CN111784136A - 一种基于层次分析和模糊数学的冲击危险性动态预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于层次分析和模糊数学的冲击危险性动态预警方法，该预警方法包括以下步骤：步骤一、确定预警对象和预警对象适用的冲击危险性影响因子，即预警指标；步骤二、确定各预警指标的冲击危险性分级，组成冲击危险性预警指标体系；步骤三、基于APH(层次分析)理论，确定各预警指标的权重，组成模糊权重向量A；步骤四、基于模糊数学理论，建立各指标的单因素模糊预警集，组成因素预警模糊矩阵R；步骤五、计算预警对象的模糊综合评判向量B＝A×R；步骤六、根据最大隶属度原则，确定预警对象的冲击危险等级。本发明综合考虑了多种冲击地压预警指标，采用预警模型对预警对象进行冲击危险性预警，预警更加科学，预警效率更高，结果更加可靠。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全技术领域，特别是涉及一种基于层次分析和模糊数学的冲击危险性动态预警方法。
背景技术
随着我国煤矿开采深度的增加以及开采强度的增大，煤矿面临冲击地压的形势越来越严峻，而冲击地压评价及实时监测预警是冲击地压防治的有效措施。同时，2018年发布的《防治煤矿冲击地压细则》中规定：开采冲击地压煤层时，必须采取冲击地压危险性预测、监测预警、防范治理、效果检验、安全防护等综合性防治措施；冲击地压矿井必须建立区域与局部相结合的冲击危险性监测制度，区域监测应当覆盖矿井采掘区域，局部监测应当覆盖冲击地压危险区，区域监测可采用微震监测法等，局部监测可采用钻屑法、应力监测法、电磁辐射法等。但目前我国冲击危险性预警大多采用单一指标或结合简单模型进行多指标预警，预警的效率及准确率已满足不了煤矿的现实需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于层次分析和模糊数学的冲击危险性动态预警方法，该方法将与冲击地压密切相关的多种参量进行综合考虑，并结合数学模型及判别准则进行实时预警，预警效率更高、结果更加可靠，对指导矿井开展冲击地压防治工作实用性更强。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种基于层次分析和模糊数学的冲击危险性动态预警方法，该预警方法包括以下步骤：
步骤一、确定预警对象和预警对象适用的冲击危险性预警指标
根据预警对象选取其适用的冲击危险性预警指标集合U，用ui表示各预警指标，则U＝(u1，u2，u3，u4…ui，…un)，其中n为预警指标数量；
步骤二、对各预警指标的冲击危险性分级，组成冲击危险性预警指标体系
根据预警等级分类，对各预警指标的冲击危险性分级；通过建立每个预警指标的分级集合vi，得到预警对象的冲击危险性预警指标体系V；
步骤三、确定各预警指标的权重，组成模糊权重向量
根据APH层次分析法和1～9标度表，确定出各预警指标对预警对象冲击危险的贡献程度，进而得到各个指标组成的模糊权重向量A；
步骤四、建立各预警指标的单因素模糊预警集，组成因素预警模糊矩阵
针对某个预警指标的监测结果，结合预警隶属度函数，可确定该预警指标的全部隶属度的集合；进而依次可得到相应于每个预警指标的单因素模糊预警集；将第i个单因素模糊预警集Ri为第i行，组成因素预警模糊矩阵R；
步骤五、计算预警对象的模糊综合评判向量
将反映各预警指标对冲击地压影响程度的模糊权重向量A与全部指标隶属度合成的因素预警模糊矩阵R，进行运算，从而得出每个冲击地压预警的模糊综合评判向量B＝A×R＝(b1，b2，b3，b4)；
步骤六、确定预警对象的冲击危险等级
步骤五中(b1，b2，b3，b4)分别对应于(无冲击危险，弱冲击危险，中等冲击危险，强冲击危险)四个评判结果的隶属度；根据最大隶属度原则，就可以得出预警对象的冲击危险等级。
上述步骤二中，各预警指标的冲击危险性可分为5级，分别为无、弱、中等、强和不安全。步骤二中各预警指标的冲击危险性分级数量与步骤六中最终预警对象的冲击危险等级划分数量不一致，但并不影响该方法的应用效果。
上述步骤三中，通过将各预警指标ui两两对比并对应1～9标度表进行赋值，可得到矩阵，针对矩阵求特征向量，可得到模糊权重向量A＝(a1，a2，…ai，…an)，归一化处理后为(a’1，a’2，…a’i，…a’n)。
上述步骤四中，所述隶属度函数如公式(1)所示：
式(1)中，x为测试值，S1、S2、S3和S4分别对应预警指标的四个分级阈值。
上述步骤六中，所述最大隶属度原则是指，通过对比b1～b4大小，若最大值为bi，i取值1、2、3、4，则预警对象为第i级冲击危险性；冲击危险等级分为四类：冲击危险等级属于1级，为无冲击危险；冲击危险等级属于2级，为弱冲击危险；冲击危险等级属于3级，为中等冲击危险；冲击危险等级属于4级，为强冲击危险。
本发明的有益技术效果是：
本发明综合考虑了多种冲击地压预警指标，根据不同工况，通过数学模型赋予不同的权重值，然后采用预警模型对预警对象进行冲击危险性预警，预警更加科学，预警效率更高，结果更加可靠。另外，该预警方法适用于工程中实时监测的预警装备，即冲击危险性预警结果是实时地、动态的。本发明预警方法可用于指导煤矿开展冲击地压防治工作，对于保障煤矿安全生产具有重要的现实意义。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明基于层次分析和模糊数学的冲击危险性动态预警方法的流程图；
图2为本发明具体应用实例中所建立冲击危险性预警指标体系的示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于层次分析和模糊数学的冲击危险性动态预警方法，该预警方法适用于煤矿，具体包括以下步骤：
步骤一、确定预警对象和预警对象适用的冲击危险性影响因子，即预警指标
预警对象可以是一个范围，包括矿井、采区(盘区或水平)、回采工作面和巷道，也可以是一段巷道、一个监测点。以监测点为例，根据预警对象选取其适用的冲击危险性预警指标集合U，用ui表示各预警指标，则U＝(u1，u2，u3，u4…ui，…un)，其中n为预警指标数量，包括“采动应力”、“巷道位移”、“顶板离层量”、“锚杆工作载荷”、“锚索工作载荷”和“支架阻力”等。
步骤二、对各预警指标的冲击危险性分级，组成冲击危险性预警指标体系
根据预警等级分类，对各预警指标的冲击危险性分级，共分为5级，分别为无、弱、中等、强和不安全。以采动应力σ为例，预警指标分级集合v1＝(无，弱，中等，强，不安全)＝(σ≤1.5σ正常，1.5σ正常＜σ≤3σ正常，3σ正常＜σ≤4.5σ正常，4.5σ正常＜σ≤6σ正常，σ＞6σ正常)。通过建立每个预警指标的分级集合vi，得到预警对象如监测点的冲击危险性预警指标体系V。
步骤三、确定各预警指标的权重，组成模糊权重向量
权重表征每个预警指标对监测点冲击危险的贡献程度，如采动应力、巷道位移等分别对监测点冲击危险性影响所占的权重。
根据以往采动应力、巷道位移等监测数据与冲击显现的对应关系，再结合APH层次分析法和1～9标度表，确定出各预警指标对监测点冲击危险的贡献程度，进而得到各个指标组成的模糊权重向量A。
步骤四、建立各预警指标的单因素模糊预警集，组成因素预警模糊矩阵
应用模糊数学，确定每一个预警指标隶属于预警等级集合中不同预警等级的程度，称为隶属度，以rij表示。针对某个预警指标的监测结果(实际测试结果)，结合预警隶属度函数，可确定该预警指标的全部隶属度的集合，即为单因素预警矩阵；进而依次可得到相应于每个预警指标的单因素模糊预警矩阵或者说预警集。根据不同的预警指标，从上至下按每行排列，将第i个单因素模糊预警集Ri为第i行，组成因素预警模糊矩阵R。如该因素预警模糊矩阵R可为n行4列。
步骤五、计算预警对象的模糊综合评判向量
模糊综合预警考虑所有因素对监测点的影响，将反映各预警指标对冲击地压影响程度的模糊权重向量A与全部指标隶属度合成的因素预警模糊矩阵R，进行运算，从而得出每个冲击地压预警的模糊综合评判向量B＝A×R＝(b1，b2，b3，b4)。
步骤六、确定预警对象的冲击危险等级
步骤五中(b1，b2，b3，b4)分别对应于(无冲击危险，弱冲击危险，中等冲击危险，强冲击危险)四个评判结果的隶属度。根据最大隶属度原则，就可以得出监测点一段时间的监测数据所反映的冲击危险等级。
上述步骤三中，1～9标度表见下表1。
表1
| 标度 | 表示含义 |
| 1 | 元素i和元素j同等重要 |
| 3 | 元素i比元素j稍微重要 |
| 5 | 元素i比元素j明显重要 |
| 7 | 元素i比元素j强烈重要 |
| 9 | 元素i比元素j极端重要 |
| 2,4,6,8 | 介于上述标度之间 |
| 倒数 | 表示a<sub>ij</sub>与a<sub>ij</sub>互为倒数 |
通过将各预警指标ui两两对比并对应表1进行赋值，可得到矩阵G，针对矩阵G求特征向量，可得到模糊权重矩阵A＝(a1，a2，…ai，…an)，归一化处理后为(a’1，a’2，…a’i，…a’n)。
步骤四中，隶属度rij通过隶属度函数计算求得，隶属度函数如公式(1)所示。
式(1)中，x为测试值，S1、S2、S3和S4分别对应预警指标的四个分级阈值。
步骤六中，所述最大隶属度原则是指，通过对比b1～b4大小，若最大值bi，i取值为1、2、3或4，则预警对象为第i级冲击危险性。冲击危险等级分为四类；冲击危险等级属于1级，为无冲击危险；冲击危险等级属于2级，为弱冲击危险；冲击危险等级属于3级，为中等冲击危险；冲击危险等级属于4级，为强冲击危险。
下面以河南某煤矿为具体应用实例，进一步介绍本发明基于层次分析和模糊数学的冲击危险性动态预警方法。
背景：河南某煤矿为典型的冲击地压矿井，在开采2-3煤过程中曾发生多次冲击地压事故。该矿13200工作面上巷掘进过程中安装了应力计和位移计进行实时监测，现采用该方法对该巷道掘进过程中的冲击危险性进行实时预警。
(1)确定预警对象和预警对象适用的冲击危险性预警指标：根据应力计和位移计安装位置，确定预警对象13200上巷距入口500～600m段，确定冲击危险性预警指标为应力梯度▽σ和位移梯度▽ε。
(2)确定各预警指标的冲击危险性分级，组成冲击危险性预警指标体系，如图2所示。
(3)确定各预警指标的权重，组成模糊权重向量：根据各预警指标之间的重要程度对比，结合APH理论和1～9标度表，可得到模糊权重矩阵A＝(a1’，a2’)＝(0.1667，0.8333)。
(4)建立各指标的单因素模糊预警集，组成因素预警模糊矩阵。其中各预警指标的分级阈值参考图2，计算得到因素预警模糊矩阵R为
(5)计算预警对象的模糊综合评判向量：B＝A×R＝(0.9603，0.0397，0，0)。
(6)确定预警对象的冲击危险等级：由最大隶属度原则得出，该测点的模糊综合评判指数为0.9603，冲击危险等级为无。
根据现场钻屑量监测结果及动力显现情况可知，监测时间段内钻屑量未超标，且现场无动力显现，可见该监测点为无冲击危险，与基于层次分析和模糊数学的冲击危险性动态预警方法所得结果一致。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于层次分析和模糊数学的冲击危险性动态预警方法，其特征在于，该预警方法包括以下步骤：
步骤一、确定预警对象和预警对象适用的冲击危险性预警指标
根据预警对象选取其适用的冲击危险性预警指标集合U，用ui表示各预警指标，则U＝(u1，u2，u3，u4…ui，…un)，其中n为预警指标数量；
步骤二、对各预警指标的冲击危险性分级，组成冲击危险性预警指标体系
根据预警等级分类，对各预警指标的冲击危险性分级；通过建立每个预警指标的分级集合vi，得到预警对象的冲击危险性预警指标体系V；
步骤三、确定各预警指标的权重，组成模糊权重向量
根据APH层次分析法和1～9标度表，确定出各预警指标对预警对象冲击危险的贡献程度，进而得到各个指标组成的模糊权重向量A；
步骤四、建立各预警指标的单因素模糊预警集，组成因素预警模糊矩阵
针对某个预警指标的监测结果，结合预警隶属度函数，可确定该预警指标的全部隶属度的集合；进而依次可得到相应于每个预警指标的单因素模糊预警集；将第i个单因素模糊预警集Ri为第i行，组成因素预警模糊矩阵R；
步骤五、计算预警对象的模糊综合评判向量
将反映各预警指标对冲击地压影响程度的模糊权重向量A与全部指标隶属度合成的因素预警模糊矩阵R，进行运算，从而得出每个冲击地压预警的模糊综合评判向量B＝A×R＝(b1，b2，b3，b4)；
步骤六、确定预警对象的冲击危险等级
步骤五中(b1，b2，b3，b4)分别对应于(无冲击危险，弱冲击危险，中等冲击危险，强冲击危险)四个评判结果的隶属度；根据最大隶属度原则，就可以得出预警对象的冲击危险等级。
2.根据权利要求1所述的一种基于层次分析和模糊数学的冲击危险性动态预警方法，其特征在于：步骤三中，通过将各预警指标ui两两对比并对应1～9标度表进行赋值，可得到矩阵，针对矩阵求特征向量，可得到模糊权重向量A＝(a1，a2，…ai，…an)，归一化处理后为(a’1，a’2，…a’i，…a’n)。
3.根据权利要求1所述的一种基于层次分析和模糊数学的冲击危险性动态预警方法，其特征在于：步骤四中，所述隶属度函数如公式(1)所示：
式(1)中，x为测试值，S1、S2、S3和S4分别对应预警指标的四个分级阈值。
4.根据权利要求1所述的一种基于层次分析和模糊数学的冲击危险性动态预警方法，其特征在于：步骤六中，所述最大隶属度原则是指，通过对比b1～b4大小，若最大值为bi，i取值1、2、3、4，则预警对象为第i级冲击危险性；冲击危险等级分为四类：冲击危险等级属于1级，为无冲击危险；冲击危险等级属于2级，为弱冲击危险；冲击危险等级属于3级，为中等冲击危险；冲击危险等级属于4级，为强冲击危险。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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