基于组合赋权-集对分析的煤矿煤尘爆炸危险性评价研究.pdf

第29卷第5期 2020年5月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE Vol. 29 , No. 5 Ma y 2020 基于组合赋权-集对分析的煤矿煤尘爆炸 危险性评价研究 仝瑞刚，曹庆贵，宋洁，董浩 山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛266590 摘要针对目前煤尘爆炸危险性评价研究较少、各评价因素选择偏差较大的问题，通过分析煤尘爆炸特 性，提出以煤尘可爆性危险、煤尘爆炸浓度危险、点火源危险3个必要条件为一级指标，煤质变异程度、挥 发分、水分、灰分等14个二级指标，以层次分析法确定各指标的主观权重，以爛权法确定各指标的客观权 重，利用乘法归一化方法对各指标的组合权重进行计算，构建集对分析-组合赋权煤尘爆炸危险性评价模 型，并将该模型与已较成熟的改进FAHP模型、模糊事故树模型、灰色聚类评估体系、未确知测度评价模型 一同应用于济宁某矿的煤尘爆炸危险性评价过程中，结果显示集对分析-组合赋权评价模型、改进FAHP 模型、灰色聚类评估体系评价结果为一般危险等级，模糊事故树模型的评价结果为较安全等级，集对分析- 组合赋权煤尘爆炸危险性评价模型评价结果与改进FAHP模型、灰色聚类评估体系、未确知测度评价模型 的评价结果一致,该模型对煤尘爆炸危险的评价具有较好的适用性hiera r;hypro;ess.S ubje;tiveweighttheobje;tiveweightofea ;hindexisdetermined bythe ofentropy weightthe;ombina tion weightofea ;hindexis;a l;ula ted bythe of multipli;a tion norma liza tiona nd the set pa ir a na lysis-;ombina tion weighting ;oa l dust explosion risk a ssessmentmodelis;onstru;ted.T hemodelisa ppliedtoa mineinJiningtogetherwiththema tureimproved FAHP modelthefuzzy fa ulttree modelthe grey ;lustering eva lua tion system a nd the una s;erta ined mea sureeva lua tion model.Inthepro;essof;oa ldustexplosionha za rda ssessmentinthe mine theresults show tha t the eva lua tion results ofsetpa ira na lysis-;ombina tion weighting eva lua tion modelimproved FAHP model a nd grey;lustering eva lua tion system a re genera l ha za rd gra dea nd the eva lua tion results of 收稿日期收稿日期2019-04-02 责任编辑责任编辑刘硕 第一作者简介第一作者简介仝瑞刚991 ,男，汉族，山东荷泽人，硕士研究生，从事安全评价、安全管理方面的研究工作,E-ma il157622/4616163. 通讯作者简介通讯作者简介曹庆贵，E-ma il ca ota ia nsina . com。 引用格式引用格式仝瑞刚，曹庆贵，宋洁，等基于组合赋权-集对分析的煤矿煤尘爆炸危险性评价研究J.中国矿业，2020,29597-102. doi10. 12075/j. issn. 1004-4051. 2020. 05. 004 98中国矿业第29卷 fuzzy fa ult tree model a re rela tively sa fe gra de. The eva lua tion results of set pa ir a na lysis-combina tion weighting coa l dust explosion ha za rd a ssessment model a nd improved FAHP model，grey clustering eva lua tion body a re set pa ir a na lysis-combina tion weighting coa l dust explosion ha za rd a ssessment model. The eva lua tion results of the system a nd the una scerta ined mea surement eva lua tion model a re consistent,a nd the model ha s good a pplica bility to the eva lua tion of coa l dust explosion risk. Keywords combina tion weighting； set pa ir a na lysis； coa l dust explosion； risk a ssessment； entropy weighting ；a na lytichiera rchyprocess 爆炸事故是目前是我国煤矿安全生产的主 要威胁之一，系统、科学、合理地辨 矿爆炸的危 ，开展煤矿爆炸危险性 ，可有效防 矿 爆 事故的发生S为2个集合 共有的特性数0为两个相互对立的特性数为集 对中不共有也不对立的特性数*为差异度系数，其取 值范围为［ 1,1*为对立度系数，其取值为一1。 实际情况下，集对分析的准确度并不能满足现 场生产要求，因此应对式1进行优化，见式3和式 ⑷。 _ S丄.丄丄.丄0 N N9 N9 N9 NO * 3 1 指标6,和6j相比同等重要 3 指标6、和6j相比，6,比6j稍微重要 5 指标69和6j相比，69和6j明显重要 7 指标6、和6j相比，，6,和6j强烈重要 9 指标6,和6j相比，，6,和6j绝对重要 3 F\ .F2 .F 0 N N, N2 N3 N 4 式中N］、N2、N3为不同类别集对中2个集合具有 的特性总数；为不同类别集对中不共有 也不对立的特性数；9 9 9为差异度系数，其取值 范围均为［一1,1。 设1 Pj为项目评价因素集合，评 价因素P1 9n的评价等级为X 6］,62, 63,64,65},则评价对象关于评价因素P的同异反 评价为J 1 J 3 J 4 J 5 5。 Js9 J3 9 J9 J s5 j ,式中 J2 1 ,则有同异反评价矩阵表达式见式 「1. 标所占权重9 1,2,3, ，n* 1,2,3，，n。 各评价指标权重向量见式12。 W W1 ,W2,W ,wn 12 3.2 权 算指标权重 权 的差异程度和 的 100中国矿业 第29卷 量多少来确定评价指标，爛权值越小，评价指标权重 越大。 待评价对象N 评价指标 D 待评价对象阿对评价指标 Dj可记作Xo则评价矩阵见式（13） X11 X12 X21 X22 X13 将得到的评价矩阵进行无量纲化处理得式 （14）。 V，. mn （Xj） ____ （） 9 maxCX.） - min（Xj） J指标下第9个待评价对象的特征比重09计 算见见式（15）。 V.. P, 9 （15） V. 9 1 第.向指标的爛值e.计算见见式（16）。 -------一---------------- （16） ln（m） P,・ lnP.） 第9向指标的差异系数必计算见见式（17）。 d. 1 e. （17） 各指标的爛权值计算见式（18） Kj （⑻ 91 3.3组合权重的确定 对爛权法和层次分析法的权重进行相乘后归一 化处理，见式（19）。 5, 91 式中，5,为第，个属性值的爛权法权重和层次分 析 权重。 4组合赋权-集对分析评价模型的建立组合赋权-集对分析评价模型的建立 设第s个评价对象的联系度为应用集对分 析原理对评价指标进行运算，则第沧沧项指标的联系 度（*，其组合权重的表达式K,则评价指标复合 权重的表达式见见式（20）。 （s K 屮* （20） 由上述内容可知，评价指标复合权重的表达式 还可以表示为式（21）。 ab i aS - I （s -------Js1 -------------J91 s 1 aS S 1 aS 1 1 aS | aS - i m------J， m-------J， s（1 aS s（1 aS （1 （1 Jj （21） C1 aS 1 5现场实践现场实践 以山东省济宁市金乡县某矿为例，该矿设计生 产能力为90万t/a,目前矿井有2个综采工作面和 5个掘进工作面，采用走向长壁采煤法开采，全部垮 落法管理顶板，主采3煤层，钻孔煤层煤尘爆炸测试 成果显示，3煤层主要为肥煤，挥发分为3 5. 11，火 焰长度微火一3 00 mm,岩粉量75，存在煤尘爆炸 的危险，在生产过程中应采取预防煤尘爆炸措施 5.1集对分析-组合赋权评价模型 以7个煤尘爆炸危险性评价指标，构建煤尘爆 炸危险性评价因素集合U {M1,MZ“P7}，各评价 指标的评价等级为X 1, 62, 63，64，65 9，其中 61为I级（安全等级），62为级（较安全等级），63 为皿级（一般危险等级），64为-级（较危险等级）， 65为V级（危险等级）。则煤尘爆炸危险性评价因 素的同异反评价为J1 ， J， ， J5 j，式中 J1 r 4 j5 1。煤尘爆炸危险性评价指 标分级标准见表2。 归一 算 果见 见 3。 表2煤尘爆炸危险性评价指标分级标准 Ta ble 2 Cla ssifica tion criteria for eva lua tion index of coa l dust explosion ha za rd 指标 I-V 挥发分10 10 〜2020〜3030〜4040 水分6 4 5 〜63 〜4 5 15 〜31 5 灰分20 15 〜2010 〜15 5〜105 瓦斯 0 50 5 〜11 〜1 5 15 〜22 粒径0〜15 15 〜3030〜4545〜6060 〜75 浓度 5050 〜100100 〜150150〜200200 变质程度12345 通风情况12345 除尘措施12345 煤尘监测12345 喷雾降尘12345 明火火源12345 机电设备火花12345 摩擦碰撞火花12345 第5期 仝瑞刚，等基于组合赋权-集对分析的煤矿煤尘爆炸危险性评价研究101 表表3 各评价因素归一化处理结果各评价因素归一化处理结果 Table 3 Calculation results of various uation factors 指标 评价等级 I -V 挥发分 0 080 100 350 42005 水分 0 430 270 180 12010 灰分 0 370 380 120 09004 瓦斯浓度 0 050 150 350 40005 粒径 0 060 320 450 11006 度 0 070 150 320 43003 变质程度 0 080 100 350 42005 通风情况 0 050 470 280 16004 除尘措施 0 030 170 350 42003 煤尘监测 0 070 290 450 13006 喷雾降尘 0 070 310 420 15005 明火火源 0 040 390 370 16004 机电设备火花 0 090 340 370 12008 摩擦碰撞火花 0 080 330 410 11007 根据表3数据，由爛权法确定煤尘爆炸危险性 评价体系各因素的权重集A {0. 076 7,0. 025 8, 0.0711，0.0756，0.0792，0.0794，00767，0084 7， 0. 094 9,0. 070 3 ,0. 067 9,0. 081 3 ,0. 052 3 ,0. 064 1}。 通过两两比较指标间的相对重要程度，由层次 分析法确定煤尘爆炸危险性评价因素的判断矩阵见 表4,则由层次分析法计算的煤尘爆炸危险性评价 体系各因素的权重集为B {0. 075 9,0. 075 1, 0. 075,0. 075 7,0. 075 7,0. 075 7,0. 075 7,0. 068 3, 0.068 3 ,0. 068 3 ,0.068 3 ,0. 066,0. 066,0. 066},经 一致性检验,判断矩阵和权重向量是可以接受的 根据式19将爛权法和层次分析法得到的权重进 行相乘后归一化处理，得到的组合权重向量为k [ 0. 081 6,0. 027 1,0. 074 7,0. 080 2,0. 084 ,0. 084 2, 0.0813,0 081,0 0908,0 0673,0 065,0 0752, 0. 048 4 ,0. 059 2]则该矿煤尘爆炸危险性评价结果 的联系度表达式为0. 065 4 0. 262z10. 345 7如 0. 249 80. 049 7几 根据最大隶属度原则，该矿的煤尘爆炸危险级 别为一般危险等级,具有煤尘爆炸的可能，评价结果 与煤矿钻孔煤层煤尘爆炸测试成果相互验证 5.2各评价模型结果比较 根据前期收集的目前认可度较高的评价模型 中，选取已应用于煤矿煤尘爆炸危险性评价改进 F A HP模型、模糊事故树模型、灰色聚类评估体系 未确知测度评价模型[910],对金乡县该矿的煤尘爆 炸危险性进行评价，将各模型得出评价结果与集对 分析-组合赋权煤尘爆炸危险性评价模型评价结果 行对 分析, 果见 5。 表表4判断矩阵判断矩阵 Table 4 Judgement matrix 指标发分分灰分径 瓦 度 煤尘 度 变质 程度 通 况况 除尘 施 煤尘 监 雾 降 明 源 机电 花 擦 花 发分11/31/211117777555 分31155553333222 灰分21155553333222 径11/51/511117777555 瓦度11/51/511117777555 度11/51/511117777555 程度11/51/511117777555 通况况1/71/31/31/71/71/71/71111222 施1/71/31/31/71/71/71/71111222 监1/71/31/31/71/71/71/71111222 雾降1/71/31/31/71/71/71/71111222 明源1/51/21/21/51/51/51/51/21/21/21/2111 机电设备火花1/51/21/21/51/51/51/51/21/21/21/2111 擦花1/51/21/21/51/51/51/51/21/21/21/2111 表表5各评价模型结果对比各评价模型结果对比 Table5 Comparisonoftheresultsofeachuation model 模型名称 改 FAHP 模型 模糊事故树模型灰色聚类评估体系度 模型集对分析-组合赋权评价模型 评价结果一般危险较安全一般危一般危一般危 102中国矿业 第29卷 由表5可知，集对分析-组合赋权评价模型与改 进F A HP模型、灰色聚类评估体系、未确知测度评 价模型的评价结果一致，比模糊事故树模型的评价 结果略高，因此集对分析-组合赋权评价模型对煤尘 爆炸危险性评价的适用性高，该评价模型对煤尘爆 炸危险性评价具有一定的借鉴作用 6结论 1 本文选取可爆性危险、煤尘浓度危险、引火 源危险3个一级指标，挥发分、水分、灰分、粒径等 14个二级指标，建立集对分析-组合赋权煤尘爆炸 危险性评价体系 2 将集对分析-组合赋权煤尘爆炸危险性评价 体系应用于济宁市金乡县某矿煤尘爆炸危险性评价 实践中，评价结果为一般危险等级，与钻孔煤尘爆炸 测试结果相互验证 3 通过与改进F A HP模型、模糊事故树模型、 灰色聚类评估体系、未确知测度评价模型进行结果 对比，集对分析-组合赋权评价模型与改进F A HP模 型、灰 类 体系、 度 模型的 结果一致,对煤尘爆炸危险性评价较为适用。 ■ 参考文献 1李雨成，刘天奇，周西华.基于量纲分析理论的煤尘爆炸能量 预测模型爆炸与冲击，2017,373566-570. 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