基于matlab確定采煤工作面環(huán)境評價模型參數(shù)的權(quán)重

魏洪霞 高凌輝

摘 要：采煤工作面環(huán)境直接影響工作人員的身體健康，所以做好粉塵監(jiān)測評價工作成為重中之重，有效的評價可以體現(xiàn)采煤工作面環(huán)境治理的效果，只有做好有效的監(jiān)測及評價工作才能更好地防塵降塵以及做好其他的環(huán)境優(yōu)化，本文采用層次分析法，利用matlab確定采煤工作面環(huán)境評價模型的評價因素的權(quán)重，為后續(xù)利用模型對采煤工作面環(huán)境進行綜合的安全評價做準(zhǔn)備。

關(guān)鍵詞：采煤工作面；環(huán)境評價；權(quán)重

1 模型介紹

采煤工作面粉塵環(huán)境評價數(shù)學(xué)模型從自然因素，開采條件，體感因素三個方面來評價粉塵環(huán)境，自然條件分為：煤種，原煤含水率，原煤含矸率，頂板淋水量；開采條件分為：一次采全高（放頂煤開采），煤機噴霧流量，支架噴霧流量，煤層注水量；體感因素分為：煤塵濃度，空氣濕度，空氣溫度，風(fēng)速，風(fēng)壓。

模型將每個因素分為三個等級進行評價，模型從左向右等級由高變低，D1/100時等級最高?，F(xiàn)等級界限值為專家小組經(jīng)驗值及查閱相關(guān)文獻(xiàn)所定的初步值，不一定準(zhǔn)確，后續(xù)將加以論證，本論文不做論證。

此模型的創(chuàng)新點是：體感因素所占權(quán)重最大。由于自然條件是不可控因素，所以占比最小，開采條件對粉塵環(huán)境有一定影響，占比稍高于自然條件，體感因素是可以通過相應(yīng)措施來優(yōu)化提升的，所以最能體現(xiàn)一個礦井的防塵措施的優(yōu)劣，因此，體感因素占有大部分比重。

模型如下：

說明：

（1）環(huán)境評價值P=N×D+M×D+S×D

（2）環(huán)境最優(yōu)值PMIN=N×D1+M×D1+S×D1=100

（3）環(huán)境最差值PMAX=N×D3+M×D3+S×D3=60

（4）如1102工作面的參數(shù)為：煤種為氣肥煤、原煤含水率>20%、原煤含矸率>20%、頂板淋水量<1m3/h、煤層厚度3米一次采全高、煤機噴霧流量8m3/h、支架間無噴霧、未進行煤層注水、煤塵濃度平均280mg/m3、空氣濕度50%、空氣溫度30℃、風(fēng)速3m/s、風(fēng)壓101KPa。

則1102工作面P1102=N1×D2+N2×D3+N3×D3+N4×D3

+M1×D2+M2×D2+M3×D3+M4×D3

+S1×D2+S2×D1+S3×D2+S4×D1+S5×D1

（5）分級思路

①環(huán)境最優(yōu)值為100，即礦井自然因素條件都是最優(yōu)的，開采條件也是最優(yōu)的，體感因素也都是最優(yōu)的，自然因素、開采條件、體感因素均在D1水平。

②體感因素均在D1水平，開采條件中M3、M4、M5也均在D1水平。其它均為D3水平時（即人為可控制因素情況較好，礦井自身因素較差） 是環(huán)境綜合管理最優(yōu)的，按照此計算的P值為優(yōu)秀的與良好的界限。

③體感因素在D3水平，其他均在D1水平（即體感因素情況較差，自身條件及防塵措施較好），按照此計算的P值為良好和中等的界限。

④體感因素在D3水平，開采條件中M3、M4、M5在D3水平，其他均在D1水平（即體感因素情況及防塵措施較差，自身條件較好）是環(huán)境綜合管理是最差的，按照此計算的P值為中等和差的界限。

⑤環(huán)境最差值為60，即即礦井自然因素條件都是最差的，開采條件也是最差的，體感因素也都是最差的，自然因素、開采條件、體感因素均在D3水平。

2 模型評價參數(shù)權(quán)重的確定方法

本論文采用層次分析法驗證采煤工作面粉塵環(huán)境評價模型的各層次的權(quán)系數(shù)。先采取專家意見法初步給出權(quán)系數(shù)，再采用層次分析法確定權(quán)系數(shù)，然后利用確定的模型對采煤工作面粉塵環(huán)境進行綜合的安全評價。

層次分析法，簡稱AHP，是指將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進行定性和定量分析的決策方法。該方法是美國運籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂于20世紀(jì)70年代初，在為美國國防部研究"根據(jù)各個工業(yè)部門對國家福利的貢獻(xiàn)大小而進行電力分配"課題時，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評價方法，提出的一種層次權(quán)重決策分析方法[3]。

層次分析法是將決策問題按總目標(biāo)、各層子目標(biāo)、評價準(zhǔn)則直至具體的備投方案的順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各元素對上一層次某元素的優(yōu)先權(quán)重，最后再加權(quán)和的方法遞階歸并各備擇方案對總目標(biāo)的最終權(quán)重，此最終權(quán)重最大者即為最優(yōu)方案。層次分析法力圖模擬人在決策思維過程中的三個基本特征（即分解、判斷和綜合）對復(fù)雜的問題進行分層次的、擬定量的、規(guī)范化的處理，同時還在整個處理過程加入統(tǒng)計檢驗。

層次分析法的基本思想是：根據(jù)問題的性質(zhì)和要達(dá)到的總目標(biāo)，將問題分解為不同的組成因素，并按照因素間的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系將因素按不同層次聚集組合，形成一個多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，從而最終使問題歸結(jié)為最低層（供決策的方案、措施等）相對于最高層（總目標(biāo)）的相對重要權(quán)值的確定或相對優(yōu)劣次序的排定。由此可見，層次分析法主要包括兩方面內(nèi)容，一是建立層次模型；二是確定各元素在單一準(zhǔn)則下的相對權(quán)重及對目標(biāo)層的合成權(quán)重[4]。

3 模型評價參數(shù)權(quán)重的計算

3.1 第一級因素權(quán)重的計算

第一級評價因素包括：自然條件（N），開采條件（M），體感因素（S）。按照層次分析法構(gòu)造了子體系重要性判斷矩陣。

應(yīng)用MATLAB軟件，計算N，M，S所構(gòu)成的矩陣，得出特征向量和最大特征值λmax=3.0055 。

將求得的最大特征值 λmax和該矩陣的階數(shù)n（這里n=3）代入公式中，求出一致性指標(biāo) ，由n=3可得到比例系數(shù)R.I=1.12 ，再將C·I 和R·I 的值代式（2.3），求得隨機一致性比值C·R=0.00529<0.1 。

按一致性判斷標(biāo)準(zhǔn)，該矩陣具有滿意的一致性，確定的各因素的權(quán)重是合理的。

3.2 第二級因素權(quán)重的計算

①自然條件（N）的子因素權(quán)重的計算

自然條件（N）包括：煤種（N1），原煤含水率（N2），原煤含矸率（N3），頂板淋水量（N4）。

應(yīng)用MATLAB軟件，計算N1-N4所構(gòu)成的矩陣，得出特征向量和最大特征值λmax=4.0407 。

講求得的最大特征值λmax 和該矩陣的階數(shù)n（這里n=5）代入公式中，求出一致性指標(biāo)C·I=0.01357 ，由n=4查表2.2，可得到比例系數(shù)R·I=0.89 ，再將C·I 和R·I 的值代入式（2.3），求得隨機一致性比值C·R=0.01524<0.1 。

按一致性判斷標(biāo)準(zhǔn)，該矩陣具有滿意的一致性，確定的各因素的權(quán)重是合理的。

②開采條件（M）的子因素權(quán)重的計算

開采條件（M）包括：一次采全高（放頂煤開采）（M1），煤機噴霧流量（M2），支架噴霧流量（M3），煤層注水量（M4）。

應(yīng)用MATLAB軟件，計算N1-N4所構(gòu)成的矩陣，得出特征向量和最大特征值λmax=4.0606 。

將求得的最大特征值λmax 和該矩陣的階數(shù)n（這里n=4）代入公式中，求出一致性指標(biāo)C·I=0.0202 ，由n=4查表2.2，可得到比例系數(shù)R·I=0.89 ，再將C·I 和R·I 的值代入式（2.3），求得隨機一致性比值C·R=0.02270<0.1 。

按一致性判斷標(biāo)準(zhǔn)，該矩陣具有滿意的一致性，確定的各因素的權(quán)重是合理的。

③體感因素（S）的子因素權(quán)重的計算

體感因素（S）包括：煤塵濃度（S1），空氣濕度（S2），空氣溫度（S3），風(fēng)速（S4），風(fēng)壓（S5）。

應(yīng)用MATLAB軟件，計算S1-S5所構(gòu)成的矩陣，得出特征向量和最大特征值λmax=5.0198 。

講求得的最大特征值λmax 和該矩陣的階數(shù)n（這里n=5）代入公式中，求出一致性指標(biāo)C·I=0.00495 ，由n=3查表2.2，可得到比例系數(shù)R·I=1.12，再將C·I 和R·I 的值代入式（2.3），求得隨機一致性比值C·R=0.00442<0.1 。

按一致性判斷標(biāo)準(zhǔn)，該矩陣具有滿意的一致性，確定的各因素的權(quán)重是合理的。

4 結(jié)論

一級評價因素權(quán)重計算結(jié)果：自然條件（N）：0.13，開采條件（M）：0.27，

體感因素（S）：0.60。

參考文獻(xiàn)：

[1]周貴全.淺談煤礦礦塵防治工作的現(xiàn)狀及對策[J].陜西煤炭，2011，30（05）：26-27+52.

[2]林子鈺，張禹，蔣仲安.礦井綜合防塵定量評價系統(tǒng)的設(shè)計研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2006（04）：35-36+39.

*基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目（3142018039；3142018033）