对兖矿集团Y煤矿突水的安全评价研究.pdf

中北大学学位论文 I 摘要 近年来，随着煤矿生产在开采深度上不断增加，煤矿突水日趋严重，突水事故多有 发生，给人民的生命与财产带来了极大的损失。本文将模糊数学理论应用到安全评价当 中，首次对我国煤矿突水安全程度进行综合评价，对我国煤矿突水研究与防治具有一定 的指导意义。 本文在分析研究了多种安全评价方法之后选择了专家调查法、层次分析法与模糊综 合评价法。采用事故致因理论和层次法原理对影响煤矿突水的危险源进行了综合辨识， 并据此构建了全面的煤矿突水安全评价指标体系。在此基础上对指标体系中各影响因素 进行了定性定量研究，本文对 5 类 23 个因素作为影响煤矿突水的主要因素进行安全评 价。首先采用专家调查法确定模糊评判指标的隶属度，并用层次分析法（AHP）确定所 有评价指标的权重，然后将模糊数学理论和层次法有机结合起来构成模糊综合评价系统 并将此评价系统应用到 Y 煤矿突水安全评价过程中，由此得出 Y 煤矿突水的模糊向量 集]0119. 0 ,1210. 0 ,2048. 0 ,3365. 0 ,3267. 0[A，根据最大隶属度原则可知 Y 煤矿突水安全 等级属于 B 级较好。 关键字安全评价；煤矿突水；专家调查法；层次分析法AHP；模糊综合评价FCE 中北大学学位论文 II Abstract In recent years, with the increasing depth of mine production, coal mine water inrush worsening day by day, and bring great losses to life and property of people. In this paper fuzzy mathematics theory is applied to safety uation, a comprehensive uation of coal mine water inrush safety degree. Follow the scientific, unity, applicability and the quantitative index for processing all principles, comprehensive consideration of the influence factors of mine water inrush, establishes a comprehensive mine water inrush safety uation index system. In order to carry out the qualitative and quantitative research on the influence factors of the index system, safety uation as the influence factors of coal mine water inrush in 5 classes of 23 factors, using the fuzzy uation of the conclusions drawn. First, the expert investigation to determine the membership degree of fuzzy uation index, and then use the analytic hierarchy process AHP to determine the weights of all uation inds, to realize the combination of qualitative and quantitative, again will the theory of fuzzy mathematics and analytic hierarchy process combined with a safety comprehensive uation system, this uation system is applied to the safety assessment of Y coal mining process, the final uation conclusion. Key wordsSafty ution;mine water; Delphi ; Fuzzy comprehensive uation; Analytic hierarchy process. 中北大学学位论文 III 目 录 1 绪论 ................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义 ...................................................................................................... 1 1.1.1 研究背景 ........................................................................................................ 1 1.1.2 研究意义 ........................................................................................................ 2 1.2 国内外研究现状 ...................................................................................................... 3 1.2.1 国外研究现状 ................................................................................................ 3 1.2.2 国内研究现状 ................................................................................................ 4 1.3 本课题的主要研究内容和采用的技术路线 ............................................................ 6 1.3.1 主要研究内容 ................................................................................................ 6 1.3.2 采用的技术路线 ............................................................................................ 9 2 安全评价方法的选择 ........................................................................................................ 8 2.1 安全评价的定义 ...................................................................................................... 8 2.2 安全评价的目的 ...................................................................................................... 8 2.3 安全评价的意义 ...................................................................................................... 8 2.4 安全评价的原则 ...................................................................................................... 9 2.5 安全评价的内容 .................................................................................................... 12 2.6 安全评价的分类 .................................................................................................... 11 2.6.1 安全评价方法的选择原则 ........................................................................... 14 2.6.2 选择安全评价法应注意的问题 ................................................................... 15 2.7 采取的安全评价方法 ........................................................................................... 16 2.7.1 专家调查法 .................................................................................................. 12 2.7.2 层次分析法AHP ........................................................................................ 12 2.7.3 模糊综合评价法FCE ................................................................................. 13 2.8 安全评价的程序 .................................................................................................... 13 3 煤矿突水危险源辨识 ...................................................................................................... 20 3.1 煤矿突水的原理 .................................................................................................... 20 中北大学学位论文 IV 3.2 煤矿突水的预兆 .................................................................................................... 20 3.3 引发煤矿突水的原因 ............................................................................................ 21 3.4 煤矿突水的突水源类型 ....................................................................................... 23 3.4.1 大气降水 ...................................................................................................... 24 3.4.2 地表水 .......................................................................................................... 24 3.4.3 地下水 .......................................................................................................... 19 3.4.4 老窖水 .......................................................................................................... 20 3.5 煤矿突水的导水通道 ............................................................................................ 20 3.5.1 自然导水通道 .............................................................................................. 20 3.5.2 人为导水通道 .............................................................................................. 21 3.6 煤矿突水防治对策 ............................................................................................... 21 3.6.1 井下防治水对策 .......................................................................................... 22 3.6.2 地面防治水对策 .......................................................................................... 22 4 煤矿突水安全评价指标体系的建立 ............................................................................... 24 4.1 安全评价指标体系 ................................................................................................ 24 4.2 指标体系建立的原则 ............................................................................................ 24 4.3 评价指标体系的建立方法..................................................................................... 28 4.4 矿井突水安全评价指标体系 ................................................................................. 29 4.4.1 煤矿突水致因分析 ...................................................................................... 29 4.4.2 突水的评价指标 .......................................................................................... 26 4.4.3 煤矿突水安全评价指标体系 ....................................................................... 27 5 综合评价模型的建立 ...................................................................................................... 29 5.1 层次分析法模型的建立 ........................................................................................ 29 5.1.1 层次分析法 .................................................................................................. 29 5.1.2 递阶层次结构的建立 ................................................................................... 29 5.1.3 标度的选取 .................................................................................................. 30 5.1.4 判断矩阵的构造 .......................................................................................... 31 5.1.5 权值的确定方法 .......................................................................................... 31 中北大学学位论文 V 5.2 模糊综合评价模型的建立..................................................................................... 32 5.2.1 单级模糊综合评价的数学模型 ................................................................... 32 5.2.2 多级模糊综合评价的数学模型 ................................................................... 39 5.2.3 模糊合成算子模型 ...................................................................................... 34 5.2.4 评价指标隶属度的确定 ............................................................................... 35 6 对 Y 煤矿的安全评价应用实例 ...................................................................................... 36 6.1 Y 煤矿矿区概况 ..................................................................................................... 36 6.1.1 Y 煤矿矿区地理位置 .................................................................................... 36 6.1.2 Y 煤矿矿区自然环境状况 ............................................................................ 37 6.2 层次分析法的应用 ................................................................................................ 38 6.2.1 层次分析法具体应用步骤 ........................................................................... 38 6.2.2 煤矿突水安全程度评价指标权重的确定 .................................................... 48 6.3 模糊综合评价法的应用步骤 ................................................................................. 45 6.4 结论 ....................................................................................................................... 53 参考文献 中北大学学位论文 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 我国能源结构中煤炭的需求比例约为70％80％，并且在今后相当长的一段时间内 仍会保持较高水平，是一个名符其实的煤炭生产大国同样也是煤炭消费大国[1]。煤炭行 业是一个高危行业，煤炭的安全生产关系到我国安全生产工作的重要开展。我国有超过 90％的煤矿是地下作业，煤层赋存条件非常复杂，各种灾害事故时有发生。时至今日， 我国煤矿百万吨死亡率仍是是美国的一百倍或澳大利亚的两百倍以上，煤矿事故死亡人 数超过其余世界所有采煤国家煤矿死亡人数的总和。由此可见，我国煤矿安全状况与国 外产煤国相比形势非常严峻，因此，控制煤矿事故的发生是目前我国煤矿生产企业亟待 解决的问题[2]。 毫无疑问，我国最主要的能源在今后相当长的时期内仍然是煤炭。煤炭工业发展是 否能安全是我国经济快速增长的最大影响和制约因素，我国整个工业安全生产工作的重 中之重就是煤矿安全，煤矿安全直接关系着我国煤炭工业是否能够平稳快速的发展，因 此必须竭尽全力保障我国的煤矿安全生产。煤矿企业的主要特点有从业人数较多且人 员层次复杂、作业工作面很广且非常分散、周边环境恶劣危险因素多、作业器械种类多 管理难度大、整体防灾抗灾能力差等特点，工作的周边环境复杂多变，各种各样的自然 和人为不安全因素始终是我国煤矿安全生产的最大威胁[3]。 在煤矿生产中，煤矿突水是仅次于煤矿瓦斯突出的严重事故。导致我国煤矿突水事 故的原因非常复杂，除自然条件外，还与管理水平低下、生产技术和防治能力比较差有 密切关系。因此，防治煤矿突水事故减轻灾害损失的基本方法是整顿矿业秩序，提高管 理水平与完善防治措施。 我国是世界上原煤产量最大的国家， 同样也是突水最为严重的国家。 特别是近几年， 矿井突水日趋严重，近年突水发生呈现以下特点无论从发生次数和死亡人数上看我国 中北大学学位论文 2 突水事故形势都非常严峻，且重特大以上突水事故发生次数高居不下；企业技术水平、 管理水平和装备水平较差的乡镇煤矿突水事故发生频次明显高于国有矿井。现有一些国 企大矿发生突水事故逐渐增多，仅 2010 年上半年，全国就发生两起特别重大突水事故 3 月 1 日神华集团骆驼山煤矿发生突水事故，3 月 28 日，中煤集团王家岭矿发生突水事 故。采空区突水及老窑水突水成为近年主要突水类型，突水主要发生在矿井采掘巷道的 迎头，其次是采煤工作面。 我国的煤矿基本上以深井煤矿为主，而深井煤矿大多都有极其复杂与不稳定的水文 地质环境，这为我国煤矿突水的防治增加了很大负担与困难。自从上个世纪八十年代以 来我国因为煤矿水灾死亡人数达到五千以上，经济损失更是惨重，据初步统计我国自上 世纪八十年代末期至今已经有三百多对矿井被淹没直接造成四百多亿元的经济损失 [4]。 表1.1 2000-2006年间我国煤矿重特大突水事故统计 年份 事故次数 死亡及失踪人数 2000 9 98 2001 38 176 2002 93 387 2003 92 424 2004 61 254 2005 104 593 2006 38 267 总计 435 2199 1.1.2 研究意义 在从开采深度上方面我国煤矿生产一直增加，煤矿突水日趋严重，淹井事故多有发 生，给人民的生命与财产带来了极大的损失。煤炭工业的可持续发展严重受制于煤矿突 水的有害影响，并且环境工程中的保水采煤也因此饱受威胁。时至今日，煤矿安全生产 的重大隐患主要有瓦斯爆炸与煤矿突水，而在我国煤矿突水的负面影响甚至超过了瓦斯 爆炸。我国的水文地质背景可以说极其复杂与不稳定，要想能有效地减少淹井、突水事 中北大学学位论文 3 故的发生则必须首先研究清楚我国煤矿突水的基本原理与基本规律，唯有如此才能有效 的降低我国煤矿突水事故造成的人员和财产损失。目前我国水资源相对贫乏，而煤矿地 下水资源则较为丰富但是未能得到有效的利用，而通过科学合理的防治水手段则能实现 煤矿地下水资源的有效利用。现在我国大多数煤矿早已经脱离了浅部开采阶段，随着煤 矿开采深度的增加，地下煤矿的水文地质条件也变得越来越不稳定越来越复杂，这就是 为什么说我国研究煤矿突水规律更具有现实意义的原因所在[5-7]。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 安全评价大约起源于上个世纪三十年代，有的时候也可以称为风险评价或者风险评 估。到现在为止安全评价大约发展了八十多年，已经从最开始的简单的只有定性的安全 评价方法发展到了现在各种各样的针对不同行业不同情况类型的的安全评价方法， 并且 在现在社会得方方面面取得了很好的社会或者经济效益，给社会发展与技术进步带来了 意义深远的推进作用。安全评价属于安全管理的一个范畴，在理论和实践基础上都有着 很大的发展意义与发展前景。 发达国家对于安全评价相对而言重视比较早，最早可以说是美国兴起的，但是美国 安全评价技术的发展却不如欧洲的发展速度快，并且美国发展的安全评价方法主要集中 于火灾与爆炸方面，而且长期以来主要以发展定性安全评价技术或者方法为主，所以后 期美国的安全评价技术反而落后于欧洲一些国家比如法国、德国与意大利的安全评价技 术水平与安全管理水平。欧洲的安全评价技术与方法虽然在美国之后发展但是发展理念 与发展反向却比美国看的更加深远。主要有英国和法国在化工厂的安全评价方法与技术 的多次改进和对有毒物质的定性定量研究分析而逐渐扩展到各行业与各领域的安全评 价方法。日本虽然安全评价技术与方法发展比较晚但是发展定性方面的安全评价方法却 比欧美更加成熟，虽然现在的全球安全评价方法倾向于既能定性又能定量的综合评价方 法。[8]。 国外煤炭工业的安全评价领域，具体的研究和应用主要集中在以下几个方面 中北大学学位论文 4 1国外煤矿安全评价最初也是从简单的定性安全评价发展过来的， 因为煤矿行业的 高事故率与高事故率带来的巨大的人员伤亡与财产损失所以各国政府一开始就对煤矿 安全倾注了很大的关注与精力。煤矿安全评价技术在澳大利亚、加拿大与巴西发展的比 较迅速也更加成熟，这与他们国家的矿业行业为国内经济支柱产业是不无关系的。国外 煤矿安全评价技术与方法在日本也有一定的发展成就，但是无论是美国还是欧洲或者日 本发展的安全评价理论远远大于实践中能用的部分，所以说他们的安全评价技术与方法 在现实中应用性并不成熟。虽然无论是美国还是欧洲或者日本在煤矿安全评价领域投入 了很大研究与实践但是现在反而落后于某些轻工行业的安全评价发展水平。 2国外煤矿安全评价发展之前各国的煤矿事故率都是远远高于其他行业， 也因此带 了更多的人员伤亡，包括职业病、轻伤、重伤、终身残疾以及死亡的人数煤炭行业都超 过了其他行业甚至于很多行业的伤亡人数总和。因此各国先进阶段仍然把煤矿行业视为 高危行业给予了大量的管理与技术研究与支持。 3煤矿安全评价技术与方法在欧洲、美国与日本已经发展比较成熟，相信在不久的 将来将会更加贴近于实践与应用，因此煤矿安全评价的发展前景是光明的，但是道路仍 然需要循序渐进的走才能走的更快更远，安全评价无论是在生产技术发展史还是安全管 理发展史上都贡献了不可磨灭的丰功伟绩。因此现今的我国更要把握时机开拓进取争取 在二十一世赶上甚至超过发达国家在煤矿行业的安全评价水平 [9]。 1.2.2 国内研究现状 我国安全评价起步非常晚，可以说上世纪八十年代初期才开始认识到安全评价的重 要性，因此准确的说我国安全评价方法与技术研究从十九世纪八十年代后期才开始。然 后我国政府政府主导各行业相关管理机构开展本行业的安全评价方法技术研究，并且在 我国科研人员的不断努力下进步迅速发展速度几乎为全球之冠。最为典型与成熟的一般 集中在重工业领域，比如机械、航天、兵工、建筑、钢铁、化工与冶金行业，并且在这 些行业制定了很多由此延伸出来的行业标准与行业规定。核工业可以说是当前我国安全 评价方法与技术发展最为成熟，并且在实践中应用次数最多，同时得到的成果与结论也 远远超过了其他重工业行业。我国的秦山核电站、大亚湾核电站与烟台的海阳核电站在 中北大学学位论文 5 建设与维护运行的时期里时刻离不开安全评价的作用。现今我国就算是轻工领域或者行 业安全评价技术与方法研究也已经初具规模，相信在未来安全评价一定会给我国建设与 发展提供更加可靠的保障[10-11]。 目前我国安全评价开展的已经比较频繁，煤矿行业基本上在国家安监总局与煤监局 的要求下实现了全面的有规律的安全评价，但是安全评价的分级方面仍然比较落后。在 本论文的研究工作中， 本人将深入兖矿集团 Y 煤矿现场展开调研和文献搜集工作， 并掌 握一定的基础性资料。本人发现由于国内现在尚无适合单种于大型煤矿的安全评价指标 体系和综合定量的安全评价方法，所以很难评价出整个煤矿的安全水平。我国的安全管 理水平仍然在全球属于中等水平，一定程度上讲仍旧没有赶上我国经济发展的水平。这 为客观掌握煤矿的安全水平，及时采取有效措施带来了很大不便。此外，我国在煤矿安 全管理上采用的方式与国外有较大的差异，无法完全套用国外的评价指标体系和评价方 法。因此，建立科学合理且全面反映我国大型煤矿安全状况的评价指标体系和适用于大 型煤矿的评价方法，对我国煤炭行业健康、安全、稳定的发展不可或缺。 国内煤矿安全评价研究层次比较浅，主要体现在出发点还是停留在现在的安全评价 方法的研究、开发与重组之上，这也就是说我国煤矿安全评价仍然是研究的理论去改变 实践而不是从实践出发来指导理论的研究。并且就算用实践来指导理论操作方法也有很 大问题，不是采集的数据失真比较严重就是采集的数据在现实理论中无法使用，另外关 键的一些数据因为各种人为原因或者主观意见而难以采集到。因此我国煤矿安全评价方 法亟待改善，无论是理论的切合实际的应用还是模型的恰当构建再到数据的科学合理采 集都需要进一把加强。总起来说，我国煤矿安全评价方法与技术进步迅速方向科学但仍 然需要我国科研人员的继续努力才能日臻成熟[12-14]。 煤矿安全现状综合评价定义是运用定性、定量的方法，对煤矿重大危险源的辨识评 估，包括煤矿生产过程中的人-机-环境因素，即生产系统、安全技术装备、安全设施、 人员素质、安全管理等方面。建立煤矿现状安全综合评价模型，每年对全国大中煤矿的 安全状况进行综合评价，一是可以改善原有的安全管理工作模式，即由计划经济时期的 质量标准化转变到市场经济条件下的系统科学化，煤矿企业通过开展煤矿安全现状综合 评价，随时了解安全生产过程中的安全状况、监视煤矿系统危险的动态变化和安全管理 中北大学学位论文 6 状况，及时进行定性定量的分析，判定系统存在的危险因素和危险物质。通过对某个时 期煤矿生产的安全状况进行总体评价，可以指导下一时期的安全生产，实现安全管理的 针对性和事先预防控制的目的，实现煤矿安全的随时动态管理[15]。 1.3 本课题的主要研究内容和采用的技术路线 1.3.1 主要研究内容[16-17] 1通过了解安全评价发展史分析目前国内外煤矿突水安全评价现状。 2对兖矿集团 Y 煤矿突水安全中存在的主要危险源进行辨识。 3借助事故致因理论和人-机-环境理论分析构建兖矿集团Y煤矿突水安全综合评价 指标体系。 4依据模糊数学理论和层次分析法AHP原理建立兖矿集团Y煤矿突水安全模糊综 合评价模型。 5对 Y 煤矿应用模糊综合安全评价得出突水安全等级。 1.3.2 采用的技术路线 本课题的技术路线主要是采取针对煤矿突水本身特点，分析现行的各种安全评价 方法，提出煤矿突水多类结合的综合评价方法。在理论研究的基础上，通过专家调研以 及资料分析提炼出煤矿突水安全评价的相关指标，以此为依据编制煤矿安全评价指标调 查问卷，然后将所收集到的数据进行数理统计分析、提炼炼筛选出煤矿安全评价指标， 建立了多层次的煤矿突水安全评价指标体系。然后采用层次分析法确定评价因素的权重 和单因素隶属度以及一致性检验。最后设定评语集后建立评价矩阵得出多层次模糊综合 评判模型及评价结果，并使用评语集对综合评价结果进行处理，得出兖矿集团Y煤矿煤 矿的安全等级，技术路线如下[18]。 中北大学学位论文 7 图 1.1 采取的技术路线 资料收集 安全评价研究现状 危险及有害因素识别 安全评价指标体系构建 对比并选择安全评价法 确立安全评价指标体系 构建矿井安全评价数学模型 将安全评价模型应用于实例 得出安全评价结论 中北大学学位论文 8 2 安全评价方法的选择 2.1 安全评价的定义 为了实现在