基于可拓理論的煤礦安全動態(tài)預(yù)警模型①

陳孝國，高爾新，王存權(quán)，3，邊曉菲，楊 悅

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083;2.黑龍江科技大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150022;3.大同煤礦集團有限責(zé)任公司，山西 大同037003)

0 引 言

我國不僅是世界上產(chǎn)煤大國，也是煤礦事故發(fā)生頻率較高的國家之一，各類事故每年都會給企業(yè)造成大量資源浪費和人員傷亡，直接和間接經(jīng)濟損失近百億元［1］.所以，研究煤礦安全預(yù)警對預(yù)防事故發(fā)生及提前采取應(yīng)急決策意義重大，科研工作者先后采用了多種方法來評價及預(yù)警煤礦各類易發(fā)災(zāi)害，謝賢平等［2］采用模糊理論對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全性進行了評價.宋杰鯤等［3］給出了煤礦安全預(yù)警指標(biāo)體系，由5 項一級指標(biāo)和12 項二級指標(biāo)構(gòu)成，并綜合運用模糊聚類分析和主成分分析等方法建立了預(yù)警模型.鄧軍等［4］建立了G(0，5)灰色預(yù)測模型對煤的自燃傾向性進行了研究.陳孝國等［5～7］分別借助層次分析法和Vague 集理論對煤自燃和礦井火災(zāi)應(yīng)急救援等相關(guān)問題進行了探討.目前，借助于可拓理論來研究煤礦安全動態(tài)預(yù)警的文獻比較少［8］，基于此，本文首先分析整理了影響煤礦安全的因素指標(biāo)，同時將它隸屬于不同預(yù)警等級的區(qū)間值進行了處理，各因素指標(biāo)權(quán)重采用模糊層次分析法確定，然后借助于可拓理論建立煤礦動態(tài)預(yù)警模型并進行實際應(yīng)用.

1 煤礦安全動態(tài)預(yù)警模型

1.1 構(gòu)建煤礦安全指標(biāo)體系

設(shè)煤礦安全評價因素集V ={V1，V2，V3，V4，V5}.式中:V1為自然地質(zhì)條件;V2為人員情況;V3為設(shè)備運轉(zhuǎn);V4為作業(yè)環(huán)境;V5為管理狀態(tài).

設(shè)煤礦安全評價等級集U={U1，U2，U3，U4}.式中:U1為無警;U2為輕警;U3為中警;U4為重警.

各因素相對于煤礦安全等級的區(qū)間隸屬度可以借助文獻［5］的處理方法進行確定，結(jié)果見表1.

表1 各因素相對于安全等級的區(qū)間隸屬度

1.2 模糊層次分析法

為確定各影響因素的權(quán)重，首先要構(gòu)建模糊一致矩陣［9］，所謂模糊一致矩陣A=(aij)n×n是指滿足:

(1)0 ≤aij≤1(i，j=1，2，…，n)，(2)aij+aji=1(i，j=1，2，…，n)，(3)?i，j，aij=wi－wj+0.5.

如果A 為模糊一致矩陣，則權(quán)重W 可用式wi來計算.需要注意的是，當(dāng)時，需要進行修改，直至滿足wi≥0.

1.3 態(tài)可拓物元預(yù)警方法

(1)建立含有時間參數(shù)的可拓物元Q(t)=(U(t)，V(t)，A(t)).式中U(t)是t 時刻對應(yīng)的煤礦安全物元，V(t)={V1(t)，V2(t)，V3(t)，V4(t)，V5(t)}為t 時刻影響煤礦安全的因素集，A(t)為U(t)關(guān)于V(t)的評價集.

(2)經(jīng)典域及節(jié)域.煤礦安全等級的經(jīng)典域Qj(t)表示如下:

式中:Uj(t)是時刻第j 級安全等級，j=1，2，3，4;Vi(t)為t 時刻Uj(t)的影響因子，i=1，2，3，4，5;A(t)為Uj(t)關(guān)于影響因子的取值范圍.

節(jié)域Q(t)表示為:

式中:U(t)為t 時刻全部安全等級.

(3)關(guān)聯(lián)度計算.設(shè)mi(t)為t 時刻待評對象關(guān)于Vi的值，則待評對象對于經(jīng)典域及節(jié)域的距為.

采用關(guān)聯(lián)函數(shù)

進行關(guān)聯(lián)度計算.

(4)可拓評價.計算時刻待評對象關(guān)于無警、輕警、中警和重警的關(guān)聯(lián)度.

2 同煤集團燕子山礦安全預(yù)警分析

2.1 礦區(qū)背景資料

同煤集團燕子山礦于1978 年由國家投資建礦，1988 年12 月20 日正式投產(chǎn)，1993 年達到設(shè)計產(chǎn)量，井田面積55.2936km2，礦井設(shè)計能力為400萬噸/年，核定生產(chǎn)能力為480 萬噸/年.現(xiàn)主采侏羅系14－2#，14－3#煤層.礦井采用立、斜井綜合開拓布置.有+1140 和+1035 兩個開采水平，礦井為瓦斯礦井，多井口混合式通風(fēng).現(xiàn)測得近三個月的煤礦安全可拓物元 Q(t)= (R(t)，V(t)，A(t))(t=1，2，3)如下:

2.2 可拓評價

第一個月的自然地質(zhì)條件m1(1)關(guān)于無警等級的關(guān)聯(lián)度計算過程如下:

將第一個月所有影響因素mi(1)，i=1，2，3，4關(guān)于各個預(yù)警等級的關(guān)聯(lián)度進行計算，匯總結(jié)果見表2.

表2 第一個月各因素關(guān)于不同預(yù)警等級的關(guān)聯(lián)度匯總

V3 －0.29 0.14 －0.16 －0.44 V4 －0.07 0.04 －0.46 －0.64 V5 －0.12 0.08 －0.42 －0.61

根據(jù)模糊層次分析法求出各因素的權(quán)重W=(0.287，0.225，0.186，0.167，0.135)，計算第一個月關(guān)于各預(yù)警等級的關(guān)聯(lián)度如下:

所以燕子山礦第一個月安全預(yù)警等級為輕警.

同理可以求出第二個月和第三個月關(guān)于預(yù)警等級的關(guān)聯(lián)度如下:

由上述計算結(jié)果可以看出，第二個月和第三個月安全預(yù)警等級分別為輕警和中警，表明隨著時間的推移呈現(xiàn)惡化趨勢，所以應(yīng)該及時采取措施將不安全指標(biāo)因素進行處置，確保煤礦生產(chǎn)安全.

［1］ 榮珍.煤自燃性預(yù)測數(shù)學(xué)模型研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2009:3－7.

［2］ 謝賢平，馮長根.礦井通風(fēng)系統(tǒng)模糊優(yōu)化研究［J］.煤炭學(xué)報，1999(4):379－382.

［3］ 宋杰鯤，李繼尊.基于PCA－AR 和K 均值聚類的煤炭安全預(yù)警研究［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008(2):105－109.

［4］ 鄧軍，陳曉坤，翟小偉，等.煤最短自然發(fā)火期灰色預(yù)測模型研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2004，24(4):406－408.

［5］ 陳孝國，杜紅，高爾新，等.煤層自然危險性的模糊－可拓理論模型［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29(3):29－33.

［6］ 陳孝國，杜紅，母麗華，等.不確定條件下礦井火災(zāi)救災(zāi)路線優(yōu)選的群決策方法［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2014，24(3):167－171.

［7］ 陳孝國，母麗華，杜紅，等.煤礦突發(fā)事件應(yīng)急救援的群決策方法［J］.災(zāi)害學(xué)，2015，30(1):167－170.

［8］ 蔡文.可拓學(xué)概述［J］.系統(tǒng)工程理論與實踐，1998，18(1):76－84.

［9］ 李永，胡向紅，喬箭.改進的模糊層次分析法［J］.西北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，35(1):11－12.