基于多级熵权物元的煤矿瓦斯防治评价模型与应用

2018-09-10白雯谢雄刚代伟许石青郭鹏飞

技术与创新管理 2018年2期

白雯　谢雄刚　代伟　许石青　郭鹏飞

摘要：基于煤矿瓦斯防治的特点，筛选影响瓦斯防治现状安全的主要因素，建立煤矿瓦斯防治现状评价指标体系；在传统物元评价模型基础上，运用熵权法计算各级指标权重并构建多级熵权物元评价模型，以贵州省某煤矿为实例进行现状评价。实例结果表明：贵州省某煤矿瓦斯防治现状等级最大综合关联度K2（N）=0.03，特征值j*=1.72，现状为Ⅱ级，即基本安全，评价结果与煤矿实际生产情况相符，将该模型用于瓦斯防治现状评价是可行的，并可根据各级指标关联度及特征值，有针对性的提出保障煤矿安全生产的有效措施。

关键词：瓦斯防治；多级物元模型；熵权法；现状评价

中图分类号：TD 712

文献标识码：A 文章编号：1672-7312（2018）02-0239-06

Abstract：Based on the characteristics of coal mine gas prevention and control，the main factors which influenced the safety situation of gas prevention and control were selected to establish the evaluation index system.On the basis of the traditional matter-element evaluation model，each index weight was calculated by the entropy weight，so as to build the multilevel entropy matter-element evaluation model which could practically evaluate the current situation of a coal mine in Guizhou Province.The results showed that in the target coal mine，the maximum correlation degree of the gas prevention and control status level was K2（N）=0.03，with the characteristic value j* of 1.72，which was evaluated as grade II and safety by the multilevel entropy matter-element evaluation model.The evaluation results were accordant with the actual situation of the coal mine，indicating the model was reasonable and reliable.Therefore，some effective measures to guarantee the safety in production of coal mine could be raised，according to the correlation degree of each index and the characteristic value from the optimized model.

Key words：gas prevention and control；multilevel matter-element model；entropy weight method；status evaluation

0 引言

煤炭资源在我国能源结构中一直占据重要地位，随着近几年的技术攻关，我国煤矿安全生产现状明显得到改善，但相比世界主要采煤国家的煤矿事故导致的死亡人数和百万吨死亡率，我国仍是煤矿事故最为严重的国家之一[1-2]。通过国家安全生产监督管理总局事故查询系统统计，2012—2017年11月，我国煤矿共发生事故226起，死亡1 554人；其中瓦斯事故91起，死亡853人，分别占煤矿事故起数和死亡人数的40.3%、54.9%，这说明我国煤矿安全形势依然严峻，在煤矿事故中，瓦斯仍是煤矿安全的第一杀手[3]。因此，对煤矿瓦斯防治现状进行准确评价并采取相应防治整改措施，这对提高煤矿瓦斯防治水平有着重大意义。

近年来，国内外学者从各方面对煤矿的安全评价进行了大量研究，提出了各具特色的评价方法，主要有层次分析法、模糊综合评价法、灰色理论分析法和神经网络模型等。层次分析法对定量数据需求少，计算简单[4-5]；模糊综合评价法能反应事物之间的内部联系[6]；灰色关联法容易統一指标间参数[7]；神经网络有很强的非线性拟合能力[8]，但前3种方法均存在人为主观因素大、评价精度低的缺陷，同时模糊综合评价法中隶属函数和灰色评价法白化权函数难以确定，神经网络模型结构复杂，网络过度学习，易陷入局部极值及泛化能力差，精度受样本容量的影响。为避免以上评价方法的缺点，考虑到煤矿瓦斯防治系统的复杂性，文中将选用多级物元分析方法来评价煤矿瓦斯防治现状。

1 瓦斯防治现状评价指标体系

1.1 评价指标体系的建立

煤矿瓦斯防治的现状评价体系较为复杂，文中以我国煤矿瓦斯赋存条件、瓦斯防治特点以及煤矿安全管理现状为基础，从人-机-环境-技术-管理5个方面分析影响煤矿瓦斯防治现状安全的主要因素，构建煤矿瓦斯防治现状评价体系，其中包括5个一级指标和28个二级指标，如图1所示。

1.2 评价指标分级标准

根据评价指标体系，将煤矿瓦斯防治的现状安全分为4个等级Ⅰ～Ⅳ，分别表示安全、基本安全、存在较多事故隐患和危险。由于机械、人、管理以及技术因素中部分因素属于定性指标，需专家综合评分，即Ⅰ级（90～100分）、Ⅱ级（80～90分）、Ⅲ级（70～80分）、Ⅳ级（0～70分）；其余指标主要为煤矿井下生产工作环境的属性状态，根据我国煤矿特点，参考文献[9-11]中的参数以及《防治煤与瓦斯突出规定》中瓦斯含量和瓦斯压力临界值进行量化处理，其评价标准见表1.

2 多级熵权物元评价模型原理及建立

2.1 多级熵权物元评价模型的基本原理

物元分析是蔡文研究员于1983年提出的一种新兴学科[12]，其中物元是用关于特征C的取值范围V对事物N进行描述的基本元，表示为R=（事物，特征，量值）=（N，C，V），主要研究解决不相容问题的规律和方法。由于煤矿瓦斯防治现状受较多因素共同影响，存在不确定性和不相容性，使得评价更为复杂，而物元分析法在综合评价中恰能解决此类问题，故文中选用物元模型进行现状评价。考虑到影响瓦斯现状评价指标较多，各指标权重又会影响评价精确度，故在原物元模型基础上引入熵权法来确定各指标的权重w，并将影响指标归类分层，先完成指标体系中底层单要素的评价，再用相似的步骤依次从评价体系底层向顶层逐层递归[13-14]，即构建多级熵权物元评价模型。

2.2.1 物元量值归一化

由于各个评价指标的标度区间或者单位不同，需对物元量值进行归一化处理。

3 工程实例

本文以贵州省大方县某煤矿为例进行瓦斯防治现状评价分析，该矿设计能力180万t/a，地质构造复杂，可采及局部可采煤层有7层，煤层平均倾角为6°，煤层结构简单且稳定，采用平硐暗斜井开拓方式，分区式通风，属瓦斯矿井，矿区水文地质条件复杂，无煤层爆炸危险性。根据该矿的实际生产情况和瓦斯防治现状，采用现场调研和专家打分的方法，收集整理得到各指标实际数据并进行评价，指标取值见表2.

3.1 一级指标综合评价

运用以上理论和方法对煤矿瓦斯防治进行一级指标综合评价，由于评价步骤类似，以一级指标环境因素C1为例进行演算。

3.1.1 数值归一化处理

将煤矿的各指标实际值及等级区间按式（1）和（2）进行归一化处理，计算结果见表2.

3.1.2 确定C1的经典域、节域和待评物元

3.1.3 计算各C1i的关联度及C1综合关联度

在构建的经典域、节域、待评物元的基础上，按式（6）和（7）分别计算出指标C1下的各C1i关于安全等级的关联度；用式（8）-（11）熵权法所求的各指标对应的权重值带入式（12）得出一级指标C1的综合关联度，计算结果见表3.

3.1.4 确定C1安全等级及特征值

根据最大关联度原则，由表3可得一级指标环境因素C1的最大综合关联度K1（N）=0.07，安全等级为Ⅰ级，按照式（14）和（15）算出其特征值j*=1.70.

3.2 整体综合评价

重复以上步骤，计算剩余的一级指标关联度，并将所有一级指标评价结果组成评价指标集，用式（13）～（15）进行二级综合评价，最终得到该煤矿瓦斯防治的现状与各安全等级的关联度及特征值，计算结果见表4，可以看出该矿瓦斯防治现状安全等级最大综合关联度为K2（N）=0.03，安全等级为Ⅱ级，即基本安全，其等级特征值j*=1.72.

3.3 评价结果分析

1）由3.2可知，该煤矿瓦斯防治现状安全级别为Ⅱ级，处于基本安全狀态，特征值j*为1.72，即准确的安全等级为1.72级，介于Ⅰ级和Ⅱ级之间，更偏向于Ⅱ级，表明该煤矿瓦斯防治现状可接受，但也存在部分安全隐患，评价结果与该煤矿同期季度煤矿安全监管督查实际情况一致，仅在6中S204运输顺槽迎头发生过瓦斯超限，未发生较大及以上的瓦斯灾害事故。

2）由表4特征值可知，各因素对煤矿瓦斯防治现状评价的影响程度排序为：人>机械>管理>环境>技术。其中，人、机械、管理的等级特征值分别为2.00，1.77和1.76，均高于综合评价的特征值1.72，说明这3个因素是降低该煤矿瓦斯防治现状安全的主要原因。结合上述瓦斯超限事故，造成此次事故的直接原因是由于风机开关突发故障导致局部通风机停风，未能自动切换；间接原因是当班工人离开迎头提早上井，风机断电后无人及时处理，导致瓦斯积聚。人为与机械因素导致事故发生恰与评价模型分析结果一致，更进一步说明该评价模型的可行性与准确性。

4 结语

1）从煤矿人、机、环境、技术和管理5个因素出发，构建了煤矿瓦斯防治现状评价体系，结合物元分析理论建立了煤矿瓦斯防治现状的多级熵权物元评价模型，并将该模型应用于贵州省某煤矿，其评价结果与实际相符，说明该评价模型合理可行，同样适用于类似的其他煤矿复杂系统的综合评价。

2）在物元评价模型中引入熵权法，客观得出了各指标对瓦斯防治现状影响的权重值，减少了人为因素的干扰和计算的复杂性；采用多级评价不仅准确得出煤矿瓦斯防治现状的安全等级，还精确得到各级各个评价指标的安全状况，其评价结果可作为瓦斯防治安全评价及应急处理的重要依据，煤矿企业可根据其及时有效的采取相应的防治管理措施。

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