CN111275230A - 一种煤矿易自燃煤层安全评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤矿易自燃煤层火灾预测方法，把熵值法和突变理论引入模型构造，熵值法是对不确定性因素的一种度量，突变理论能够直接处理不连续变化和突变现象，特别适用于内部作用尚未确知的系统的研究。突变级数法是一种非线性动态评价方法，能针对煤矿自燃火灾的不确定性和突变性准确计算出各评价指标的隶属度。因此，把熵值法—突变理论结合运用，能较好地契合煤矿自燃火灾发生的不确定性和突变性。

Description

一种煤矿易自燃煤层安全评价方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全技术领域，具体涉及一种煤矿易自燃煤层火灾预测方法。

背景技术

煤矿灾害中火灾破坏性大，对国家财产和人民生命安全造成了巨大威胁。据统计，在我国煤矿火灾事故中，有90%以上的事故是由煤层自燃引起的，因此，研究煤矿自燃火灾对防治煤矿火灾事故具有重要意义。

煤矿自燃火灾起因较多，发生过程复杂，目前煤矿火灾安全评价的方法有：模糊综合评价法、风险度评价法、火灾风险指数评价法、事故树分析法、集对分析法、神经网络法和熵值法等。选取合适的评价方法是评价过程的关键，以上评价方法存在权重确定是主观性太强的问题，煤矿自燃火灾发生的原因复杂，参数权重难以确定。

熵值法是对不确定性因素的一种度量，突变理论能够直接处理不连续变化和突变现象，特别适用于内部作用尚未确知的系统的研究。突变级数法是一种非线性动态评价方法，能针对煤矿自燃火灾的不确定性和突变性准确计算出各评价指标的隶属度。因此，笔者把熵值法—突变理论结合运用，能较好地契合煤矿自燃火灾发生的不确定性和突变性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种煤矿易自燃煤层发火预测方法。

本发明的技术方案是：

一种煤矿易自燃煤层发火预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立熵值法评价模型：熵值法对多个评价对象进行评价时，原始指标数据用m个评价对象、n 个评价指标形成的矩阵表示。对不同评价对象的重要度进行比较时，计算出各评价对象的评价指数，从而对评价对象进行择优排序。熵值法对单一研究对象依据信息量的大小，来确定不同评价对象的权重，用以反映评价对象的相对重要性。权重大的评价指标所携带信息量大，因此影响程度大，根据这个标准，对不同评价对象进行重要度排序。熵值法评价模型步骤如下:

步骤1.1：构建参评矩阵

依据评价对象的指标数据确定参评矩阵P，记为P =［x₀₁，x₀₂，…，x_0n］，其中，评价指标数据为L个专家打分结果的平均值，即:

按m－1 个等级节点值构建基准评价矩阵Q，Q 为( m－1) ×n 的矩阵，即:

式中: m 表示评价等级; n 表示评价指标个数。

将参评矩阵P 与基准评价矩阵Q 合并构成决策矩阵X，X 是一个m×n 矩阵，即:

步骤1.2：决策矩阵标准化处理

将决策矩阵X= ( x_ij)_m×n用线性比例变换法进行矩阵的初等变换处理，得到标准化矩阵Y = ( y_ij)_m×n，其中y_ij为:

步骤1.3：计算指标的熵值

步骤1.4：计算指标的差异值

步骤1.5：计算各个指标权重向量

指标的权重向量

，指标权重越大，信息量越大，影响程度越高，因此权重按从大到小进行排序。

步骤2：突变理论评价模型：突变理论是利用研究对象的势函数来研究突变现象的，包括状态变量x 和控制变量f ( x) ，通过联立f( x) ' = 0 和f( x) ″= 0 得到研究对象的临界点和分歧方程，分歧方程表示各控制变量满足该方程时，研究系统就发生突变。通过分解形式的分歧方程可导出归一公式，例如尖点突变模型的分歧点集{ a =－6x²，b =8x³ } ，推导出归一公式: { x_a= a^1/2，x_b = b^1/3 } ，归一公式把系统内部不同质态的控制变量归一化为可比较的同一质态，并对系统进行量化递归运算得到突变隶属函数值。

步骤3：基于突变理论评价法的评价步骤:

步骤3.1： 建立多层评价指标体系。通过对评价对象的研究和分解，根据研究对象的内在相互联系，建立合适的系统安全评价多层指标体系。

步骤3.2： 对底层的四级指标进行数据的规范化处理，将四级指标数据转化为［0,1］之间的无量纲数值，得到四级指标的模糊隶属函数值。

步骤3.3： 通过突变模型的归一公式进行递归运算，求出各个评价指标的模糊突变级数值。对不同突变模型选择对应的归一公式，例如: 评价对象Ｒ 有3个影响因子分别为Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃时，应选取燕尾形突变模型，归一公式为x_a = a^1/2，x_b= b^1/3，x_c= c^1/4，通过熵值法得出的指标权重大小选用对应的归一公式进行计算，指标权重较大的用x_a = a^1/2 计算，指标权重较小的用x_b= b^1/3计算，指标权重最小的用x_c= c^1/4计算。

步骤3.4：根据“互补”与“不互补”原则，求得系统的总突变隶属函数值。“互补”原则指系统各个控制变量间存在明显的关联作用，采取各控制变量对应的突变级数值的均值作为系统总突变隶属函数值。“不互补”原则采取各控制变量相应突变级数值中的最小值，作为系统总突变隶属函数值。总突变隶属函数值决定了评价指标在评价等级上属于哪一类等级。进而可以判断出该评价体系发生突变的可能性。

步骤3.5：重复步骤1) ～ 4) ，对评价系统进行不同时期的安全状况跟踪评价。

步骤4： 煤矿自燃火灾安全评价指标体系建立

由于安全评价指标体系是整个评价过程最重要的环节，因此选择合适的指标尤为重要。笔者利用海因里希事故致因理论和事故树分析，把事故的发生归结为人的不安全行为和物的不安全状态。通过对火灾自燃情况分析，把煤矿自燃火灾安全评价指标体系分为3个二级指标，即: 人的因素、物的因素、环境与管理; 把3 个二级指标分为7 个三级指标和19 个四级指标。在对煤矿自燃火灾各因素分析的基础上，将煤矿自燃火灾安全等级划分为5 个等级，煤矿自燃火灾安全等级划分级别安全性状态标度Ⅰ级危险［0，0．2)Ⅱ级较危险［0．2，0．5)Ⅲ级一般安全［0．5，0．7)Ⅳ级比较安全［0．7，0．9)Ⅴ级非常安全［0．9，1．0］

本发明将把熵值法和突变理论有效结合，用熵值法科学地衡量了各指标的相对重要性，避免了指标排序的主观性。依据归一公式对各指标进行量化递归运算，计算出人的因素、环境与管理、物的因素突变隶属值分别为0．881、0．612、0．849。环境与管理存在漏洞是造成该煤矿安全性较低的主要原因。

基于海因里希事故致因理论和事故树分析，选取人、物、环境与管理作为二级指标，将其层层分解，建立了比较完整的评价体系，其中四级指标为19 个，总突变隶属值为0．612，该煤矿自燃火灾安全评价结果为一般安全。

火灾自燃过程是不确定性和非线性突变过程，利用突变理论能较好地契合煤矿自燃火灾状况。在一定程度上弥补了模糊算法的缺陷，提高了煤矿自燃火灾安全评价的准确性。

Claims (1)

1.一种煤矿易自燃煤层火灾预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立熵值法评价模型：熵值法对多个评价对象进行评价时，原始指标数据用m个评价对象、n 个评价指标形成的矩阵表示，对不同评价对象的重要度进行比较时，计算出各评价对象的评价指数，从而对评价对象进行择优排序，熵值法评价模型步骤如下：

步骤1.1：构建参评矩阵，依据评价对象的指标数据确定参评矩阵P，记为P =［x₀₁，x₀₂，…，x_0n］，其中，评价指标数据为L个专家打分结果的平均值，即：

按m－1 个等级节点值构建基准评价矩阵Q，Q 为( m－1) ×n 的矩阵，即：

式中: m 表示评价等级; n 表示评价指标个数，将参评矩阵P 与基准评价矩阵Q 合并构成决策矩阵X，X 是一个m×n 矩阵，即：

步骤1.2：决策矩阵标准化处理，将决策矩阵X= ( x_ij)_m×n用线性比例变换法进行矩阵的初等变换处理，得到标准化矩阵Y = ( y_ij)_m×n，其中y_ij为：

步骤1.3：计算指标的熵值：

步骤1.4：计算指标的差异值：

步骤1.5：计算各个指标权重向量：

指标的权重向量W= ( w₁，w₂，…，w_n) ，指标权重越大，信息量越大，影响程度越高，因此权重按从大到小进行排序；

步骤2：突变理论评价模型：突变理论是利用研究对象的势函数来研究突变现象的，包括状态变量x 和控制变量f ( x) ，通过联立f( x) ' = 0 和f( x) ″= 0 得到研究对象的临界点和分歧方程，分歧方程表示各控制变量满足该方程时，研究系统就发生突变，通过分解形式的分歧方程可导出归一公式，例如尖点突变模型的分歧点集{ a =－6x²，b = 8x³ }，推导出归一公式: { x_a= a^1/2，x_b = b^1/3 } ，归一公式把系统内部不同质态的控制变量归一化为可比较的同一质态，并对系统进行量化递归运算得到突变隶属函数值；

步骤3：基于突变理论评价法的评价步骤；

步骤3.1： 建立多层评价指标体系：通过对评价对象的研究和分解，根据研究对象的内在相互联系，建立合适的系统安全评价多层指标体系；

步骤3.2： 对底层的四级指标进行数据的规范化处理，将四级指标数据转化为［0,1］之间的无量纲数值，得到四级指标的模糊隶属函数值；

步骤3.3： 通过突变模型的归一公式进行递归运算，求出各个评价指标的模糊突变级数值，对不同突变模型选择对应的归一公式，例如: 评价对象Ｒ 有3个影响因子分别为Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃时，应选取燕尾形突变模型，归一公式为x_a = a^1/2，x_b= b^1/3，x_c= c^1/4，通过熵值法得出的指标权重大小选用对应的归一公式进行计算，指标权重较大的用x_a = a^1/2 计算，指标权重较小的用x_b= b^1/3计算，指标权重最小的用x_c= c^1/4计算；

步骤3.4：根据“互补”与“不互补”原则，求得系统的总突变隶属函数值；“互补”原则指系统各个控制变量间存在明显的关联作用，采取各控制变量对应的突变级数值的均值作为系统总突变隶属函数值；“不互补”原则采取各控制变量相应突变级数值中的最小值，作为系统总突变隶属函数值；总突变隶属函数值决定了评价指标在评价等级上属于哪一类等级，进而可以判断出该评价体系发生突变的可能性；

步骤3.5：重复步骤1) ～ 4) ，对评价系统进行不同时期的安全状况跟踪评价；

步骤4： 煤矿自燃火灾安全评价指标体系建立：

由于安全评价指标体系是整个评价过程最重要的环节，因此选择合适的指标尤为重要，利用海因里希事故致因理论和事故树分析，把事故的发生归结为人的不安全行为和物的不安全状态，通过对火灾自燃情况分析，把煤矿自燃火灾安全评价指标体系分为3 个二级指标，即: 人的因素、物的因素、环境与管理; 把3 个二级指标分为7 个三级指标和19个四级指标；在对煤矿自燃火灾各因素分析的基础上，将煤矿自燃火灾安全等级划分为5个等级，煤矿自燃火灾安全等级划分级别安全性状态标度Ⅰ级危险［0，0.2)、Ⅱ级较危险［0.2，0.5)、Ⅲ级一般安全［0.5，0.7)、Ⅳ级比较安全［0.7，0.9)和Ⅴ级非常安全［0.9，1.0］；本发明将把熵值法和突变理论有效结合，用熵值法科学地衡量了各指标的相对重要性。