煤礦井下生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)由人、機(jī)、環(huán)境組成的復(fù)雜系統(tǒng)，作業(yè)單元和空間分布都極其復(fù)雜，存在瓦斯煤塵爆炸、突水、井下火災(zāi)、頂板事故、瓦斯突出、機(jī)電事故等災(zāi)害和危險(xiǎn)。井下生產(chǎn)系統(tǒng)空間上立體分布，時(shí)間上動態(tài)發(fā)展，井下事故具有動態(tài)性、隨機(jī)性和模糊性，不同災(zāi)害之間在時(shí)間和空間上具有相關(guān)性。

近年來，安全評價(jià)技術(shù)的研究在世界范圍內(nèi)受到廣泛重視。我國研究人員采用諸如安全指數(shù)法、概率風(fēng)險(xiǎn)法、指數(shù)法、分值法等不同的方法，將概率統(tǒng)計(jì)方法、模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰理論等運(yùn)用到安全評價(jià)中，建立了一系列的煤礦安全評價(jià)方法。煤炭科學(xué)研究總院重慶分院采用安全檢查表和安全指數(shù)法等評價(jià)方法在安全評價(jià)領(lǐng)域作了大量的工作。在煤礦安全評價(jià)中，針對不同的災(zāi)害類型，有必要采用不同的安全評價(jià)方法。運(yùn)用數(shù)學(xué)方法時(shí)其計(jì)算過程一般都比較復(fù)雜，需要編程實(shí)現(xiàn)安全評價(jià)過程中的計(jì)算。此外，建立煤礦安全專家系統(tǒng)的任務(wù)之一就是集中專家知識，建立安全評價(jià)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)安全評價(jià)程序化運(yùn)算。因此，研究煤礦安全評價(jià)方法及其量化計(jì)算方法對推進(jìn)我國煤礦安全評價(jià)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 煤礦井下災(zāi)害危險(xiǎn)程度評價(jià)

將面向?qū)ο蠹夹g(shù)的思想和方法運(yùn)用于煤礦安全評價(jià)中，可利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的模塊性、繼承性、封裝性和易維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不同安全評價(jià)方法的綜合運(yùn)用。建立安全評價(jià)模型時(shí)，可根據(jù)煤礦井下不同評價(jià)單元存在的各種災(zāi)害類型的具體特點(diǎn)，選用相應(yīng)的方法進(jìn)行分析和評價(jià)。

1.1 基于絕對風(fēng)險(xiǎn)值的安全評價(jià)方法

通過精確的、科學(xué)的分析和計(jì)算，得出某一時(shí)間段內(nèi)事故發(fā)生的概率值和損失值，這個(gè)概率值和損失值的乘積就是風(fēng)險(xiǎn)的絕對值。人們進(jìn)行安全評價(jià)的時(shí)候，都希望能得到事故風(fēng)險(xiǎn)的絕對值，準(zhǔn)確地反映評價(jià)對象發(fā)生事故的危險(xiǎn)程度。但事故的概率很難得出，事故的影響因素一般都屬于隨機(jī)事件，其安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)需要重復(fù)進(jìn)行大量的隨機(jī)實(shí)驗(yàn)、非常復(fù)雜的可靠性分析或者對大量的事故進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)才能得出。事故樹分析方法就是典型的絕對風(fēng)險(xiǎn)值評價(jià)方法。

1.2 基于相對風(fēng)險(xiǎn)值的安全評價(jià)方法

對事故的危險(xiǎn)程度評價(jià)一般采用間接的方法，通過對影響事故發(fā)生可能性和后果嚴(yán)重程度的各內(nèi)因和外因的分析與綜合，可以得到風(fēng)險(xiǎn)的相對值。目前一般的安全評價(jià)結(jié)果，都是相對風(fēng)險(xiǎn)，而非絕對風(fēng)險(xiǎn)。對于煤礦井下生產(chǎn)系統(tǒng)這樣一個(gè)復(fù)雜的大型系統(tǒng)，其災(zāi)變機(jī)理、途徑等基本因素難以確定，因素狀態(tài)模糊性強(qiáng)，事件失效為小概率事件且難以人為重復(fù)實(shí)驗(yàn)。模糊可能性的優(yōu)點(diǎn)就在于它和獨(dú)立實(shí)驗(yàn)無關(guān)，一般用其可能性最大的狀態(tài)。常用的專家打分法、模糊綜合評判、灰理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等評價(jià)方法都是基于相對風(fēng)險(xiǎn)值的安全評價(jià)方法。

1.2.1 煤礦安全評價(jià)單元劃分

煤礦井下不同位置的自然環(huán)境、危險(xiǎn)因素，以及人員等因素各異，因此必須將井下系統(tǒng)劃分為不同的評價(jià)單元分別進(jìn)行評價(jià)。評價(jià)單元可采用以下方法進(jìn)行劃分：

1）采掘工作面及其附屬巷道作為獨(dú)立評價(jià)單元；

2）主要巷道可根據(jù)其所在位置，特點(diǎn)或功能劃分為獨(dú)立評價(jià)單元；

3）主要硐室可根據(jù)其所在位置、特點(diǎn)或功能劃分為獨(dú)立評價(jià)單元；

4）其它地點(diǎn)視其具體情況劃分為單獨(dú)評價(jià)單元或歸入其它獨(dú)立評價(jià)單元。

對不同的評價(jià)單元，分別評價(jià)不同類型災(zāi)害的危險(xiǎn)程度。

1.2.2 建立安全評價(jià)指標(biāo)體系

災(zāi)害影響指標(biāo)可分為易發(fā)生和后果嚴(yán)重程度兩類，根據(jù)評價(jià)的要求，對煤礦評價(jià)單元的各種災(zāi)害的影響因素進(jìn)行分析，根據(jù)專家意見對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行重要度排序，對安全評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行重要性篩選。根據(jù)引發(fā)事故的各種影響因素之間的作用關(guān)系，基于事故樹的思想，建立災(zāi)害評價(jià)多層次指標(biāo)體系。災(zāi)害評價(jià)多層次指標(biāo)體系按災(zāi)害類型對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行劃分，每一種災(zāi)害按易發(fā)性和后果嚴(yán)重程度劃分下一層次指標(biāo)。易發(fā)性和后果嚴(yán)重程度的下層指標(biāo)可根據(jù)不同災(zāi)害的特點(diǎn)和安全評價(jià)的目的和需要劃分。

1.2.3 評價(jià)指標(biāo)隸屬度確定

度量評價(jià)系統(tǒng)狀態(tài)及其因素狀態(tài)程度的尺度確定，一般為：基于客觀評價(jià)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)展變化規(guī)律；專家群體理論知識、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的集中歸納提??；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。實(shí)際評價(jià)通常是這3處技術(shù)途徑的綜合。

基于模糊理論，如果用論域U∈〔0，1〕上的數(shù)值表示系統(tǒng)危險(xiǎn)屬性的可能性程度值，則存在一映射μ=- A（x），把因子X映射到U：μ- A（x）：x→U，x∈〔0，1〕，其中μ- A（x）為系統(tǒng)某屬性因子危險(xiǎn)程度的隸屬度函數(shù)。

對煤礦安全進(jìn)行分級評價(jià)是常用的方法，首先確定分級，即論域U＝｛u₁，u₂，……，u_n｝，設(shè)A是U上待確定其隸屬函數(shù)的模糊集，專家評判法建立隸屬度函數(shù)的過程為：

1）請m位專家，讓每位專家分別對每一個(gè)u_i（i=1，2，…，n）給出一個(gè)隸屬度μ_A（u_i）的估計(jì)值，設(shè)第j位專家給出的估計(jì)值為S_ij（i=1，2，……n，j=1，2，……，m）救出平均值S(－)_i及方差d_i。

2）檢查方差d_i是否小于或等于事先制定的閥值ε，如果大于ε，則請專家重新給出估計(jì)值，然后再計(jì)算平均值S(－)_i及方差d_i。重復(fù)這一過程，直到ε≤d_i。設(shè)在第k輪時(shí)達(dá)到了要求，此時(shí)再請每位專家給出所估計(jì)值得“確信度”，設(shè)為c_j（j=1，2，……，m），其中0≤c_j≤1。求它們的平均值c(－)。

3）若c(－)的值達(dá)到了一定的標(biāo)準(zhǔn)，就以S(－)_i作為u_i的隸屬度μ_A（u_i）。

如果考慮各個(gè)專家的情況不同，希望某些專家的意見占較大的比例，則可以為每個(gè)專家分配一個(gè)權(quán)值ω_j（ω_j滿足ω_j≥0，且

）。

1.2.4 評價(jià)結(jié)果合成

安全評價(jià)系統(tǒng)狀態(tài)構(gòu)成要素具有復(fù)雜性及層次結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)，上層因素的合成方法按照構(gòu)成要素的合成法則，可分為：①加法模型；②乘法模型；③函數(shù)模型；④模式識別最大隸屬原則方法模型；⑤加權(quán)和模型；⑥模糊積分模型。事故發(fā)生可能性和事故后果嚴(yán)重程度的評價(jià)結(jié)果合成為相對風(fēng)險(xiǎn)的方法有加法合成和乘法合成兩種，一般采用加法合成方法。

多種災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果的合成可采用加權(quán)和或者模糊綜合評判等方法。權(quán)系數(shù)確定可采用專家意見法確定，也可采用對事故數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法。安全評價(jià)的最終結(jié)果是管理和決策的依據(jù)，但對于安全專家系統(tǒng)而言，評價(jià)的中間結(jié)果更為重要，多層次評價(jià)模型可以得到一系列的中間評價(jià)結(jié)果，都可作為專家系統(tǒng)制定安全對策的依據(jù)。

1.2.3 災(zāi)害影響因素相關(guān)性處理

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，不同災(zāi)害之間存在相關(guān)性，因此計(jì)算災(zāi)害后果嚴(yán)重程度的時(shí)候，必須考慮引發(fā)二次災(zāi)害造成的可能性和后果嚴(yán)重程度，將兩次事故的后果嚴(yán)重程度合并。二次災(zāi)害發(fā)生可能性和后果嚴(yán)重程度可作為災(zāi)害的后果嚴(yán)重程度的下層影響因素，一般采用加權(quán)和方法合并。

2 安全評價(jià)量化計(jì)算方法

2.1MATLAB簡介

MATLAB是Math Works公司開發(fā)的科學(xué)計(jì)算軟件，擁有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能，還有Fuzzy模糊數(shù)學(xué)專用工具箱。MATLAB可以被C/Fortran程度調(diào)用，也可以調(diào)用C/Fortran編制的程度，還可以與Java、Visual Basic等語言編制的程序進(jìn)行交互，是理想的安全評價(jià)計(jì)算軟件開發(fā)環(huán)境。

2.2 隸屬度函數(shù)

對常用隸屬度函數(shù)分布的確定，只需要明確函數(shù)類型和確定決定函數(shù)類型的參數(shù)即可。如梯形分布trampf[a₁ a₂ a₃ a₄]，共4個(gè)節(jié)點(diǎn)；三角形分布trimf[a₁ a₂ a₃]，共3個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)a₂＝a₃時(shí)，梯形分布轉(zhuǎn)化為三角形分布；當(dāng)a₁＝a₂時(shí)，梯形分布轉(zhuǎn)化為降半梯形分布；當(dāng)時(shí)a₃＝a₄，梯形分布轉(zhuǎn)化為升半梯形分布。編程實(shí)現(xiàn)時(shí)可模塊化編程實(shí)現(xiàn)調(diào)用。

根據(jù)選取的量化方法不同，論域U＝｛u₁、u₂，……，u_n｝上隸屬函數(shù)表達(dá)方式，可以是論域內(nèi)m（m≥n）個(gè)函數(shù)分別對應(yīng)指標(biāo)對u_i的隸屬度函數(shù)，也可以采用分段函數(shù)表達(dá)。

2.3 指標(biāo)權(quán)值確定方法

評價(jià)指標(biāo)的權(quán)向量W＝｛ω₁、ω₂，……，ω_n｝是用來刻畫評價(jià)指標(biāo)重要程度的正數(shù)，其中ω_i表示評價(jià)指標(biāo)x_i的重要程度。在加權(quán)綜合評價(jià)方法中，有許多種權(quán)系數(shù)的確定方法，比較常用的是層次分析法。層次分析法是一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法。采用MATLAB進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)矩陣運(yùn)算，求層次分板法判斷矩陣最大特征值λ_max及其所對應(yīng)的特征向量ω，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)和特征向量歸一化，得到權(quán)系數(shù)向量，可極大地簡化計(jì)算過程。

2.4 合成運(yùn)算

系統(tǒng)評價(jià)災(zāi)害危險(xiǎn)程度U＝｛u₁、u₂，……，u_n｝，評價(jià)指標(biāo)的權(quán)向量W＝｛ω₁、ω₂，……，ω_n｝，則本層指標(biāo)對上一層次指標(biāo)的危險(xiǎn)度評價(jià)值為：B＝W。U，其中“?！睘檎T導(dǎo)算了，可根據(jù)不同的評價(jià)方法選取。模糊綜合評判評價(jià)結(jié)果合成采用加權(quán)和方法，合成計(jì)算方法：指標(biāo)隸屬度評價(jià)結(jié)果由程序得出，可得其上層指標(biāo)的所有評價(jià)指標(biāo)的隸屬度，為行向量；權(quán)向量為列向量；誘導(dǎo)算子采用“×”，得出的結(jié)果B＝W×U是該上怪指標(biāo)的評價(jià)中間結(jié)果。該中間結(jié)果也是行向量，求更上一層評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)結(jié)果時(shí)，代入該向量進(jìn)行運(yùn)算。

2.5 評價(jià)結(jié)果分級

設(shè)A∈F(～)（U），i=1，2，……，n，對u₀∈U，若存在i₀使。

A_io（u₀）=max｛A₁（u₀）A₂（u₀），……，A_n（u₀）｝，則認(rèn)為u₀相對隸屬于A_i。

各指標(biāo)和合成的上層指標(biāo)的隸屬度定量結(jié)果后，根據(jù)最大隸屬度原則，可以得到各