基于組合賦權(quán)-集對分析的煤礦煤塵爆炸危險性評價研究

仝瑞剛，曹慶貴，宋 潔，董 浩

(山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590)

煤塵爆炸事故是目前是我國煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅之一，系統(tǒng)、科學、合理地辨識煤礦爆炸的危險因素，開展煤礦爆炸危險性評價，可有效防范煤礦爆炸事故的發(fā)生。目前學者對于煤塵爆炸危險性預測方面研究不多，李雨成等[1-5]對于煤塵爆炸危險的研究較為廣泛，主要有：在量綱分析理論的基礎(chǔ)上建立了煤礦煤塵爆炸能量預測模型；通過對40種煤樣進行實驗測試，根據(jù)煤塵的變質(zhì)程度建立煤塵爆炸危險的模糊結(jié)構(gòu)元綜合決策模型；通過激波管道改造，可以實現(xiàn)以火焰長度來劃分煤塵爆炸的等級，并以改進的近鄰函數(shù)準則來評價煤塵爆炸的危險等級；以煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑チμ匦砸蜃优cBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，基于主因子分析與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，實現(xiàn)了煤塵爆炸危險預警。施書磊[6]、陳慧慧等[7]通過研究模糊事故樹研究煤塵爆炸危險性預測。張夢雅等[8]通過改進乘此分析模型來對煤塵爆炸危險性進行評價。目前煤塵爆炸危險性評價方法研究較少，且方法單一，存在局限性，計算粗略，人為主觀性影響大，本文通過研究提出一種準確合理的集對分析-組合賦權(quán)煤塵爆炸危險性評價模型，可為有煤塵爆炸危險性的煤礦進行安全評價提供借鑒作用。

1 煤塵爆炸評價指標體系

煤塵爆炸是一種極快的化學反應過程，其起因和影響因素很多，各因素間存在復雜的關(guān)聯(lián)性，當煤塵受到空氣波震動或者有氣流吹動時，即可形成懸浮狀態(tài)，一旦遇到滿足煤塵濃度、氧氣濃度、最低著火點、形成煤塵云等條件，很容易造成煤塵燃燒爆炸事故。煤礦在生產(chǎn)過程中，要科學合理地對煤塵爆炸危險性進行評價，需要選取反映現(xiàn)場實際生產(chǎn)狀況的指標，建立煤塵爆炸危險性評價體系。通過前期資料分析，以及本課題組成員的研討，煤塵爆炸的影響因素主要包括以下幾個方面。

1) 由煤塵爆炸特性的工業(yè)分析測試可知，煤塵的粒徑、揮發(fā)分、水分、灰分對煤塵的煤塵爆炸有影響作用：隨煤塵的變質(zhì)程度升高，煤塵中揮發(fā)分減少，其最低著火點溫度顯著升高，煤塵越容易著火，爆炸的潛在危險越大；煤塵粒度越小，在形成煤塵云時的比表面積更大，參與燃燒的活化量更大，爆炸危險性也就越強；煤塵灰分是煤炭燃燒剩余產(chǎn)物，灰分不能燃燒，具有抑制著火的作用，煤塵中灰分越高，其燃燒放出的熱量越少，其爆炸危險性越低。煤塵中水分在著火過程中會析出，帶走著火過程中產(chǎn)生的熱量，增大煤塵的最低著火溫度，隨著煤塵中水分的增加，煤塵爆炸危險性會受到抑制。

2) 引火源作為誘發(fā)煤塵爆炸的直接原因，主要包括以下三種：爆炸火焰、機電火花、摩擦火花；煤礦炮采等生產(chǎn)方式、不符合煤礦安全標準的生產(chǎn)設(shè)備、井下違反操作規(guī)程拆卸、啟閉電源都會產(chǎn)生引火源。

3) 采取適當?shù)拇胧┛梢越档兔簤m濃度，綜采在生產(chǎn)時，工作面采取噴霧降塵措施，產(chǎn)生煤塵量少，危險性降低；合理的井下通風方式及時吹散煤塵；定期沖刷巷道除塵等通風、預防措施，采取有效的監(jiān)測監(jiān)控措施對巷道中煤塵濃度進行檢查、煤礦安全技術(shù)人員定期巡查等安全管理措施也會使煤塵爆炸的危險性降低。

通過對煤塵爆炸的起因、爆炸產(chǎn)生的條件、煤塵爆炸影響因素等方面進行綜合分析，選取可爆性危險、煤塵濃度危險、引火源危險3個一級指標；揮發(fā)分、水分、灰分、粒徑等14個二級指標，建立煤礦煤塵爆炸危險性評價體系。該煤塵爆炸危險性評價體系如圖1所示。

圖1 煤塵爆炸危險性評價體系

Fig.1 Risk assessment system of coal dust explosion

2 集對分析理論

集對分析借助聯(lián)系數(shù)可以用來解決不確定性的數(shù)學分析理論，聯(lián)系數(shù)一般以μ來表示，見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：N為2個集合具有的特性總數(shù)；S為2個集合共有的特性數(shù)；P為兩個相互對立的特性數(shù)；F為集對中不共有也不對立的特性數(shù)；i為差異度系數(shù)，其取值范圍為[-1,1]；j為對立度系數(shù)，其取值為-1。

實際情況下，集對分析的準確度并不能滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求，因此應對式(1)進行優(yōu)化，見式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：N1、N2、N3為不同類別集對中2個集合具有的特性總數(shù)；F1、F2、F3為不同類別集對中不共有也不對立的特性數(shù)；i1、i2、i3為差異度系數(shù)，其取值范圍均為[-1,1]。

設(shè)U={u1,u2…un}為項目評價因素集合，評價因素ui(1≤i≤n)的評價等級為X={x1,x2,x3,x4,x5},則評價對象關(guān)于評價因素ui的同異反評價為rs1+rs2i+rs3i+rs4i+rs5j,式中rs1+rs2+rs3+rs4+rs5=1,則有同異反評價矩陣表達式見式(5)。

(5)

(6)

化簡可得式(7)。

(7)

式中：μ為各評價指標間總聯(lián)系度；ws為各評價指標所占權(quán)重。

由最大隸屬的原則可知，最大聯(lián)系度所在級別即為最終的評價級別。

3 組合權(quán)重

將兩種或者兩種以上的權(quán)重確定方法相互結(jié)合，建立一種新的權(quán)重確定方法即為組合權(quán)重，本文以熵權(quán)法和層次分析法為例，進行組合賦權(quán)。由于熵權(quán)法缺乏各指標之間的橫向比較，且各指標權(quán)數(shù)隨樣本而變化，客觀性較強，而層次分析法計算較為粗略，專家打分存在偶然性、主觀性等，對熵權(quán)法和層次分析法各自計算出的權(quán)重進行乘法歸一化處理，得出組合權(quán)重，在一定程度上可以緩解熵權(quán)法和層次分析法在指標賦權(quán)上的不足。

3.1 層次分析法計算指標權(quán)重

層次分析法評定評價指標的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是用1～9標度法構(gòu)建判斷矩陣，1～9標度法見表1。

表1 1～9標度法判斷標準

由專家對各個層次指標的重要程度進行評價，得到準則層和各指標層因素的判斷矩陣，并根據(jù)判斷矩陣求出最大特征值λmax對應的特征向量W，對特征向量歸一化處理后，得到各評價因素的響度權(quán)重。權(quán)重W和最大特征值的計算公式見式(8)～(11)。

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：aij為判斷矩陣第i行第j列元素；i=1,2,3,…,n；j=1,2,3,…,n。

各評價指標權(quán)重向量見式(12)。

W=(W1,W2,…,Wi,…,Wn)

(12)

3.2 熵權(quán)法計算指標權(quán)重

熵權(quán)法根據(jù)實測數(shù)據(jù)的差異程度和提供的信息量多少來確定評價指標，熵權(quán)值越小，評價指標權(quán)重越大。

待評價對象M=(M1,M2,…,Mm),評價指標D=(D1,D2,…,Dn),待評價對象Mi對評價指標Dj可記作Xij,則評價矩陣見式(13)。

(13)

將得到的評價矩陣進行無量綱化處理得式(14)。

(14)

j指標下第i個待評價對象的特征比重Pij計算見式(15)。

(15)

第j向指標的熵值ej計算見式(16)。

(16)

第j向指標的差異系數(shù)dj計算見式(17)。

dj=1-ej

(17)

各指標的熵權(quán)值wj計算見式(18)。

(18)

3.3 組合權(quán)重的確定

對熵權(quán)法和層次分析法的權(quán)重進行相乘后歸一化處理，見式(19)。

(19)

式中，ai、bi為第i個屬性值的熵權(quán)法權(quán)重和層次分析法權(quán)重。

4 組合賦權(quán)-集對分析評價模型的建立

設(shè)第s個評價對象的聯(lián)系度為μs,應用集對分析原理對評價指標進行運算，則第k項指標的聯(lián)系度μsk,其組合權(quán)重的表達式wk,則評價指標復合權(quán)重的表達式見式(20)。

μs=wkμsk

(20)

由上述內(nèi)容可知，評價指標復合權(quán)重的表達式還可以表示為式(21)。

(21)

5 現(xiàn)場實踐

以山東省濟寧市金鄉(xiāng)縣某礦為例，該礦設(shè)計生產(chǎn)能力為90萬t/a，目前礦井有2個綜采工作面和5個掘進工作面，采用走向長壁采煤法開采，全部垮落法管理頂板，主采3煤層，鉆孔煤層煤塵爆炸測試成果顯示，3煤層主要為肥煤，揮發(fā)分為35.11%，火焰長度微火-300 mm，巖粉量75%，存在煤塵爆炸的危險，在生產(chǎn)過程中應采取預防煤塵爆炸措施。

5.1 集對分析-組合賦權(quán)評價模型

以7個煤塵爆炸危險性評價指標，構(gòu)建煤塵爆炸危險性評價因素集合U={u1,u2…u7},各評價指標的評價等級為X={x1,x2,x3,x4,x5},其中x1為Ⅰ級(安全等級)，x2為Ⅱ級(較安全等級)，x3為Ⅲ級(一般危險等級)，x4為Ⅳ級(較危險等級)，x5為Ⅴ級(危險等級)。則煤塵爆炸危險性評價因素的同異反評價為rs1+rs2i+rs3i+rs4i+rs5j,式中rs1+rs2+rs3+rs4+rs5=1。煤塵爆炸危險性評價指標分級標準見表2。

將各評價因素歸一化計算結(jié)果見表3。

表2 煤塵爆炸危險性評價指標分級標準

表3 各評價因素歸一化處理結(jié)果

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，由熵權(quán)法確定煤塵爆炸危險性評價體系各因素的權(quán)重集A={0.076 7,0.025 8,0.071 1,0.075 6,0.079 2,0.079 4,0.076 7,0.084 7,0.094 9,0.070 3,0.067 9,0.081 3,0.052 3,0.064 1}。

通過兩兩比較指標間的相對重要程度，由層次分析法確定煤塵爆炸危險性評價因素的判斷矩陣見表4，則由層次分析法計算的煤塵爆炸危險性評價體系各因素的權(quán)重集為B={0.075 9,0.075 1,0.075,0.075 7,0.075 7,0.075 7,0.075 7,0.068 3,0.068 3,0.068 3,0.068 3,0.066,0.066,0.066},經(jīng)一致性檢驗，判斷矩陣和權(quán)重向量是可以接受的。

根據(jù)式(19)將熵權(quán)法和層次分析法得到的權(quán)重進行相乘后歸一化處理，得到的組合權(quán)重向量為：w=[0.081 6,0.027 1,0.074 7,0.080 2,0.084,0.084 2,0.081 3,0.081,0.090 8,0.067 3,0.065,0.075 2,0.048 4,0.059 2]則該礦煤塵爆炸危險性評價結(jié)果的聯(lián)系度表達式為：0.065 4+0.262i1+0.345 7i2+0.249 8i3+0.049 7j。

根據(jù)最大隸屬度原則，該礦的煤塵爆炸危險級別為一般危險等級，具有煤塵爆炸的可能，評價結(jié)果與煤礦鉆孔煤層煤塵爆炸測試成果相互驗證。

5.2 各評價模型結(jié)果比較

根據(jù)前期收集的目前認可度較高的評價模型中，選取已應用于煤礦煤塵爆炸危險性評價改進FAHP模型、模糊事故樹模型、灰色聚類評估體系、未確知測度評價模型[9-10]，對金鄉(xiāng)縣該礦的煤塵爆炸危險性進行評價，將各模型得出評價結(jié)果與集對分析-組合賦權(quán)煤塵爆炸危險性評價模型評價結(jié)果進行對比分析，其結(jié)果見表5。

表4 判斷矩陣

表5 各評價模型結(jié)果對比

由表5可知，集對分析-組合賦權(quán)評價模型與改進FAHP模型、灰色聚類評估體系、未確知測度評價模型的評價結(jié)果一致，比模糊事故樹模型的評價結(jié)果略高，因此集對分析-組合賦權(quán)評價模型對煤塵爆炸危險性評價的適用性高，該評價模型對煤塵爆炸危險性評價具有一定的借鑒作用。

6 結(jié) 論

1) 本文選取可爆性危險、煤塵濃度危險、引火源危險3個一級指標，揮發(fā)分、水分、灰分、粒徑等14個二級指標，建立集對分析-組合賦權(quán)煤塵爆炸危險性評價體系。

2) 將集對分析-組合賦權(quán)煤塵爆炸危險性評價體系應用于濟寧市金鄉(xiāng)縣某礦煤塵爆炸危險性評價實踐中，評價結(jié)果為一般危險等級，與鉆孔煤塵爆炸測試結(jié)果相互驗證。

3) 通過與改進FAHP模型、模糊事故樹模型、灰色聚類評估體系、未確知測度評價模型進行結(jié)果對比，集對分析-組合賦權(quán)評價模型與改進FAHP模型、灰色聚類評估體系、未確知測度評價模型的評價結(jié)果一致，對煤塵爆炸危險性評價較為適用。