煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害風(fēng)險評價與預(yù)測

高玉翠

摘 ? 要：煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害的發(fā)生，對人員安全及工程進(jìn)度造成了嚴(yán)重的影響。基于煤礦瓦斯爆炸風(fēng)險評價的重要性，根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查和專家評價方法建立了煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害風(fēng)險評價體系，采用了物元分析法和層次分析法（AHP）進(jìn)行合成確定指標(biāo)權(quán)重。以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為評價工具，構(gòu)建瓦斯爆炸災(zāi)害綜合評價預(yù)測模型。以某煤礦為例，基于物元分析和AHP的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型預(yù)測誤差最大不到4%，評價結(jié)果符合專家思維。結(jié)果表明：煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害風(fēng)險評價模型準(zhǔn)確性高實用性強，具有重要的參考價值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：瓦斯爆炸 ?物元分析法 ?層次分析法 ?BP網(wǎng)絡(luò) ?風(fēng)險評價

中圖分類號：X936 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0242-06

在煤礦安全生產(chǎn)中，瓦斯是最重要的危害因素之一。我國現(xiàn)存大量瓦斯礦井，伴隨著開采深度的增加，高強度機械化作業(yè)以及集約化的生產(chǎn)方式，瓦斯涌出量急劇增加，煤礦爆炸災(zāi)害風(fēng)險也隨之加劇，瓦斯防治異常困難[1]。煤礦瓦斯不僅在施工中會危及煤礦施工的安全，影響進(jìn)度，而且一旦采取的措施不當(dāng)，還會出現(xiàn)一系列的問題，給人們的日常生活造成極大的損失。因此，有必要對煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行評估。

目前用于評價煤礦瓦斯安全常用的傳統(tǒng)方法有灰色評價法、模糊綜合評價法、層次分析法等，但這些方法在實際應(yīng)用中常受認(rèn)識上的模糊性、評價人員的主觀性、評價過程隨機性等多種因素的影響，而且使用單一的評價方法，難以反映煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害風(fēng)險評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性。因此，需要引用更加準(zhǔn)確客觀的評價方法，如組合式的評價方法，安永林等將可拓學(xué)理論與簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)結(jié)合，進(jìn)行了瓦斯爆炸易發(fā)性評估[2]，屈娟等運用模糊數(shù)學(xué)與AHP法進(jìn)行危險性評估[3]，施式亮等運用灰色聚類與AHP法進(jìn)行了事故演化危險性風(fēng)險評估[4]等。還有一些采用了較為新穎的方法，如李潤求等建立了IAHP-ECM和PSO-SVM風(fēng)險評估模型[5-6]，謝國民建立了FOA-SVM風(fēng)險識別模式[7]等，這些都豐富了煤礦瓦斯防治技術(shù)研究。但是采用這些評價方法進(jìn)行評價時數(shù)據(jù)的初期采集和整理仍然具有較強的主觀性。因此，本文以物元分析法與AHP進(jìn)行有機結(jié)合確定指標(biāo)權(quán)重，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8-9]建立煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害風(fēng)險評估模型，該模型能夠從理論上解決AHP權(quán)重確定的主觀性和片面性，使評價方法更為科學(xué)，為煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害預(yù)測與治理提供了依據(jù)。

1 ?綜合評價方法

1.1 構(gòu)造層次分析結(jié)構(gòu)

本文參照國內(nèi)有關(guān)煤礦瓦斯災(zāi)害分析的相關(guān)成果，結(jié)合煤礦瓦斯具體工程實踐，建立了煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害評價指標(biāo)模型。模型評價總目標(biāo)為煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害風(fēng)險，其準(zhǔn)則層由固有危險源、誘發(fā)危險源、人的因素構(gòu)成。為了便于分析，量化各指標(biāo)，易于操作，根據(jù)實際情況依次選擇了對應(yīng)三大準(zhǔn)則層的對應(yīng)指標(biāo)。共計16個指標(biāo)作為煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害風(fēng)險評估的基礎(chǔ)[10-12]，具體見圖1。

1.2 物元分析法

2 ?應(yīng)用實例

根據(jù)前面確定的煤礦瓦斯爆炸風(fēng)險層次結(jié)構(gòu)，本文結(jié)合前人研究結(jié)果，通過咨詢國內(nèi)6位相關(guān)資深專家，建立判斷矩陣。首先對準(zhǔn)則層建立如下判斷矩陣：

經(jīng)過一致性檢驗后計算得出各指標(biāo)權(quán)重構(gòu)造復(fù)合物元R。

根據(jù)式（2）-（4）確定的經(jīng)典域物元、節(jié)域物元及待測物元，關(guān)聯(lián)函數(shù)復(fù)合物元RO及專家效度物元，根據(jù)式（5）得指標(biāo)權(quán)重物元

同理可得各指標(biāo)層權(quán)重，如表1。

根據(jù)表1中得出的各影響因素的指標(biāo)權(quán)重，可知其中煤層瓦斯含量（X1）、煤層厚度（X2）、煤層埋藏深度（X3）、通風(fēng)系統(tǒng)（X7）、瓦斯抽風(fēng)率（X8）、設(shè)備安全可靠性（X11）、措施規(guī)范執(zhí)行水平（X12）、管理人員安全技術(shù)水平（X14）及安全投入（X15）對瓦斯爆炸的影響最為顯著，本文將基于這九個因素與瓦斯爆炸之間的關(guān)系為基礎(chǔ)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

選取某礦的統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為樣本[12，16]，其中定量指標(biāo)數(shù)值直接獲取，定性指標(biāo)數(shù)值由專家打分獲取。通過分析可知X1、X3為極小型指標(biāo)，其余為極大型指標(biāo)。根據(jù)瓦斯涌出量越小越安全原則，通過公式（6）變換將極大型指標(biāo)轉(zhuǎn)化為極小型指標(biāo)后，將原始數(shù)據(jù)根據(jù)公式（8）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計算綜合風(fēng)險評價結(jié)果，見表2。

根據(jù)煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害評價指標(biāo)，確定9個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點，1個輸出層節(jié)點，即可得到評價結(jié)果。隱含層函數(shù)和輸出層函數(shù)選取Sigmoid變換函數(shù)，并反復(fù)試驗，選取19個隱含層節(jié)點。表2中的前14組數(shù)據(jù)為學(xué)習(xí)樣本，用以訓(xùn)練神經(jīng)元連接權(quán)值，學(xué)習(xí)精度，勢態(tài)因子α=0.8，學(xué)習(xí)速率為0.1，后4組數(shù)據(jù)作為檢驗樣本。經(jīng)過1211次學(xué)習(xí)后，其學(xué)習(xí)結(jié)果見表3。

訓(xùn)練結(jié)束后，校驗數(shù)據(jù)分別輸入練好的BP網(wǎng)絡(luò)，得出風(fēng)險等級排序結(jié)果見表4。

從表3看出本次訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂，穩(wěn)定性較好，模擬精度較高。從表4中可以看出，利用模型的輸出值與期望值之間的誤差可控制在4%以內(nèi)，煤礦瓦斯風(fēng)險性與專家排序一致，表明運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測評價煤礦瓦斯爆炸安全性，誤差可控、方法可行。將訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)保存后，今后對其他煤礦瓦斯安全性進(jìn)行跟蹤評價，只需要輸入待評價指標(biāo)值，就可獲得動態(tài)綜合評價結(jié)果。

3 ?結(jié)語

（1）考慮到煤礦瓦斯環(huán)境的特殊性及煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害各種影響因素，本文將物元分析法，層次分析法，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種方法進(jìn)行集成，構(gòu)建了基于物元分析和AHP的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯風(fēng)險評價模型，利用AHP與物元分析確定權(quán)重方面的優(yōu)勢來確定煤礦瓦斯安全評價指標(biāo)的權(quán)重，修正了單一AHP法確定權(quán)重地片面性，確保了風(fēng)險模型評價的科學(xué)性與正確性。

（2）該模型能夠系統(tǒng)評價煤礦瓦斯爆炸風(fēng)險高低，根據(jù)模型評價結(jié)果，對評價風(fēng)險較高的，可以提前做好措施，改進(jìn)施工工藝，減小瓦斯爆炸災(zāi)害造成的損失。

（3）文中將AHP與物元分析和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)縱向結(jié)合，構(gòu)建集成模型應(yīng)用于煤礦瓦斯爆炸預(yù)測與評價中，該集成模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測各指標(biāo)因素對煤礦瓦斯爆炸的影響程度，具有廣泛的應(yīng)用推廣價值。

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