CN106651126A - 一种遗煤自燃风险评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种遗煤自燃风险评价方法，其特征在于，为了解采空区遗煤自燃风险程度，了解遗煤自燃与其影响因素之间的关系，对自燃风险进行评价，提出了一种博弈可拓算法，算法将博弈的主客观权重分析与可拓的倾向性分析结合，可确定被评价对象所处状态，得到被评价对象状态发展趋势，及因素的主观权重和客观权重，可用于遗煤自燃风险分析。

Description

一种遗煤自燃风险评价方法
技术领域
本发明涉及煤矿安全工程，特别是涉及分析遗煤自燃风险分析。
背景技术
我国一直以来都是煤炭生产和使用大国，根据对全国大中型重点煤矿的自燃火灾次数统计，其占矿井火灾总次数的90％～94％，其中遗煤的自燃占所有自燃火灾的60％，其造成了严重的经济损失和人员伤亡，甚至对煤炭行业也造成了负面影响。
煤的自燃是一个复杂的物理和化学过程，对于其基本反应机理和过程一直是煤炭开采领域的研究重点，通常情况下，煤自燃可以表示为一个缓慢的氧化过程，其发生也是在一定条件下进行的，主要包括：在低温条件下可氧化的颗粒较小的煤，其因比表面积较大，化学活性较好；具有良好的通风性，以便提供氧气供应氧化反应；有可储备反应热的物理条件，但这些影响在实际工程中的分析是比较困难的，一些极端条件为监测和分析带来了较大困难，另一方面，对于遗煤自燃在允许人工和设备检测的情况下也积累了相当的数据，那么如何利用这些数据，找出煤自燃与其影响因素的关系，进而预测可能发生遗煤自燃的位置，最终达到提前预防和控制的目的，应是着重进行研究的问题。
目前对于遗煤自燃预测分析已经进行了一些研究，但这些评价方法和结果受到评价专家本身主观因素影响过大，具有不同经验和水平的专家评价不一，另外，评价结果除了可分析目前状态下遗煤自燃的可能性程度，还要能分析自燃可能性的变化趋势，已达到提前预防的目的。
为实现上述对遗煤自燃风险预测评价的目的，这里提出一种博弈可拓方法，将博弈的主客观权重分析与可拓的倾向性分析结合，使用该模型分析了某煤矿多个位置遗煤自燃的可能性和倾向。
发明内容
1遗煤自燃风险评价指标体系：遗煤自燃与众多因素有关，主要包括三方面：颗粒较小的煤、良好的通风条件和可储备热量的结构，但具体到实际工程应用时，对于与这些相关的因素的判断存在着较多争议和不确定性，对于与遗煤自燃相关的因素进行研究，得出了煤的结构、空气中各组分的浓度、通风强度等因素作为标志来判断煤的自燃过程，这里结合这些文献，总结出5个判断煤自燃风险的评价指标，包括：与工作面距离/m、氧气浓度/％、推进度/m、漏风强度/m.s-1、浮煤厚度/m，制订了三个评价等级，分别是：风险很大(Ⅰ)、有风险(Ⅱ)、安全(Ⅲ)，等级和对应的评价值如表1所示，
表1遗煤自燃风险评价指标体系及分级
2博弈可拓算法：博弈可拓算法是可拓理论与博弈论的结合，可拓评价法是通过确定遗煤自燃风险评价指标体系，建立风险程度分级标准，得到经典域、节域和待评物元，再由待评物元确定关联函数，使用博弈论的方法确定各指标权重，最后确定自燃风险程度等级的评价方法。
确定物元：给出经典域Rj、节域Rp和待评物元RW，分别如式(1)～(3)所示，
隶属函数归一化：根据特点和算法要求，这里采用线性无量纲法隶属函数，效益型和成本型隶属函数分别如式(4)和(5)所示，
其中：v′wk：归一后第k个评价指标值；vwk：无归一第k个评价指标值；max(vpk)：第k个评价指标节域最大值；min(vpk)：第k个评价指标节域最小值。
关联函数：自燃风险的各评价指标关联函数值与所对应的权重值用以确定可拓关联度，则待评物元vwk第j等级的关联函数如式(6)所示，
式中：d＝j或p，ρ(vwk，vdk)用来表示点到区间的距离。
博弈论的赋权法：物元可拓评价法一般采用主观赋权法，如AHP法、专家调查法等，或客观赋权法，如简单关联函数、熵权法等，仅仅考虑主观赋权或客观赋权都是片面的，为了综合考虑两种赋权形式对综合权重的影响，将客观赋权法与主观赋权法综合，得到物元可拓评价法的综合权重，根据博弈论，可以使用y种不同的方法分别对评价指标进行赋权，从而得到y个评价指标权重向量：ui＝(ui1,ui2,…,uim),(i＝1,2,…,k)，其任意线性组合如式(7)所示，对式(7)进行优化，使u与各个ui的离差极小化，其优化条件为式(8)，依据矩阵微分的性质，将式(8)等价转化为一阶导数的线性方程组，如式(9)所示，解该方程组得向量(α1,α2,…,αk)，进而得到式(10)，最终得到权重如式(11)，
确定可拓关联度和风险等级：根据式(6)得到待评样本的自燃风险评价等级j的可拓关联度，如式(12)所示，
式中：uk *为第k个指标在整个评价指标中的权重值；Kj(vwk)为待评物元vwk在第j等级下第k个评价指标的关联函数值。
根据关联度最大原则，待评物元是由评价指标可拓关联度的最大值决定，如式(13)所示，
由式(13)可知待评等级为j0，为更精确地确定等级及其在不同级别之间的变化程度，可用等级变量特征值j*来衡量，如式(14)所示，
式中:
具体实施方式
基于煤自燃过程的实验，发现其过程的不同阶段表现出的特征不同，该过程中CO含量突变时的温度可将煤自燃的温度时间曲线划分为两个阶段，一般在60℃至80℃之间，通常取值为70℃，煤自燃主要是煤与氧气之间的化学反应，生成各种氧化物，那么由于各阶段的氧化产物及其产量的不同，对氧气的消耗速率也是不同的，这里选择氧气消耗速率为表征煤自燃过程的特征量，选择影响氧气消耗速率的5个因素进行重要性分析，从而了解这5个因素对遗煤自燃的影响程度，包括：水分u1、固定碳u2、氧浓度u3、挥发分u4、温度u5，这五个因素之间并不是独立的，当一个因素发生变化时可能导致其他因素发生变化，用ANP的观点进行描述，可表述为这5个因素是包含更多子因素的5个因素组，不同因素组内的子因素存在相互联系，进而组成网络层，而这样的网状***适合ANP研究。
提出的云化ANP分析过程，首先进行专家评判，由三位专家进行打分，得到比较矩阵如表2所示，
表2比较矩阵
注：表中Ai和1/Ai均根据表1所得。
三位专家对u1与u2的比较结果的云模型表示为：A3、1/A3、A2，即(3,0.437,0.073)、(0.3333,0.0486,0.0081)、(2,0.707,0.118)，基于专家等权重的考虑，取三个评价结果云的平均值，即(A3+1/A3+A2)/(3,0,0)＝(1.7778,0.2775,0.0463)作为综合的比较结果，组成综合判断矩阵如表3所示，
表3综合判断矩阵
利用方根法计算要素的期望、模糊性和随机性的相对权重特征参数，根据式(5),(6),(7)对矩阵进行归一化，得表4，
表4归一化后的矩阵
注：(1,0,0)不参加归一化运算。
对表4进行一致性检验，其结果小于0.1，满足要求，按要求对表4取极限得到最终的指标重要性排序并归一化，最后的得到重要度指标分别为：u1＝(0.1861,0.1081,0.1080)、u2＝(0.1933,0.1519,0.1519)、u3＝(0.2147,0.2833,0.2833)、u4＝(0.1975,0.2140,0.2140)、u5＝(0.2084,0.2427,0.2428)，通过上述过程可见影响采空区遗煤自燃的因素重要性排序为：氧浓度u3>温度u5>挥发分u4>固定碳u2>水分u1。

Claims (8)

1.一种遗煤自燃风险评价方法，其特征在于，为了解采空区遗煤自燃风险程度，了解遗煤自燃与其影响因素之间的关系，对自燃风险进行评价，提出了一种博弈可拓算法，算法将博弈的主客观权重分析与可拓的倾向性分析结合，可确定被评价对象所处状态，得到被评价对象状态发展趋势，及因素的主观权重和客观权重，可用于遗煤自燃风险分析。
2.根据权利要求1所述一种遗煤自燃风险评价方法，其特征在于，遗煤自燃风险评价指标体系，5个判断煤自燃风险的评价指标，包括：与工作面距离/m、氧气浓度/％、推进度/m、漏风强度/m·s-1、浮煤厚度/m，制订了三个评价等级，分别是：风险很大(Ⅰ)、有风险(Ⅱ)、安全(Ⅲ)。
3.根据权利要求1所述一种遗煤自燃风险评价方法，其特征在于，可拓评价法是通过确定遗煤自燃风险评价指标体系，建立风险程度分级标准，得到经典域、节域和待评物元，再由待评物元确定关联函数，使用博弈论的方法确定各指标权重，最后确定自燃风险程度等级的评价方法。
4.根据权利要求1所述一种遗煤自燃风险评价方法，其特征在于，给出经典域Rj、节域Rp和待评物元RW。
5.根据权利要求1所述一种遗煤自燃风险评价方法，其特征在于，效益型和成本型隶属函数分别如式(4)和(5)所示：
其中：v′wk：归一后第k个评价指标值；vwk：无归一第k个评价指标值；max(vpk)：第k个评价指标节域最大值；min(vpk)：第k个评价指标节域最小值。
6.根据权利要求1所述一种遗煤自燃风险评价方法，其特征在于，自燃风险的各评价指标关联函数值与所对应的权重值用以确定可拓关联度，则待评物元vwk第j等级的关联函数如式(6)所示：
式中：d＝j或p，ρ(vwk，vdk)用来表示点到区间的距离。
7.根据权利要求1所述一种遗煤自燃风险评价方法，其特征在于，可以使用y种不同的方法分别对评价指标进行赋权，从而得到y个评价指标权重向量：ui＝(ui1,ui2,…,uim),(i＝1,2,…,k)，其任意线性组合如式(7)所示，对式(7)进行优化，使u与各个ui的离差极小化，其优化条件为式(8)，依据矩阵微分的性质，将式(8)等价转化为一阶导数的线性方程组，如式(9)所示，解该方程组得向量(α1,α2,…,αk)，进而得到式(10)，最终得到权重如式(11)：
8.根据权利要求1所述一种遗煤自燃风险评价方法，其特征在于，根据式(6)得到待评样本的自燃风险评价等级j的可拓关联度，如式(12)所示：
式中：uk *为第k个指标在整个评价指标中的权重值；Kj(vwk)为待评物元vwk在第j等级下第k个评价指标的关联函数值；
根据关联度最大原则，待评物元是由评价指标可拓关联度的最大值决定，如式(13)所示：
由式(13)可知待评等级为j0，为更精确地确定等级及其在不同级别之间的变化程度，可用等级变量特征值j*来衡量，如式(14)所示。
式中:
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