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第 32 卷 7 期 2020 年 7 月 中 国 煤 炭 地 质 COAL GEOLOGY OF CHINA Vol. 32 No. 7 Jul.2020 doi10. 3969/ j. issn. 1674-1803. 2020. 07. 15 文章编号1674-1803202007-0073-06 基于熵权集对分析法的煤矿安全评价研究 郝卫华 中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘查院 河北邯郸 056004 摘 要对煤矿进行安全评价,能够有效避免或减少事故发生,确保煤矿安全生产。 为科学客观评价煤矿生产运行 现状,从人员安全、设备安全、环境安全、安全管理的角度整合了煤矿安全生产标准化的指标,构建了煤矿安全评价 指标体系。 通过熵权法来确定各个指标权重,克服了主观赋值存在的弊端;采用集对分析法计算联系度,保证了煤 矿安全生产综合评价结果的可信度,进而能够为煤矿安全生产提供科学依据。 关键词煤矿;熵权法;集对分析;安全评价 中图分类号TD79 文献标识码A Study on Coalmine Security Assessment Based on Entropy Weight-Set Pair Analysis Hao Weihua Hydrogeological, Engineering Geological and Environmental Geological Exploration Institute, CNACG, Handan, Hebei 056004 AbstractTo assess coalmine security can avoid or reduce accident happening effectively, guarantee coalmine safety in production. To assess coalmine production operation status quo scientifically and objectively, from securities of personnel, equipment, environment and management point of view have integrated coalmine safety in production standardization indicators, established coalmine security assessment indicator system. Through entropy weight to determine indicator weight has overcome disadvantages from subjective assignment. Through set pair analysis to compute connectivity has guaranteed coalmine safety in production comprehensively assessed results confidence level. And then can provide scientific basis for coalmine safety in production. Keywordscoalmine; entropy weight ; set pair analysis; security assessment 作者简介郝卫华1972,女,河北深泽人,1996 年毕业于中国矿 业大学水文地质与工程地质专业,高级工程师,从事水文 地质与工程地质工作。 收稿日期2020-01-30 责任编辑孙常长 0 引言 我国煤炭开采的地质条件和作业环境比较恶 劣,煤矿安全生产形势异常严峻,透水、瓦斯、火 灾、粉尘、顶板等自然灾害在我国煤矿开采中时有 发生,不但对煤矿开采人员的人身安全具有重大 威胁,而且也造成了巨大的财产损失和重大的社 会影响。 近年来,我国煤矿安全事故时有发生,能否减少 煤矿生产过程中发生的安全事故,已显得尤为重要。 而对煤矿进行科学合理的安全评价,可以找出煤矿 安全生产的薄弱环节,有针对性的制定对策措施,进 而有效降低煤矿生产风险。 目前对于煤矿安全生产 评价的研究已有许多,其中包括田水承,张德桃 等[1]构建了基于博弈论组合赋权的 TOPSIS 煤矿安 全现状评价模型,并对河南义马煤业 5 个煤矿的安 全现状进行了评价;张爱然,张连军[2]通过确定瓦 斯、煤尘、自然发火、冲击地压和地下水 5 种致灾因 素,采用多灾耦合综合风险评估方法对寺塔煤矿首 采工作面进行安全评价研究;李凡修,梅平[3]构建 了集对分析新模型,并对 3 个矿井进行了煤矿开采 安全评价,验证了该模型的合理性。 然而,在以往的 研究中对煤矿安全评价指标的确定只是从煤矿安全 的单一方面入手,并没有全方面的考虑到煤矿安全 生产指标,而且采用一些评价方法不能够客观、综合 地反映出评价结果。 另外,评价指标针对性不强。 本文将结合以往长期合作煤矿的特点结合煤矿安 全生产标准化管理体系基本要求及评分方法 2020 版建立被评价煤矿的安全评价指标,然后构 建出熵权的集对分析模型,并采用定量与定性相结 合的方式,对该煤矿安全进行了综合评价研究,评价 结果可为煤矿安全生产提供一定的指导作用。 1 熵权集对分析评价模型的建立 1. 1 集对分析法介绍 集对分析法[4]是我国学者赵克勤于 1989 年提 74 中 国 煤 炭 地 质第 32 卷 出一种的新型系统分析方法,该方法是将实际遇到 需要解决的问题视一个确定与不确定的系统,在这 个系统中确定性与不确定性既相互制约,又相互影 响,同时在通过一定的条件又可以相互转化。 一般 描述各种确定与不确定性的等式为 μ abicj,通 过该等式可以把对不确定性的辩证思维转变成一个 具体的数学工具。 在煤矿的安全评价研究中采用集对分析理 论,是将安全评价区域内的某项指标与该指标的 评价等级形成两个集合,同时这两个集合构成一 个集对,进而来确定指标联系度[5]。 在安全评价 过程中,如果指标在此评价的等级中,即可认为两 个集合是同一的;如果指标在相隔的评价等级中, 即可认为两个集合是对立的;如果指标在相邻的 评价等级中,即可认为两个集合是有差异的。 集 对分析理论一般来讲差异系数 i 是在[-1,1]的区 间内变化,当评价指标越接近所要评价的等级,i 就越接近于 1;当评价指标越接近相隔的评价等 级,i 就越接近于-1。 采用集对分析法对煤矿安全 评价的过程中,主要是对差异度系数的确定和联 系度的确定,而对同一、对立这两种情况下联系度 很容易确定。 1. 2 指标联系度确定 评价结果的可信程度取决于确定准确的联系 度,而集对分析法的联系度确定与模糊隶属度的 确定区别在于“宽域式”的函数结构,这种结构能 够保证评价结果的可信性,提高信息的利用率。 集对分析法确定联系度的主要方法如下当安全 评价指标在评价等级的区间内时,评价指标的联 系度表示为 1;当安全评价指标在相隔评价等级的 区间内,评价指标的联系度表示为-1;当安全评价 指标在相邻的评价等级区间内时[6-8],按以下公式 确定 μn1 1s0≤ xn s1 1 - 2 xn - s 1 s2 - s 1 s1≤ xn s2 - 1 xn≥ s2 1 μn2 1 - 2 s1 - x n s1 - s 0 s0≤ xn s1 1s1≤ xn s2 1 - 2 xn - s 2 s3 - s 2 s2≤ xn s3 - 1 xn≥ s3 2 μn3 - 1 s0≤ xn s1 1 - 2 s2 - x n s2 - s 1 s1≤ xn s2 1s2≤ xn s3 1 - 2 xn - s 3 s4 - s 3 s3≤ xn s4 - 1 s4≤ xn s5 3 μn4 - 1 xn s2 1 - 2 s3 - x n s3 - s 2 s2≤ xn s3 1s3≤ xn s4 1 - 2 xn - s 4 s5 - s 4 s4≤ xn s5 4 μn5 - 1 xn s3 1 - 2 s4 - x n s4 - s 3 s3≤ xn s4 1s4≤ xn s5 5 1 5公式中 s0 s5为安全评价指标值评 价标准的临界值; μnk为指标单联系度; xn为指标集 中值。 在计算出各指标单联系度的基础上,结合各指 标权重来确定评价指标体系的综合联系度,其公式 如下 vik∑ n i 1 ωiμik6 公式6 中 n 取值 1 5; vik综合联系度; ωi各指标权重。 1. 3 指标权重的确定 本文采用熵权法确定各指标的权重,通过计算 “熵”来确定权重,就是根据各指标的差异或变异程 度来衡量指标的权重。 使评价的结果更为客观。 其 具体计算步骤如下[9-12]。 ①根据两两比对原则构造判断矩阵 B ,即 B xij mn, i 0,1,,m;j 1,2,,n 7 n 需要评价指标个数, m 专家的人数。 ②将判断矩阵进行归一化处理, 得出矩阵 R ,即 R 越大越优型rij xij - x min xmax - x min 越小越优型rij xmax - x ij xmax - x min 8 式中 xmax同 一 指 标 下 不 同 等 级 最 大 值; xmin同一指标下不同等级最小值。 7 期郝卫华基于熵权集对分析法的煤矿安全评价研究75 ③第 j 个指标熵的确定,即 Hj- 1 lnm∑ m i 1 PijlnPij, i 1,2,,m;j 1,2, ,n9 其中 Pij rij ∑ n j 1 rij 10 当 Pij 0 时, lnPij无意义,此时对式10进行 修正为 Pij 1 rij ∑ n j 1 1 rij 11 ④计算各评价指标的权重,即 ωj 1 - Hj n - ∑ n j 1 Hj 12 式中 ωj为各评价指标的权重,且 ω ωj 1n, ∑ n j 1 ωj 1 在计算出综合联系度的基础上,依据最大隶属 度原则,其最大值所对应的评价等级即为评价结果, 用以下公式表示[13] U Max k j 1 vik{}13 2 安全生产评价指标体系构建及其度量 2. 1 安全生产评价指标确定 在以往的研究中,周铭轩,张渝[14]构建了以 煤层瓦斯情况、员工业务能力、安全应急措施、单 位作业设备、安全管理制度、地质构造因素等为 基础的煤矿安全评价指标体系,并采用模糊数学 的方法计算出了各指标权重;杨军[15]构建了以 人力资源配置、安全规制及执行、作业环境、地测 及防治水、防煤与瓦斯突出、采掘系统、机运系统 为基础的评价指标体系,并采用采用网络层次分 析法对其进行了评价;彭珊珊[16]以环境、人员、 设备因素、管理、安全信息为基础构建了煤矿安 全评价指标体系,并采用粗糙集理论对其进行了 评价。 为了使评价指标具有全面性、科学性、客 观性和针对性,将依据煤矿安全生产标准化管 理体系基本要求及评分方法2020 版,结合山 西省晋城市某长期合作煤矿的特点,从系统视角 即人员安全、设备安全、环境安全和安全管理 构建被评价煤矿安全评价指标体系。 煤矿安全 标准化管理体系中主要从理念目标和矿长安全 承诺、组织机构、安全生产责任制及安全管理制 度、从业人员素质、安全风险分级管控、事故隐患 排查治理、质量控制和持续改进 8 个方面细化规 范煤矿安全管理工作,并且在该方法中有 8 个指 标详细的打分说明和权重设置。 此处将 8 个方 面中涉及安全管理的组织机构、安全生产责任制 及安全管理制度、事故隐患排查治理和安全风险 分级管控整合为安全管理项。 将与“人” 的安全 紧密相关的从业人员素质及其他方面安全教育 和培训的内容抽取合并在人员安全下。 8 个方面 中涉及采掘及支护的生产设备合并至“ 设备安 全”下。 而质量控制均为瓦斯抽采、防灭火、粉尘 治理、防治水、冲击地压等煤矿常见的危险,此处 合并至环境安全下。 这样就保证了评价指标体 系的系统完整性,在此基础上结合被评价对象的 实际情况设置了 18 项二级指标,见图 1。 人员安全 高级管理人员比例 B11 高级技术人员比例 B12 人员“三违”发生率 B13 安全培训有效率 B14 设备安全 安全防护装置完好率 B21 生产设备维护率 B22 生产设备故障率 B23 生产设备更新改造率 B24 环境安全 矿井涌水量 B31 工作面粉尘最大浓度 B32 瓦斯涌出量 B33 煤层自然发火倾向程度 B34 冲击地压发生深度 B35 地质构造指数 B36 安全管理 安全管理机构完整率 B41 安全管理制度完善率 B42 事故隐患排查治理率 B43 应急机制完善率 B44 图 1 煤矿安全评价指标体系 Figure 1 Coalmine security assessment indicator system 2. 2 安全评价指标度量 安全评价指标的分级度量是集对分析基础,为 了使专家能够准确的对煤矿安全评价指标进行赋 值,将评价指标区间[0,100]等分为 5 个等级,等级 划分及对应含义详见表 1 的说明。 76 中 国 煤 炭 地 质第 32 卷 表 1 煤矿安全评价指标分级标准 Table 1 Coalmine security assessment indicators grading standard 安全 等级 安全 程度 分值 范围 等级描述 Ⅰ非常安全[0,20安全有保障,放心上岗 Ⅱ安全[20,40日常问题,稍加维护,安心上岗 Ⅲ一般安全[40,60 出现个别小问题,企业有条件处置, 正常上岗 Ⅳ比较不安全 [60,80 出现企业不希望见到的大问题,关 闭个别部门 Ⅴ不安全[80,100] 出现企业不能接受的大问题,通报 后停产 3 实例分析 以山西省晋城市某煤矿为例,该煤矿采用综采 放顶煤的方式开采,矿井以主斜井带式输送机作为 井下原煤的提升运输方式,通风系统采用主斜井、副 斜井和中部进风立井进风,中部回风风井回风。 本 文通过现场调研及邀请该企业多位资深工作人员及 相关专家打分方式获取适合该煤矿的判断矩阵 7,在此基础上按照熵权法计算出各指标的权重 系数,同时运用本文中的评价模型对该煤矿安全等 级进行评价。 3. 1 计算单指标联系度 在进行煤矿安全评价时,邀请行业内煤矿防治 水、瓦斯地质、安全管理等相关方面的专家,按指标 的实际情况对照表 1 分级标准对各个指标进行赋 值。 在此以人员安全指标高级技术人员比例 B11、高 级管理人员比例 B12、安全培训出勤率 B13、人员“三 违”发生率 B14为例,计算其单指标联系度,其专家 赋值表见表 2。 表 2 专家赋值表 Table 2 Expert assignments 专家类别B1B2B3B4 S115203015 S220201530 S3 30152020 S425301520 S520201530 平均值22211923 依据专家赋值表,可由公式1 5分别计 算出每个单指标与各安全等级之间的联系度,见 表 3。 表 3 各指标与评价等级之间联系度 Table 3 Connectivities between indicator and assessment grade 指标 ⅠⅡⅢⅣⅤ [0,20[20,40[40,60[60,80[80,100] B10. 81-0. 8 -1 -1 B2 0. 91-0. 9 -1 -1 B310. 9 -1 -1 -1 B40. 31-0. 3 -1 -1 3. 2 计算指标权重 由专家的赋值,得出其指标的判断矩阵 B B 0. 200 00. 200 00. 600 00. 200 0 0. 800 00. 800 00. 400 00. 800 0 0. 000 00. 000 00. 000 00. 000 0 0. 000 00. 000 00. 000 00. 000 0 0. 000 00. 000 00. 000 00. 000 0 由公式8可得出归一化判断矩阵 R R 0. 750 00. 750 00. 000 00. 750 0 0. 000 00. 000 00. 333 30. 000 0 1. 000 01. 000 01. 000 01. 000 0 1. 000 01. 000 01. 000 01. 000 0 1. 000 01. 000 01. 000 01. 000 0 由公式9 12计算得到该煤矿高级技术人 员比例 B11、高级管理人员比例 B12、安全培训出勤率 B13、人员“三违”发生率 B14四项指标权重为 ω 0. 235 80. 232 30. 264 70. 267 2 T 由以上计算步骤,计算出其他安全影响因素的 联系度及总联系度,见表 4。 表 4 煤矿安全评价指标权重 Table 4 Coalmine security assessment indicator weights 准则层指标层指标权重 人员安全 A1 高级技术人员比例 B11 0. 235 8 高级管理人员比例 B120. 232 3 人员“三违”发生率 B130. 264 7 安全培训有效率 B140. 267 2 设备安全 A2 安全防护装置完好度 B210. 265 8 生产设备维护率 B220. 232 6 生产设备故障率 B230. 245 9 生产设备更新改造率 B240. 255 7 环境安全 A3 矿井正常涌水量 B310. 173 1 瓦斯涌出量 B320. 171 3 工作面粉尘最大浓度 B330. 164 6 煤层自燃发火倾向程度 B340. 163 1 冲击地压发生深度 B350. 165 7 地质构造指数 B360. 162 2 7 期郝卫华基于熵权集对分析法的煤矿安全评价研究77 续表 准则层指标层指标权重 安全管理 A4 安全管理机构完整率 B410. 225 6 安全管理制度完善率 B420. 260 6 事故隐患排查治理率 B430. 252 7 应急机制完善率 B44 0. 261 1 3. 3 计算指标综合联系度 根据公式6,该煤矿的高级技术人员比例 B11、高级管理人员比例 B12、安全培训出勤率 B13、人 员“三违”发生率 B14四项指标的联系度为 ν 0. 1910. 242 3 - 0. 191 - 250 - 0. 250 T 由以上计算步骤,计算出其他评价指标的联系 度及总联系度,见表 5。 表 5 煤矿安全评价指标联系度 Table 5 Coalmine security assessment indicator connectivities 准则层指标层ⅠⅡⅢⅣⅤ 人员安全 A1 高级技术人员比例 B110. 81-0. 8 -1 -1 高级管理人员比例 B120. 91-0. 9 -1 -1 人员“三违”发生率 B1310. 9 -1 -1 -1 安全培训有效率 B14 0. 31-0. 3 -1 -1 总联系度0. 1910. 243-0. 191-0. 250-0. 250 设备 安全 A2 安全防护装置完好度 B21 -1 -1 0. 60. 4-0. 4 生产设备维护率 B22 -1 -1 -0. 2 0. 80. 2 生产设备故障率 B23 -1 -1 -0. 3 10. 3 生产设备更新改造率 B24 -1 -1 -0. 1 10. 1 总联系度-0. 250-0. 250-0. 0150. 2500. 015 环境 安全 A3 矿井正常涌水量 B31 -1 -1 -1 0. 81 瓦斯涌出量 B32 -1 -1 -0. 5 10. 5 工作面粉尘最大浓度 B33 -1 -1 -0. 7 10. 7 煤层自燃发火倾向程度 B34 -1 -1 -1 0. 9 -1 冲击地压发生深度 B35 -1 -1 -0. 8 10. 8 地质构造指数 B36 -1 -1 -0. 2 10. 2 总联系度-0. 167-0. 167-0. 1150. 1590. 058 安全 管理 A4 安全管理机构完整率 B41-0. 510. 5 -1 -1 安全管理制度完善率 B42-0. 610. 6 -1 -1 事故隐患排查治理率 B43-0. 4 10. 4 -1 -1 应急机制完善率 B44-0. 710. 7 -1 -1 总联系度-0. 1380. 2500. 138-0. 250-0. 250 3. 4 结果分析 该煤矿的人员安全 A1、设备安全 A2、环境安全 A3、安全管理 A4联系度最大值可由公式13得出, 分别为 0. 243、0. 250、0. 159、0. 250。 其对应的级别 分别为安全、比较不安全、比较不安全、安全。 通过 评价结果表明该煤矿在开采过程中设备安全 A2、环 境安全 A3是要着重考虑的指标,在煤矿生产过程中 属于薄弱环节,可进一步查看二级指标设备维护率、 故障率和更新改造率多在较不安全等级,不安全因 素集中于生产设备方面,而安全防护装置的安全状 态好于生产设备,因此需要重点排查生产设备。 目前,已通过技术手段对煤矿的设备安全 A2、 环境安全 A3进行了全方位探查,发现设备安全中的 生产设备故障率较高,环境安全中瓦斯涌出量较高、 煤层自燃发火倾向程度较高的问题,验证了评价模 型的科学性与合理性。 4 结语 1本文采用熵权法来确定权重,利用各指标 的变异程度来确定指标权重,采用集对分析法计算 联系度,使评价原理及结果直观、准确可靠,保证综 合评价结果的可信度,在实际应用中具有较强的可 行性和有效性。 78 中 国 煤 炭 地 质第 32 卷 2依据该煤矿开采及管理的方式,构建了煤 矿的安全评价指标体系,并对该煤矿进行了评价,实 际表明本模型评价过程可操作性强,计算过程较为 简单,具有一定的推广和实用价值,可用于煤矿安全 现状评价,便于定位安全生产薄弱环节,能够为煤矿 安全管理和监察部门提供依据。 参考文献 [1] 田水承,张德桃,杨兴波,等. 基于博弈论组合赋权 TOPSIS 模型 对煤矿安全现状的综合评价[J]. 煤矿安全,2018,496242-250. 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