煤矿冲击地压防治体系评价系统设计及其实现

2022-11-04朱权洁成云海张修峰田厚强杨增强胡兆锋马俊鹏

华北科技学院学报 2022年5期

朱权洁，谷雷，成云海，张修峰，田厚强，杨增强，胡兆锋，马俊鹏，杨涛

(1. 华北科技学院应急技术与管理学院，北京东燕郊 065201；2. 山东科技大学采矿工程研究院，山东泰安 271000；3. 山东能源集团有限公司防冲中心，山东济南 250014；4. 江苏建筑职业技术学院交通工程学院，江苏徐州 221116；5. 山东能源集团鲁西矿业有限公司，山东菏泽 274918;6. 兖矿能源集团有限公司，山东济宁 273515 7. 华北科技学院矿山安全学院，北京东燕郊 065201)

0 引言

我国是能源生产与消费大国，在未来的几十年内，煤炭产业仍是我国主要的能源支柱产业[1,2]。为提高煤炭产量，矿井开采深度和开采强度不断增加，致使冲击地压灾害成为煤层开采所面临的主要安全问题之一，严重影响了井下从业人员的生命安全，给煤炭企业造成了不可估量财产损失[3,4]。

近年来，国内外已有诸多学者针对冲击地压灾害的发生机理、监测预警、防治手段等开展了大量研究，弥补了行业内对冲击地压防治体系建设的空白[5]。在此基础上，开展了冲击地压防治体系评价因素资料查阅和现场调研活动。由于矿井所属地质因素、开采条件、开采工艺、操作人员、安全制度等方面不同，导致评价因素具有不确定性和随机性。因此，对冲击地压展开切实评价较为困难[6]。国内常用的评价方法众多，主要有主成分分析法[7]、层次分析法[8]、模糊综合评价法[9]、熵权法[10]、灰色关联法[11]等。传统评价流程为通过确定评价指标体系、确定权重、建立评价模型、得出结果、提出防治措施[12-13]。随着我国对煤矿安全生产监管力度加大，智慧矿山、感知矿山等概念的提出，传统评价方式存在评价指标少、计算复杂、耗时长等弊端，评价结果难以真实反映现场实际操作情况，并做出有效监管[14]。

我国已在冲击地压危险性评价方面取得了一些成果，不同之处在于评价方法、评价指标的选取存在差异且评价过程过于复杂。目前，缺乏利用计算机技术对冲击地压防治体系的量化评价研究。笔者及团队系统梳理了影响冲击地压防治体系建设的因素，利用模糊层次分析法、计算机技术设计开发提出了防冲团队、防治规范、防治措施、监测预警手段四大核心内容为主的“4-28-208”的评价指标体系，构建了基于模糊层次分析法的多指标评价模型，研发了基于B/S结构的冲击地压防治体系评价系统，对矿井冲击地压防治体系进行量化评价。

1 评价指标体系建立

目前，国内外尚未形成完善的冲击地压防治体系评价标准，笔者及团队通过现场调研、专家咨询、资料查阅等方式，充分考虑现场实际情况和冲击地压防治体系完善建设的必要条件，选取4个核心内容作为首选参量，包括：

(1) 防冲团队量化评价：选用人员结构配置、创新能力、防冲措施落实能力等指标。

(2) 冲击防治规范量化：选用防治原则合理性、人员配备合理性、防冲制度合理性、防冲设置合理性等指标。

(3) 冲击防治措施量化：选用区段煤柱留设措施合理性、底煤留设措施合理性、煤柱留设措施合理性、防冲装备配备措施合理性等指标。

(4) 冲击监测预警量化：选用冲击倾向性鉴定的合理性、冲击危险性评价的合理性、冲击危险性预测的合理性、冲击危险性监测的合理性等指标。

所建立矿`井冲击地压防治评价指标体系包含4个一级指标，28个二级指标，208个三级指标，即构成“4-28-208”的三级评价指标体系。

2 综合评价模型构建

为了实现对冲击地压防治体系的评价，采用基于层次分析法的评价模型，其构建思路如图1所示。

图1 冲击地压防治体系合理性评价流程

2.1 评价集与判断矩阵确定

结合现场实际情况，建立一个具有一定范围的评价集，即：V={V1，V2，V3，…，Vn}。本文中V1表示矿井冲击地压防治体系合理性很好；V2表示矿井冲击地压防治体系合理性中等；V3表示矿井冲击地压防治体系合理性较差；V4表示矿井冲击地压防治体系合理性很差。

基于1～9标度法，对同一层次上的评价指标重要性进行两两对比，构建判断矩阵D，见式(1)。

(1)

式中，D为判断矩阵；ri为评价指标，rij>0，rji=1/rij；n为矩阵阶数。

2.2 特征向量及权重计算

通过数学变换可表述为寻找一个特征值λ和特征向量W，使得判断矩阵D满足DW=λmaxW。时，λmax为判断矩阵D的最大特征值，W为λmax所对应的特征向量，W=[W1，W2，…，Wn]T，Wi为各级指标单排序后的权重值。具体过程如下：

(1) 将判断矩阵D每行元素相乘Mi;

(2)

(3)

(4)

(4) 计算W所对应的最大特征值λmax。

(5)

此外，为保证矩阵的一致性，需对其进行一致性检验，检验公式为：

(6)

式中，λmax为D的最大特征值；CI为一致性指标。CI为0时，有完全的一致性；CI接近于0时，有满意的一致性。

为了衡量CI的大小，引入下式：

(7)

式中，RI为随机一致性指标，其值见表1；CR为一致性比率，CR<0.1判断矩阵有满意的一致性。

表1 随机一致性指标RI

2.3 模糊关系矩阵建立

假设对于评价指标集合体U中的评价指标A1，专家或技术组成员根据评分体系集合体V给予的评分结果百分比为：a1/100的人认为可以给A，b1/100的人认为可以给B，c1/100的人认为可以给C，d1/100的人认为可以给D，且满足a1/100+b1/100+c1/100+d1/100=100%。基于此可以得到评价指标A1的评价结果为：

A1=(a1/100，b1/100，c1/100，d1/100)

同理，可以得到评价指标A2、A3、A4的评价结果为：

由上述分析可知，模糊评价矩阵P，见式(8)。

(8)

模糊评价结果为Q=W·P=[k1，k2，k3，k4]，根据最大隶属度原则，取kt=max{k1，k2，k3，k4}，此时kt对应的评价等级为最终的评价结论。

为了直观方便的确定评价结果，结合评价集所给范围，通过比例来确定分值，见表2。

表2 评价集量化分数表

取四个等级的中间值，分别代表很好、中等、较差、很差，构建S=[87.5，62.5，37.5，12.5]T矩阵，并通过计算M=Q·S确定评价系统总得分。

3 评价系统设计及其实现

3.1 系统界面设计

依据“冲击地压防治体系量化评价软件”，严格遵守国家标准软件开发的要求，系统界面布设科学合理，用户通过输入账号和密码后进入系统，界面左侧为主功能模块，通过单击主功能模块的下拉箭头可以查看相应的子功能模块。界面中间部分为功能演示区，实现各模块功能的数据图表可视化。页面上端白色字体标注系统名称、版本、系统用户名称及日期。

3.2 评价系统架构设计

冲击地压防治体系评价系统基于B/S架构，开发环境是在Windows7/8/10中文操作系统上的Web客户端，使用HTML5、Python、Java Script编程语言联合编制和开发，可分为访问层、Web层、应用层、数据层。通过该平台可使传统评价方式走向Web端、移动端，为用户提供一个访问快捷、远程操作方便的智能化管理平台。冲击地压防止体系评价系统的总体架构如图2所示。

图2 系统总体架构

3.3 系统功能模块划分

冲击地压防治体系评价系统采用模块化嵌入式技术设计，能够有效降低系统开发代码编写的重复率，提高整体工作效率，减少系统设计开发的时间成本。每个模块完成一个特定的子功能，所有的模块按某种方法组装起来，成为一个整体，完成整个系统所要求的功能。系统的主要功能模块划分如图3所示。

图3 系统功能模块

(1) 系统管理模块。该模块主要包括系统权限管理、部门分组配置功能。具体操作为由系统管理员对用户身份类型进行分组配置，并对不同身份的用户赋予不同的权限。实现用户与角色关联，角色与权限关联的模式。

(2) 基础信息录入。设置系统主功能模块下拉菜单内子功能权限，实现所评价矿井基本信息的添加、修改或删除。

(3) 用户信息管理。添加、删除或修改新老用户的用户名、密码、编码、分组、职能划分等信息。

(4) 专家打分模块。专家或技术人员在对所评价矿井进行了解后，通过登录评价系统后，对评价指标体系逐一打分。

(5) 评价结果查询。通过矿井分布展示功能对所评价矿井信息进行地图展示，可自动显示矿井名称、总体评价、评价得分、位置经度、位置维度。结果对比分析功能可将评价结果以不同目的进行图表可视化展示，如：将多个矿井评价结果、某一矿井评价结果、评价指标得分、某一时间段内评价结果按照多维表格、线性图、柱状图进行展示并实现基比、环比、增长率分析。

4 实际应用及验证

4.1 评价流程介绍

系统的主要操作人员主要分为三类：系统管理员、专家或技术人员、矿山安全责任人。①系统管理员设定评价指标和评价选项、注册用户账号、输入被评价矿井基本信息、设置被评价矿井和专家打分加权系数。②专家或技术人员登录账号、对各评价指标进行打分、系统经一致性判断无误后进行提交。③矿井安全责任人登录系统后查看评价结果，对矿山冲击地压防治体系进行完善。评价系统的操作流程如图4所示。

图4 评价系统操作流程图

4.2 实例应用

山东某集团有限公司下属矿井具有数量多、分布广泛、开采条件差异性大、致冲机理复杂等特点，导致矿井冲击地压防治体系的建设存在差异性。为了对各矿井冲击地压防治体系进行考核，应用本系统对部分矿井进行评价，其评价过程及结果如下：

(1) 评级指标的选取及权重设置。由于矿井自身差异，所选取评价指标各不相同，可根据实际情况选取相关指标。在图5中，“是否使用”选择项中输入‘1’或‘0’用于确认该指标‘是’或‘否’使用。在本次评价中选取所有指标。

图5 评价指标录入展示

(2) 评价模型选择及参数输入。在确定评价指标之后，邀请一线专家和技术人员登录评价系统对各级评价指标进行打分，打分界面如图6所示。图6中评价过程按照评价指标分类顺序进行即可。若该指标(一或二级)已完成，指标名称右上角会显示绿色“√”符号。当所有指标完成打分后即可进入评价，否则无法提交该次评价。评价指标输入后，点击“提交”即完成了该次评价，评价结果及所有输入的指标值均存入数据库。

图6 专家打分评价指标录取

(3) 评价结果查询与展示。通过查询界面查看评价结果，同时提供查询结果展示、导出等功能。图7(a)为设定时间段内所有评价矿井的得分情况，以柱状图形式显示各矿得分，其中1#煤矿整体得分为100分，由2.3节可知，处于“良好”水平。图7(b)为1#煤矿一段时间内得分情况的查询，通过该图可以看出1#煤矿的得分情况呈现波动(由84分到100分)，矿井冲击地压防治体系建设趋于完善，冲击地压灾害事件发生率低。为了直观显示某集团下属矿井冲击地压防治体系建设情况，将矿井冲击地压防治体系得分以地图分布和数据形式进行大屏展示。图8中点击图标后即可查询1#煤矿评价得分、经纬度等信息。图9中为6#煤矿防冲体系量化评价数据大屏展示，其中将各级评价指标得分、历史得分、矿井分布进行汇总展示。