang Haipeng1，Zhang Pengchong2，Zhang Zhixiao2
（1.Baode Coal Mine，China Shenhua Shendong Coal Group，Erdos，Inner Mongolia 017000，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，CUMT，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

The fuzzy comprehensive evaluation model is used to determine the mine safety degree，with each working face and roadway safety as the primary elements and the safety in different periods as the secondary elements；based on historical statistics data，the weight set is determined reasonably；mine gas concentration and coal dust concentration distribution are analyzed by using statistical methods，and the membership coefficient and the evaluation matrix are defined.This model is also used to accurately evaluate the comprehensive safety degree of mine heading face，mining face，return air roadway and the whole coal mine，and it has great theoretical and practical guiding meaning for the coal mine safety monitoring and controlling.

fuzzy comprehensive evaluation，gas emission rate，membership degree，safety degree

张海鹏（1988－），男，辽宁铁岭人，毕业于辽宁工程技术大学采矿工程专业，本科学历，现为神华神东保德煤矿掘锚一队采煤技术员，主要从事煤矿安全开采等方面的研究工作。

（责任编辑 张艳华）