CN107818425A - 一种采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法，该方法：首先，确定各个采煤工作面关于各评价指标的模糊指标值；其次，对各瓦斯爆炸危险性指标进行模糊集成赋权和模糊变权，确定瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵；根据模糊变权权重矩阵和模糊指标值矩阵，得到模糊集成变权多指标综合评价向量；再次，确定模糊集成变权多指标综合评价向量的模糊结构元形式；最后，通过计算模糊集成变权多指标综合评价向量中两两综合评价值的模糊结构元加权序，确定模糊集成变权多指标综合评价值的结构元形式的大小关系，得到各采煤工作面瓦斯爆炸的危险性评价结果；本发明得到了采煤面瓦斯爆炸危险性的大小关系，实现了矿井的安全生产。
Description
技术领域
本发明属于煤矿工作面瓦斯安全评价技术领域，具体涉及一种采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法。
背景技术
瓦斯爆炸是影响煤矿生产系统安全的重大灾害事故之一，若不采取有效措施积极预防控制，极易造成矿井生产安全事故，并危及人员生命及企业财产安全。因此，开展煤矿采煤工作面瓦斯爆炸危险性评价研究，可为科学合理地防治瓦斯爆炸事故提供依据，对保障煤矿安全生产具有重要意义。
目前，已有学者对采煤面瓦斯爆炸危险性评价进行研究：施式亮等通过寻找工人因素、机械因素、环境因素和管控因素等多个工作面瓦斯爆炸影响因素，并以此建立了瓦斯爆炸危险性灰色评价模型；念其锋等采用网络分析法确定瓦斯爆炸危险性评价因素的权重，并结合SPA分析中的熵理论进行瓦斯爆炸危险性的评价；余帅雷等应用熵权法将影响瓦斯爆炸的因素组合起来，并确定了因素的权重，建立了模糊熵权瓦斯爆炸危险性评价模型；刘芮葭采用区间特征根法给出瓦斯爆炸评价因素的权重矩阵，并对煤矿工作面瓦斯爆炸危险性进行等级评定；潘超等应用改进的模糊层次分析法(FAHP)进行瓦斯爆炸的危险性评价，并采用FAHP法确定了评价因素的权重；程卫民等采用组合赋权法确定瓦斯爆炸危险性因素的权重，并对权重做了变权的处理。上述方法在进行瓦斯爆炸危险性综合评价时仍存在一些问题，主要体现在对评价指标权重的研究不足，虽然一些研究已经应用组合赋权法以克服单独使用主观或客观权重造成的评价误差，但却忽略了组合权重和变权权重的模糊性，使得评价结果不能较好地贴近实际情况。因此本发明提出了模糊集成变权多因素综合评价模型进行采煤面瓦斯爆炸危险性的评定，该模型在对评价因素模糊组合赋权的基础上进行模糊变权，使得评价因素权重的确定更为合理，并应用模糊结构元表达模糊数及其运算，实现了模糊集成变权多指标综合评价中计算过程的模糊继承性和计算结果的解析表达，可得到合理的采煤工作面瓦斯爆炸危险性评价结果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法。
一种采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法，包括以下步骤：
步骤1：确定待评价的采煤工作面集合Z＝(z1，z2，…，zj，…zn)和影响每个采煤工作面的瓦斯爆炸危险性指标集合F＝(f1，f2，…，fi，…fm)；其中，zj为待评价的采煤工作面，j＝1，2，…，n，n为待评价的采煤工作面个数，fi为评价采煤工作面瓦斯爆炸危险性指标，i＝1，2，…，m，m为指标个数；
步骤2：确定各个采煤工作面关于各评价指标的模糊指标值经规范化处理得到规范化的模糊指标值将规范化的模糊指标值归一化处理后得到归一化的模糊指标值从而得到归一化的模糊指标值矩阵
步骤2-1：采用三角模糊数表示各个采煤工作面关于各评价指标的模糊指标值得到模糊指标值矩阵
步骤2-2：根据各模糊指标值与评价结果的相关性对模糊指标值进行规范化处理后得到规范化的模糊指标值构成规范化的模糊指标值矩阵
步骤2-3：对规范化后的模糊指标值进行归一化处理得到归一化的模糊指标值并由其构成归一化的模糊指标值矩阵
步骤3：对各瓦斯爆炸危险性指标进行模糊集成赋权和模糊变权，确定瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵
步骤3-1：采用模糊层次分析法对各评价指标进行模糊主观赋权，得到瓦斯爆炸危险性指标的模糊主观权重为
步骤3-1-1：根据专家评价给出指标相对重要性模糊评价矩阵：设由q个专家给出m个指标的相对重要性模糊评价矩阵为其中，表示由第k个专家给出的指标fi关于指标fv的相对重要性模糊评价值，v＝1，2，…，m，k＝1，2，…，q；
步骤3-1-2：整理专家评价数据，对相对重要性模糊评价矩阵中数据进行整理，得到模糊评价矩阵其中，为整理后的指标fi关于指标fv的模糊评价值；
步骤3-1-3：根据模糊评价矩阵计算瓦斯爆炸危险性指标的模糊主观权重为其中，
步骤3-2：根据归一化的模糊指标值矩阵采用模糊信息熵法对各评价指标进行模糊客观赋权，得到瓦斯爆炸危险性指标的模糊客观权重
步骤3-2-1：根据归一化的模糊指标值矩阵计算瓦斯爆炸危险性指标的模糊熵值
步骤3-2-2：根据各个瓦斯爆炸危险性指标的模糊熵值计算瓦斯爆炸危险性指标的模糊客观权重其中，
步骤3-3：将瓦斯爆炸危险性指标的模糊主观权重与模糊客观权重相结合并归一化为瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成常权权重构成瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成的常权向量
步骤3-3-1：将瓦斯爆炸危险性指标的模糊主观权重与模糊客观权重组合得到瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成权重
步骤3-3-2：将瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成权重进行归一化处理，得到瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成常权权重构成瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成的常权向量
步骤3-4：将归一化的模糊指标值矩阵经变权处理后得到模糊指标值变权矩阵根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成的常权向量和模糊指标值变权矩阵构造瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵其中，为瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重；
步骤3-4-1：根据归一化的模糊指标值与评价结果的相关性将归一化的模糊指标值矩阵经变权处理后得到模糊指标值变权矩阵若归一化的模糊指标值与评价结果呈正相关，则对该模糊指标值变权后为模糊指标值变权值为模糊指标值正相关变权值；若归一化的模糊指标值与评价结果呈负相关，则对模糊指标值变权后为模糊指标值变权值为模糊指标值负相关变权值；
步骤3-4-2：根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成的常权向量和模糊指标值变权矩阵构造瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵
所述根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成的常权向量和模糊指标值变权矩阵构造瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵的计算公式如下所示：
其中，运算符号“”满足公式
步骤4：根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵和归一化的模糊指标值矩阵计算得到模糊集成变权多指标综合评价向量其中，为模糊集成变权多指标综合评价值；
所述根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵和归一化的模糊指标值矩阵计算得到模糊集成变权多指标综合评价向量的计算公式如下所示：
其中，运算符号满足公式为模糊集成变权多指标综合评价值。
步骤5：采用模糊结构元将瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵表示为结构元形式，从而确定模糊集成变权多指标综合评价向量的模糊结构元形式；
步骤5-1：给定模糊结构元和[-1，1]上的同序单调函数，将规范化的模糊指标值归一化的模糊指标值整理后的指标fi关于指标fv的模糊评价值模糊主观权重模糊熵值模糊集成权重模糊集成常权权重模糊指标值正相关变权值模糊指标值负相关变权值模糊指标值变权值模糊变权权重表示为结构元形式，并确定瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵的结构元形式；
所述瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵的结构元形式表达为如下所示：
其中，当归一化的模糊指标值与评价结果呈正相关时lij(x)＝lij +(x)，当归一化的模糊指标值与评价结果呈负相关时lij(x)＝lij -(x)，lij +(x)为模糊指标值正相关变权值的模糊结构元生成函数，lij -(x)为模糊指标值负相关变权值的模糊结构元生成函数，Hi(x)为模糊熵值的模糊结构元生成函数，τ2为同序单调变换；
步骤5-2：根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵的结构元形式确定模糊集成变权多指标综合评价向量的结构元形式；
所述模糊集成变权多指标综合评价向量的结构元形式如下所示：
其中，为模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式，gij(x)为归一化的模糊指标值的模糊结构元生成函数。
步骤6：通过计算模糊集成变权多指标综合评价向量中两两综合评价值的模糊结构元加权序确定模糊集成变权多指标综合评价值的结构元形式的大小关系，从而对各采煤工作面的危险性进行排序，得到各采煤工作面瓦斯爆炸的危险性评价结果，其中，j′＝1，2，…，n。
具体过程如下所示：
若则即模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式大于模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式
若则即模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式等于模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式
若则即模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式小于模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式
其中，模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式较大者即为采煤面瓦斯爆炸危险性较大，从而对各采煤工作面的危险性进行排序，得到各采煤工作面瓦斯爆炸的危险性评价结果；
其中，为模糊结构元，为依结构元拟大于，为依结构元拟等于，为依结构元拟小于。
本发明的有益效果：
本发明提出一种采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法，该方法与现有技术相比，具有如下优势：
将集成的权重模糊化，并作模糊变权处理，避免了因指标值的不均衡性而湮灭实际评估结果的问题，使评价结果更符合实际需要；
应用模糊结构元表达模糊数及其运算，避免了扩张原理的遍历性，实现了模糊集成变权多指标综合评价中计算过程的模糊继承性和计算结果的解析表达；
根据模糊集成变权多指标综合评价法得到了采煤面瓦斯爆炸危险性的大小关系，可对采煤面采取具有针对性的瓦斯管理措施，不仅有效避免了管理问题，而且实现了矿井的安全生产。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
本发明将主、客观赋权法组合，提出模糊集成赋权法，且引入变权思想，构造评价指标的模糊集成变权向量；并依据模糊结构元理论，建立由模糊结构元表达的模糊集成变权多指标综合评价模型。将其应用于采煤面瓦斯爆炸危险性的评价中，为采煤面瓦斯事故的科学预防提供指导。
本实施方式，以某井工煤矿采煤工作面为研究对象，应用基于模糊结构元表达的模糊集成变权多指标综合评价法对各采煤面的瓦斯爆炸危险性进行评定，为制定科学合理的瓦斯防治措施提供依据。
一种采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：确定待评价的采煤工作面集合Z＝(z1，z2，…，zj，…zn)和影响每个采煤工作面的瓦斯爆炸危险性指标集合F＝(f1，f2，…，fi，…fm)；其中，zj为待评价的采煤工作面，j＝1，2，…，n，n为待评价的采煤工作面个数，fi为评价采煤工作面瓦斯爆炸危险性指标，i＝1，2，…，m，m为指标个数。
本实施方式中，待评价的采煤面为采煤面1～采煤面3；依据专业知识和资料分析，影响采煤面瓦斯爆炸危险性指标主要为煤层瓦斯含量f1、工作面回采率f2、工作面通风量f3、工作面瓦斯抽采率f4、邻近层瓦斯涌出量f5、围岩瓦斯涌出量f6、工作面回采强度f7、防火措施完备性f8、瓦斯监控系统完备性f9。其中定量指标为f1、f2、f3、f4和f5，定性指标为f6、f7、f8和f9。
步骤2：确定各个采煤工作面关于各评价指标的模糊指标值经规范化处理得到规范化的模糊指标值将规范化的模糊指标值归一化处理后得到归一化的模糊指标值从而得到归一化的模糊指标值矩阵
步骤2-1：采用三角模糊数表示各个采煤工作面关于各评价指标的模糊指标值得到模糊指标值矩阵如式(1)所示：
其中，aij为模糊指标值承集的下确界，bij为模糊指标值的核、cij为模糊指标值承集的上确界。
本实施方式中，通过统计得到采煤面1～采煤面3关于各评价指标的模糊指标值如表1所示，表中各采煤面关于定量指标的取值是通过现场试验测试得到；关于定性指标的取值是专家团队根据采煤面的地质资料、开采技术条件等给出的模糊综合评分，评分取值范围为[0，10]；
表1各采煤面关于评价指标的三角模糊数表
步骤2-2：根据各模糊指标值与评价结果的相关性对模糊指标值进行规范化处理后得到规范化的模糊指标值构成规范化的模糊指标值矩阵
由于不同采煤工作面关于各评价指标的模糊指标值可能存在数值大小及量纲上的差异性，因此应对模糊指标值作规范化处理，如式(2)、(3)、(4)所示：
若模糊指标值与评价结果呈正相关，则模糊指标值的规范化公式如式(5)所示：
若模糊指标值与评价结果呈负相关，则模糊指标值的规范化公式如式(6)所示：
本实施方式中，采煤面关于指标f1、f5、f6、f7的取值与评价结果呈正相关，关于指标f2、f3、f4、f8和f9的取值与评价结果呈负相关，故按公式(5)和(6)将表1中规范后得到规范化的模糊指标值矩阵如式(7)所示：
步骤2-3：对规范化后的模糊指标值进行归一化处理得到归一化的模糊指标值并由其构成归一化的模糊指标值矩阵
对规范化后的模糊指标值进行归一化处理的公式如式(8)所示：
得到归一化的模糊指标值矩阵如式(9)所示：
步骤3：对各瓦斯爆炸危险性指标进行模糊集成赋权和模糊变权，确定瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵
步骤3-1：采用模糊层次分析法(FAHP)对各评价指标进行模糊主观赋权，得到瓦斯爆炸危险性指标的模糊主观权重为
步骤3-1-1：根据专家评价给出指标相对重要性模糊评价矩阵：设由q个专家给出m个指标的相对重要性模糊评价矩阵为其中，表示由第k个专家给出的指标fi关于指标fv的相对重要性模糊评价值，v＝1，2，…，m，k＝1，2，…，q。
本实施方式中，可由三角模糊数表示，即
步骤3-1-2：整理专家评价数据，对相对重要性模糊评价矩阵中数据进行整理，得到模糊评价矩阵其中，为整理后的指标fi关于指标fv的模糊评价值，如式(10)所示：
本实施方式中，通过聘请五位业内专家评价得到评价指标相对重要性模糊评价值取值构成相对重要性模糊评价矩阵并按式(10)将相对重要性模糊评价矩阵中数据整理得到统一专家意见后的模糊评价矩阵如式(11)所示：
步骤3-1-3：根据模糊评价矩阵计算瓦斯爆炸危险性指标的模糊主观权重为如式(12)所示：
步骤3-2：根据归一化的模糊指标值矩阵采用模糊信息熵法对各评价指标进行模糊客观赋权，得到瓦斯爆炸危险性指标的模糊客观权重
步骤3-2-1：根据归一化的模糊指标值矩阵计算瓦斯爆炸危险性指标的模糊熵值如式(13)所示：
其中，当时，
步骤3-2-2：根据各个瓦斯爆炸危险性指标的模糊熵值计算瓦斯爆炸危险性指标的模糊客观权重如式(14)所示：
其中，当时，
步骤3-3：将瓦斯爆炸危险性指标的模糊主观权重与模糊客观权重相结合并归一化为瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成常权权重构成瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成的常权向量
步骤3-3-1：将瓦斯爆炸危险性指标的模糊主观权重与模糊客观权重组合得到瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成权重如式(15)所示：
步骤3-3-2：将瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成权重进行归一化处理，得到瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成常权权重构成瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成的常权向量如式(16)所示：
步骤3-4：将归一化的模糊指标值矩阵经变权处理后得到模糊指标值变权矩阵根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成的常权向量和模糊指标值变权矩阵构造瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵其中，为瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重；
步骤3-4-1：根据归一化的模糊指标值与评价结果的相关性将归一化的模糊指标值矩阵经变权处理后得到模糊指标值变权矩阵
若归一化的模糊指标值与评价结果呈正相关，则对该模糊指标值变权后为模糊指标值变权值为模糊指标值正相关变权值，如式(17)所示：
若归一化的模糊指标值与评价结果呈负相关，则对模糊指标值变权后为模糊指标值变权值为模糊指标值负相关变权值，如式(18)所示：
其中，u＝1，2，…，m。
得到模糊指标值变权矩阵如式(19)所示：
步骤3-4-2：根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成的常权向量和模糊指标值变权矩阵构造瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵如式(20)所示：
其中，运算符号“”满足公式
步骤4：根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵和归一化的模糊指标值矩阵计算得到模糊集成变权多指标综合评价向量如式(21)所示：
其中，运算符号满足公式为模糊集成变权多指标综合评价值。
步骤5：采用模糊结构元将瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵表示为结构元形式，从而确定模糊集成变权多指标综合评价向量的模糊结构元形式。
目前的模糊综合评价模型大多应用扩张原理进行模糊运算，应用扩张原理的主要问题有：(1)扩张原理使得集成赋权和变权的计算过程十分复杂，进而难以得到模糊的组合权重，也不能实现模糊变权的解析表达；(2)由于扩张原理内在的遍历性，难以得到模糊数计算结果的解析表达；(3)评价结果成为精确数而非模糊数，评价结果不符合实际情况。因此，本方法应用模糊结构元表示模糊数并进行模糊数间的运算，可避免扩张原理的遍历性，实现计算过程的模糊继承性和计算结果的解析表达。
步骤5-1：给定模糊结构元和[-1，1]上的同序单调函数，将规范化的模糊指标值归一化的模糊指标值整理后的指标fi关于指标fv的模糊评价值模糊主观权重模糊熵值模糊集成权重模糊集成常权权重模糊指标值正相关变权值模糊指标值负相关变权值模糊指标值变权值模糊变权权重表示为结构元形式，并确定瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵的结构元形式
本实施方式中，设函数fij(x)、gij(x)、yiv(x)、Hi(x)、lij +(x)、lij(x)、H′ij(x)均为[-1，1]上的同序单调函数。
函数fij(x)、gij(x)、yiv(x)、Hi(x)、H′ij(x)分别为规范化的模糊指标值归一化的模糊指标值整理后的指标fi关于指标fv的模糊评价值模糊主观权重模糊熵值模糊集成权重模糊集成常权权重模糊指标值正相关变权值模糊指标值负相关变权值模糊指标值变权值模糊变权权重的生成函数。
设f(x)在[-1，1]上有同序单调变换τ2，如式(22)所示：
由规范化后的模糊指标值进行归一化处理的公式(8)和同序单调变换τ2，归一化的模糊指标值可由模糊结构元及函数fij(x)表示为如式(23)所示：
则归一化的模糊指标值矩阵的结构元形式如式(24)所示：
由公式(12)和同序单调变换τ2，得模糊主观权重可由模糊结构元表达为如式(25)所示：
根据公式(13)，模糊熵值可由模糊结构元及公式(23)中gij(x)表示为如式(26)所示：
根据公式(15)和同序单调变换τ2，模糊集成权重可由模糊结构元及函数 表示为如式(27)所示：
式中，其中，可由公式(25)得出，可由公式(26)得出。
根据公式(16)和同序单调变换τ2，模糊集成常权权重可由模糊结构元及公式(27)中表示为如式(28)所示：
根据公式(17)，当归一化的模糊指标值与评价结果呈正相关时，模糊指标值正相关变权值的结构元形式表达为公式(29)所示：
根据公式(18)和同序单调变换τ2，当归一化的模糊指标值与评价结果呈负相关时，模糊指标值负相关变权值的结构元形式表达为公式(30)所示：
其中，s＝1，2，…，m。
模糊指标值变权矩阵的结构元形式表达为如式(31)所示：
其中，当归一化的模糊指标值与评价结果呈正相关时当归一化的模糊指标值与评价结果呈负相关时lij(x)＝lij -(x)。
根据公式(20)得，瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵的结构元形式表达为如式(32)所示：
其中，
步骤5-2：根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵的结构元形式确定模糊集成变权多指标综合评价向量的结构元形式，如式(33)所示：
式中，为模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式。
本实施方式中，规范化的模糊指标值矩阵中规范化后的模糊指标值可由模糊结构元及函数fij(x)表示出，i＝1，2，…，9；j＝1，2，3。此处以f11(x)和为例说明计算过程，其他略。
在规范化的模糊指标值矩阵中，可得公式(34)所示：
则得到
根据公式(8)、(23)和同序单调变换τ2可得如式(37)所示：
同理，应用matlab符号计算实现规范化的模糊指标值、归一化的模糊指标值、整理后的指标fi关于指标fv的模糊评价值模糊主观权重模糊熵值模糊集成权重模糊集成常权权重模糊指标值正相关变权值模糊指标值负相关变权值模糊指标值变权值模糊变权权重模糊集成变权多指标综合评价值的求解。
步骤6：通过计算模糊集成变权多指标综合评价向量中两两综合评价值的模糊结构元加权序确定模糊集成变权多指标综合评价值的结构元形式的大小关系，从而对各采煤工作面的危险性进行排序，得到各采煤工作面瓦斯爆炸的危险性评价结果。
本实施方式中，计算模糊集成变权多指标综合评价向量中两两综合评价值的模糊结构元加权序的计算公式如式(38)所示：
其中，为模糊集成变权多指标综合评价值和模糊集成变权多指标综合评价值的模糊结构元加权序，j′＝1，2，…，n，为模糊结构元的隶属函数。
若则即模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式大于模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式
若则即模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式等于模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式
若则即模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式小于模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式
其中，模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式较大者即为采煤面瓦斯爆炸危险性较大，从而对各采煤工作面的危险性进行排序，得到各采煤工作面瓦斯爆炸的危险性评价结果；为依结构元拟大于，为依结构元拟等于，为依结构元拟小于。
通过matlab符号函数的积分功能计算模糊集成变权多指标综合评价向量中两两综合评价值的模糊结构元加权序如式(39)、(40)、(41)所示：
根据公式(39)、(40)、(41)可得，即即即
故采煤面瓦斯爆炸危险性次序为z2、z3、z1。
根据采煤面瓦斯爆炸危险性评价结果，该矿井中瓦斯爆炸危险性最大的采煤工作面为采煤面2，因此应对该工作面加强采中瓦斯抽采措施，特别是加强针对易出现瓦斯超限的上隅角等位置的瓦斯治理措施，除此之外还需加强防火措施，严禁违章作业，做好防爆管理工作，实现采煤面瓦斯爆炸的科学合理管控。
为了验证该评价方法的正确性和工程实用性，发明人对该矿3个待评价采煤面的多个工作地点进行瓦斯浓度现场监测，监测结果显示采煤面2回风巷瓦斯浓度为0.6％～0.9％，并在上隅角位置多次发生瓦斯超限报警；采煤面3回风巷瓦斯浓度为0.5％～0.7％，采煤面1回风巷瓦斯浓度为0.2％～0.4％，采煤面3和采煤面1未发生瓦斯超限报警。监测结果说明采煤面1的瓦斯爆炸危险性大于采煤面3和采煤面1，从而证明了基于模糊结构元表达的模糊集成变权多因素综合评价方法对采煤面瓦斯爆炸危险性次序判别的有效性。
Claims (10)
1.一种采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定待评价的采煤工作面集合Z＝(z1，z2，…，zj，…zn)和影响每个采煤工作面的瓦斯爆炸危险性指标集合F＝(f1，f2，…，fi，…fm)；其中，zj为待评价的采煤工作面，j＝1，2，…，n，n为待评价的采煤工作面个数，fi为评价采煤工作面瓦斯爆炸危险性指标，i＝1，2，…，m，m为指标个数；
步骤2：确定各个采煤工作面关于各评价指标的模糊指标值经规范化处理得到规范化的模糊指标值将规范化的模糊指标值归一化处理后得到归一化的模糊指标值从而得到归一化的模糊指标值矩阵
步骤3：对各瓦斯爆炸危险性指标进行模糊集成赋权和模糊变权，确定瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵
步骤3-1：采用模糊层次分析法对各评价指标进行模糊主观赋权，得到瓦斯爆炸危险性指标的模糊主观权重为
步骤3-2：根据归一化的模糊指标值矩阵采用模糊信息熵法对各评价指标进行模糊客观赋权，得到瓦斯爆炸危险性指标的模糊客观权重
步骤3-3：将瓦斯爆炸危险性指标的模糊主观权重与模糊客观权重相结合并归一化为瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成常权权重构成瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成的常权向量
步骤3-4：将归一化的模糊指标值矩阵经变权处理后得到模糊指标值变权矩阵根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成的常权向量和模糊指标值变权矩阵构造瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵其中，为瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重；
步骤4：根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵和归一化的模糊指标值矩阵计算得到模糊集成变权多指标综合评价向量其中，为模糊集成变权多指标综合评价值；
步骤5：采用模糊结构元将瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵表示为结构元形式，从而确定模糊集成变权多指标综合评价向量的模糊结构元形式；
步骤6：通过计算模糊集成变权多指标综合评价向量中两两综合评价值的模糊结构元加权序确定模糊集成变权多指标综合评价值的结构元形式的大小关系，从而对各采煤工作面的危险性进行排序，得到各采煤工作面瓦斯爆炸的危险性评价结果，其中，j′＝1，2，…，n。
2.根据权利要求1所述的采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：
步骤2-1：采用三角模糊数表示各个采煤工作面关于各评价指标的模糊指标值得到模糊指标值矩阵
步骤2-2：根据各模糊指标值与评价结果的相关性对模糊指标值进行规范化处理后得到规范化的模糊指标值构成规范化的模糊指标值矩阵
步骤2-3：对规范化后的模糊指标值进行归一化处理得到归一化的模糊指标值并由其构成归一化的模糊指标值矩阵
3.根据权利要求1所述的采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法，其特征在于，所述步骤3.1包括以下步骤：
步骤3-1-1：根据专家评价给出指标相对重要性模糊评价矩阵：设由q个专家给出m个指标的相对重要性模糊评价矩阵为其中，表示由第k个专家给出的指标fi关于指标fv的相对重要性模糊评价值，v＝1，2，…，m，k＝1，2，…，q；
步骤3-1-2：整理专家评价数据，对相对重要性模糊评价矩阵中数据进行整理，得到模糊评价矩阵其中，为整理后的指标fi关于指标fv的模糊评价值；
步骤3-1-3：根据模糊评价矩阵计算瓦斯爆炸危险性指标的模糊主观权重为其中，
4.根据权利要求1所述的采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法，其特征在于，所述步骤3.2包括以下步骤：
步骤3-2-1：根据归一化的模糊指标值矩阵计算瓦斯爆炸危险性指标的模糊熵值
步骤3-2-2：根据各个瓦斯爆炸危险性指标的模糊熵值计算瓦斯爆炸危险性指标的模糊客观权重其中，
5.根据权利要求1所述的采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法，其特征在于，所述步骤3.3包括以下步骤：
步骤3-3-1：将瓦斯爆炸危险性指标的模糊主观权重与模糊客观权重组合得到瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成权重
步骤3-3-2：将瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成权重进行归一化处理，得到瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成常权权重构成瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成的常权向量
6.根据权利要求1所述的采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法，其特征在于，所述步骤3.4包括以下步骤：
步骤3-4-1：根据归一化的模糊指标值与评价结果的相关性将归一化的模糊指标值矩阵经变权处理后得到模糊指标值变权矩阵若归一化的模糊指标值与评价结果呈正相关，则对该模糊指标值变权后为模糊指标值变权值 为模糊指标值正相关变权值；若归一化的模糊指标值与评价结果呈负相关，则对模糊指标值变权后为模糊指标值变权值 为模糊指标值负相关变权值；
步骤3-4-2：根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成的常权向量和模糊指标值变权矩阵构造瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵
7.根据权利要求1-6任意权利要求所述的采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法，其特征在于，所述步骤5包括以下步骤：
步骤5-1：给定模糊结构元和[-1，1]上的同序单调函数，将规范化的模糊指标值归一化的模糊指标值整理后的指标fi关于指标fv的模糊评价值模糊主观权重模糊熵值模糊集成权重模糊集成常权权重模糊指标值正相关变权值模糊指标值负相关变权值模糊指标值变权值模糊变权权重表示为结构元形式，并确定瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵的结构元形式；
所述瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵的结构元形式表达为如下所示：
其中，当归一化的模糊指标值与评价结果呈正相关时lij(x)＝lij +(x)，当归一化的模糊指标值与评价结果呈负相关时lij(x)＝lij -(x)，lij +(x)为模糊指标值正相关变权值的模糊结构元生成函数，lij -(x)为模糊指标值负相关变权值的模糊结构元生成函数，Hi(x)为模糊熵值的模糊结构元生成函数，τ2为同序单调变换；
步骤5-2：根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵的结构元形式确定模糊集成变权多指标综合评价向量的结构元形式；
所述模糊集成变权多指标综合评价向量的结构元形式如下所示：
其中， 为模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式，gij(x)为归一化的模糊指标值的模糊结构元生成函数。
8.根据权利要求1所述的采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法，其特征在于，所述根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵和归一化的模糊指标值矩阵计算得到模糊集成变权多指标综合评价向量的计算公式如下所示：
其中，运算符号满足公式 为模糊集成变权多指标综合评价值。
9.根据权利要求6所述的采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法，其特征在于，所述根据瓦斯爆炸危险性指标的模糊集成的常权向量和模糊指标值变权矩阵构造瓦斯爆炸危险性指标的模糊变权权重矩阵的计算公式如下所示：
其中，运算符号满足公式
10.根据权利要求1所述的采煤工作面瓦斯爆炸危险性的评价方法，其特征在于，所述通过计算模糊集成变权多指标综合评价向量中两两综合评价值的模糊结构元加权序确定模糊集成变权多指标综合评价值的结构元形式的大小关系，从而对各采煤工作面的危险性进行排序，得到各采煤工作面瓦斯爆炸的危险性评价结果的具体过程如下所示：
若则即模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式大于模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式
若则即模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式等于模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式
若则即模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式小于模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式
其中，模糊集成变权多指标综合评价值的结构元表达式较大者即为采煤面瓦斯爆炸危险性较大，从而对各采煤工作面的危险性进行排序，得到各采煤工作面瓦斯爆炸的危险性评价结果；
其中，为模糊结构元，为依结构元拟大于，为依结构元拟等于，为依结构元拟小于。
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