基于灰色關聯熵-突變級數法礦井內因火災風險評價研究*

王潞歐，謝雄剛, 2，趙先偉，李維翔

基于灰色關聯熵-突變級數法礦井內因火災風險評價研究*

王潞歐1，謝雄剛1, 2，趙先偉1，李維翔1

(1.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

針對煤層自燃引發火災的情況，提出了灰色關聯熵和突變級數法結合的礦井內因火災風險評價方法，建立了三級礦井內因火災風險評價指標體系；結合實例，將該評價方法對貴州某礦進行了內因火災風險評價。結果表明：該礦總突變隸屬值為0.6325，危險等級為Ⅲ級（中等），而該礦影響煤自燃的客觀條件較發育，控制較困難，可通過加強管理來預防煤層自燃的發生，評價結果符合該礦實際狀況，驗證了該評價方法的可行性、實用性。

灰色關聯熵;突變級數法;風險評價;礦井火災

內因火災亦稱煤炭自燃火災。據統計，我國煤礦中有煤層自燃的礦井占總礦井的56%，其中煤層自燃發火危險的煤層占可采煤層總數的60%。內因火災是礦井火災的主要形式，它約占礦井火災總起數的90%[1]。由于煤炭自燃引起的火災對人和環境造成很大的危害，而且能引發瓦斯、煤塵爆炸此類二次事故，給煤礦企業造成巨大的經濟損失[2]。因此，有必要研究煤炭自燃火災，能更好地指導礦井火災防治工作。

針對礦井內因火災的安全評價，目前較常用的方法主要有模糊評價法[3]、事故樹分析法[4]、神經網絡法[5]、熵權法[6]等。這幾種方法可以將定性問題進行定量分析，并且在礦山災害綜合評價中得到了廣泛使用[7]，但上述評價方法存在不足，比如指標權重確定主觀性太強、僅用一種方法確定權重略顯單一，煤層自燃火災發生原因復雜，影響自燃的因素眾多，是多因素共同耦合作用的結果。對此，本文引入了灰色關聯法和熵權法來分析煤層自燃影響因素與礦井內因火災風險的關聯度，得到各影響因素的權重，實現綜合賦權，再結合突變級數法，這種方法采用定性與定量相結合的方法，具有科學性和合理性，避免了指標權重的人為主觀性，符合礦井內因火災發生的不確定性和突變性。

1 理論方法介紹

1.1 熵權法

熵權法是現有評價指標賦權方法中最為客觀的方法[8]。熵權法評價模型具體步驟如下：

（1）構建原始數據矩陣。現有評價目標=(1，2,…，M)，評價指標=(1，2，…，D)，評價目標M對指標D的值記為x(=1，2，…，；=1，2，…，)，則形成的原始數據矩陣為：

式中，x為第個指標下的第個被評價對象的值。

（2）原始矩陣進行無量綱化處理。越大越優型指標：

越小越優型指標：

（3）計算評價指標的熵值。根據熵的定義可得到第個評價指標的熵值e：

（4）計算第項指標的差異系數D：

D越大，該指標提供的信息量越大，越應給予較大的指標權重。

（5）計算各個指標熵權。

1.2 灰色關聯度分析

灰色關聯度分析是一種影響因子對系統狀態關聯性分析的評價方法[9]。計算出灰色關聯度來分析和確定系統因素之間的相互關聯性，通過灰色關聯度排序，找出系統的主控因素以及各子因素對系統的影響程度。灰色關聯度的計算步驟如下：

（7）

最后計算灰色關聯度：

1.3 熵權?灰色關聯法評價模型

為了降低指標權重確定的人為主觀性，引入熵權法對各影響因素客觀賦權，提出灰色關聯熵分析模型[10]，這樣避免了單一的方法帶來的主觀性，而且又能提高評價結果的精準性。灰色關聯熵計算如式（9）所示。

式中，W表示熵權值；L()表示灰色關聯系數。

1.4 突變級數法基本原理

突變理論是由法國數學家勒內.托姆于1972年創立的[11]，此理論提供了一種研究不連續、躍遷和突變的數學分析方法，構造了復雜、不連續變化現象的數學模型，并以此描述和預測系統連續性中斷的質變過程，此理論是研究系統從漸變引起突變的過程。突變級數法則是由突變理論衍生出來的，構造突變模糊隸屬函數，通過計算控制變量的突變級數，對評價目標進行排序分析的一種綜合評價方法。以下是三種常用初等突變模型。

尖點形：勢函數為4+2+；歸一公式為x=1/2,x=1/3；2個控制變量。

燕尾形：勢函數為5+3+2+；歸一公式為x=1/2,x=1/3,x=1/4；3個控制變量。

蝴蝶形：勢函數為6+4+3+2+；歸一公式為x=1/2,x=1/3,x=1/4,x=1/5；4個控制變量。

突變級數法評價步驟為：

（1）建立突變評價指標體系。通過對評價目標的研究和分解，根據研究對象的內在相互聯系，建立合適的系統安全評價多層指標體系。如圖1 所示。

（2）對因素指標進行數據的標準化處理，將因素指標數據轉化為[0,1]之間的無量綱數值，得到指標的突變模糊隸屬函數值。

（3）突變模型需要通過歸一化公式計算模糊突變級數。不同突變模型的歸一化公式如上所述。

（4）最后進行綜合評價。根據“互補”與“不互補”原則，求得上一層目標的突變隸屬函數值，逐層向上計算突變級數，最終求出總突變級數進行 評價[12]。

2 礦井內因火災風險評價指標體系

礦井內因火災風險評價首先要建立一套合科學、合理的評價指標體系，能客觀地反映影響煤層自燃因素的構成及內在聯系。礦井發生內因火災必須同時具備下列四個條件[13-15]：

（1）煤有自燃傾向性且呈破碎狀態堆積；

（2）有連續供氧條件；

（3）熱量易于積聚；

（4）持續一定的時間。

其中（1）為自然發火的內在影響因素；（2）、（3）為外部條件；（4）為管理和監控因素。

相應的礦井火災評價指標體系如圖1所示。

3 應用舉例

以貴州某礦為例，該煤礦生產能力30萬t/a，可采采煤層為中厚煤層，可采煤層傾角為13°～17°，勘查區范圍內C3、C15、C17、C20煤層自燃傾向分類為Ⅰ～Ⅱ類，即容易自燃～自燃，含硫分較高，以半亮～亮煤較多，煤化程度低，有利于煤炭自燃。運用上述模型對該礦內因火災風險進行綜合評價。在對煤層自燃火災各個控制因素分析的基礎上，結合該礦的實際情況，征詢相關專業人員，將礦井內因火災危險等級劃為五級[16-17]，見表1。

3.1 影響因素的灰色關聯熵分析

對煤層自燃主要影響因素進行分析得出相應的關聯度排序，將為分析控制礦井內因火災的發生提供強有力的參考依據。依據熵權法理論及其計算原理，對以上各礦井內因火災影響因素進行分析。根據圖1建立的評價指標體系，5位專家通過對該礦井自燃火災系統的安全狀況，對底層12個因素指標進行專家打分，數值從0到1（1表示安全性最大，0表示安全性最小），由此得出原始數據集作為原始評價矩陣。再利用式（5）～（6）計算各影響因素的熵權，結果見表2。

表1 礦井內因火災風險等級劃分

圖1 礦井內因火災風險評價指標體系

表2 各影響因素的熵權

由表2可知，在所有煤層自燃影響因素中，煤的自燃傾向11和煤的破碎狀態12在整個指標體系中所占權重位居前2位，這也意味著這兩個因素為煤層自燃的主控因素，對于研究和防治煤礦內因火災的提供更多的信息。

根據式（7）～式（9），求出平均灰色關聯度及嵌入熵權的灰色關聯度，結果見表3。

由表3可知，影響礦井發生煤層自燃的關聯度前五排序為：煤的自燃傾向>煤的破碎狀態>連續供氧條件>火災組織機構>安全管理與學習。煤的自燃傾向和煤的破碎狀態的加熵權灰色關聯度分別為0.107和0.106，二者對于礦井內因火災發生風險的影響程度最大；而火災組織機構和管理學習方面的熵權灰色關聯度分別為0.079 和0.071，二者影響程度其次。因此，在通過以上各因素控制煤層自燃風險的實踐中，由于煤的自燃傾向、煤體破碎屬于客觀條件，不易改變，所以加強建設火災組織機構和加強安全管理學習，這樣能夠更好的指導煤礦企業安全生產。

3.2 突變級數法評價

依據圖1所示的評價體系，可以看出3個一級指標構成了選擇燕尾形突變模型；12個二級指標構成了3個蝴蝶突變模型。根據專家和現場工程技術人員的經驗將評語集劃分為5級（重度、較重、中等、較弱、弱等），相應的標度區間見表2，二級指標評語通過專家打分后歸一化結果見表4。

表3 灰色關聯度

表4 二級指標歸一化結果

求出底層指標的突變級數值后，再根據“互補”與“非互補”的原則，求出中間層指標突變級數值，在底層指標中，內在因素（煤自燃傾向、煤破碎狀態、連續供氧和熱量積聚）之間不存在明顯的相互關聯作用，因此根據“非互補”采用大中取小取熱量積聚突變級數為1的突變級數。同理，可求出其余中間層的突變級數，其結果見表5。

表5 中間層指標突變級數結果

總突變隸屬度值計算結果：由于內在因素、外在因素和管理因素相互之間不存在明顯的相互關聯性，從而可以得到該礦內因火災風險評價總突變隸屬度：=min（0.8832，0.7937，0.6325）=0.6325。

由上可知，該礦井內因火災風險評價的總突變隸屬值為0.6325，由危險等級劃分標度可知，該礦井自燃火災風險狀況為中等。實際上該礦煤曾經發生過煤層自燃，但由于該礦火災防治工作做的好，安全管理水平高，沒有發生內因火災事故。因此，得出的評價結果符合該礦井實際情況。

4 結 論

（1）煤的自燃傾向和煤的破碎狀態兩個因素對礦井內因火災風險等級的影響最大，為內因火災發生的主控因素。這是由煤的內在性質決定的，在治理和預防上較為困難，可從完善通風設施、加強建設火災組織機構和加強管理與學習等方面來施預防內因火災事故的發生。

（2）將突變理論引用到礦井內因火災風險評價中，符合礦井內因火災的特點，且該方法結合灰色關聯熵使用，避免了后者存在的依靠指標權重或樣本數據的缺點，有效地減少了主觀人為性，提高評價結果的科學性和合理性。

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(2018-11-27)

王潞歐(1994—),男,貴州畢節人,在讀碩士研究生,研究方向為礦山安全與災害防治,Email:460492904@qq. com。

國家自然科學基金資助項目(51864009)；貴州省科技廳社發攻關項目[黔科合SY字(2015)3001]；貴州省科技廳項目(黔科合支撐[2017]2821).