基于风险矩阵法的煤矿掘进作业区域安全风险评价研究

赵天亮，李建军，陈存强，代 宗，尚 康，朱鹏烨，孙林辉

(1.华能庆阳煤电有限责任公司 核桃峪煤矿，甘肃 庆阳 745306； 2.西安科技大学 管理学院，陕西 西安 710054)

我国是能源生产及消费大国，煤炭一直是绝对的优势资源[1]。掘进工作面是煤矿巷道掘进的重要场所，掘进区域的安全状况事关“采掘平衡，采掘接续”的实现[2-3]。近年来，党中央、国务院提出对易发重特大事故的行业要采取“风险分级管控与隐患排查治理”的双重预防工作机制[4]。煤矿综合机械化掘进受开采环境、地质条件、技术水平、安全防范能力等的影响，掘进巷道中存在着诸多的安全隐患[5]。如何准确识别这些危险因素并进行安全风险评价成为煤矿企业亟待解决的问题。

风险评价最早起源于20世纪30年代的美国保险行业，伴随经济社会发展逐步拓展到工业生产企业。2001年，NNSA[6]在核电站的安全性评估中采用了概率风险评价法，随后该方法在能源、航空航天等领域得到进一步推广应用。2005年，Düzgün[7]利用概率评估法对煤盆地的冒顶事件进行了风险评价，开创了在矿山安全风险评价中使用定量评估的先河。国外对煤矿等能源企业的风险评价主要基于风险概率评估，利用统计方法获取事故概率及危害程度数据计算系统风险大小。但概率分析过程复杂，存在表达方式的不确定性，易导致错误的结果。2005年，许江[8]从综合分析煤矿生产系统的人、机、环3个方面，从危险因素、指标及权重、综合评价方法等展开系统阐释，为煤矿安全管理体系的完善提供依据。2008年，胡鸿等[9]构建了煤矿产煤过程的动态安全评价法，解决了煤矿静态安全评价与动态生产的矛盾，促进煤矿安全评价向动态及定量研究方向发展。2009年，何国家等[10]从事故因果连锁理论及事故危害金字塔等理论出发，对煤矿事故进行分析，提出25个条目构成的监控要素体系，千余条安全生产隐患明细并赋予权重大小。国内学者倾向于从人、机、环、管等方面来识别煤矿工作区域存在的危险因素[11]，也对风险成因、辨识、评价、管控等方面都做了较多有益探索，但在数据的分析处理方面比较欠缺，可能导致风险评价结果的失真。

综上，为合理对煤矿掘进作业区域进行安全风险评价，本文以H煤矿东部大巷延伸段工作面为研究对象。首先，从掘进机械设备、作业环境、作业流程、人员行为等方面进行系统化的调研分析，结合该巷道掘进作业的流程、工序、作业环境，根据《企业职工伤亡事故分类标准》(GB 6441—86)识别出掘进作业的危险因素及事故类型；其次，运用风险矩阵对这些危险因素进行风险评价，在数据处理时引入“分布密度型”未知有理数的概念，缩小了数值的累积性误差[12]；最后，根据评价结果绘制了区域风险比较图和区域风险分布图，并提出风险防控策略。

1 区域安全风险评价体系

1.1 安全风险评价方法选取

目前安全风险评价方法有很多，每种方法都有各自的优缺点及适用范围，针对不同的评价对象，只有选择合适的评价方法才能取得满意效果，否则可能导致评价结果失真，不能正确评价所选对象的安全风险状况。下面对一些常用安全风险评价方法进行对比分析(表1)。

表1 安全风险评价方法对比分析Tab.1 Comparative analysis of safety risk evaluation methods

由于煤矿掘进工作面危险因素众多，且涵盖不同的作业区域，通过对以上风险评价方法的对比分析得出：如果采用概率评估法对煤矿掘进作业区域进行安全风险评价，可能由于工作面环境的复杂性和概率分析过程比较复杂，导致结果失真，不能正确进行安全风险评价；作业条件危险性评价法主要用于评价在具有潜在危险性环境中各种作业的风险性；如果采用安全检查表法，则可能难以得出较为系统的结果；风险矩阵理论是在煤矿安全生产管理过程中识别矿井风险点事故重要性的一种结构方法[13]，能够对煤矿潜在的风险进行定性分析和定量分析，利用事故发生的概率和事故后果的严重性两个参数，可以较为直观地对煤矿掘进作业区域进行风险评价。

1.2 安全风险评价步骤

风险矩阵法是Paul等[14]在1998年首次提出的一种将定性与定量分析相结合且操作简单的风险评价方法。将风险发生的概率大小和影响后果按照一定的标准进行量化评分[15]。其计算公式为：

R=L×S

(1)

式中，R为风险程度；L为事故发生的概率；S为事故后果的严重性。

其风险矩阵具体内容包括风险严重等级、风险概率等级，据此制成二维矩阵(图1)[16-18]。

图1 风险矩阵Fig.1 Risk matrix

具体步骤如下：①根据《企业职工伤亡事故分类标准》识别出的危险因素编写煤矿掘进作业区域危险因素库；②选取该领域专家对各项危险因素发生的概率与后果进行评价打分；③计算各项危险因素的R值；④根据最终R值得出各危险因素风险等级，并绘制风险矩阵图；⑤根据不同风险等级制定相应的防控策略。

1.3 基于“分布密度型”未知有理数的R值计算

风险R值计算虽简单易行、适用范围广，但仍具有一定局限性。即各专家评价打分主观性较强，其间甚至有较大差异，对风险及风险等级的识别评价具有不稳定性和不一致性[19-21]。

为了降低这种主观差异性，使评价结果更准确，引入未知有理数的置信度概念。其计算过程为：①确定不同专家给出的每项危险因素的R值的可信度；②确定置信区间；③取可信度较高置信区间的平均值为最终R值。

未知有理数数值处理中可以最大限度降低累积性差，真实反映客观实际状况。可信度方法能将计算误差降到较低水平，较一般的均值法计算结果能更好地反映实际评价情况。但可信度方法表示的结果均需实数来表达，故仍存在失真的缺点。为了进一步完善计算过程，引入分布密度型未知有理数，定义如下：

对于闭区间[a，b]，a=x1

(2)

(3)

式中，φ(x)为可信度分布密度函数；xi为在取值区间[a，b]中第i个值；αi为xi的可信度。

2 H煤矿掘进作业安全风险评价

依据《企业职工伤亡事故分类标准》，对H煤矿东部大巷延伸段掘进作业区域实地调研考察分析，在回风巷、煤(岩)层附近及运输巷的主要事故类型高达15种34项。现运用上述安全风险评价体系对 H煤矿东部大巷延伸段几大区域中的15种34项危险因素进行安全风险评价。

2.1 区域危险因素风险评价举例

由于主要事故类型较多，表格过长，在此以回风巷为例展开具体描述。某位专家对回风巷危险因素的评分情况见表2。

表2 回风巷危险因素风险评价Tab.2 Risk assessment of risk factors of return airway

表3是5位该领域专家对煤矿回风巷各危险因素评分后计算所得R值，记作R1、R2、R3、R4、R5。

表3 回风巷危险因素风险评价R值Tab.3 R value of risk assessment for risk factors of return airway

为减少主观差异性，引入“分布密度型”未知有理数对每项危险因素的R值进行优化，得到最终评价指标R值。以危险因素“空气中悬浮煤尘过多，遇点火源导致煤尘爆炸”为例，计算过程如下。

引入“分布密度型”未知有理数记作：{[6，20]，φ(x)}，如式(4)所示：

(4)

取值区间为[6，20]，φ(x)表示[6，20]上的主观可信分布密度。{[6，20]，φ(x)}表明：针对“空气中悬浮煤尘过多，遇点火源导致煤尘爆炸”这一危险因素，5位专家给出的R值中，6、12、20分别出现了1次，18出现了2次。6、12、20的可信度为1/5，18的可信度为2/5。可以看出，6在区间[6，20]中偏离程度比较大，而R值在区间[12，20]的可信度为80%。因此，“空气中悬浮煤尘过多，遇点火源导致煤尘爆炸”风险评价的最终R值取12、18、18、20的平均值，即其R值为17.00。

2.2 H煤矿掘进作业区域危险因素风险评价

对H煤矿的回风巷、煤(岩)层附近和运输巷这3大掘进作业区域中危险因素进行风险评价。其中3大区域的危险因素分别用HF1、HF2、…；MY1、MY2、…；YS1、YS2、…表示。

(1)回风巷危险因素风险评价见表4。

表4 回风巷危险因素风险评价Tab.4 Risk assessment of risk factors in return airway

(2)煤(岩)层附近危险因素风险评价见表5。

(3)运输巷危险因素风险评价见表6。

H煤矿东部大巷延伸段掘进作业区域危险因素进行风险等级评价结果见表7。

表5 煤(岩)层附近危险因素风险评价Tab.5 Risk assessment of risk factors near coal (rock) layer

3 东部大巷延伸段区域安全风险分布图

为减少煤矿掘进作业区域的安全隐患与安全事故的发生，保证工人安全与正常生产，促进矿井安全风险针对性管控措施的建设，下面将绘制H煤矿掘进工作面区域安全风险图。

(1)确定煤矿掘进作业区域安全风险对比原则，即绿色—低风险、蓝色—一般风险、黄色—中等风险、橙色—重大风险、红色—特别重大风险。

(2)根据上述安全风险对比原则及表5所列风险等级评价结果，绘制H煤矿掘进作业区域安全风险比较图，如图2所示。

H煤矿东部大巷延伸段掘进工作面分为回风巷、运输巷和煤(岩)层附近3部分，采用悬臂式掘进机和刀盘掘进机进行掘进作业，并包含输送机、转载机以及支护设备等完成运输作业、支护作业。在煤(岩)层附近存在瓦斯爆炸特别重大风险，需要停止作业进行检查。在回风巷和运输巷中存在较多煤尘，存在煤尘爆炸重大风险，需立即整改。此外，还存在一些中等风险需整改，以及一般风险需引起注意。

(3)根据掘进作业区域安全风险比较图(图2)和煤矿掘进作业区域危险因素风险评价表(表4)绘制掘进作业区域风险分布图，如图3所示。

表6 运输巷危险因素风险评价Tab.6 Risk assessment of dangerous factors in transportation roadway

表7 煤矿掘进作业区域危险因素风险等级评价结果Tab.7 Result of risk grade evaluation of coal mining operation area risk factors

图2 掘进作业区域安全风险比较Fig.2 Safety risk comparison of excavation operation area

图3 掘进作业区域风险分布Fig.3 Risk distribution in excavating areas

4 结语

本文基于风险矩阵法构建了掘进作业区域安全风险评价体系，对煤(岩)层附近、运输巷、回风巷进行危险因素识别、评价，依据评价结果分别绘制煤矿掘进作业区域安全风险比较图和区域安全风险分布图。煤矿企业应结合风险等级制定有效的安全管控措施，对安全风险等级较高的危险因素及可能导致的事故编制应急专项预案，并加强对掘进区域作业人员的安全教育。

通过科学、易行的方法对煤矿掘进作业区域进行安全风险评价研究，可有效减少掘进作业区域的安全隐患，为区域安全风险分级管控工作提供了借鉴和参考。