基于模糊數學的煤礦瓦斯防治能力等級評估

溫新苗，黃紅芳

(張家口學院初等教育系,河北 張家口 075000)

基于模糊數學的煤礦瓦斯防治能力等級評估

溫新苗，黃紅芳

(張家口學院初等教育系,河北 張家口 075000)

運用模糊數學原理，通過確定因素集、建立評判集、單因素評判、綜合評判的步驟建立數學模型。根據模型原理，以廣安市華鎣豐源實業有限公司(新興煤礦)為例，對其瓦斯防治能力進行評估。模型具有普遍性和可操作性，計算過程簡單，評價結果具有較強準確性和可靠性，應用價值高。

模糊數學;煤礦瓦斯;防治能力;評估

我國煤炭資源豐富，但開采條件復雜，自然災害嚴重，多數礦井屬于高瓦斯或瓦斯突出礦井。在當前煤炭市場需求旺盛的推動下，突擊生產或盲目超產現象依然存在，礦井安全事故發生率居高不下。據國家煤礦安全監察局網站數據[1]，2012年至2013年6月，全國共發生煤礦安全事故81起，共死亡人數599人。其中，重大事故(死亡10至29人)共15起，特別重大事故(死亡30人以上)兩起。重特大瓦斯突出事故的發生造成死亡人數急劇增長[2]，給人民生命財產造成了巨大損失，而且在國內外造成了巨大的影響。所以當前現代化礦井的生產不僅要解決煤礦生產自動化的問題，還要解決生產過程中存在的安全問題，特別是瓦斯防治能力。保障煤礦的安全生產，除進一步加強煤礦安全管理意識外，關鍵是做好安全評價，形成煤礦井上、井下可靠的安全預警機制和管理決策信息通道。目前，雖有一些文獻對煤炭企業瓦斯防治能力評估進行了定量研究，如孫霞[3],針對瓦斯爆炸為煤礦安全生產中主要事故的現狀，提出基于TS型模糊神經網絡的煤礦瓦斯預測算法；高麗麗等[4]針對煤礦井下環境的應用需求，運用無線傳感網絡技術構建了煤礦瓦斯濃度監控系統,提出一種模糊邏輯算法,通過該算法處理采集到的數據,進行自適應報警調整。但多數停留在定性研究上。我們將應用模糊數學原理對煤礦瓦斯防治能力進行定量評估。

模糊數學又稱Fuzzy 數學，是研究和處理模糊性現象的一種新的數學理論和方法。它以“模糊集合”論為基礎，提供了一種處理不肯定性和不精確性問題的新方法，是描述人腦思維處理模糊信息的有力工具。它既可用于“硬”科學方面，又可用于“軟”科學方面。 模糊數學由美國控制論專家L.A.扎德(L.A.Zadeh)教授所創立。他于1965年發表了題為《模糊集合論》(《FuzzySets》)的論文，從而宣告模糊數學的誕生。模糊數學是一門新興學科，是用精確的數學方法來處理無法用數字精確描述的模糊概念或事物，適用于所有經典數學不能應用的領域[5,6]。它已初步應用于模糊控制、模糊識別、模糊聚類分析、模糊決策、模糊評判、系統理論、信息檢索、醫學、生物學等各個方面。可以運用模糊數學原理，通過建立合理的模糊數學模型，對煤礦瓦斯防治能力進行多方面、多層次的綜合定量評估。

1 煤礦瓦斯防治能力等級評估模型的數學原理

模型是利用模糊綜合評判決策的原理，是對受多種因素影響的事物作出全面評價的一種十分有效的多因素評價方法[7]。

1.1 數學模型的建立

1.2 建立數學模型的步驟

①確定因素集U={u1,u2,u3,…,un}，進而確定因素集對應的權重集。

②確定評判集V={v1,v2,v3,…,vm}。

③建立模糊矩陣(單因素評判)：引進U到V的模糊映射f，對每一個因素ui，進行單因素評判，有f(ui)=(ri1,ri2,ri3,…，rim)，由此可得模糊關系Rf(ui,vj)=f(ui)(vj)=rij，可得單因素評判矩陣R，便得到一個模糊綜合決策模型(U,V,R)。

④綜合評判：對于權重A={a1,a2,a3,…,an}∈Γ(U)，作合成運算，即用模型M(∧,∨)計算，可得綜合評判B=A·R。

2 模型應用——以廣安市華鎣豐源實業有限公司(新興煤礦)為例

我們以《廣安市華鎣豐源實業有限公司(新興煤礦)煤礦瓦斯防治能力評估報告書》為依據[8]，按照上面的數學原理建立評估模型，對廣安市華鎣豐源實業有限公司(新興煤礦)煤礦瓦斯防治能力進行評估。

2.1 因素集U的確定

從評估報告書中可知[8]，影響煤礦瓦斯防治的主要因素有以下五個方面：防突機構設置、人員培訓和管理制度、防突技術裝備及投入、主要系統及設施、綜合防突措施，詳見表1：

表1 影響煤礦瓦斯防治的主要指標

由上面的分析，可建立評價模型因素集：U=U1∪U2∪U3∪U4∪U5,其中U1、U2、U3、U4、U5分別為防突機構設置情況、人員培訓和管理制度情況、防突技術裝備及投入情況、主要系統及設施情況、綜合防突措施情況。根據評估報告書[8]中專家評議結果，得出以上五個要素的評估權重集為{0.1，0.1，0.2，0.3，0.3}，用向量表示為[0.1，0.1，0.2，0.3，0.3]。

2.2 評判集V的確定

評價集V={V1，V2，V3，V4},其中V1，V2，V3，V4分別為：有較強防治能力、具有防治能力、基本不具有防治能力、不具有防治能力。則評估向量可取為V={2，1，0，-1}，表示為(2，1，0，-1)。

2.3 單因素模糊評估

根據上文方法，聘請10位煤炭專家根據評估報告按“有較強防治能力”、“具有防治能力”、“基本不具有防治能力”、“不具有防治能力”的等級進行了評分，各因素獲得各等級的次數統計表如表2：

表2 各因素獲得各等級的次數統計表

分別對五個要素按照獲得“有較強防治能力”的次數N1，“具有防治能力”的次數N2，“基本不具有防治能力”的次數N3，“不具有防治能力”的次數N4，以N1/10，N2/10，N3/10，N4/10作為評價等級的隸屬度，得到5個因素相對于不同等級的隸屬度，進而得到相應的單因素模糊評價集R1={0.8,0.2,0,0}，R2={0.7,0.2,0.1,0}，R3={0,0,0.4,0.6}，R4={0,0,0,1}，R5={0,0,0.3,0.7}。以單因素模糊評價度的隸屬度為行，組成單因素評價矩陣如下：

根據各因素的權重集評估權重集計算可得：

從而得到模糊評估矩陣最終評估結果：

我們用下面的方法確定最后的評價結果[7]：

W≤-0.5為“不具有防治能力”，-0.5

3 結論

通過以上評價過程不難看出模型具有以下幾個特點：

(1)煤礦瓦斯防治能力等級評估主要是為了實現煤礦的安全生產。應用模糊數學多層次綜合評價原理和方法，對煤礦瓦斯隱患進行系統的、多層次的分析和研究，把定性分析和定量判斷結合起來，判斷預防瓦斯的能力并提出安全建議，使對煤礦瓦斯防治能力評價達到了量的層次。從而為指導危險源監控和事故預防，制定防范措施和管理決策提供科學依據，以達到瓦斯最低事故率、最少損失和安全生產目的。

(2)模型建立過程簡單、工作量小、準確性高、實用性強。

(3)模型評價方法具有規范性、先進性、科學性和一般性，可用來對多數煤礦進行瓦斯防治能力鑒定。

(4)結果的可靠性關鍵取決于評價指標或評價因素的合理選取。模型中因素集的確定會直接影響到評估結果，因素的選取應遵循“完備性、不相容性、科學性、可操作性、可比性、科學性”。

[1] 事故查詢系統[EB/OL]．http://media.chinasafety.gov.cn:8090/iSystem/shigumain.jsp,2013-04-18.

[2] 孟薇,張飛燕,袁東升.我國煤與瓦斯突出事故統計分析及防治措施[J]．中州煤炭，2012,(12) .

[3] 孫霞．基于模糊神經網絡的煤礦瓦斯預測[J]. 安徽工業大學學報(自然科學版)，2012,(3).

[4] 高麗麗，崔麗珍，于洤．基于WSN和模糊邏輯的煤礦瓦斯監控系統設計[J].煤礦安全，2012,(7).

[5] 楊綸標，高英儀，凌衛新．模糊數學原理及應用(第5版)[M]．廣州：華南理工大學出版社，2011．

[6] 張國,張輝，孔倩．模糊數學基礎及應用[M]．北京：化學工業出版社，2011．

[7] 謝季堅，劉承平．模糊數學方法及應用(第3版)[M]．武漢：華中科技大學出版社，2006．

[8] 廣安市華鎣豐源實業有限公司(新興煤礦)煤礦瓦斯防治能力評估報告書[EB/OL]．http://wenku.baidu.com/view/f7842ae94afe04a1b071decb.html，2013-04-21.

[編校：楊英偉]

Fuzzy Mathematical Analysis of Coal Mine Gas Prevention and Control Capacity Rating

WEN Xinmiao, HUANG Hongfang

(DepartmentofPrimaryEducationofZhangjiakouCollege,ZhangjiakouHebei075000)

A mathematical model is created by the use of the principle of fuzzy mathematics and following the steps including determining factor set, establishing the judge set, the single-factor evaluation and a comprehensive evaluation. Based on the principle of the model, the paper, by taking Guang'an City Huaying Fengyuan Industrial Co., Ltd. (emerging coal) for example, evaluates its gas prevention and control capacity. The model features universality and operability. Its calculation process is simple, and the results of the evaluation are accurate and reliable. It has a high application value.

fuzzy mathematics; coal mine gas; prevention and control capacity; assessment

2015-02-20

溫新苗(1981- ),男, 河北懷安人,講師,理學碩士,研究方向為組合數學、高等數學教育。

TD

A

1671-9654(2015)01-065-04