基于模糊數(shù)學(xué)的煤礦瓦斯防治能力等級(jí)評(píng)估

溫新苗，黃紅芳

(張家口學(xué)院初等教育系,河北 張家口 075000)

基于模糊數(shù)學(xué)的煤礦瓦斯防治能力等級(jí)評(píng)估

溫新苗，黃紅芳

(張家口學(xué)院初等教育系,河北 張家口 075000)

運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)原理，通過確定因素集、建立評(píng)判集、單因素評(píng)判、綜合評(píng)判的步驟建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)模型原理，以廣安市華鎣豐源實(shí)業(yè)有限公司(新興煤礦)為例，對(duì)其瓦斯防治能力進(jìn)行評(píng)估。模型具有普遍性和可操作性，計(jì)算過程簡單，評(píng)價(jià)結(jié)果具有較強(qiáng)準(zhǔn)確性和可靠性，應(yīng)用價(jià)值高。

模糊數(shù)學(xué);煤礦瓦斯;防治能力;評(píng)估

我國煤炭資源豐富，但開采條件復(fù)雜，自然災(zāi)害嚴(yán)重，多數(shù)礦井屬于高瓦斯或瓦斯突出礦井。在當(dāng)前煤炭市場需求旺盛的推動(dòng)下，突擊生產(chǎn)或盲目超產(chǎn)現(xiàn)象依然存在，礦井安全事故發(fā)生率居高不下。據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局網(wǎng)站數(shù)據(jù)[1]，2012年至2013年6月，全國共發(fā)生煤礦安全事故81起，共死亡人數(shù)599人。其中，重大事故(死亡10至29人)共15起，特別重大事故(死亡30人以上)兩起。重特大瓦斯突出事故的發(fā)生造成死亡人數(shù)急劇增長[2]，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失，而且在國內(nèi)外造成了巨大的影響。所以當(dāng)前現(xiàn)代化礦井的生產(chǎn)不僅要解決煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化的問題，還要解決生產(chǎn)過程中存在的安全問題，特別是瓦斯防治能力。保障煤礦的安全生產(chǎn)，除進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦安全管理意識(shí)外，關(guān)鍵是做好安全評(píng)價(jià)，形成煤礦井上、井下可靠的安全預(yù)警機(jī)制和管理決策信息通道。目前，雖有一些文獻(xiàn)對(duì)煤炭企業(yè)瓦斯防治能力評(píng)估進(jìn)行了定量研究，如孫霞[3],針對(duì)瓦斯爆炸為煤礦安全生產(chǎn)中主要事故的現(xiàn)狀，提出基于TS型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯預(yù)測算法；高麗麗等[4]針對(duì)煤礦井下環(huán)境的應(yīng)用需求，運(yùn)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建了煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控系統(tǒng),提出一種模糊邏輯算法,通過該算法處理采集到的數(shù)據(jù),進(jìn)行自適應(yīng)報(bào)警調(diào)整。但多數(shù)停留在定性研究上。我們將應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)原理對(duì)煤礦瓦斯防治能力進(jìn)行定量評(píng)估。

模糊數(shù)學(xué)又稱Fuzzy 數(shù)學(xué)，是研究和處理模糊性現(xiàn)象的一種新的數(shù)學(xué)理論和方法。它以“模糊集合”論為基礎(chǔ)，提供了一種處理不肯定性和不精確性問題的新方法，是描述人腦思維處理模糊信息的有力工具。它既可用于“硬”科學(xué)方面，又可用于“軟”科學(xué)方面。 模糊數(shù)學(xué)由美國控制論專家L.A.扎德(L.A.Zadeh)教授所創(chuàng)立。他于1965年發(fā)表了題為《模糊集合論》(《FuzzySets》)的論文，從而宣告模糊數(shù)學(xué)的誕生。模糊數(shù)學(xué)是一門新興學(xué)科，是用精確的數(shù)學(xué)方法來處理無法用數(shù)字精確描述的模糊概念或事物，適用于所有經(jīng)典數(shù)學(xué)不能應(yīng)用的領(lǐng)域[5,6]。它已初步應(yīng)用于模糊控制、模糊識(shí)別、模糊聚類分析、模糊決策、模糊評(píng)判、系統(tǒng)理論、信息檢索、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等各個(gè)方面?？梢赃\(yùn)用模糊數(shù)學(xué)原理，通過建立合理的模糊數(shù)學(xué)模型，對(duì)煤礦瓦斯防治能力進(jìn)行多方面、多層次的綜合定量評(píng)估。

1 煤礦瓦斯防治能力等級(jí)評(píng)估模型的數(shù)學(xué)原理

模型是利用模糊綜合評(píng)判決策的原理，是對(duì)受多種因素影響的事物作出全面評(píng)價(jià)的一種十分有效的多因素評(píng)價(jià)方法[7]。

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.2 建立數(shù)學(xué)模型的步驟

①確定因素集U={u1,u2,u3,…,un}，進(jìn)而確定因素集對(duì)應(yīng)的權(quán)重集。

②確定評(píng)判集V={v1,v2,v3,…,vm}。

③建立模糊矩陣(單因素評(píng)判)：引進(jìn)U到V的模糊映射f，對(duì)每一個(gè)因素ui，進(jìn)行單因素評(píng)判，有f(ui)=(ri1,ri2,ri3,…，rim)，由此可得模糊關(guān)系Rf(ui,vj)=f(ui)(vj)=rij，可得單因素評(píng)判矩陣R，便得到一個(gè)模糊綜合決策模型(U,V,R)。

④綜合評(píng)判：對(duì)于權(quán)重A={a1,a2,a3,…,an}∈Γ(U)，作合成運(yùn)算，即用模型M(∧,∨)計(jì)算，可得綜合評(píng)判B=A·R。

2 模型應(yīng)用——以廣安市華鎣豐源實(shí)業(yè)有限公司(新興煤礦)為例

我們以《廣安市華鎣豐源實(shí)業(yè)有限公司(新興煤礦)煤礦瓦斯防治能力評(píng)估報(bào)告書》為依據(jù)[8]，按照上面的數(shù)學(xué)原理建立評(píng)估模型，對(duì)廣安市華鎣豐源實(shí)業(yè)有限公司(新興煤礦)煤礦瓦斯防治能力進(jìn)行評(píng)估。

2.1 因素集U的確定

從評(píng)估報(bào)告書中可知[8]，影響煤礦瓦斯防治的主要因素有以下五個(gè)方面：防突機(jī)構(gòu)設(shè)置、人員培訓(xùn)和管理制度、防突技術(shù)裝備及投入、主要系統(tǒng)及設(shè)施、綜合防突措施，詳見表1：

表1 影響煤礦瓦斯防治的主要指標(biāo)

由上面的分析，可建立評(píng)價(jià)模型因素集：U=U1∪U2∪U3∪U4∪U5,其中U1、U2、U3、U4、U5分別為防突機(jī)構(gòu)設(shè)置情況、人員培訓(xùn)和管理制度情況、防突技術(shù)裝備及投入情況、主要系統(tǒng)及設(shè)施情況、綜合防突措施情況。根據(jù)評(píng)估報(bào)告書[8]中專家評(píng)議結(jié)果，得出以上五個(gè)要素的評(píng)估權(quán)重集為{0.1，0.1，0.2，0.3，0.3}，用向量表示為[0.1，0.1，0.2，0.3，0.3]。

2.2 評(píng)判集V的確定

評(píng)價(jià)集V={V1，V2，V3，V4},其中V1，V2，V3，V4分別為：有較強(qiáng)防治能力、具有防治能力、基本不具有防治能力、不具有防治能力。則評(píng)估向量可取為V={2，1，0，-1}，表示為(2，1，0，-1)。

2.3 單因素模糊評(píng)估

根據(jù)上文方法，聘請(qǐng)10位煤炭專家根據(jù)評(píng)估報(bào)告按“有較強(qiáng)防治能力”、“具有防治能力”、“基本不具有防治能力”、“不具有防治能力”的等級(jí)進(jìn)行了評(píng)分，各因素獲得各等級(jí)的次數(shù)統(tǒng)計(jì)表如表2：

表2 各因素獲得各等級(jí)的次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

分別對(duì)五個(gè)要素按照獲得“有較強(qiáng)防治能力”的次數(shù)N1，“具有防治能力”的次數(shù)N2，“基本不具有防治能力”的次數(shù)N3，“不具有防治能力”的次數(shù)N4，以N1/10，N2/10，N3/10，N4/10作為評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，得到5個(gè)因素相對(duì)于不同等級(jí)的隸屬度，進(jìn)而得到相應(yīng)的單因素模糊評(píng)價(jià)集R1={0.8,0.2,0,0}，R2={0.7,0.2,0.1,0}，R3={0,0,0.4,0.6}，R4={0,0,0,1}，R5={0,0,0.3,0.7}。以單因素模糊評(píng)價(jià)度的隸屬度為行，組成單因素評(píng)價(jià)矩陣如下：

根據(jù)各因素的權(quán)重集評(píng)估權(quán)重集計(jì)算可得：

從而得到模糊評(píng)估矩陣最終評(píng)估結(jié)果：

我們用下面的方法確定最后的評(píng)價(jià)結(jié)果[7]：

W≤-0.5為“不具有防治能力”，-0.5

3 結(jié)論

通過以上評(píng)價(jià)過程不難看出模型具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)煤礦瓦斯防治能力等級(jí)評(píng)估主要是為了實(shí)現(xiàn)煤礦的安全生產(chǎn)。應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)多層次綜合評(píng)價(jià)原理和方法，對(duì)煤礦瓦斯隱患進(jìn)行系統(tǒng)的、多層次的分析和研究，把定性分析和定量判斷結(jié)合起來，判斷預(yù)防瓦斯的能力并提出安全建議，使對(duì)煤礦瓦斯防治能力評(píng)價(jià)達(dá)到了量的層次。從而為指導(dǎo)危險(xiǎn)源監(jiān)控和事故預(yù)防，制定防范措施和管理決策提供科學(xué)依據(jù)，以達(dá)到瓦斯最低事故率、最少損失和安全生產(chǎn)目的。

(2)模型建立過程簡單、工作量小、準(zhǔn)確性高、實(shí)用性強(qiáng)。

(3)模型評(píng)價(jià)方法具有規(guī)范性、先進(jìn)性、科學(xué)性和一般性，可用來對(duì)多數(shù)煤礦進(jìn)行瓦斯防治能力鑒定。

(4)結(jié)果的可靠性關(guān)鍵取決于評(píng)價(jià)指標(biāo)或評(píng)價(jià)因素的合理選取。模型中因素集的確定會(huì)直接影響到評(píng)估結(jié)果，因素的選取應(yīng)遵循“完備性、不相容性、科學(xué)性、可操作性、可比性、科學(xué)性”。

[1] 事故查詢系統(tǒng)[EB/OL]．http://media.chinasafety.gov.cn:8090/iSystem/shigumain.jsp,2013-04-18.

[2] 孟薇,張飛燕,袁東升.我國煤與瓦斯突出事故統(tǒng)計(jì)分析及防治措施[J]．中州煤炭，2012,(12) .

[3] 孫霞．基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯預(yù)測[J]. 安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012,(3).

[4] 高麗麗，崔麗珍，于洤．基于WSN和模糊邏輯的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦安全，2012,(7).

[5] 楊綸標(biāo)，高英儀，凌衛(wèi)新．模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用(第5版)[M]．廣州：華南理工大學(xué)出版社，2011．

[6] 張國,張輝，孔倩．模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011．

[7] 謝季堅(jiān)，劉承平．模糊數(shù)學(xué)方法及應(yīng)用(第3版)[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006．

[8] 廣安市華鎣豐源實(shí)業(yè)有限公司(新興煤礦)煤礦瓦斯防治能力評(píng)估報(bào)告書[EB/OL]．http://wenku.baidu.com/view/f7842ae94afe04a1b071decb.html，2013-04-21.

[編校：楊英偉]

Fuzzy Mathematical Analysis of Coal Mine Gas Prevention and Control Capacity Rating

WEN Xinmiao, HUANG Hongfang

(DepartmentofPrimaryEducationofZhangjiakouCollege,ZhangjiakouHebei075000)

A mathematical model is created by the use of the principle of fuzzy mathematics and following the steps including determining factor set, establishing the judge set, the single-factor evaluation and a comprehensive evaluation. Based on the principle of the model, the paper, by taking Guang'an City Huaying Fengyuan Industrial Co., Ltd. (emerging coal) for example, evaluates its gas prevention and control capacity. The model features universality and operability. Its calculation process is simple, and the results of the evaluation are accurate and reliable. It has a high application value.

fuzzy mathematics; coal mine gas; prevention and control capacity; assessment

2015-02-20

溫新苗(1981- ),男, 河北懷安人,講師,理學(xué)碩士,研究方向?yàn)榻M合數(shù)學(xué)、高等數(shù)學(xué)教育。

TD

A

1671-9654(2015)01-065-04