CN111859288A - 一种采空区自燃危险性预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿安全工程技术领域，具体涉及采空区自燃危险性预测方法，依据模糊统计学原理，改进AHP‑熵组合权法模拟人的决定思维过程，对引起工作面采空区煤炭自燃危险的不确定性多因素进行专家打分评估量化，从而得出一个能够描述其自燃危险性的数值，进而对采空区自燃危险进行客观评判，从而采取科学合理的采空区自燃预防措施。本方法利用模糊数学预测模型研究采空区自燃危险性，利用改进组合赋权法确定采空区自燃危险性评判各指标重要度，计算得出各指标的权重，通过结合灰色理论法对采空区自燃危险进行综合评价，不仅能够快速准确地为采空区自燃危险等级的各因素的权重排序，还可以解决利用较少的信息客观地评价自燃危险的估计的难题。

Description

一种采空区自燃危险性预测方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全工程技术领域，尤其涉及一种采空区自燃危险性预测方法。

背景技术

采空区自燃是一种受多因素影响的内因火灾，由于近年来开采深度的增加，围岩温度升高等因素影响，采空区自燃危险日趋严重，采空区自燃常源于煤体深部，且只冒烟而不出见明火，火源位置难确定。采空区自燃火灾不仅造成大量煤炭资源的浪费、物资设备的损坏，还常伴随粉尘、瓦斯气体***的二次破坏，目前采空区煤炭自燃是造成的火灾约占总火灾的90％，我国46％～49％的重点煤矿存在采空区煤炭自燃危险，因此，预测评价采空区是否受煤炭自燃危险影响俨然成为了一项紧迫的课题，如何高效地预测采空区自燃危险，已经成为科研工作者的工作重点与难点，研究采空区自燃危险预测问题具有重要意义。

由于煤矿采空区自燃火灾是一个具有突发性、不确定性的动态的复杂***，很难用线性变化评价其发生的可能性。对其进行评价时，需要综合考虑不同因素的主次关系，根据各因素的重要性排序，确定事故发生的权重系数。目前现有的研究对采空区自燃危险的预测与防治具有重要意义，但是其所建模型在实际操作中具有权重难确定，考虑指标因素不全面，影响因素主次关系不明确等问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种采空区自燃危险预测方法，依据模糊统计学原理，改进AHP-熵组合权法模拟人的决定思维过程，对引起工作面采空区煤炭自燃危险的不确定性多因素进行专家打分评估量化，从而得出一个能够描述其自燃危险性的数值，进而对采空区自燃危险进行客观评判，从而采取科学合理的采空区自燃预防措施。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种采空区自燃危险性预测方法，包括以下步骤，

步骤1：确定评价指标并确定评价指标权重：将测试点自燃危险单项指标煤的吸氧量、CO温升增长率、煤样燃点温差、漏风量、煤层厚度、煤层倾角、漏风时长、漏风强度、遗煤厚度、围岩温度、煤层埋藏深度作为评价指标，利用改进AHP-熵组合权-灰色理论法对采空区自燃危险各指标权重进行确定；

步骤2：建立采空区自燃危险评价的递阶层析模型：分析采空区自燃危险评价***中各基本要素的联系与影响，将各指标划为指标层、准则层、目标层三级递阶层次结构；按照两两比较标度法对每层指标因素相对上一层某一准则的重要性进行比较，构造判断矩阵A＝(a_ij)_n×n：

其中a_ij表示指标i对指标j重要性之比；

利用改进AHP赋权法对指标权重进行确定，对矩阵每一行元素乘积求n次方根，用几何平均法求权重公式；

β＝{β₁，β₂…β_n}^T

其中：n为指标数量；

表示矩阵每一行元素的乘积；β_i表示第i个指标权重；β为指标权重向量；

进行归一化处理

w_A＝{w_A1，w_A2…w_An}^T为所求正规化特征向量的近似值，其中w_Ai为第丁个指标因素所对应的权重，即主观权重，且

步骤3：对判断矩阵的一致性检验；

步骤4：构造决策矩阵B₀：按照定性与定量结合的原则对自燃危险等级评价的m个样本，n个自燃危险等级评价指标的原始数据矩阵B＝(b_ij)_m×n进行无量纲、标准化处理构造决策矩阵B₀＝(r_ij)_m×n：

式中，b_ij为初始值；r_ij为标准化指标；b_{j max}，b_{j min}分别表示指标j下不同样本的指标值中的最大值和最小值；

步骤5：确定评价指标熵值：为了避免指标特征比重值为零，确保评价指标熵具有数学意义，并将r_ij·ln r_ij对指标熵的影响控制在合理范围内，进而确定评价指标熵值：

式中：x_ij为修正的评价指标；ψ为修正系数；e_j为第j个指标熵值；m为样本个数；

步骤6：计算第j项指标的信息权重：

w_E＝(w_E1，w_E2…w_En)

式中：w_Ej为熵值法中的第j项指标所对应的权重，即客观权重，且

步骤7：得到综合权重向量：将各指标因素的主观权重与客观权重相耦合，即：

Q＝(q₁，q₂…q_n)

式中：q_i为第i个指标因素的耦合权重；Q为综合权重向量；

步骤8：建立综合评价指标体系：结合德尔菲法对各指标进行筛选，构建了3级层阶结构综合评价指标体系；

步骤9：建立评语矩阵M；

步骤10：根据组合赋权原理、确定各指标权重、基于改进AHP-熵组合权-灰色理论法构建评判矩阵R；

步骤11：根据综合权重向量Q、评判矩阵R和评语矩阵M，可得到采空区自燃危险评价结果，即：

L＝Q·R·M

式中：L为评价结果；Q为主观权重与客观权重相耦合的综合权重向量；R为评判矩阵，M为评语矩阵。

作为优选的，在步骤3中，对判断矩阵进行一致性检验，以确定各层次权重分配是否合理；

式中，λ_max为判断矩阵的最大特征值；CI为一致性指标；IR为随机一致性指标；CR为一致性比例。

作为优选的，对CR检验：当CR＜0.1时，所构建判断矩阵满足了一致性要求，否则需要对其进行修正。

作为优选的，在步骤9中，对采空区自燃危险等级进行建立，根据煤矿安全生产特点，将采空区自燃危险分为多级评语矩阵M。

作为优选的，采空区自燃危险分为多级等差数列评语矩阵M。

作为优选的，采空区自燃危险分为5个等级的评语矩阵M。

作为优选的，在步骤10中，依据灰色***理论，构建采空区自燃危险的多个评价等级的白化权函数；

评估指标U_ij有多个评分，d_ijt表示第t个对指标U_ij给出的评分，将其代入白化权函数，f_k(d_ijt)表示第k类灰色中第t个专家对指标U_ij的函数值，再进行求和得到U_ij的第k个灰色评价系数X_ijk，进而得到各指标总灰色评价系数X_ij，即：

X_ijk与X_ij两者作比值得到指标U_ij属于第k个灰色评价权向量η_ijk，进而得到二级指标U_ij的灰色评价权向量η_ij，结合改进的AHP法和熵值法得出的综合权重W_ij，求出各指标的灰色权评判矩阵R，并以此计算一级指标U_i的评价矩阵，即：

η_ij＝(η_ij1，η_ij2…η_ijn)

以获得评判矩阵R。

使用本发明的有益效果是：

本方法利用模糊数学预测模型研究采空区自燃危险性，利用改进组合赋权法确定采空区自燃危险性评判各指标重要度，计算得出各指标的权重，通过结合灰色理论法对采空区自燃危险进行综合评价，不仅能够快速准确地为采空区自燃危险等级的各因素的权重排序，还可以解决利用较少的信息客观地评价自燃危险的估计的难题。

附图说明

图1为采空区自燃危险预测评价体系层次模型；

图2为改进的AHP-熵组合权-灰色理论法评价模型流程。

具体实施方式

为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。

结合发明内容部分，如图1所示，本实施例提出的一种采空区自燃危险预测方法，包括以下步骤：

步骤1：将测试点自燃危险单项指标煤的吸氧量、CO温升增长率、煤样燃点温差、漏风量、煤层厚度、煤层倾角、漏风时长、漏风强度、遗煤厚度、围岩温度、煤层埋藏深度作为评价指标，利用改进AHP-熵组合权-灰色理论法对采空区自燃危险各指标权重进行确定；

步骤2：建立采空区自燃危险评价的递阶层析模型。分析采空区自燃危险评价***中各基本要素的联系与影响，结合专家意见，将各指标划为指标层、准则层、目标层三级递阶层次结构。按照两两比较标度法对每层指标因素相对上一层某一准则的重要性进行比较，构造判断矩阵A＝(a_ij)_n×n，其中a_ij表示指标i对指标j重要性之比.

利用改进AHP赋权法对指标权重进行确定，对矩阵每一行元素乘积求n次方根，用几何平均法求权重公式；

β＝{β₁，β₂…β_n}^T

其中：n为指标数量；

表示矩阵每一行元素的乘积；β_i表示第i个指标权重；β为指标权重向量。

进行归一化处理

从而得到w_A＝{w_A1，w_A2…w_An}^T，即为所求正规化特征向量的近似值，其中w_Ai为第i个指标因素所对应的权重，即主观权重，且

步骤3：判断矩阵的一致性检验。通常构造的判断矩阵难以满足完全一致性要求，我们需要制定某一标准，当判断矩阵满足此标准时，就近似认为其具有完全一致性，因此需要对判断矩阵进行一致性检验，以确定各层次权重分配是否合理。

式中，λ_max为判断矩阵的最大特征值；CI为一致性指标；IR为随机一致性指标，可查表确定。CR为一致性比例，当CR＜0.1时，认为所构建判断矩阵满足了一致性要求，否则需要对其进行修正。

步骤4：构造决策矩阵B₀，按照定性与定量结合的原则对自燃危险等级评价的m个样本，n个自燃危险等级评价指标的原始数据矩阵B＝(b_ij)_m×n进行无量纲、标准化处理构造决策矩阵B₀＝(r_ij)_m×n：

式中，b_ij为初始值；r_ij为标准化指标；b_{j max}，b_{j min}分别表示指标j下不同样本的指标值中的最大值和最小值。

步骤5：确定评价指标熵值，为了避免指标特征比重值为零，确保评价指标熵具有数学意义，并将r_ij·ln r_ij对指标熵的影响控制在合理范围内，需要对决策矩阵中部分因素进行修正，进而确定评价指标熵值：

式中：x_ij为修正的评价指标；ψ为修正系数；e_j为第j个指标熵值；m为样本个数。

步骤6：计算第j项指标的信息权重：

w_E＝(w_E1，w_E2…w_En)

式中：w_Ej为熵值法中的第j项指标所对应的权重，即客观权重，且

步骤7：为了确保决策者对采空区自燃影响因素的主观认识和客观调查数据能够真实地反映规律，将各指标因素的主观权重与客观权重相耦合，得到综合权重向量，记为Q。

Q＝(q₁，q₂…q_n)

式中：q_i为第i个指标因素的耦合权重；Q为综合权重向量。

步骤8：由于煤矿采空区自燃危险的复杂性、不确定性，通过实地调查及参考有关文献，结合德尔菲法对各指标进行筛选，构建了3级层阶结构综合评价指标体系，如表1所示。

表1采空区自燃危险评价指标及专家打分平均值

步骤9：对采空区自燃危险等级进行建立，根据煤矿安全生产特点，将采空区自燃危险分为5个级别比较合理，分别赋予I级(安全-基本不可能发生)、II级(较安全-较不可能发生)、III级(中等安全-可能发生)、IV级(较不安全-较可能发生)、V级(不安全-极可能发生)10、8、6、4、2分构成评语矩阵M，各指标赋值越高说明该指标引起采空区自燃危险性越小，采空区发生自燃的概率越小。

步骤10：依据灰色***理论，构建采空区自燃危险的5个评价等级的白化权函数。

评估指标U_ij有n个专家给出评分，d_ijt表示第t个专家对指标U_ij给出的评分，将其代入白化权函数，f_k(d_ijt)表示第k类灰色中第t个专家对指标U_ij的函数值，再进行求和得到U_ij的第k个灰色评价系数X_ijk，进而得到各指标总灰色评价系数X_ij。

X_ijk与X_ij两者作比值得到指标U_ij属于第k个灰色评价权向量η_ijk，进而得到二级指标U_ij的灰色评价权向量η_ij，结合前文中改进的AHP法和熵值法得出的综合权重W_ij，求出各指标的灰色权评判矩阵R，并以此计算一级指标U_i的评价矩阵。

η_ij＝(η_ij1，η_ij2…η_ijn)

步骤11：根据组合赋权原理，确定各指标权重，基于改进AHP-熵组合权-灰色理论法构建评判矩阵R，可得到采空区自燃危险评价结果。

L＝Q·R·M

式中：L为评价结果；Q为主观权重与客观权重相耦合的综合权重向量；R为评判矩阵，M为评语矩阵。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种采空区自燃危险性预测方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1：确定评价指标并确定评价指标权重：将测试点自燃危险单项指标煤的吸氧量、CO温升增长率、煤样燃点温差、漏风量、煤层厚度、煤层倾角、漏风时长、漏风强度、遗煤厚度、围岩温度、煤层埋藏深度作为评价指标，利用改进AHP-熵组合权-灰色理论法对采空区自燃危险各指标权重进行确定；

步骤2：建立采空区自燃危险评价的递阶层析模型：分析采空区自燃危险评价***中各基本要素的联系与影响，将各指标划为指标层、准则层、目标层三级递阶层次结构；按照两两比较标度法对每层指标因素相对上一层某一准则的重要性进行比较，构造判断矩阵A＝(a_ij)_n×n：

其中a_ij表示指标i对指标j重要性之比；

利用改进AHP赋权法对指标权重进行确定，对矩阵每一行元素乘积求n次方根，用几何平均法求权重公式；

β＝{β₁，β₂…β_n}^T

其中：n为指标数量；

表示矩阵每一行元素的乘积；β_i表示第i个指标权重；β为指标权重向量；

进行归一化处理

w_A＝{w_A1，w_A2…w_An}^T为所求正规化特征向量的近似值，其中w_Ai为第i个指标因素所对应的权重，即主观权重，且

步骤3：对判断矩阵的一致性检验；

步骤4：构造决策矩阵B₀：按照定性与定量结合的原则对自燃危险等级评价的m个样本，n个自燃危险等级评价指标的原始数据矩阵B＝(b_ij)_m×n进行无量纲、标准化处理构造决策矩阵B₀＝(r_ij)_m×n：

式中，b_ij为初始值；r_ij为标准化指标；b_jmax，b_jmin分别表示指标j下不同样本的指标值中的最大值和最小值；

步骤5：确定评价指标熵值：为了避免指标特征比重值为零，确保评价指标熵具有数学意义，并将r_ij·lnr_ij对指标熵的影响控制在合理范围内，进而确定评价指标熵值：

式中：x_ij为修正的评价指标；ψ为修正系数；e_j为第j个指标熵值；m为样本个数；

步骤6：计算第j项指标的信息权重：

w_E＝(w_E1，w_E2…w_En)

式中：w_Ej为熵值法中的第j项指标所对应的权重，即客观权重，且

步骤7：得到综合权重向量：将各指标因素的主观权重与客观权重相耦合，即：

Q＝(q₁，q₂…q_n)

式中：q_i为第i个指标因素的耦合权重；Q为综合权重向量；

步骤8：建立综合评价指标体系：结合德尔菲法对各指标进行筛选，构建了3级层阶结构综合评价指标体系；

步骤9：建立评语矩阵M；

步骤10：根据组合赋权原理、确定各指标权重、基于改进AHP-熵组合权-灰色理论法构建评判矩阵R；

步骤11：根据综合权重向量Q、评判矩阵R和评语矩阵M，可得到采空区自燃危险评价结果，即：

L＝Q·R·M

式中：L为评价结果；Q为主观权重与客观权重相耦合的综合权重向量；R为评判矩阵，M为评语矩阵。

2.根据权利要求1所述的采空区自燃危险性预测方法，其特征在于：

在步骤3中，对判断矩阵进行一致性检验，以确定各层次权重分配是否合理；

式中，λ_max为判断矩阵的最大特征值；CI为一致性指标；IR为随机一致性指标；CR为一致性比例。

3.根据权利要求2所述的采空区自燃危险性预测方法，其特征在于：

对CR检验：当CR＜0.1时，所构建判断矩阵满足了一致性要求，否则需要对其进行修正。

4.根据权利要求1所述的采空区自燃危险性预测方法，其特征在于：

在步骤9中，对采空区自燃危险等级进行建立，根据煤矿安全生产特点，将采空区自燃危险分为多级评语矩阵M。

5.根据权利要求4所述的采空区自燃危险性预测方法，其特征在于：采空区自燃危险分为多级等差数列评语矩阵M。

6.根据权利要求4所述的采空区自燃危险性预测方法，其特征在于：采空区自燃危险分为5个等级的评语矩阵M。

7.根据权利要求4所述的采空区自燃危险性预测方法，其特征在于：

在步骤10中，依据灰色***理论，构建采空区自燃危险的多个评价等级的白化权函数；

评估指标U_ij有多个评分，d_ijt表示第t个对指标U_ij给出的评分，将其代入白化权函数，f_k(d_ijt)表示第k类灰色中第t个专家对指标U_ij的函数值，再进行求和得到U_ij的第k个灰色评价系数X_ijk，进而得到各指标总灰色评价系数X_ij，即：

X_ijk与X_ij两者作比值得到指标U_ij属于第k个灰色评价权向量η_ijk，进而得到二级指标U_ij的灰色评价权向量η_ij，结合改进的AHP法和熵值法得出的综合权重w_ij，求出各指标的灰色权评判矩阵R，并以此计算一级指标U_i的评价矩阵，即：

η_ij＝(η_ij1，η_ij2…η_ijn)

以获得评判矩阵R。

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