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        基于熵權(quán)物元可拓模型的沖擊地壓安全評(píng)價(jià)

        2019-08-05 01:45:34趙永芳張凌云于麗雅
        煤礦安全 2019年6期
        關(guān)鍵詞:煤礦因素評(píng)價(jià)

        趙永芳,張凌云,于麗雅

        (1.山西能源學(xué)院 安全工程系,山西 榆次 030600;2.山西能源學(xué)院 礦業(yè)工程系,山西 榆次 030600)

        沖擊地壓作為煤礦重大地質(zhì)災(zāi)害之一,威脅著礦井的安全生產(chǎn)和人員安全[1-3]。隨著煤炭資源逐漸減少,礦井開采深度逐漸加深,開采廣度逐漸加大,由此引發(fā)的礦山地質(zhì)災(zāi)害不斷發(fā)生,其頻次和烈度也逐漸增強(qiáng),對(duì)礦井生產(chǎn)帶來極大威脅[4-5]。這些地質(zhì)災(zāi)害中,沖擊地壓最為嚴(yán)重,成為煤礦生產(chǎn)和人員安全的“攔路虎”。因此,準(zhǔn)確的沖擊地壓的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和人員安全具有重要的實(shí)際意義。

        針對(duì)沖擊地壓的研究,可分為3個(gè)方向:沖擊地壓發(fā)生機(jī)理和機(jī)制;沖擊地壓監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)及安全評(píng)價(jià);沖擊地壓防治技術(shù)、解危措施、治理手段。其中,沖擊地壓安全評(píng)價(jià)是預(yù)防和防治沖擊地壓的基礎(chǔ)和前提,尤為重要。但由于沖擊地壓本身具有突發(fā)性、破壞性、震動(dòng)性、復(fù)雜性等特點(diǎn),又加之人為因素影響,沖擊地壓評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度較低,無法真正起到預(yù)測(cè)作用,不具有參考價(jià)值。目前,專家學(xué)者對(duì)沖擊地壓評(píng)價(jià)做了研究。姜福興等[6]通過建立坐標(biāo)系,提出一種基于自重應(yīng)力基礎(chǔ)之上疊加各個(gè)沖擊危險(xiǎn)性因素產(chǎn)生的應(yīng)力增量的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法;姜福興[7]還基于山東某礦井復(fù)雜多樣的地質(zhì)和開采環(huán)境,提出了對(duì)沖擊地壓實(shí)行分類評(píng)價(jià)的技術(shù)思路;王佳信等[8]提出一種沖擊地壓危險(xiǎn)性等級(jí)多參量辨識(shí)模型;朱峰[9]基于“AHP+熵權(quán)法”提出CW-TOPSIS沖擊地壓評(píng)判模型;尹永明等[10]基于模糊綜合評(píng)判研究了不同區(qū)域的沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià);榮海等[11]提出了急傾斜特厚煤層沖擊地壓危險(xiǎn)性的多因素模式識(shí)別預(yù)測(cè)方法,建立了相應(yīng)的概率預(yù)測(cè)模型;張宏偉等[12]基于地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃對(duì)近直立特厚煤層沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià);陳光波[13]構(gòu)建了基于云模型和D-S理論的沖擊地壓危險(xiǎn)性耦合模型。

        據(jù)此,綜合地質(zhì)因素、安全管理因素、開采技術(shù)因素、其他因素,構(gòu)建沖擊地壓綜合評(píng)價(jià)體系,利用熵權(quán)法得到指標(biāo)合理的權(quán)重,結(jié)合可拓學(xué)理論,對(duì)某煤礦沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為煤礦沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供新方法。

        1 沖擊地壓危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)體系

        沖擊地壓是在礦山壓力下發(fā)生的,是多條件、多因素耦合作用的結(jié)果,因此構(gòu)建沖擊地壓評(píng)價(jià)體系,必須考慮多因素、多層次的結(jié)構(gòu),合理的層次結(jié)構(gòu)和全面的影響因素是沖擊地壓準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的充要條件。為理清沖擊地壓體系中層次結(jié)構(gòu)和影響因素,參考了大量文獻(xiàn),研究了近年來各類型的沖擊地壓事故,總結(jié)歸納出影響沖擊的各因素的層次,構(gòu)建了以地質(zhì)因素、安全管理因素、開采技術(shù)因素、其他因素為二級(jí)指標(biāo),以開采深度、煤巖力學(xué)性質(zhì)等24項(xiàng)指標(biāo)為三級(jí)指標(biāo)的沖擊地壓評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖1)。

        圖1 礦井沖擊地壓危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

        2 熵權(quán)物元可拓模型

        2.1 待評(píng)物元確定

        由沖擊地壓安全評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可得,假設(shè)沖擊地壓評(píng)價(jià)等級(jí)分為m等級(jí),n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),則沖擊地壓安全物元[14]為:

        式中:Rj為第j個(gè)同征物元;N為煤礦沖擊地壓評(píng)價(jià)等級(jí);ci為第 i個(gè)沖擊地壓評(píng)價(jià)指標(biāo);[aij,bij]為評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)指標(biāo)的限定范圍,aij為量值區(qū)間下限值;bij為量值區(qū)間上限值。

        若待評(píng)煤礦沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)為p級(jí),則物元可記為:

        式中:p為沖擊地壓評(píng)價(jià)等級(jí);ci為第i個(gè)沖擊地壓評(píng)價(jià)指標(biāo);vi為指標(biāo)ci實(shí)測(cè)量值。

        2.2 指標(biāo)無量綱化處理

        為便于數(shù)據(jù)對(duì)比分析,對(duì)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理和歸一化處理。指標(biāo)分為2類:越大越優(yōu)型指標(biāo)和越小越優(yōu)型指標(biāo)。這2類指標(biāo)的處理方式為:

        式(3)為越小越優(yōu)型指標(biāo)歸一化處理方式;式(4)為越大越優(yōu)型指標(biāo)歸一化處理方式。

        2.3 關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算

        關(guān)聯(lián)函數(shù)為:

        2.4 熵權(quán)法指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定

        熵權(quán)法是客觀賦權(quán)方法,摒棄了主觀因素對(duì)指標(biāo)權(quán)重的影響,僅僅依靠指標(biāo)數(shù)據(jù)的離散性[15]。評(píng)價(jià)指標(biāo)具有不確定性等特點(diǎn),熵可以描述不確定性程度,信息量越大,不確定性越小,熵也越小,反之,熵越大。熵可以反應(yīng)指標(biāo)的離散程度,離散程度越大,對(duì)評(píng)價(jià)影響越大,指標(biāo)權(quán)重越大。熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重步驟如下:

        設(shè)有m個(gè)待評(píng)項(xiàng)目,n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),構(gòu)建原始數(shù)據(jù)矩陣:

        計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)下第i個(gè)項(xiàng)目的指標(biāo)值比重pij:

        計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵值ej:

        計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)wj:

        如果定義指標(biāo)重要性為 α,α=(α1,α2,…,αn),再結(jié)合指標(biāo)的熵權(quán),可得到指標(biāo)的綜合權(quán)重βj:

        2.5 物元評(píng)價(jià)

        設(shè)Kj(p)表示物元p關(guān)聯(lián)度,則Kj(p)表示為:

        若評(píng)價(jià)物元p隸屬等級(jí)j,可以寫為:

        式中:j*為物元p的級(jí)別變量特征值。

        若j=2,j*=2.47,則表明第2級(jí)與第3級(jí)的距離,即離散程度,可以反應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)距相鄰等級(jí)的偏離程度,評(píng)價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確、合理。

        3 工程應(yīng)用

        3.1 礦井概況

        某煤礦礦井生產(chǎn)能力120萬t/a,開采深度為872 m,可采煤層15層,煤巖類型為半亮型和半暗型煤為主,煤層厚度 3.2~6.9 m,平均 4.8 m,煤層傾角 0°~12°,平均 6.8°,經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤的抗壓強(qiáng)度Rc=12.35 MPa。煤層頂板以細(xì)砂巖和中砂巖為主,底板以中砂巖和中細(xì)砂巖為主。煤層回采范圍內(nèi)存在斷層、煤厚變異區(qū)。煤礦防沖工作較好,采取煤層注水軟化,振動(dòng)爆破等,礦井為安全生產(chǎn)采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用熵權(quán)物元可拓模型對(duì)該煤礦沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

        3.2 評(píng)價(jià)等級(jí)的確定

        為全面覆蓋沖擊地壓危險(xiǎn)情況,結(jié)合工程實(shí)際,將沖擊地壓等級(jí)分為“安全”、“較安全”、“中等”、“較危險(xiǎn)”、“危險(xiǎn)”5個(gè)等級(jí),等級(jí)之間界值為90、80、70、60,專家根據(jù)指標(biāo)實(shí)際打分,分值范圍0~100,分值越高,指標(biāo)越優(yōu)。指標(biāo)屬于越大越優(yōu)型指標(biāo),其歸一化處理方式參照式(4),沖擊地壓等級(jí)劃分見表1。

        表1 沖擊地壓等級(jí)劃分

        3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

        為減小專家個(gè)人認(rèn)知和能力水平對(duì)指標(biāo)評(píng)判的影響,聘請(qǐng)來自煤礦現(xiàn)場(chǎng)和科研高校的5位專業(yè)研究人員,根據(jù)煤礦實(shí)際情況,對(duì)每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)打分,并將分值進(jìn)行歸一化處理,取分值的平均數(shù),煤礦沖擊地壓評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)值見表2。

        3.4 沖擊地壓等級(jí)評(píng)價(jià)

        由熵權(quán)物元可拓模型中關(guān)聯(lián)度和權(quán)重計(jì)算公式可得評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度和權(quán)重(表3)。

        由表 3 可知:wA1=0.363、wA2=0.219、wA3=0.207、wA4=0.211,地質(zhì)因素權(quán)重最大,對(duì)沖擊地壓的發(fā)生起著主導(dǎo)作用,工程實(shí)際中,對(duì)沖擊地壓影響較大的也是地質(zhì)因素。

        此外,由式(13)可得煤礦沖擊地壓關(guān)聯(lián)度為:Kp=(-0.224,0.129,-0.039,-0.608,-0.608)。 由 式(16)可以得到 j*=1.415,該煤礦沖擊地壓等級(jí)為“安全”等級(jí),但是偏向于“較安全”等級(jí)。

        工程實(shí)際中,沖擊地壓等級(jí)根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)沖擊地壓次數(shù)和沖擊地壓危害程度來判斷,具體評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見表4。

        根據(jù)某礦2013—2018年沖擊地壓監(jiān)測(cè)調(diào)查報(bào)告,總體煤礦處于安全生產(chǎn)狀態(tài),但在2014年3月12日1206工作面發(fā)生1次微小的沖擊事件,對(duì)作業(yè)人員和周圍設(shè)備設(shè)施無任何損害。且之后的4年內(nèi)均無沖擊地壓發(fā)生,煤礦正常安全生產(chǎn)。根據(jù)表4可知,某煤礦沖擊地壓等級(jí)為“安全”等級(jí),但是偏向于“較安全”等級(jí)。因此,基于熵權(quán)物元可拓模型的沖擊地壓評(píng)價(jià)符合工程實(shí)際,精度較高,具有較高的可信度。

        3.5 評(píng)價(jià)方法對(duì)比分析

        傳統(tǒng)的沖擊地壓評(píng)價(jià)方法主要包括:綜合指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、層次分析法、逼近理想解排序法(TOPSIS)等,選取以上4種方法對(duì)某煤礦沖擊地壓等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果和存在缺點(diǎn)見表5。

        熵權(quán)物元可拓模型采用熵權(quán)法賦權(quán),客觀、合理,可得到符合工程實(shí)際的權(quán)重,避免了傳統(tǒng)賦權(quán)過于主觀化的缺點(diǎn);可拓理論可定性評(píng)價(jià)待評(píng)物元可拓性,也可借助關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算,把具有不確定性的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為相容指標(biāo)對(duì)物元評(píng)價(jià)。可拓理論具有處理不確定性指標(biāo)的能力,不僅評(píng)價(jià)安全等級(jí),還可以反映等級(jí)隸屬程度。

        4 結(jié)論

        1)基于煤礦沖擊地壓現(xiàn)狀,構(gòu)建了以地質(zhì)因素、安全管理因素、開采技術(shù)因素、其他因素為準(zhǔn)則層,以開采深度、煤巖力學(xué)性質(zhì)等24項(xiàng)指標(biāo)為指標(biāo)層的煤礦沖擊地壓危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;同時(shí)劃分了“安全”、“較安全”、“中等”、“較危險(xiǎn)”、“危險(xiǎn)”5 種危險(xiǎn)等級(jí),等級(jí)劃分合理、準(zhǔn)確。

        2)構(gòu)建了沖擊地壓評(píng)價(jià)新模型—熵權(quán)物元可拓模型,該模型利用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重,避免了傳統(tǒng)賦權(quán)過于主觀化的缺點(diǎn),同時(shí),利用可拓模型實(shí)現(xiàn)等級(jí)由定性到定量的轉(zhuǎn)化,可反映等級(jí)的偏離程度,更準(zhǔn)確,具有一定的參考價(jià)值。

        表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重及關(guān)聯(lián)度

        表4 煤礦實(shí)際沖擊地壓評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

        3)運(yùn)用新評(píng)價(jià)模型對(duì)某煤礦沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果 j*=1.415,屬于“安全”等級(jí),符合工程實(shí)際,表明熵權(quán)物元可拓模型準(zhǔn)確可靠,精度較高,可以應(yīng)用于工程實(shí)際。

        表5 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析

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