胡媛媛， 李樂樂

(1. 運城職業(yè)技術(shù)大學 礦山工程系， 山西 運城 044000；2. 國家電網(wǎng) 新絳縣供電公司， 山西 新絳 043100)

0 引言

隨著煤炭開采機械化程度大幅提高，高效開采設(shè)備的應用使掘進工作面開采速度不斷加快，粉塵和有害氣體濃度超標、高溫高濕等問題日益嚴重，因此，掘進工作面環(huán)境安全評價對保障作業(yè)人員生命安全具有重要意義。我國多數(shù)煤礦已經(jīng)基本實現(xiàn)對采煤工作面環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測，相關(guān)學者也對工作面污染物分布和過程環(huán)境安全等級評價方法進行了大量研究。如龔曉燕[1-6]等利用動網(wǎng)格技術(shù)從粉塵、噪聲、有害氣體、熱環(huán)境等不同方面采用數(shù)值模擬法分析掘進工作面三維空間內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的分布規(guī)律；邢媛媛[6-11]等采用可變模糊識別理論、灰色關(guān)聯(lián)評價模型以及多維信息融合等多種方法對工作面環(huán)境狀況進行分級探索。上述研究在理論方面對煤礦工作面環(huán)境安全狀況分析評價及改善提供了基礎(chǔ)，但評價過程沒有考慮各級指標的關(guān)聯(lián)性，指標權(quán)重的確定由專家主觀給定因素，結(jié)論常為固定的、靜態(tài)的，因此評價結(jié)果的準確性和實用性不高[12]。對此本課題提出了利用基于遺傳算法的投影尋蹤模型評價掘進工作面作業(yè)環(huán)境安全狀況。首先根據(jù)被測點環(huán)境實際狀況構(gòu)建環(huán)境污染評價指標體系，投影尋蹤法建模，采用安全等級標準數(shù)值求解最優(yōu)投影方向確定評價指標權(quán)重；然后對采樣數(shù)據(jù)進行投影，計算采樣點投影值到各級環(huán)境標準投影值間的距離，確定環(huán)境安全等級及發(fā)展趨勢。評價結(jié)果反映了評價因素多維、多指標間的相互作用的結(jié)果和被評價環(huán)境安全等級的變化趨勢，為制定掘進工作面環(huán)境改進措施提供了參考依據(jù)，改善了作業(yè)人員的工作環(huán)境。

1 煤礦掘進工作面環(huán)境特性

掘進工作面影響作業(yè)人員職業(yè)健康安全的環(huán)境因素主要包括粉塵、噪聲、有害氣體、熱環(huán)境、作業(yè)條件。其中有害氣體、熱環(huán)境、作業(yè)條件等均包含多個評價參數(shù)，因此對掘進工作面的環(huán)境安全等級進行評價需確定多層次影響因子的權(quán)重，是一個具有多維度復合指標體系的復雜系統(tǒng)。掘進面巷道一般采用局部通風機壓入式通風，風筒吊掛在巷道一側(cè)頂幫，風機啟動后將風流沿巷道壁吹向工作面最前端，經(jīng)煤壁反射改變風向，含塵風流沿巷道另一側(cè)流出，路線近似呈“U”型。根據(jù)風流路線可將掘進工作面分為射流區(qū)T1、沖擊區(qū)T2、回流區(qū)T3和渦流區(qū)T4四個特征區(qū)域。綜合考慮工作面風流路線、機械設(shè)備及工作人員位置分布情況，分別在上述四個區(qū)域進行評價樣本采集。

2 投影尋蹤算法建模

為避免主觀賦值，引入投影降維思想，構(gòu)建投影尋蹤模型，搜索最優(yōu)投影方向確定各指標的最優(yōu)權(quán)重，對多級指標參數(shù)進行投影合成，得到一個綜合評價值。

2.1 指標數(shù)據(jù)預處理

掘進工作面環(huán)境評價指標較多且各參數(shù)濃度值在數(shù)量級上有明顯不同，為了簡化計算和消除數(shù)據(jù)處理時各指標的量綱效應，使用歸一化方法對樣本指標數(shù)據(jù)預處理。采樣數(shù)據(jù)歸一化處理后處于同一數(shù)量級，數(shù)值大小在[0,1]之間，簡化計算過程方便數(shù)據(jù)融合評價。設(shè)樣本集為{x*(i,j)|i=1～n,j=1～p}，其中n為待評價樣本數(shù)量，p為指標個數(shù)[13-15]。采用下式對各指標值預處理：

x(i,j)=[x*(i,j)-xmin(j)]/[xmax(j)-xmin(j)]

(1)

x(i,j)=[xmax(j)-x*(i,j)]/[xmax(j)-xmin(j)]

(2)

式中：xmin(j)、xmax(j)分別為樣本中第j個指標的最小值和最大值。預處理公式根據(jù)指標數(shù)據(jù)在評價模型中對環(huán)境安全等級的作用方向進行選擇，對于數(shù)值越大環(huán)境越好的數(shù)據(jù)采用式(1)進行歸一化，否則用式(2)處理。對于溫度、濕度為區(qū)間性指標，無論數(shù)值是越大還是越小都會使環(huán)境變差，則用區(qū)間上的相對位置來歸一化，即選擇環(huán)境最優(yōu)值為參考點，小值用式(1)歸一化，大值則用式(2)。

2.2 構(gòu)造投影指標函數(shù)

參與掘進工作面環(huán)境安全等級評定的指標有p個，投影方向定義為單位相量a=[a(1)，a(2)，…，a(p)]，把樣本集x(i,j)利用公式(3)投影到a上得到一維投影值z(i)，a(j)即為第j個評價指標的權(quán)重。

(3)

在對各指標樣本進行投影計算的過程中，為更好地反映樣本數(shù)據(jù)的差異特性，要求投影值z(i)的標準差Sz盡可能地取大，同時使表示z(i)局部密度的數(shù)值Dz取最大，基于這兩種約束，可將投影目標函數(shù)f(a)構(gòu)造為：

f(a)=SzDz

(4)

(5)

(6)

式中：Ez為z(i)的平均值；R為密度窗寬；rij為兩個樣本間的距離。其中R值是由樣本間的距離來確定的，局部密度窗口中投影點數(shù)量適中，太少或太多都會使降低計算的精確度，根據(jù)經(jīng)驗常把R定義為rmax+p/2≤R≤2p，其中rmax=max(rij)，-p≤z(i)≤p。U為單位階躍函數(shù)，當R-rij≥0時其函數(shù)值為1，否則為0。

2.3 遺傳算法搜尋最佳投影方向a

投影目標函數(shù)f(a)的值隨著投影方向a的變化而變化，評價指標在a的非線性約束下取最大值時能最優(yōu)地反映多維樣本數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征。因此對式(7)進行優(yōu)化求解，可得到最優(yōu)投影方向即評價指標的權(quán)重值。

maxf(a)=SzDz

(7)

-1.0≤a(j)≤1.0

求解樣本數(shù)據(jù)在多維空間投影方向的最優(yōu)值是非線性向量空間的優(yōu)化問題，用普通方法較難計算。利用模擬種群內(nèi)生物優(yōu)勝劣汰進化和染色體信息交換機制的遺傳算法對非線性數(shù)據(jù)優(yōu)化問題進行搜索尋優(yōu)，能夠簡化計算過程較快得到最優(yōu)解。

2.4 評價分析

分析掘進工作面環(huán)境安全等級標準數(shù)據(jù)建立環(huán)境評價模型，通過上述步驟計算各指標的最優(yōu)投影方向a，將最優(yōu)投影方向帶入到式(3)中分析掘進工作面環(huán)境安全等級標準數(shù)據(jù)和采樣數(shù)據(jù)的投影值，計算工作面采樣點環(huán)境指標投影值到各級標準投影值間的距離，距離大小反映環(huán)境等級變化趨勢，距離最小的為最終監(jiān)測點環(huán)境安全評價等級。

3 應用實例

3.1 樣本指標建立

根據(jù)山西宏源煤業(yè)集團鳳凰臺礦1236軌道順槽掘進工作面現(xiàn)場實際情況，選取環(huán)境安全一級評價指標為粉塵、有害氣體、熱環(huán)境3個，對應的二級指標有甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)和硫化氫(H2S)、溫度、濕度和風速共10個構(gòu)成工作面環(huán)境安全評價的指標體系，其中粉塵和有害氣體濃度越小越好，均取最小值為0，溫度的最優(yōu)值取中間值26 ℃，濕度的最優(yōu)值取中間值55%，風速的最優(yōu)值取中間值1.5 m/s。待評價樣本參照工作面風流特性分別在T1、T2、T3和T4特征區(qū)域采集。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定及現(xiàn)場環(huán)境因素分析，綜合已有研究優(yōu)點，將評價等級分為Ⅰ(安全，環(huán)境優(yōu))、Ⅱ(較安全，環(huán)境良)、Ⅲ(危險，及時整改)、Ⅳ(較危險，立即整改)和Ⅴ(重度危險，停產(chǎn)整頓)。5級標準對應的環(huán)境評價指標濃度值如表1所示，實測待評價工作面4個位置處的樣本指標數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 掘進工作面環(huán)境評價指標安全等級分級標準

表2 待評價樣本指標實測數(shù)據(jù)

3.2 模型求解

把表1中安全等級分級標準數(shù)據(jù)代入投影指標函數(shù)，利用遺傳算法的matlab程序代碼計算最佳投影方向，確定10個評價指標的相對重要程度，即權(quán)重a=(0.275 5，0.216 1，0.261 5，0.206 6，0.209 8，0.237 3，0.405 0，0.322 5，0.327 1，0.539 4)。將單位投影方向a代入到式(3)得出各等級標準和采樣數(shù)據(jù)的歸一化值及投影，如表3和表4所示，進一步求解樣本點環(huán)境實測數(shù)據(jù)投影值與標準等級投影值的差值，分析評價等級如表5所示。

表3 掘進工作面環(huán)境評價指標安全等級分級標準歸一化值及投影

表5 采樣數(shù)據(jù)與環(huán)境標準數(shù)據(jù)投影值的差值及評價結(jié)果

3.3 評價結(jié)果分析

表3列出工作面環(huán)境5個等級標準數(shù)據(jù)的對應投影值，數(shù)值反映了環(huán)境安全等級越高投影值越大。表4中4個待測點樣本數(shù)據(jù)的投影值為Z(1)>Z(2)>Z(3)>Z(4)，表明待測點1處環(huán)境最好，區(qū)域2處相對較好、3處相對差、4處環(huán)境最差，與實際情況一致。分析表5可以看出樣本1、2的投影值到等級Ⅰ的距離最短，距離數(shù)值為負，表明該監(jiān)測點數(shù)據(jù)投影值大小在Ⅰ級和Ⅱ級之間，因此評定為Ⅰ級偏Ⅱ級。樣本3的投影值在Ⅱ級和Ⅲ級之間，距離Ⅱ級標準距離稍近，距離數(shù)值為負，所以該監(jiān)測點作業(yè)環(huán)境目前等級評定為Ⅱ級偏Ⅲ級。樣本4指標數(shù)據(jù)投影值在Ⅱ級和Ⅲ級之間，距離Ⅲ級接近，距離數(shù)值為正，表明環(huán)境暫時評定為Ⅲ級偏Ⅱ級，需要及時改進通風除濕抽瓦斯等措施，否則將威脅作業(yè)人員的生命安全。

4 結(jié)論

1) 對掘進工作面環(huán)境等級標準數(shù)據(jù)和4個區(qū)域樣本數(shù)據(jù)進行投影降維評價分析，環(huán)境安全等級與實際危險物質(zhì)分布情況一致，說明將投影尋蹤模型用于掘進工作面進行環(huán)境安全等級評價是可行的。

2) 通過構(gòu)建投影指標函數(shù)確定樣本數(shù)據(jù)的指標權(quán)重和投影值，分別計算與各環(huán)境等級投影值的最小差值，能夠直觀有效地反映被測樣本點的環(huán)境情況及發(fā)展趨勢。

3) 粉塵、溫度、風速和濕度是影響被測掘進工作面環(huán)境安全等級的主要因素，結(jié)合樣本指標數(shù)據(jù)實際分析可以得出利用投影尋蹤模型對掘進工作面環(huán)境等級評價的準確率較高，可為作業(yè)環(huán)境治理提供更為可靠的決策信息。