基于matlab確定采煤工作面環境評價模型參數的權重

魏洪霞 高凌輝

摘 要：采煤工作面環境直接影響工作人員的身體健康，所以做好粉塵監測評價工作成為重中之重，有效的評價可以體現采煤工作面環境治理的效果，只有做好有效的監測及評價工作才能更好地防塵降塵以及做好其他的環境優化，本文采用層次分析法，利用matlab確定采煤工作面環境評價模型的評價因素的權重，為后續利用模型對采煤工作面環境進行綜合的安全評價做準備。

關鍵詞：采煤工作面；環境評價；權重

1 模型介紹

采煤工作面粉塵環境評價數學模型從自然因素，開采條件，體感因素三個方面來評價粉塵環境，自然條件分為：煤種，原煤含水率，原煤含矸率，頂板淋水量；開采條件分為：一次采全高（放頂煤開采），煤機噴霧流量，支架噴霧流量，煤層注水量；體感因素分為：煤塵濃度，空氣濕度，空氣溫度，風速，風壓。

模型將每個因素分為三個等級進行評價，模型從左向右等級由高變低，D1/100時等級最高。現等級界限值為專家小組經驗值及查閱相關文獻所定的初步值，不一定準確，后續將加以論證，本論文不做論證。

此模型的創新點是：體感因素所占權重最大。由于自然條件是不可控因素，所以占比最小，開采條件對粉塵環境有一定影響，占比稍高于自然條件，體感因素是可以通過相應措施來優化提升的，所以最能體現一個礦井的防塵措施的優劣，因此，體感因素占有大部分比重。

模型如下：

說明：

（1）環境評價值P=N×D+M×D+S×D

（2）環境最優值PMIN=N×D1+M×D1+S×D1=100

（3）環境最差值PMAX=N×D3+M×D3+S×D3=60

（4）如1102工作面的參數為：煤種為氣肥煤、原煤含水率>20%、原煤含矸率>20%、頂板淋水量<1m3/h、煤層厚度3米一次采全高、煤機噴霧流量8m3/h、支架間無噴霧、未進行煤層注水、煤塵濃度平均280mg/m3、空氣濕度50%、空氣溫度30℃、風速3m/s、風壓101KPa。

則1102工作面P1102=N1×D2+N2×D3+N3×D3+N4×D3

+M1×D2+M2×D2+M3×D3+M4×D3

+S1×D2+S2×D1+S3×D2+S4×D1+S5×D1

（5）分級思路

①環境最優值為100，即礦井自然因素條件都是最優的，開采條件也是最優的，體感因素也都是最優的，自然因素、開采條件、體感因素均在D1水平。

②體感因素均在D1水平，開采條件中M3、M4、M5也均在D1水平。其它均為D3水平時（即人為可控制因素情況較好，礦井自身因素較差） 是環境綜合管理最優的，按照此計算的P值為優秀的與良好的界限。

③體感因素在D3水平，其他均在D1水平（即體感因素情況較差，自身條件及防塵措施較好），按照此計算的P值為良好和中等的界限。

④體感因素在D3水平，開采條件中M3、M4、M5在D3水平，其他均在D1水平（即體感因素情況及防塵措施較差，自身條件較好）是環境綜合管理是最差的，按照此計算的P值為中等和差的界限。

⑤環境最差值為60，即即礦井自然因素條件都是最差的，開采條件也是最差的，體感因素也都是最差的，自然因素、開采條件、體感因素均在D3水平。

2 模型評價參數權重的確定方法

本論文采用層次分析法驗證采煤工作面粉塵環境評價模型的各層次的權系數。先采取專家意見法初步給出權系數，再采用層次分析法確定權系數，然后利用確定的模型對采煤工作面粉塵環境進行綜合的安全評價。

層次分析法，簡稱AHP，是指將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法。該方法是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂于20世紀70年代初，在為美國國防部研究"根據各個工業部門對國家福利的貢獻大小而進行電力分配"課題時，應用網絡系統理論和多目標綜合評價方法，提出的一種層次權重決策分析方法[3]。

層次分析法是將決策問題按總目標、各層子目標、評價準則直至具體的備投方案的順序分解為不同的層次結構，然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各元素對上一層次某元素的優先權重，最后再加權和的方法遞階歸并各備擇方案對總目標的最終權重，此最終權重最大者即為最優方案。層次分析法力圖模擬人在決策思維過程中的三個基本特征（即分解、判斷和綜合）對復雜的問題進行分層次的、擬定量的、規范化的處理，同時還在整個處理過程加入統計檢驗。

層次分析法的基本思想是：根據問題的性質和要達到的總目標，將問題分解為不同的組成因素，并按照因素間的相互關聯影響以及隸屬關系將因素按不同層次聚集組合，形成一個多層次的分析結構模型，從而最終使問題歸結為最低層（供決策的方案、措施等）相對于最高層（總目標）的相對重要權值的確定或相對優劣次序的排定。由此可見，層次分析法主要包括兩方面內容，一是建立層次模型；二是確定各元素在單一準則下的相對權重及對目標層的合成權重[4]。

3 模型評價參數權重的計算

3.1 第一級因素權重的計算

第一級評價因素包括：自然條件（N），開采條件（M），體感因素（S）。按照層次分析法構造了子體系重要性判斷矩陣。

應用MATLAB軟件，計算N，M，S所構成的矩陣，得出特征向量和最大特征值λmax=3.0055 。

將求得的最大特征值 λmax和該矩陣的階數n（這里n=3）代入公式中，求出一致性指標 ，由n=3可得到比例系數R.I=1.12 ，再將C·I 和R·I 的值代式（2.3），求得隨機一致性比值C·R=0.00529<0.1 。

按一致性判斷標準，該矩陣具有滿意的一致性，確定的各因素的權重是合理的。

3.2 第二級因素權重的計算

①自然條件（N）的子因素權重的計算

自然條件（N）包括：煤種（N1），原煤含水率（N2），原煤含矸率（N3），頂板淋水量（N4）。

應用MATLAB軟件，計算N1-N4所構成的矩陣，得出特征向量和最大特征值λmax=4.0407 。

講求得的最大特征值λmax 和該矩陣的階數n（這里n=5）代入公式中，求出一致性指標C·I=0.01357 ，由n=4查表2.2，可得到比例系數R·I=0.89 ，再將C·I 和R·I 的值代入式（2.3），求得隨機一致性比值C·R=0.01524<0.1 。

按一致性判斷標準，該矩陣具有滿意的一致性，確定的各因素的權重是合理的。

②開采條件（M）的子因素權重的計算

開采條件（M）包括：一次采全高（放頂煤開采）（M1），煤機噴霧流量（M2），支架噴霧流量（M3），煤層注水量（M4）。

應用MATLAB軟件，計算N1-N4所構成的矩陣，得出特征向量和最大特征值λmax=4.0606 。

將求得的最大特征值λmax 和該矩陣的階數n（這里n=4）代入公式中，求出一致性指標C·I=0.0202 ，由n=4查表2.2，可得到比例系數R·I=0.89 ，再將C·I 和R·I 的值代入式（2.3），求得隨機一致性比值C·R=0.02270<0.1 。

按一致性判斷標準，該矩陣具有滿意的一致性，確定的各因素的權重是合理的。

③體感因素（S）的子因素權重的計算

體感因素（S）包括：煤塵濃度（S1），空氣濕度（S2），空氣溫度（S3），風速（S4），風壓（S5）。

應用MATLAB軟件，計算S1-S5所構成的矩陣，得出特征向量和最大特征值λmax=5.0198 。

講求得的最大特征值λmax 和該矩陣的階數n（這里n=5）代入公式中，求出一致性指標C·I=0.00495 ，由n=3查表2.2，可得到比例系數R·I=1.12，再將C·I 和R·I 的值代入式（2.3），求得隨機一致性比值C·R=0.00442<0.1 。

按一致性判斷標準，該矩陣具有滿意的一致性，確定的各因素的權重是合理的。

4 結論

一級評價因素權重計算結果：自然條件（N）：0.13，開采條件（M）：0.27，

體感因素（S）：0.60。

參考文獻：

[1]周貴全.淺談煤礦礦塵防治工作的現狀及對策[J].陜西煤炭，2011，30（05）：26-27+52.

[2]林子鈺，張禹，蔣仲安.礦井綜合防塵定量評價系統的設計研究[J].礦業安全與環保，2006（04）：35-36+39.

*基金項目：中央高校基本科研業務費資助項目（3142018039；3142018033）