基于蒙特卡罗方法的煤矿爆破作业风险评估

Title

Risk assessment of coal mine blasting operations based on Monte Carlo method
作者

栗婧吴斌朱经政孔维珖赵士钧
Author

LI Jing;WU Bin;ZHU Jingzheng;KONG Weiguang;ZHAO Shijun
单位

中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院
Organization

School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining & Technology-Beijing
摘要

为量化分析煤矿爆破作业各作业步骤造成的风险以及全面客观地对其进行风险评估，借助蒙特卡罗方法建立煤矿爆破作业步骤风险评估模型，对作业流程的行为风险后果值进行累积概率分布，最终依据蒙特卡罗方法模拟的均值结果和作业流程总体风险结果判定各作业步骤的风险大小和风险等级，并提出控制此类不安全行为发生的措施。结果表明：爆破作业流程风险大小顺序依次为清退物品入库、装药、连线、警戒、起爆后安全检查、领取并检查爆破物品、起爆、运送爆破物品、接受爆破任务、作业前安全检查、起爆前安全检查、封孔。
Abstract

In order to quantitatively analyze the risk caused by each operational step of coal mine blasting and comprehensively and objectively assess its risk, with the help of Monte Carlo method, this paper establishes a risk assessment model of coal mine blasting operation steps, makes cumulative probability distribution of the behavioral risk consequence value of the operation process, and finally determines the risk size and risk level of each operation step based on the mean result of Monte Carlo simulation and the overall risk result of the operation process, and puts forward the measures for the control of the occurrence of such unsafe behaviors. The results of the study show that the order of risk of the blasting operation process is in the following order: clearing the items into the warehouse, loading, linkage, guarding, safety inspection after detonation, receiving and checking the blasting items, detonation, delivery of blasting items, acceptance of the task of blasting, preoperational safety inspection, pre-detonation safety inspection, sealing the holes.
关键词

煤矿安全生产爆破作业蒙特卡罗方法累积概率分布风险评估
KeyWords

coal mine safety production;blasting operation;Monte Carlo method;cumulative probability distribution;risk assessment
基金项目(Foundation)

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2023ZKPYAQ01）
DOI

10.13347/j.cnki.mkaq.20230784
引用格式

栗婧，吴斌，朱经政，等. 基于蒙特卡罗方法的煤矿爆破作业风险评估[J]. 煤矿安全，2024，55（4）：236−244.
Citation

LI Jing, WU Bin, ZHU Jingzheng, et al. Risk assessment of coal mine blasting operations based on Monte Carlo method[J]. Safety in Coal Mines, 2024, 55（4）: 236−244.

图表

Table1

方法名称	计算步骤	适用情况
主成分分析法（PCA）	首先对确定样本的观察指标构建样本矩阵；其次对样本指标矩阵进行标准化处理，通过标准化的矩阵求出相关系数矩阵R；最后对矩阵R的特征根、特征向量以及贡献率进行计算，确定主成分。	主成分分析法利用降维处理得到主成分，求得各主成分相互独立，但PCA分析法忽视了指标之间的关联，不能描述多指标与主成分之间的相关关系。
模糊层次分析法（FAHP）	首先识别所有对目标产生影响的因素，采用AHP方法构建风险层次结构；其次结合专家评价、问卷调查等方法量化各层次风险指标权重；最后逐层开展模糊计算，直至目标层。	适用于因素层次结构较少，因素关系较为简洁的系统，当评价的指标过多，权重计算及排序的任务量就大大增加，评估效率低。
蒙特卡罗方法（MC）	首先对识别的风险因素进行量化，建立风险评估数学模型；其次，利用计算机模拟产生随机数，经过多次运算得出风险因素的期望值、概率分布等指标，绘制累计概率图。	蒙特卡罗方法应用计算机模拟可方便处理大量数据，适用解决各类复杂问题的方法，应用于安全科学、经济、医疗等领域。

Table2

标度	含义
1	因素i与因素j具有相同重要性
3	因素i比因素j稍重要
5	因素i比因素j明显重要
7	因素i比因素j强烈重要
9	因素i比因素j极端重要
2, 4, 6, 8	表示上述相邻判断的中间值
倒数	因素i与因素j的重要性之比为a_ji=1/a_ij

Table3

序号	步骤	权重
1	接受爆破任务	0.066
2	领取并检查爆破物品	0.086
3	运送爆破物品	0.104
4	作业前安全检查	0.078
5	装药	0.052
6	封孔	0.144
7	连线	0.055
8	警戒	0.078
9	起爆前安全检查	0.087
10	起爆	0.119
11	起爆后安全检查	0.077
12	清点物品入库	0.054

Table4

各作业流程不安全动作风险因素的概率分布

作业流程	风险因素	频数	概率值	参数
接受爆破任务	无证上岗非爆破工爆破爆破作业人员未培训未配备足够的瓦检员未配备防护用品	22 11 15 28 29	0.188 0.094 0.128 0.239 0.247	\( \overline { S} \)=6.6；σ=1.32 \( \overline { S} \)=6.4；σ=1.26 \( \overline { S} \)=5.8；σ=1.28 \( \overline { S} \)=6.6；σ=0.95 \( \overline { S} \)=6.9；σ=1.46
领取并检查爆破物品	未检查发爆器使用非矿许用炸药和电雷管放炮母线裸露，有明接头使用失爆的起爆器	2 16 9 3	0.017 0.136 0.076 0.025	\( \overline { S} \)=5.7；σ=0.97 \( \overline { S} \)=6.4；σ=1.42 \( \overline { S} \)=6.7；σ=0.92 \( \overline { S} \)=5.8；σ=1.32
运送爆破物品	非爆破人员运输爆破物品炸药和电雷管放置不当	11 12	0.094 0.103	\( \overline { S} \)=6.2；σ=1.2 \( \overline { S} \)=6.5；σ=1.4
作业前安全检查	未检查炮眼未清理堵塞的炮眼爆破前，未洒水降尘未检查瓦斯浓度	8 5 5 48	0.068 0.043 0.043 0.41	\( \overline { S} \)=4.4；σ=1.54 \( \overline { S} \)=7.2；σ=1.63 \( \overline { S} \)=5.6；σ=0.92 \( \overline { S} \)=6.7；σ=1.35
装药	装药量过多未将药卷紧密接触	4 6	0.034 0.052	\( \overline { S} \)=6.21；σ=1.45 \( \overline { S} \)=5.77；σ=1.21
封孔	使用煤块岩粉封孔未使用水炮泥未检查封孔是否合格	3 27 8	0.026 0.23 0.068	\( \overline { S} \)=6.4；σ=1.5 \( \overline { S} \)=6.5；σ=1.32 \( \overline { S} \)=7.3；σ=1.46
连线	放炮母线裸连短路放炮母线放置不当	5 5	0.043 0.043	\( \overline { S} \)=5.3；σ=0.74 \( \overline { S} \)=5.6；σ=1.42
警戒	起爆前未撤人	8	0.068	\( \overline { S} \)=7.33；σ=0.74
起爆前安全检查	未发现炮眼最小抵抗线不足违章用发爆器打火放电方式检测电爆网络起爆前未检查瓦斯浓度	4 3 26	0.034 0.026 0.222	\( \overline { S} \)=6.5；σ=1.62 \( \overline { S} \)=6.4；σ=0.83 \( \overline { S} \)=6.7；σ=1.26
起爆	一次装药分次爆破明火放炮使用放炮母线连线打火起爆连续爆破	6 6 2 4	0.051 0.051 0.017 0.034	\( \overline { S} \)=8.3；σ=0.94 \( \overline { S} \)=7.3；σ=0.74 \( \overline { S} \)=7.8；σ=1.62 \( \overline { S} \)=7.3；σ=1.37
起爆后安全检查	放炮后未检查瓦斯未发现密闭漏风放炮后瓦斯超限，不采取措施炮后未检查炸药残质	13 7 8 2	0.111 0.059 0.068 0.017	\( \overline { S} \)=5.5；σ=0.86 \( \overline { S} \)=5.7；σ=1.15 \( \overline { S} \)=6.3；σ=0.96 \( \overline { S} \)=6.3；σ=1.06
清点物品入库	未执行爆破物品领退制度	10	0.085	\( \overline { S} \)=6.4；σ=1.63
注：\( \overline { S} \)为样本平均值；σ为样本标准差。

Table5

置信区间百分比	(0,20%)	[20%,40%)	[40%,60%)	[60%,80%)	[80%,100%]
风险等级	I（低）	II（较低）	III（中度）	IV（高度）	V(极高)
分数值	（0,0.08）	[0.08,0.14）	[0.14,0.18)	[0.18,0.23)	[0.23,0.41)

Table6

序号	作业流程	风险分数值区间	风险均值	风险等级
1	接受爆破任务	（0.123,0.304）	0.215	高度风险
2	领取并检查爆破物品	（0.074,0.246）	0.161	中度风险
3	运送爆破物品	（0.098,0.271）	0.179	中度风险
4	作业前安全检查	（0.127,0.343）	0.227	高度风险
5	装药	（0.020,0.101）	0.061	低度风险
6	封孔	（0.145,0.369）	0.259	极高风险
7	连线	（0.052,0.170）	0.112	较低风险
8	警戒	（0.040,0.202）	0.124	较低风险
9	起爆前安全检查	（0.124,0.353）	0.228	高度风险
10	起爆	（0.086,0.263）	0.176	中度风险
11	起爆后安全检查	（0.049,0.231）	0.139	较低风险
12	清点爆破物品、入库	（0.018,0.069）	0.044	低度风险

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