基于熵权物元可拓模型的煤矿瓦斯爆炸危险性评价.pdf
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1、安 全 环 保化 工 矿 物 与 加 工INDUSTRIAL MINERALS&PROCESSING2023 年第 8 期 文章编号:()D O I:/j c n k i h g k w y j g 基于熵权物元可拓模型的煤矿瓦斯爆炸危险性评价解镕嘉,谢雄刚,殷 涛,谭玉琴(贵州大学 矿业学院,贵州 贵阳 ;贵州大学 复杂地质矿山开采安全技术工程中心,贵州 贵阳 )摘要:为了准确评价煤矿瓦斯爆炸危险性等级,降低煤矿地下开采中发生瓦斯爆炸事故的风险,在熵权物元可拓理论的基础上建立了煤矿瓦斯爆炸危险性评价模型.根据煤矿瓦斯爆炸机理及灾害发生特点,构建了包含个二级指标和个一级指标的煤矿瓦斯爆炸危险性
2、评价指标体系,基于可拓学原理引入熵权法对各评价指标进行客观赋权;先对指标进行归一化处理以使指标具有可比性,进而构建各指标的经典域、节域和待评物元,最后通过对加权关联度进行计算得到煤矿瓦斯爆炸危险性等级.利用该评价模型对贵州大树煤矿、山西香源沟煤矿和河南中马村煤矿进行瓦斯爆炸危险性评价,结果表明:贵州大树煤矿和山西香源沟煤矿的瓦斯爆炸危险性等级均为级,具有较强爆炸危险性;河南中马村煤矿的瓦斯爆炸危险性等级为级,具有一般爆炸危险性;评价结果与矿山实际情况一致,验证了该模型的合理性和可靠性.关键词:煤矿瓦斯爆炸;熵权法;物元可拓理论;危险性评价;评价模型;危险性等级中图分类号:T D ;X 文献标志
3、码:AT h e r i s ke v a l u a t i o no f g a s e x p l o s i o ni nc o a lm i n e sb ym a t t e r e l e m e n t e x t e n s i o nm o d e l b a s e do ne n t r o p yw e i g h tX i eR o n g j i a,X i eX i o n g g a n g,Y i nT a o,T a nY u q i n(C o l l e g eo fM i n i n g,G u i z h o uU n i v e r s i t
4、y,G u i y a n gG u i z h o u ,C h i n a;E n g i n e e r i n gC e n t e r f o rS a f eM i n i n gT e c h n o l o g yU n d e rC o m p l e xG e o l o g i cC o n d i t i o n s,G u i z h o uU n i v e r s i t y,G u i y a n gG u i z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oa c c u r a t e l ye s t
5、i m a t e t h er i s kl e v e lo fg a se x p l o s i o ni nc o a lm i n e sa n dm i n i m i z et h er i s ko fg a se x p l o s i o na c c i d e n t sd u r i n gu n d e r g r o u n dc o a lm i n i n go p e r a t i o n,am o d e l f o r e v a l u a t i n gg a se x p l o s i o nr i s k i nc o a lm i n e
6、 sw a se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so f e n t r o p yw e i g h ta n dm a t t e re l e m e n te x t e n s i o nt h e o r y A c c o r d i n gt ot h eg a se x p l o s i o nm e c h a n i s mi nc o a lm i n e sa n dt h eo c c u r r e n c ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ed i s a s t e r,ac
7、o a lm i n eg a se x p l o s i o nr i s ke v a l u a t i o ns y s t e mc o n s i s t i n go fs e c o n d a r yi n d i c a t o r sa n dp r i m a r yi n d i c a t o r sw a sc o n s t r u c t e d E n t r o p yw e i g h tm e t h o dw a si n t r o d u c e d i nt h ep r i n c i p l eo f e x t e n s i o nt
8、 oo b j e c t i v e l ya s s i g nw e i g h t t oe a c he v a l u a t i o n i n d e x F i r s t l yt h e i n d e x e sw e r en o r m a l i z e dt om a k e t h e mc o m p a r a b l e,a n d t h e n t h e c l a s s i c a l d o m a i n,n o d ed o m a i na n dm a t t e r e l e m e n t t ob e e v a l u a
9、t e do f e a c h i n d e xw a sb u i l t F i n a l l yt h er i s kl e v e lo fg a se x p l o s i o ni nc o a lm i n ew a so b t a i n e db yc a l c u l a t i n gt h ew e i g h t e dc o r r e l a t i o nd e g r e e T h eg a se x p l o s i o nr i s ko fD a s h uc o a lm i n ei nG u i z h o u,X i a n g
10、 y u a n g o uc o a lm i n ei nS h a n x ia n dZ h o n g m a c u nc o a lm i n e i nH e n a nw a se v a l u a t e db yu s i n gt h i se v a l u a t i o nm o d e l T h er e s u l t ss h o wt h a t t h eg a se x p l o s i o nr i s k l e v e l o fD a s h uc o a lm i n e a n dX i a n g y u a n g o uc o
11、a lm i n ew a sG r a d e,r e p r e s e n t i n gh i g hr i s ko f g a s e x p l o s i o n,w h i l et h eg a se x p l o s i o nr i s ko fZ h o n g m a c u nc o a lm i n ew a sG r a d e,r e p r e s e n t i n gag e n e r a lg a se x p l o s i o nr i s k T h er e s u l t f r o me v a l u a t i o nw a sc
12、 o n s i s t e n tw i t ht h ef a c t so f t h em i n e s,w h i c hh a sv e r i f i e dt h er a t i o n a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h em o d e l K e y w o r d s:g a se x p l o s i o n i nc o a lm i n e s;e n t r o p yw e i g h tm e t h o d;m a t t e r e l e m e n t e x t e n s i o nt h e
13、 o r y;r i s ke v a l u a t i o n;e v a l u a t i o nm o d e l;r i s k l e v e l收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();贵州省科技厅社发攻关项目(黔科合S Y字 );贵州省科技厅项目(黔科合支撑 ).作者简介:解镕嘉,硕士研究生,主要研究方向为矿山安全与灾害防治.通信作者:谢雄刚,博士,教授,主要研究方向为煤矿安全开采技术、煤与瓦斯突出灾害防治.引用格式:解镕嘉,谢雄刚,殷涛,等基于熵权物元可拓模型的煤矿瓦斯爆炸危险性评价J化工矿物与加工,():X I ERJ,X I EXG,Y I NT,e t a l T
14、 h er i s ke v a l u a t i o no fg a se x p l o s i o ni nc o a lm i n e sb ym a t t e r e l e m e n te x t e n s i o nm o d e lb a s e do ne n t r o p yw e i g h tJ I n d u s t r i a lM i n e r a l s&P r o c e s s i n g,():解镕嘉等:基于熵权物元可拓模型的煤矿瓦斯爆炸危险性评价 年月引言煤矿瓦斯爆炸是一种受瓦斯赋存状况及工程开挖应力等诸多因素共同作用的高能级灾害,具有突发性
15、和极强的破坏性,对煤矿生产和工人生命安全构成了极大威胁.随着浅部矿产资源的逐步枯竭及开采能力的提高,矿井开采不断向深部延伸,瓦斯爆炸的危害性愈发严重.因此,为预防瓦斯爆炸事故的发生,实现煤矿安全生产,对煤矿 瓦斯爆炸灾 害进行危险 性评价显得 尤为重要.随着煤矿安全技术、现代数学理论的不断完善,评价煤矿瓦斯爆炸灾害危险性的方法在安全审查表、事故指标评分法、作业条件危险性评价法等基础上,衍生出了多种评价方法,如:王浩等基于属性和模糊数学评价法 预测了钱营孜煤矿瓦斯爆炸危险性;在博弈论与未确知测度的风险评估方面,张尧等基于故障树分析法与改进AH P法分析了瓦斯爆炸因素,景国勋等基于S P A V
16、F S耦合模型评价了神马集团某煤矿瓦斯爆炸风险,孙霞基于模糊神经网络预测了煤矿瓦斯安全等级等.国内众多学者对瓦斯爆炸事故开展了大量研究,但主要集中在对单一矿井的瓦斯爆炸危险性评价方面,而对我国不同区域不同煤矿间的横向对比分析较少.我国著名学者蔡文在 世纪 代首次提出物元可拓理论,该理论在多因素复杂系统综合决策方面具有巨大优势.为使评价模型更具客观性,多数学者采用物元可拓理论的同时,引入熵权法对评价指标进行客观赋权,进而构建基于熵权物元可拓理论的安全评价模型.刘维等 基于此模型横向比较了不同工艺的关键指标,为化工工艺本质安全评价提供了一条有效的技术途径;虞未江等 通过构建物元可拓模型对多个测点地
17、下水水质情况进行了综合评价,并验证了其可靠性;该方法还广泛应用于公路风险评估、隧道塌方、冲击地压、地下空间火灾、核电安全、水土综合效益 等领域.为更加全面有效地对煤矿瓦斯爆炸事故进行评价,本文建立了熵权物元可拓模型,并将其应用于贵州大树煤矿、山西香源沟煤矿和河南中马村煤矿的瓦斯爆炸危险性评价中,通过对评价结果进行对比分析,揭示了不同煤矿瓦斯爆炸事故的致因规律,以期为煤矿瓦斯爆炸工程的灾害预防提供参考.煤 矿 瓦 斯 爆 炸 危 险 性 等 级 评 价 指 标体系结合瓦斯地质理论 和文献 ,总结了煤矿瓦斯爆炸事故的规律:采用瓦斯地质理论分析瓦斯事故,有利于认识事故发生的原因,吸取经验教训,为瓦斯
18、事故的正确定性和公正处理提供理论指导;企业对员工安全培训不到位、安全管理混乱以及专业技术人员缺乏等违规操作已成为导致瓦斯爆炸事故发生的主要原因;当工作面或巷道风量不足或停止供风、瓦斯异常涌出时,瓦斯积聚而导致爆炸事故的发生.根据 煤矿安全生产标准化管理体系基本要求及评分方法 的规定,从煤矿稀释瓦斯的能力、地层产生瓦斯的能力及从业人员安全意识方面的能力等角度,在指标层上选取了通风系统合理性、采掘工作面风量供需比等个影响因素作为评价指标,在准则层上选取了瓦斯积聚因素、煤层地质因素及人员素质因素个因素与之对应,建立了“目标层准则层指标层”三级煤矿瓦斯爆炸危险性评价指标体系(见表).表瓦斯爆炸危险性评
19、价指标体系T a b l eR i s ke v a l u a t i o n i n d e xs y s t e mf o rg a se x p l o s i o n目标层准则层指标层瓦斯爆炸危险性等级瓦斯积聚因素煤层地质因素人员素质因素通风系统合理性x采掘工作面风量供需比x煤层瓦斯含量x平均瓦斯涌出量x煤层自然发火期x煤尘爆炸性指数x从业人员平均工龄x综放面工人平均培训时间x专业技术人员配备x构建熵权物元可拓模型 经经典典域域、节节域域与与待待评评物物元元的的确确定定假设有m个危险性等级,n个评价指标,则经典域为RjNjxa j,b jxa j,b jxnan j,bn j ,()
20、式中,Rj表示第j个同征物元,Nj表示瓦斯爆 年第期II MM&PP化化工工矿矿物物与与加加工工第 52 卷炸危险性评价指标的第j个评价等级,xi表示第i个瓦斯爆炸危险性评价指标,ai j,bi j表示xi在第j个评价等级的量值区间,即经典域.RpPxap,bpxap,bpxnan p,bn p ,()式中,P表示待评煤矿全体,ai p,bi p表示P关于第i个评价指标xi所取的量值区间,即P的节域.对待评煤矿p,将所收集的数据或分析结果用物元R表示,则R称为待评煤矿p的同征物元矩阵.Rp xvxvxnvn ,()式中,p表示待评煤矿,vi表示待评煤矿的各项指标数据.计计算算待待评评煤煤矿矿物
21、物元元关关联联度度关联函数为Kjvi()vi,Vi j()Vi j,viVi jvi,Vi j()vi,Vi p()vi,Vi j(),viVi j;()式中:vi,Vi j()viai jbi jbi jai j,()vi,Vi p()vi bi pai p,()Vi jbi jai j.()待待评评对对象象危危险险性性等等级级确确定定待评对象p的关联度计算式为Kjp()niiKj(vi),()式中,i表示指标权重,Kjp()表示待评对象p属于第j级的综合关联度.若Kjm a xj,mKjp(),()则待评对象p的危险性等级为j级.采采用用熵熵权权法法计计算算评评价价指指标标熵熵权权由于各评
22、价指标对煤矿瓦斯爆炸危险性影响的重要程度有所不同,故使用熵权法对各评价指标赋予权重十分必要.熵权法赋予各指标权重的步骤如下:()假设kjvi()rj i,评价煤矿瓦斯爆炸危险性等级有m个,每级有n个评价指标,得归一化后的矩阵Rrj i()mn.()评价指标熵的定义为Hjl nmmjpj il npj i,()pj irj imjrj i.()()计算各评价指标的熵权iHiniHi,()且满足nii.实例应用 评评价价指指标标采采集集以贵州大树煤矿、山西香源沟煤矿和河南中马村煤矿为例进行煤矿瓦斯爆炸危险性评价研究,并采集煤矿瓦斯爆炸危险性相关指标数据(见表).表各煤矿瓦斯爆炸风险相关指标数据T
23、a b l eG a se x p l o s i o nr i s k i n d e xo f e a c hc o a lm i n e评价指标贵州大树煤矿山西香源沟煤矿河南中马村煤矿通风系统合理性x/分 采掘工作面风量供需比x/煤层瓦斯含量x/(mt)平均瓦斯涌出量x/(mt)煤层自然发火期x/月 煤尘爆炸性指数x/从业人员平均工龄x/a 综放面工人平均培训时间x/d 专业技术人员配备x/分 根据 煤矿安全规程、专家和现场工程技术人员的经验以及文献 将煤矿瓦斯爆炸危险性划分为无危险性、弱危险性、一般危险性、较强危险性和强危险性V五个等级.等级越高,表示危险性越大.等级划分情况见表.解镕
24、嘉等:基于熵权物元可拓模型的煤矿瓦斯爆炸危险性评价 年月表瓦斯爆炸风险影响因素等级划分T a b l eC l a s s i f i c a t i o no f r i s kf a c t o r so fg a se x p l o s i o n无危险性弱危险性一般危险性较强危险性强危险性V通风系统合理性x(,(,(,(,采掘工作面风量供需比x(,(,(,(,煤层瓦斯含量x,),),),),平均瓦斯涌出量x,),),),),煤层自然发火期x(,(,(,(,煤尘爆炸性指数x,),),),),从业人员平均工龄x(,(,(,综放面工人平均培训时间x(,(,(,(,专业技术人员配备x(,(,
25、(,(,评评价价指指标标的的归归一一化化处处理理首先对各评价指标进行归一化处理.对于指标x、x、x、x、x、x,因其为反向作用,即数值越大越不易发生爆炸,归一化公式为v ivim a xvivim a xvi m i n,i,.()对于指标x、x、x,因其为正向作用,即数值越大越易发生爆炸,归一化公式为v ivivim i nvim a xvim i n,i,.()根据式()和式(),结合表和表,得到归一化后的指标数据(见表).表各煤矿瓦斯爆炸风险指标数据归一化处理结果T a b l eR e s u l t so fn o r m a l i z a t i o no fg a se x p
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