基于AHP-TOPSIS模型的礦井通風質量評價

王國軍

（晉能控股煤業(yè)集團鄂爾多斯礦業(yè)投資有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

在社會進步和經(jīng)濟發(fā)展的過程中，能源起到了不可替代的作用。近年來隨著社會的高速發(fā)展，煤炭資源的社會需求量只增不減，煤炭資源的開采量隨之增加。但在煤礦開采的同時伴隨著各種各樣的安全問題，比如瓦斯、煤塵、火災等嚴重危害人的身體健康，而礦井通風質量的好壞直接關系到井下風源性災害發(fā)生的概率。礦井通風的主要任務是為井下生產(chǎn)環(huán)境供應新鮮空氣，稀釋有害氣體，按照通風路線將有毒有害氣體排出礦井，為礦井工人創(chuàng)造一個良好的工作環(huán)境。所以在煤礦“一通三防”管理工作中，通風是首要管控的，是保證礦山安全生產(chǎn)的基礎。因此對一個煤礦井下通風質量進行科學、客觀的評價至關重要，評價結果是礦井通風安全管理工作的需要，也是今后礦井通風系統(tǒng)整體調整的依據(jù)，礦井通風質量的有效評價對礦井安全生產(chǎn)和有效管理能夠起到促進作用。

國內外眾多專家學者在礦井通風安全評價方面進行了大量的研究。付天予、馬恒等[1]建立了非線性規(guī)劃的組合賦權模型，并將3 個礦井作為研究對象進行了通風安全評價分析。趙紅紅、蔣曙光等[2]以大柳塔煤礦的通風系統(tǒng)為研究背景，采用改進后的層次分析法建立了通風系統(tǒng)評價體系，確定了大柳塔煤礦通風質量的影響因素的權重。劉慶龍、魏夕合等[3]將灰色關聯(lián)度和神經(jīng)網(wǎng)絡結合起來建立了評價模型，對礦井通風系統(tǒng)進行綜合評價。靳紅梅、黨琪等[4]基于FCEAHP模型建立了礦井通風質量動態(tài)評價模型，并基于此模型對東灘煤礦的通風質量進行了評價。

本文以礦井通風質量影響因素指標實際測定值為基礎，結合AHP（層次分析法）和TOPSIS（逼近理想解排序法）建立礦井通風質量綜合評價模型，對礦山井下主要巷道的通風質量進行評價研究。

1 AHP-TOPSIS評價模型建立

1.1 AHP法計算原理

AHP（層次分析法）的核心是將不同影響決策問題的因素按照一定規(guī)則劃分為不同層次結構。具體操作為：通過兩兩因素標度值相互比較，從而進行定性和定量分析。兩兩因素進行標度值比較的目的是建立比較矩陣，此過程中，傳統(tǒng)的九標度法和三標度法因分級過多和分級過少會產(chǎn)生相對應的問題。因此采用折中的五標度法進行評判更為合理。五標度法的AHP 計算方案優(yōu)選步驟如下：

1）建立綜合評判體系，對評判體系中各元素進行賦值，構造比較矩陣A。因素i與因素j比較記為aij，則因素j和因素i的比較為bij=。

2）構造判斷矩陣B。各元素bij的計算如式（1）所示。

式中ri為比較矩陣各指標重要性排序指數(shù)；rmax為ri的最大值；rmin為ri的最小值。

3）構造傳遞矩陣C。各元素cij的計算如式（2）所示。

4）構造擬優(yōu)一致矩陣D。各元素dij計算如公式（3）所示。

5）計算矩陣D的最大特征值，對特征向量進行歸一化處理，得到權重wi。評判體系中各元素權重構成的權重向量如公式（4）所示。

1.2 TOPSIS原理

TOPSIS 又稱為逼近理想解排序法。TOPSIS 采用歐式距離，基于無量綱決策矩陣，通過各待選方案和最理想解的接近程度為評價方案優(yōu)劣的依據(jù)。采用TOPSIS法進行評價通常包括以下六步驟。

1）構建初始決策矩陣

其中，aij(i=1,2,…x；j=1,2,…y)表示第i個待選方案中第j個指標值。

2）決策矩陣標準化處理。

由式（5）、（6）得到進行標準化處理的決策矩陣如下：

3）將式（7）結合式（4）進行加權處理可以得到如下加權矩陣：

4）評價目標與理想解的距離。

1.3 AHP-TOPSIS綜合評價模型

根據(jù)AHP計算的權重向量w，并結合TOPSIS計算的貼近度矩陣E可以得到各主要巷道通風質量優(yōu)劣結果向量F。AHP-TOPSIS模型評價流程見圖1。

圖1 AHP-TOPSIS模型評價流程

圖2 不同時間段通風質量貼近度

圖3 不同試驗地點通風質量平均貼近度

2 AHP-TOPSIS模型的工程應用

2.1 評價指標確定及評價體系建立

煤礦主要通風區(qū)域包括采煤工作面、掘進工作面以及回風區(qū)段等，影響各主要通風區(qū)域通風質量的因素不盡相同，將影響通風質量的主要因素作為評價指標建立各主要區(qū)域的通風質量評價體系，各主要區(qū)域評價指標及體系如下。

1）采煤工作面通風質量評價指標體系

影響采煤工作面通風質量的主要因素有溫度、濕度、風速、瓦斯體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、氧氣體積分數(shù)、粉塵密度等，故將上述影響因素作為主要評價指標建立采煤工作面通風質量評價體系。

2）掘進工作面通風質量評價指標體系

影響煤礦掘進工作面通風質量的主要影響因素有局扇安裝點風速、溫度、濕度、瓦斯體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、氧氣體積分數(shù)、粉塵密度等，故將上述影響因素作為主要評價指標建立掘進工作面通風質量評價體系。

3）主要回風區(qū)段通風質量評價指標體系

影響回風區(qū)段通風質量的主要因素有回風風速、實際風量、溫度、瓦斯體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、氧氣體積分數(shù)以及粉塵密度等。故將上述影響因素作為主要評價指標建立回風區(qū)段通風質量評價體系。

2.2 評價模型數(shù)據(jù)獲取

1）該礦井生產(chǎn)制度為三八制，每班生產(chǎn)時間為8 h，將8107綜采工作面作為試驗采煤工作面，每隔2 h監(jiān)測一次采煤工作面空氣各成份質量指標數(shù)值，連續(xù)監(jiān)測3 d，并取各監(jiān)測指標峰值作為計算依據(jù)，整理后的數(shù)據(jù)如表1所示。

2）選取4-1煤順槽綜掘工作面作為試驗掘進工作面，每隔2 h監(jiān)測一次掘進工作面空氣各成份質量指標數(shù)值，連續(xù)監(jiān)測3 d，并取各監(jiān)測指標峰值作為計算依據(jù)，整理后的數(shù)據(jù)如表2所示。

從普遍情況來看，我區(qū)現(xiàn)用的水果包裝方式都是用發(fā)泡網(wǎng)或者紙箱來包裝水果，水果的包裝形式還是比較單一的，而且用紙箱包裝檔次也比較低。這種發(fā)泡網(wǎng)的使用，雖然看似能在一定程度上提高包裝的檔次，但實際上卻是中看不中用。因為從整體上來看水果的包裝規(guī)格、尺寸以及包裝上打眼的位置和形狀都是五花八門的，所以自然而然造成質量參差不齊，出現(xiàn)了“一流產(chǎn)品、二流包裝、三流價格”的現(xiàn)象，從而也使水果的銷售大打折扣。

表2 4-1煤順槽綜掘工作面單班通風質量指標

3）選取主要回風區(qū)段作為試驗掘進工作面，每隔2 h監(jiān)測一次掘進工作面空氣各成份質量指標數(shù)值，連續(xù)監(jiān)測3 d，并取各監(jiān)測指標峰值作為計算依據(jù)，整理后的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 主要回風區(qū)段單班通風質量指標

表4 通風質量指標貼近度E值、F值

3 主要巷道通風質量評價

3.1 AHP法計算指標權重

1）在專家及現(xiàn)場技術人員打分基礎上，結合五標度法比較標準，建立準則層、采煤工作面評價指標、掘進工作面評價指標及回風區(qū)段評價指標等比較矩陣。

2）根據(jù)式（1）～（5）依次計算，可求得采煤工作面的擬優(yōu)一致矩陣D 的最大特征值為8，相應的特征向量為[0.127 3，0.097 5，0.505 2，0.237 2，0.158 5，0.468 0，0.510 0，0.398 3]T，權重為w1=（0.050 9，0.039 0，0.201 9，0.094 8，0.063 4，0.187 0，0.203 8，0.159 2）。同理，可求得其余評判指標對應的指標權重，分別為：

3.2 TOPSIS法指標綜合評判

1）綜采工作面評價指標綜合評判

Step1：由表2-1 中數(shù)據(jù)建立綜采工作面通風質量評判指標的決策矩陣；

Step2：依據(jù)式（7）進行標準化處理；

Step3：由公式（8）計算得到加權矩陣；

Step4：由公式（9）～（10）計算得出正理想解并求出評價目標與理想解的距離；

Step5：根據(jù)公式（11）求出各待選目標的接近度，并比較各接近度大小。

2）綜掘工作面評價指標綜合評判

計算過程類似綜采工作面通風質量評判指標。

3）主要回風區(qū)段評價指標綜合評判

計算過程類似綜采工作面和綜掘工作面通風質量評判指標。

3.3 AHP-TOPSIS 模型綜合評判

通過對該煤礦8107綜采工作面、4-1煤順槽綜掘工作面以及主要回風區(qū)段等地點的能夠反映該處通風質量的因素指標進行現(xiàn)場監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)加以整理和標準化處理，利用TOPSIS 模型計算出正理想解、負理想解以及各時間段內各試驗地點通風質量貼近度E，同時結合AHP所得準則層權重向量，最終得出該礦井單班各時間段綜合通風質量優(yōu)劣結果向量F。

利用層次分析法計算所得準則層權重向量w=（0.266 6，0.388 4，0.344 9），根據(jù)TOPSIS法計算得到各個評判指標貼近度矩陣E：

根據(jù)式（12）計算可得到單班各時間段綜合通風質量優(yōu)劣結果向量F：

由AHP-TOPSIS 模型計算所得的該礦綜采工作面、綜掘工作面、主要回風區(qū)段等主要通風地點在單班不同時間段的通風質量的貼近度以及綜合通風質量優(yōu)劣結果向量如上述圖表所示。利用貼近度E值來反映各試驗地點不同時間段通風質量，利用通風質量優(yōu)劣結果向量F來反映該礦不同時間段綜合通風質量。圖5直觀反映出單班不同時間段的通風質量，總體來看，在每個生產(chǎn)班工作的1～2 h，試驗地點的通風質量貼近度值較于其他時間段的通風質量貼近度值，通風質量較優(yōu)；單班生產(chǎn)的3～4 h，試驗地點的通風質量貼近度值開始減小，通風質量開始變差；單班生產(chǎn)的5～6 h，通風質量貼近度值最小，此時通風質量最差；直到單班生產(chǎn)的7～8 h，該礦主要通風地點的通風質量貼近度值有所增大，通風質量有所好轉。

4 總結

1）本文將溫度、濕度、風速、瓦斯體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、氧氣體積分數(shù)、粉塵密度等作為綜采工作面通風質量的評價指標，將局扇安裝點風速、溫度、濕度、瓦斯體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、氧氣體積分數(shù)、粉塵密度等作為綜掘工作面通風質量的評價指標，將回風風速、實際風量、溫度、瓦斯體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、氧氣體積分數(shù)以及粉塵密度等作為回風區(qū)段通風質量的評價指標，結合AHP 法和TOPSIS法求解并綜合評價該礦通風質量。

2）在鄂爾多斯色連一礦進行生產(chǎn)的8107 綜采工作面和4-1煤順槽綜掘工作面以及主要回風區(qū)段開展了現(xiàn)場試驗，測得較充分的通風質量影響因素指標數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析以及結合AHP-TOPSIS模型對該礦不同試驗地點不同時間段通風質量的貼近度和該礦綜合通風質量優(yōu)劣向量進行計算。

3）計算結果表明，該礦主要通風地點在各時間段的通風質量為每班生產(chǎn)的前2個小時，通風質量較優(yōu)；中間時間段是生產(chǎn)的主要階段，故此過程中通風質量較差；每班生產(chǎn)的后兩個小時，綜采工作面和綜掘工作面通風質量較好。此外通過對比貼近度值的大小，該礦綜采工作面、綜掘工作面、主要回風區(qū)段的通風質量優(yōu)劣關系為：主要回風區(qū)段＞綜掘工作面＞綜采工作面，但三者通風質量優(yōu)劣貼近度相差甚小。