矿井通风系统安全可靠性综合评价方法探讨

2005/10/14 16:10:03

　　摘　要　运用模糊集合原理，建立了矿井通风系统安全可靠性评价指标体系及各指标评价分级隶属函数，并采用多层次模糊综合评价方法，探讨了矿井通风系统安全可靠性的综合评价。
　　关键词　通风系统　安全可靠性　综合评价

　　矿井通风系统是由通风动力及其装置、通风井巷网络、风流监测与控制设施等组成。其任务是利用通风动力，以最经济的方式，向井下各用风地点提供优质量足的新鲜空气，以保证井下作业人员的生存、安全和改善劳动环境的需要；在发生灾变时，能有效、及时地控制风向及风量，并配合其它措施，防止灾害的扩大。完成上述任务的可靠程度通常以矿井通风系统的安全可靠性来衡量。评价矿井通风系统安全可靠性的目的在于：及时发现矿井通风系统中存在的问题和安全隐患，调整和改造系统；优化通风设计，准确编制事故预防与处理方案，同时，指导现场通风安全管理。
　　矿井通风系统安全可靠性评价属于多因素综合评价范畴。传统的评价方法有总分法和加权平均法，特点是评价分级界限分明，结果单一并绝对化，容易掩盖一些重要的信息。借助模糊集合隶属函数方法，能够比较容易地定量描述评价分级的模糊界限。因此，本文将采用多层次模糊综合评价法，对矿井通风系统安全可靠性的综合评价作一探讨。

1　指标体系及其评价分级隶属函数
　　根据矿井通风系统的内涵与所涉及的范围，可以从许多不同的侧面提出反映该系统安全可靠性的指标。本着确切地反映系统可靠性特征，符合科学、可测、可比、简易、可操作的原则，在大量调研、文献检索、统计分析和经验总结的基础上，提出了影响矿井通风系统安全可靠性的主要因素指标集，共分3大类，36小项，其层次结构模型如图1所示。将评价等级分为“合格A、基本合格B和待整改C”三级。经大量统计和理论分析，确定出界定值如表1所示。

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图1　矿井通风系统安全可靠性指标层次结构模型图

表1　矿井通风系统安全可靠性指标评价分级界定值

指标名称	编码	U_A	U_B	U_C	涉及范围
矿井风网阻力测定误差/%	d₁	5	7	10	各风井系统
主要通风机性能测定误差/%	d₂	5	7	10	各主要通风机
矿井瓦斯涌出量预测误差/%	d₃	10	15	20	全矿井
矿井气温预测误差/℃	d₄	±1.5	±2.0	±3.0	采掘面
矿井风网解算误差/%	d₅	5	7	10	全矿井
用风地点风量供需比	d₆	1～1.1	1.2	2	全矿井
风流最高污染度CO/%	d₇₁		0.002 4	0.005	易发火检测地点
风流最高污染度CH₄/%	d₇₂		0.5	1.0	采掘面瓦斯检测点
风流最高污染度CO₂/%	d₇₃		0.5	1.5	采掘面瓦斯检测点
风流最高污染度O₂/%	d₇₄	20		17
采掘面浮尘浓度最大超标率	d₈	1	5～25	50	采掘面粉尘检测点
作业地点最高气温/℃	d₉	＜26/＜30	26/30	30/34	采掘面/机电硐室
采掘面瓦斯超限频率/次	d₁₀	0	1～3	4
采掘工作面串联通风发生率/次^.-1面	d₁₁	0/0	/20	1/30	高瓦斯/低瓦斯
用风区风流不稳定的角联分支数/条	d₁₂	0		1
矿井通风网络独立回路数/个	d₁₃	50	100	150
矿井通风网络角联分支数/条	d₁₄	20	30	35
矿井通风等积孔/m²	d₁₅	A_max		A_min	各风井系统
矿井回风段阻力百分比/%	d₁₆	35	40	45	各风井系统
公共段阻力与最小系统阻力百分比/%	d₁₇	20	30	35	全矿井通风系统
最大与最小风井系统阻力比	d₁₈	1.3	1.5	2	全矿井通风系统
通风设施质量合格度/%	d₁₉	90	85	80	全矿井通风设施
矿井有效风量率/%	d₂₀	85	80	75	全矿井
矿井风网调节合理度	d₂₁	1	1.25	1.5	全矿井
千米巷道通风设施数/道^.km^-1	d₂₂	3	7	10	全矿井
主要通风机喘振发生率/次^.年^-1	d₂₃	0		1	各主要通风机
矿井外部漏风率/%	d₂₄	5/10	10/15	20/25	无提升/有提升
拖动电机负荷率/%	d₂₅	70	60	50	各主要通风机
主要通风机装置效率/%	d₂₆	70	65	60	各主要通风机
主要通风机能力备用系数	d₂₇	1.2		1	各主要通风机
局部通风机无计划停电停风故障率/次^.月^-1	d₂₈	0		1	全矿局部通风机
局部通风机安全装备达标率	d₂₉	1		＜1	全矿局部通风机
防灾设施合格度/分	d₃₀	90	80	75	所有防灾设施
避灾路线通行时间/min	d₃₁	30	40	50	作业地点避灾路线
避难硐室装备达标率/%	d₃₂	95	90	80	所有避难硐室
反风系统合格度/分	d₃₃	95	90	80	所有反风系统
均压系统合格度/分	d₃₄	95	90	80	所有均压系统
D井下通风安全状况漏检率/%	d₃₅	0	1	5	井下安全监测系统
矿井通风安全监测系统故障率/次	d₃₆	0	1	3	井下安全监测系统

　　该指标体系分为定性指标与定量指标两大类。其中定性指标如通风设施、防灾设施合格度等评价值，按照《矿井通风质量标准及检查评定办法》打分进行量化。定量指标包含连续型和离散型两种。连续型指标如测量数据误差、用风地点风量供需比等。离散型指标如风机喘振发生率、瓦斯超限频率等。按指标值趋向的好坏，可分为越大越好、越小越好和越趋于某一范围值越好的3类指标，取值越大越好的指标有以打分计的合格度指标、通风等积孔、有效风量率、风机效率等。越小越好的指标有测定误差、有毒有害气体与粉尘污染度等。趋于某一范围值越好的指标有用风地点风量供需比和主要通风机能力备用系数。
　　根据上述分析，可建立界定值表中各指标评价分级隶属函数。下面以用风地点风量供需比指标为例说明确定隶属函数的一般方法。从预留风量安全备用系数考虑，供风量应比需风量大，但又不至于使风速过高，引起粉尘飞扬和通风能耗的浪费，该指标在1～1.1之间最为适宜，A级隶属度为1；1.2时B级隶属度为1；小于1或大于等于2，C级隶属度为1；1.1～1.2介于A与B级之间，1.2～2介于B与C级之间。其各级分段隶属函数可表示如下：

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2　模糊综合评价模型及其计算方法
　　根据上述指标的层次结构模型及其评价分级隶属函数，因考虑评价指标因素较多，为使权数小的指标在评价中不至于被淹没，故采用多层次模糊综合评价法，其评价模型与步骤如下：
　　(1) 由于各指标要对矿井全部地点、设施等多个对象进行评价，假设某指标d_j的评价对象有n个，按该指标分级隶属函数计算A、B、C三级隶属度后，然后再进行同级求和，即

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　　进行归一化处理后形成一个评判矩阵

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　　(2) 把指标因素集C按上述层次结构分为9个子集，记为
　　C ={C₁,C₂,…,C₉ }
　　C_i={c_i1,c_i2,…,c_iki }　i=1,2,…,9
　　C_i含k_i个指标因素，C共含36个指标因素。即

　　(3) 根据可能的评判结果，建立评价集，即

V={v₁,v₂,v₃}

　　(4) 对每个C_i中的k_i个指标因素进行综合评价，设C_i的指标因素权重矩阵为W_Ci ，C_i的模糊评判矩阵为R_Ci，经模糊合成运算和归一化处理后，可得C层次综合评价结果为

E_Ci=W_CiR_Ci={e_i1,e_i2,e_i3}　i=1,2,…，9

　　(5) 把C={C₁,C₂,…,C₉ }中C_i的综合评价结果作为9个单因素评判矩阵，设B_i所含子目标权重矩阵为W_Bi，W_Bi={W_C1,W_C2,…,W_Cki}，模糊评判矩阵为R_Bi={E_C1,E_C2,…，E_Cki}^T，经模糊合成运算和归一化处理后，可得B层次综合评价结果

E_Bi=W_BiR_Bi={e_i1,e_i2,e_i3}　i=1,2,3

　　(6) 把B={B₁，B₂，B₃}中B_i的综合评价结果再作为3个单因素评判矩阵，设总目标A的子目标权重矩阵为W_A ，W_A={W_B1,W_B2,W_B3}，模糊评判矩阵为R_A={E_B1,E_B2,E_B3}^T，经过模糊合成运算和归一化处理后，得总目标A的综合评价结果：

E_A＝W_AR_A＝（e₁,e₂,e₃)

　　为充分反映各因素对评判结果的影响，上述模糊合成运算采用加权平均型算法M(^.,+)，即按普通矩阵乘法的法则运算。考虑到尽量突出主因素影响，并消除评价过程中的“调皮值”的干扰，再采用突出主因素型算法M(∨，∧)，即按取小取大法则运算，最终评价结果以两者较差为准，这样，可合理地反映通风系统安全可靠性。各层次项目权重排序以专家意见统计确定后，按层次分析法，调整确定合理的权重分配值，如图1所示。这一计算过程已编制成计算机软件，并得到成功应用。

3　结论
　　采用模糊数学和层次分析法原理，对矿井通风系统安全可靠性进行模糊综合评价，可由以往的单项或定性评价过渡到多因素、综合、定量评价，并且利用计算机还可实现动态监测，从而及时掌握矿井通风系统运行状态，针对性的进行系统整改，以确保煤矿安全生产。

作者介绍：崔　岗，1962年生，高级工程师，1982年毕业于中国矿业学院，现在国家煤炭工业局行业管理司从事科技管理工作。地址：北京市和平里北街21号，邮码：100713。
作者单位：崔　岗　(国家煤炭工业局)
　　　　　陈开岩　(中国矿业大学)

参考文献
　1　赵焕成.层次分析法.北京：科学出版社,1986
　2　吴万铎.模糊数学与计算机应用.北京：电子工业出版社，1988
　3　陈开岩.矿井通风安全理论与技术.徐州：中国矿业大学出版社，1999

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