摘 要

煤矿事故频发的问题严重困扰煤炭企业安全生产。构建一个全面合理的煤矿瓦斯灾害风险评价体系会煤炭企业的安全生产十分关键。因此本文从人，设备，环境和管理四个维度建立煤矿瓦斯灾害风险评价指标体系，细化二级指标二十个，基于层次分析法（AHP）确定了二十个指标的权重，利用TOPSIS方法建立了影响煤矿瓦斯灾害的风险评价模型。

根据义马煤业的五个煤矿作为案例对建立的风险评价模型进行验证。通过利用AHP-TOPOSIS方法建立的评价体系，得到最终义马煤业集团五个矿井的风险性排名是：一矿Agt;五矿Egt;二矿Bgt;三矿Cgt;四矿D。同时根据模型得到的结果找到各个矿井治理的薄弱环节。矿井A、B和E需要加强重视人员培训方面；在物方面，设备维护等因素，D、C、B需要加强；在环境上的危害调控，矿井A、E和C应该重点投入；管理方面，矿井D、C和B应加强。

模型结果和实际情况相近，验证了模型的实用性和准确性，表明本文建立的煤矿瓦斯风险评价模型能对煤矿的安全生产起到一定的帮助作用。

关键词：TOPSIS，风险评价模型，煤矿瓦斯

Summary

The frequent occurrence of coal mine accidents has seriously hampered the safe production of coal enterprises. To build a comprehensive and reasonable risk assessment system for coal mine gas disasters will be crucial to the safety of coal companies. Therefore, this paper establishes a coal mine gas disaster risk assessment index system from four dimensions of people, equipment, environment and management, refines twenty secondary indexes, and determines the weights of twenty indicators based on the Analytic Hierarchy Process (AHP), using the TOPSIS method. A risk assessment model that affects coal mine gas disasters has been established.

According to the case of the five coal mines in Yima Coal, the risk evaluation model established was verified. By using the evaluation system established by the AHPTOPOSIS method, the risk rankings of the five Yima Coal Mining Group's final mines are: First Mine Agt; Minmetals Egt; Second Mine Bgt; Third Mine Cgt; Fourth Mine D. At the same time, according to the results obtained by the model, we find the weaknesses of each mine management. Mines A, B and E need to pay more attention to personnel training; in terms of materials, equipment maintenance and other factors, D, C, and B need to be strengthened; in the environmental hazard regulation, mines A, E, and C should be focused; management, Mines D, C, and B should be strengthened.

The results of the model are similar to the actual situation, which verifies the practicability and accuracy of the model. It shows that the coal mine gas risk assessment model established in this paper can play a certain role in the safe production of the coal mine.

Key words: TOPSIS risk assessment model coal mine gas

目 录

摘要 I

Abstract II

目 录 I

第一章 绪论 1

1.1研究背景、意义和内容 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 1

1.1.3研究内容 2

1.1.4国内外研究现状 2

1.2研究思路和方法 3

1.2.1研究的思路 3

1.2.2研究的方法 4

第二章 煤矿瓦斯风险评价指标体系 5

2.1煤矿瓦斯灾害相关概述 5

2.1.1煤矿瓦斯灾害风险评估必要性 5

2.1.2煤矿瓦斯灾害风险因素 5

2.2煤炭瓦斯灾害风险指标体系的相关概述 6

2.2.1风险指标体系构建原则 6

2.2.2风险指标体系 7

2.2.3风险指标无量纲方法 9

2.2.4风险指标数据赋权方法 10

第三章 煤矿瓦斯风险评价模型 13

3.1风险评价模型概述 13

3.1.1白箱模型 13

3.1.2灰箱模型 13

3.1.3黑箱模型 13

3.2煤矿瓦斯风险评价模型 14

3.2.1TOPSIS方法简介及体系构建原则 14

3.2.2基于TOPSIS法的煤矿瓦斯风险评价模型 15

第四章 案例分析与实例验证 16

4.1矿井情况简介 16

4.2基于TOPSIS方法矿井危险程度评级 16

4.2.1评价指标的量化 16

4.2.2矿井危险程度综合评级 19

4.3预防煤矿瓦斯爆炸的技术与管理措施 19

第五章 结论与展望 21

5.1结论 21

5.2 创新点 21

5.3研究不足与展望 22

致谢 23

参考文献 24

第一章 绪论

1.1研究背景、意义和内容

1.1.1研究背景

我国改革开放以来在安全事故隐患中，煤矿企业一直备受关注。煤矿企业的生产中，会有瓦斯、火灾、粉尘、顶板和水等在内的5大类型灾害，其中破坏性最强、造成经济损失最大和伤亡人员最多的是瓦斯爆炸。作为煤矿瓦斯灾害的主要类型，瓦斯爆炸比中毒窒息和煤与瓦斯突出事故后果更严重^[1]。由于国家在这方面的安全防范力度还不够，使得重特大瓦斯事故频繁发生，一旦发生危险，往往造成死亡人数急剧增长。目前，煤矿瓦斯灾害已经成为全球各个采煤国家的首要关注目标之一，被称为煤矿安全生产的“第一杀手”。在中国，随着经济的快速发展，对煤矿资源的需求越来越大，存在大量的煤矿瓦斯矿井，同时也存在许多安全隐患，对煤矿的安全生产造成严重的威胁。

我国能源储量丰富，煤炭产量占世界产煤总量30％以上，但由于较低的危险防范意识以及低效的安全改进措施，使得我国的每年因为煤矿事故的死亡人数占全球的80％^[2]。我国的煤矿企业特别需，加大安全生产基础建设，同时进行科技投入。促进煤矿安全可持续发展，对我国的强国路线非常关键。我国也逐渐重视在煤矿瓦斯安全问题的科研成果的转化。为了实现这个目标，首先需要确定矿井瓦斯事故的危险等级,特别是瓦斯爆炸危险性等级问题非常关键，等级的确定离不开评价指标的建立。确定等级后，将产生的理论结果与实际的情况比照，以便有针对性地采取预防措施,是煤矿安全生产急需解决的重要问题。

1.1.2研究意义

为了促进安全管理，预防和减少事故发生，国家安全监察管理总局颁发了《安全评价通则》，通过对安全现状的客观评价，提高煤矿本质安全程度和安全管理水平。学者们也针对实际情况，将研究方向转为煤矿瓦斯灾害区域的安全现状的客观评级，因此对于煤矿的风险评级问题展开研究具有重要意义。

以减少瓦斯爆炸危险程度为目的，对目前瓦斯爆炸危险性事故的发展现状进行梳理，找出影响瓦斯爆炸事故的影响较大的因素，最终根据这些因素以及瓦斯爆炸事故危险性进行综合评价，分析得出瓦斯爆炸风险评级，并为规避风险提出了相关建议，达到对煤矿安全生产中的瓦斯灾害进行预警预报的目的。

1.1.3研究内容

第一部分绪论，主要是说明了选题的背景及意义，阐述了本文的研究理论意义和现实意义，阐述了国内外关于煤矿瓦斯爆炸灾害风险评价相关研究的现状，并介绍了本文的主要研究内容、方法和技术路线。

第二部分介绍煤矿瓦斯灾害相关概述，内容包括为煤矿瓦斯风险评的必要性和风险因素，风险指标体系和煤矿瓦斯灾害的分级。

第三部分根据煤矿瓦斯风险评价模型，结合层次分析法，最终建立基于TOPSIS法的煤矿瓦斯风险评价模型，为风险评价建模奠定基础。

第四部分利用案例分析来验证模型的准确性，例如选取了义马煤业集团股份有限公司的五个矿机井作为研究案例，并根据最后得到的评价结果给出灾害的管理措施。

第五部分结论与展望，总结了本文的研究内容和成果，提出本文的不足之处以及未来的研究方向。

1.1.4国内外研究现状

国外研究现状

上世纪年代，风险评价技术渐渐被人们所关注，保险行业的蓬勃发展孕育了最早的风险评价技术。因为保险公司需要承担客户所要转嫁的风险，美国保险协会将这个衡量风险程度的流程，定义为了风险评价过程。第二次世界大战后，工业化进程促使了化学工业的发展，为了对生产过程中不断发生各种各样的火灾、爆炸、毒气扩散等重大灾难事故进行事故预防、由此产生了安全评价^[24]。20世纪60年代，学者们开始将研究方向指向了安全评价的全面系统的研究。1964年，美国道化学公司，根据化工生产的特点，率先制定出了结合化工行业特点的，著名的危险指数评价法，开创了化学工业风险评价先河^[25]。俄罗斯化工过程危险性评价法以及日本劳动省提出的“六阶段评价法”。这些方法主要是针对化工企业的危险评价。

这些年来，随着网络技术的发展，煤矿瓦斯爆炸灾害的发生在网络和报纸中的曝光率越来高，政府及相关的部门对煤矿的监管也越来越严格。对于煤矿安全评价的研究主要从以下几方面展开的：灾害事故伤亡的统计分析：主要是针对煤矿工作者职业病的特点、煤矿灾害损失时间统计、伤亡人数以及其他有关因素的分析，通过统计分析建立了工伤事故灾害数据库等。罗曼尼^[26]教授对煤矿中各个因子的分析，是针对煤矿事故统计分析最具代表性的研究，它可以更为深入的找出事故发生的原因以及可能预防其发生的方法。

以概率风险评价为基础的煤矿安全评价：通过收集矿井生产系统内各种统计数据，然后采用数学概率方法，计算风险可能发生的概率与风险可能造成的损害的乘积评价系统状态的危险度，这种方法对于风险发生的概率和损害统计不够清晰明了，缺乏实用性，而且重点关注的是这些数据的不确定性问题。其他风险评价方法：如由罗曼尼教授提出的以韦布乐分布确定平均事故周期、每天的危险率、安全性指数方法；波兰的费利卫皮提出的以人机为主的风险评价和灾害预测方法；澳大利亚的格材提出的煤矿操作风险评价法；日本的隧道风险评价法^[27]等。与煤矿行业安全评价技术相比较，其他行业在此方面的研究更为先进，所以煤矿安全评价引进了很多其他领域的局部关键技术，从而实现对复杂的煤矿系统进行更为科学的安全评价。

国内研究现状

目前国内已经有很多学者将煤矿的风险评价细化到每一种灾害，随着越来越多的科研团队和相关学者投身于煤矿瓦斯爆炸风险评价的研究，我国的煤矿瓦斯爆炸风险评价研究也取得了一些进展^[28]，研究成果主要有：王蒙蒙^[29]构建煤矿瓦斯爆炸危险源模型，在改进事故树方法的基础上，对朱家店煤矿瓦斯爆炸危险源进行识别，运用建立基于模型的瓦斯爆炸灾害风险评价研究价方法，利用建模和关联分析，使灰色系统“白化”，然后针对某一煤矿对煤矿系统安全有效的进行评价、预测和决策。施式亮^[30]等通过对煤矿瓦斯爆炸“人一机一环境一管理”复杂的非线性系统分析，构建煤矿危险性评价指标体系。刘亚静等利用层次分析法，建立了煤矿综合评价模型，确定了煤矿安全评价指标体系，然后利用专家打分法，对各个指标两两比较，构造评价矩阵，最后进行安全评价。曹树刚^[31]等从三类危险源的角度，分析了导致煤矿瓦斯爆炸事故发生的主要三类危险源影响因素，进而建立了瓦斯爆炸危险源风险指标体系，借助模糊数学综合评价方法实现数学评价模型的构建，应用风险模型对矿井瓦斯爆炸危险源进行动态风险评价，结合实例验证风险评价模型的合理性。朱建芳等根据事故致因理论，对煤矿进行风险分级，综合考虑煤矿的主要致灾因子、安全防范因子以及应急救援因子，构建了完整的煤矿风险分级评价指标体系。曾丽君利用事故树分析法的逻辑关系，将各隐患因素有机结合在一起，找出系统全部可能失效的关键环节（即风险评价指标），从静态和动态分析、预测问题，避免灾害的发生。吴电军[32]等从两类危险源的角度分析了煤矿瓦斯爆炸的成因，识别了煤矿瓦斯爆炸危险源，同时考虑人为的因素，构建了煤矿瓦斯爆炸危险性评价模型。

1.2研究思路和方法

1.2.1研究的思路

技术结构图如下图：图. 1.1

图. 1.1技术路线图

1.2.2研究的方法

(1)文献资料法

通过搜集、阅读相关文献，分析目前煤矿瓦斯的现状，从文献中提取出煤矿瓦斯风险灾害影响的指标因素，为论文的指标评价体系建立提供坚实的理论基础^[4]。

(2)理论分析法

煤矿瓦斯灾害理论分析包括首先界定煤矿瓦斯的概念，同时对煤矿瓦斯相关理论以及风险灾害理论和风险评价模型进行简要介绍；其次，通过对对煤矿瓦斯发展过程的梳理，探讨煤矿瓦斯发展中存在的风险问题，表明进行煤矿瓦斯风险评估的必要性；再者，基于系统性、可比性、科学性以及可操作性原则，构建指标体系；最后，采用逼近理想解的方法建立模型进行煤矿瓦斯风险评价。

(3)实证研究法

本文以义马煤业5个矿井作为本文的案例分析对象，通过搜集这5个矿井的调查数据进行处理研究，将实证和网络搜查数据带入到由文献资料法和理论分析法构建的煤矿瓦斯灾害风险模型，将实证数据结果与模型数据结果比对，从而确定模型的准确性

第二章 煤矿瓦斯风险评价指标体系

2.1煤矿瓦斯灾害相关概述

2.1.1煤矿瓦斯灾害风险评估必要性

在煤矿集团的安全生产系统中，必须将煤矿瓦斯灾害风险评估考虑在内，并且作为最高优先级考虑。煤矿瓦斯灾害风险评估能够充分反映生产系统中安全水平，而风险评估是对煤矿集团矿井的进一步改进和灾害防控提供支持信息和决策依据。要想全面地进行煤矿瓦斯的风险评估，建立系统整体风险综合评价模型是关键，进行风险状态实时评估有助于根据评估结果进行实时报警，预控灾害演化成事故。为了有效的评估煤矿瓦斯灾害风险，在选用风险评估技术与方法时须针矿井实际情况、特点等进行分析和比较，通过多种方法综合分析以互相补充、相互验证，提高评估结果的精准性，保障减少煤矿瓦斯灾害风险发生率，保障人身与财产安全。

2.1.2煤矿瓦斯灾害风险因素

为了探寻煤矿瓦斯灾害的风险影响因素，首先要对风险源进行监测，监测维度可以从从人-设备-环境-管理四个维度去去监测煤矿瓦斯灾害情况。

关于人员的行为和管理活动包括员工的职业素质，如员工的月培训时间，平均工龄，人员三违率；

管理活动主要包括煤矿瓦斯的安全方面的管理，如安全制度，安全措施，安全延迟性以及安全管理的应急机制等四个方面。

关于设备因素，包括对煤矿瓦斯的设备破损率的检测，机电设备，通风设备，以及排水设备和防火设备全方位避免会因为设备事故产生的风险情况。

灾害危险源与煤矿安全生产的基础信息中主要包括的环境因素造成的风险有煤层倾角，矿井异常涌水量，顶底板可靠率，工作面粉尘最大程度以及瓦斯突出次数。把握好对这四个方面的异常情况风险因素监测，有利于工作人员发现危险灾害问题，将损失成本降到最小。

2.2煤炭瓦斯灾害风险指标体系的相关概述

2.2.1风险指标体系构建原则

根据跨领域的指标体系建立基础，在研究煤矿瓦斯爆炸风险评估时也应该从明确一套明确的量化指标体系入手，为了构建一个良好的瓦斯爆炸灾害风险评估体系，该指标体系应遵循统筹兼顾，遵循动态性、科学性、系统性、可量化等基本原则。

(1) 动态性原则

瓦斯灾害事故是动态发生的，因为整个过程的整体性的相互联系是动态的。灾害的发生，是因为环境的改变，环境一旦改变意味着系统发生了动态变化。为了分析系统的变化，研究组成系统的各个要素的变化非常关键，不仅是要素自己的变化，还有要素间相互影响的变化。例如，各种元素的顺序和它们之间的关系是可变的。地下煤矿生产系统的时空动态耦合是煤矿生产系统的一个显著特征.瓦斯爆炸灾害系统在这种时空动态耦合中也发生了变化，构成了系统中的人与环境。复杂非线性作用系统的运动状态是一个动态发展变量。可以认为，瓦斯爆炸灾害系统是一个动态变化的系统。

(2) 科学性原则

瓦斯爆炸灾害风险不因主观意向转移，都是客观存在的，它能导致矿井瓦斯爆炸灾害子系统状态危险性具有自然规律的属性。这就要求对其风险评估与预警的指标体系具有科学性和客观性^[18]。我们可以通过客观规律与理论知识分析来获得风险指标体系的构建，形成经验与知识的互补。还必须确保风险指标的概念和外延的明确性。对于一些模糊指标，指标必须能够通过观察、测试、评价等手段得出明确的结论。该指标体系能客观、真实地反映煤矿安全生产系统中瓦斯爆炸灾害子系统的发展演变。

(3) 系统性原则