基于可拓理论的煤矿轨道运输系统风险评价
时间：2023-02-27 21:25:06 来源：千叶帆 本文已影响人
庞广祥，王福生，高湛翔
(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)
煤炭是我国支柱型能源，关乎我国政治、经济等诸多发展水平的提升。在我国一次能源的消费结构中，煤炭的消耗量达总消耗量的70%，因此煤炭作为我国支柱性能源这一现状在近几年不会发生改变[1]。随着井田的不断开发与利用，我国煤田开发更多出现多个煤层同时开采，横向面广延等一系列特点，这些特点考验着井下煤炭的辅助运输能力。因此，随着矿井开发，井下出现愈来愈大的复杂性与危险性，为提高生产效率和经济效益，保证井下人员与重大机械的安全，提升煤矿轨道运输的安全性，有着极其重要的意义[2]。
基于矿山事故的重大危害性，在矿山这一重大安全领域，众多学者针对矿山安全评价等持续开展了不同程度的研究。胡霞等[3]为证明风险评估模型能辅助安全管理人员理解矿山安全威胁，使用了AHP和熵权法主客观赋权，对煤矿安全态势进行评估；
王盼盼等[4]设计评价模型使用熵权法确定权重，结合灰色关联分析法计算出指标的综合关联度，并运用该模型对5个矿区进行了安全评价；
赵志国[5]为提高评价结果的准确性，在突变理论的基础上确定了煤矿安全状态评价的突变模型及评价过程。针对煤矿运输系统的风险评价研究也在逐渐深入，例如胡静[6]针对矿井平巷运输系统的安全生产流程进行保障，使用AHP法对平巷运输系统的各影响因素进行权重计算，以计算结果为基础判断，找出最关键的矿井平巷运输风险因素，并针对性地提出改进措施；
孙庆兰[7]对煤矿运输无伤事故的影响因素进行了大量的文献与访谈研究，在此基础上运用扎根理论性研究方法，利用选择性译码等方法对煤矿运输事故进行了检验等环节，对理论的研究做出了创新；
SUN L[8]提出的安全评价体系是一种基于熵权法和模糊综合评价法的评价方法，其方法的优越性在于对煤矿生产系统中危险因素辨识困难以及评价方法的主观性和复杂性具有更加有效的评价结果。综上所述，即使目前学者们针对煤矿行业，尤其是矿井运输系统的安全评价已经进行了不少研究，但仍然还存在一定的不足，其具体体现在数据的缺失与实际的应用，这导致了这些评价方法由于本身存在的不合理性导致其无法达到预期的目标值。此外，矿井轨道运输系统的复杂性对评价过程的影响，也是目前需要深入研究解决的问题。
基于此，根据煤矿实际生产现状，以煤矿轨道运输系统为研究对象，利用G1法与物元可拓理论建立评价模型，采用定性与定量结合的手段，首先用G1法确定各层指标权重，然后通过可拓理论求得指标间关联度，确定轨道运输系统风险等级，为风险防范提供依据。
1.1 事故致因分析
煤矿轨道运输事故的发生往往受到人、车、环境等作用，呈现出不同的事故形式，包括道路事故、斜巷事故和竖井事故等。事故发生的原因主要有以下几点：
(1)煤矿轨道运输人员安全素养缺失
在煤矿轨道交通事故的发生原因中，人的因素最为关键。部分职工在生产中自认为已经掌握了安全知识，其主观态度的不严谨导致了不必要的伤害，是轨道运输事故的主要原因。
(2)煤矿轨道制度不完善
煤矿运输生产缺乏完整、全面、系统的制度，员工的行为不能得到有效的约束，管理者的工作就不能得到有效的落实，因此，频繁发生的煤矿轨道交通事故对企业和社会的经济效益产生了负面影响，煤矿运输的防控在缺乏安全管理的前提下漏洞百出。
(3)煤矿轨道交通设备不符合标准
部分与煤矿运输直接相关的设备常年运行，受井下环境以及工作面状况恶劣的影响，且不能及时进行安全资金的投入以升级设备，导致设备已远远处于危险状态。甚至还有部分人员长期使用井下严禁携带的设备，这些都将影响设备运行的安全，在运输规范中存在的问题有极大概率将直接导致事故发生。加之安全设备如果不能起到保证质量、节约成本的作用，将使煤矿轨道交通事故发挥更加消极的效果。
(4)井下环境对煤矿轨道运输的干扰
由于矿井内部环境潮湿阴暗，其恶劣的生产环境对于人员的生理心理以及设施设备的安全运行时长都起到了不同程度的影响，加之地质构造所引发的地质灾害等，对轨道产生的应力危害也将直接导致事故的发生。
1.2 风险评价指标体系构建
如图1所示为煤矿轨道运输系统指标体系
图1 煤矿轨道运输系统
针对煤矿轨道运输系统在生产、运输等过程中的特点，基于事故因果连锁理论和轨迹交叉理论，查找风险因素之间的相互联系，消除各种风险及事故隐患在时间和空间上的互相交叉，才能最大程度避免事故。在对相关文献、规程与标准进行归纳、查找整合后，根据具体的指标确定原则，构建了煤矿轨道运输系统安全评价指标体系。首先，目标层设定为煤矿轨道运输系统安全；
其次，划分4个准则层，依次为人的因素、设施设备、环境因素、管理因素；
继续细致化分，系统地划分为15个初始评价指标，构成指标层。
2.1 确定待评物元
物元是描述事物目标的有序三元组，其中N是目标名称，C是目标特征，V是目标特征的量值，则物元表示成R=(N,C,V)。
待评煤矿轨道运输系统经典域为：
(1)
式中：
Nj——待评对象的风险等级；
ci——为待评对象的特征指标；
Vji——各指标的上下限值。
节域为：
(2)
式中：
Np——全体风险等级；
Vpi——Np对Ci的上下限值。
待评物元R为：
(3)
式中：
N0——待评物元；
vi——各指标的具体量值。
2.2 无量纲化处理
对指标进行归一化处理，设轴上任意一点x0，(a,b)为实域内任意区间，x0与(a,b)的距为：
(4)
式中：
x0——实轴有界区间；
a、b——实数点。
2.3 关联函数计算
确定待评物元后，对煤矿轨道运输系统各风险等级关联度进行计算，其关联函数表示为：
(5)
式中：
Kj(vi)——指标关联度；
ρ(vi,Vij)——vi到Vij的长度；
ρ(vi,Vpj)——vi到Vpj的长度。
2.4 确定指标权重
G1法是由郭亚军教授提出的另一种评价方法，其能够兼顾主观性与客观性，并且计算量明显减少，在部分领域已经进行了应用可靠性的证明[9]。其主要步骤如下。
(1)确定各指标间序关系
对于评价指标集{X1,X2,…,Xm}，在某确定的评价标准条件下，若评价指标Xi重要程度被判定为大于等于Xj，则表示为：
Xi>Xj
依次判定评价指标X1,X2,...,Xm重要程度从大到小为：
Xi>Xj>…>Xki,j,…,k=1,2,…,m
(2)确定相邻指标间的重要度
相邻指标之间的重要度由相关专家进行判定，其可以表示为：
rk=ωk-1/ωkk=m,m-1,…,3,2
(6)
rk取值如表1所示。
表1 指标相对重要度
由表1可得：
rk-1≥rkk=m,m-1,…,3,2
(7)
(8)
ωk-1=rkωkk=m,m-1,…,3,2
(9)
式中：
ωk——第k个指标的权重。
2.5 判定风险等级
煤矿轨道运输系统对于各评价等级的关联度为：
(10)
式中：vi为指标实际值，Kj(vi)为第i个指标对第j风险等级关联度，ωi为评价指标权重。
根据隶属度最大原则，若：
Kj0=max{Kj(N0)}
(11)
则风险等级为j0级。
以唐山市某矿某一水平主要运输轨道线路为例，基于构建的综合评价模型进行风险评价。
3.1 评价等级确定
邀请专家结合相关法律法规，对煤矿轨道运输系统风险进行量化分级，共分为4级，具体等级划分见表2所示。
表2 风险等级划分
3.2 评价指标打分
邀请10位本矿从事安全管理的资深专家，根据唐山矿煤矿轨道运输系统的实际情况，对评价指标按0～100分赋分。汇总得分情况如表3所示。
表3 煤矿轨道运输系统评价指标得分情况
3.3 权重计算
按照井下轨道实际影响因素，确定一级与二级指标序关系，排序后，请专家对各邻近指标间的重要程度进行赋值，计算各级指标权重，最终得到权重值见表3所示。
由表3权重计算结果可以看出，在人的因素中，安全意识与违章操作最为重要；
在设施设备因素中，轨道不完好与机车故障影响最大；
在环境因素中，大巷积水影响最大；
管理因素中，安全检查巡视不到位以及安全技术培训不到位更易引起事故的发生。
3.4 关联度计算
依次计算得出一级和二级指标的风险关联度，其最终结果分别见表4和表5所示。
表4 二级指标风险关联度
表5 一级指标风险关联度
对煤矿轨道运输系统不同等级的关联度进行计算，得到：K1=-0.283，K2=0.268，K3=-0.098，K4=-0.558。
由于max{Kj(N0)}=K2=0.268，因此可以得出结论：该轨道运输系统风险等级为Ⅱ级，即中等风险，与煤矿运输系统实际的风险水平较为吻合，说明企业需要针对运输系统存在的风险点采取相应的预防措施，以最大程度提高运输安全水平。针对权重相对更大、风险等级相对更高的指标，如人的安全意识、违章操作、安全技术培训等，企业应当进一步分析其存在问题，采取措施提高安全性。
(1)针对煤矿轨道运输系统的运行原理与事故类型、事故原因等，通过梳理文献和相关规程以及专家评价指标汇总，建立了煤矿轨道运输系统安全评价指标体系，共构建了4个一级指标、15个二级指标。
(2)基于评价模型计算得到各指标之间的关联度以及运输系统整体的风险等级，发现其为中等风险等级，证明该方法实际可行，企业应在现有条件的基础上采取措施对运输事故加以预防。
(3)针对风险等级相对较高的指标，可以采取制定标准化流程、加强安全文化建设、设立多种安全知识竞赛等方式，降低人对于事故发生的影响，更有利于营造企业安全生产氛围。
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