礦井熱害的模糊變權(quán)綜合評價模型研究

礦井熱害的模糊變權(quán)綜合評價模型研究

隨著井深的增加，土壤溫度持續(xù)增加，高溫?zé)岷當(dāng)?shù)量逐年增加，井內(nèi)熱害日益嚴(yán)重。這將直接影響礦工的身心健康和勞動生產(chǎn)率的提高。生產(chǎn)實踐表明:熱害防治已成為礦山安全中亟待解決的重大課題之一。該研究采用數(shù)學(xué)理論模型對高溫礦井不同采掘工作面的熱害現(xiàn)狀進行評價,為查明地溫條件、礦井降溫設(shè)計、確定熱害防治提供科學(xué)系統(tǒng)的現(xiàn)場依據(jù)。人體的熱舒適度是人體舒適感覺中的重要組成部分,也是評價礦井熱害程度的重要指標(biāo)。影響人體熱舒適度的因素很多,通常把空氣干球溫度ta、空氣濕球溫度tw、熱源輻射溫度tg、空氣相對濕度H、風(fēng)速v作為影響人體熱舒適度的主要因素,把黑濕球溫度tb作為衡量熱舒適度的綜合指標(biāo)。1模糊綜合評價的基本理論1.1模糊系統(tǒng)的確定模糊數(shù)學(xué)是用數(shù)學(xué)方法研究和處理具有模糊性現(xiàn)象的科學(xué),所謂模糊性是指客觀事物差異中間過渡的不分明性。井下空氣氣象參數(shù)的取值過程就存在這種模糊性。而模糊綜合評判是對受多種因素影響的事物作出全面評價的一種多因素決策方法。設(shè)X={x1,x2,…,xm}為m種影響因素(或指標(biāo)),X為影響礦井熱害程度各因素集。Y={y1,y2,…,yn}為n種備擇方案(評價),Y為由各類影響參數(shù)的取值范圍構(gòu)成的備擇集。根據(jù)模糊映射與模糊變換理論,需要建立一個從X到Y(jié)的模糊變換T。如果對每一個因素xi單獨作一個評判f(xi),這可以看作是X到Y(jié)的模糊映射f,即f∶X→F(Y)(1)xi|→f(xi)=(ri1?ri2???rin)∈F(Y)(i=1?2???m)(2)f∶X→F(Y)(1)xi|→f(xi)=(ri1?ri2???rin)∈F(Y)(i=1?2???m)(2)式中:f(xi)為關(guān)于因素xi的備擇模糊向量,rij為xi具有yj的備擇程度。由f可誘導(dǎo)出一個X到Y(jié)的模糊線性變換Tf,就可以把Tf看作為由權(quán)重A得到的綜合評判B的數(shù)學(xué)模糊。1.2模糊綜合編碼結(jié)構(gòu)根據(jù)模糊理論,模糊綜合評判的關(guān)鍵是建立模糊矩陣R(單因素評判矩陣),它可由模糊映射f誘導(dǎo)出的模糊關(guān)系確定:R=Rf=(rij)m×n=[r11r12?r1nr21r22?r2n???rm1rm2?rmn](3)R=Rf=(rij)m×n=??????r11r21?rm1r12r22?rm2???r1nr2n?rmn??????(3)因素集X上的模糊權(quán)重向量A=(a1,a2,…,am),通過R變換為備擇集Y上的模糊集為B=A⊙R=(b1?b2???bn)=(a1?a2???am)[r11r12?r1nr21r22?r2n???rm1rm2?rmn](4)B=A⊙R=(b1?b2???bn)=(a1?a2???am)??????r11r21?rm1r12r22?rm2???r1nr2n?rmn??????(4)其中,“⊙”表示合成運算。模糊評判的合成運算采用M(·,⊕),即實數(shù)的加乘運算,對所有元素依據(jù)權(quán)重大小均衡兼顧。2模糊灰色關(guān)聯(lián)度由于經(jīng)典灰色關(guān)聯(lián)分析中存在由于比較序列曲線間空間位置不同而引起的關(guān)聯(lián)誤差、分辨系數(shù)取定值不合理、取平均值求關(guān)聯(lián)度影響評價準(zhǔn)確性等缺陷,該研究采用了線性變換及合理判定分辨系數(shù)的方法,確定了改進的關(guān)聯(lián)系數(shù)。并結(jié)合模糊系統(tǒng)中的貼近度原理,提出了一種改進的灰色關(guān)聯(lián)度求法。并將井下空氣各氣象參數(shù)(ta,tg,tw,H,v)對黑濕球溫度tb的關(guān)聯(lián)度歸一化后作為各參數(shù)的初始權(quán)重值。設(shè)U0={u0(t),t=1,2,…,s}為參考序列,Ui={ui(t),t=1,2,…,s}為比較序列,i=1,2,…,q。其中,s為序列中的因子數(shù),q為比較序列數(shù)。在對序列進行無量綱化處理、線性變換、計算差值絕對值的最值、確定分辨系數(shù)后,為著重體現(xiàn)關(guān)聯(lián)空間的整體性,特采用新的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ0i(t)計算公式:ξ0i(t)=δmaximaxt|u0(t)-ui(t)||u0(t)-ui(t)|+δmaximaxt|u0(t)-ui(t)|(5)ξ0i(t)=δmaximaxt|u0(t)?ui(t)||u0(t)?ui(t)|+δmaximaxt|u0(t)?ui(t)|(5)式中,δ為分辨系數(shù),其作用在于提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性,一般取0.1~0.5。該研究采用模糊數(shù)學(xué)中的廣義權(quán)距離來表示參考序列和比較序列的差異程度。定義不同因子在不同序列中的權(quán)向量:ωti=(ω1i?ω2i???ωsi)(t=1?2???s；i=1?2???q)(6)ωti=(ω1i?ω2i???ωsi)(t=1?2???s；i=1?2???q)(6)若U(0)0(0)0與U(1)i非完全相關(guān),則它們之間的差異度d0i可以表示為d0i=p√s∑t=1[ωti(1-ξ0i(t))]p(7)當(dāng)p=1時為海明距離,p=2時為歐氏距離,由此定義:r0i=1-d0i=1-p√s∑t=1[ωti(1-ξ0i(t))]p(8)r0i為U(0)0與U(1)i的模糊灰色關(guān)聯(lián)度。為了提高評定精度,采用歐氏距離進行計算。因為關(guān)聯(lián)差異度越小,兩觀測序列越接近,所以r0i越大,U(0)0與U(1)i的關(guān)聯(lián)相似程度越高。3根據(jù)對礦山洪水風(fēng)險的綜合評價模型的確定3.1引領(lǐng)風(fēng)險性參數(shù)確定模糊關(guān)系的關(guān)鍵是確定單因素隸屬度函數(shù),根據(jù)隸屬度函數(shù)建立的基本原則,該研究對指標(biāo)為連續(xù)型的單因素采用半梯形分布和三角形分布描述,其通用隸屬度函數(shù)K(z)為:1)偏小型。Κ(z)={1(z<a)b-zb-a(a≤z≤b)0(b<z)(9)影響礦井熱害程度中,ta,tg,tw,H屬于偏小型參數(shù)。a,b分別為各參數(shù)所有取值范圍的下限和上限。2)偏大型。Κ(z)={0(z<c)z-cd-c(c≤z≤d)0(d<z)(10)影響礦井熱害程度中,v屬于偏大型參數(shù)。同樣,c,d為v所有取值范圍的下限和上限。3.2改進的模糊灰色關(guān)聯(lián)決策模型在實際的井下采掘工作面現(xiàn)場,各因素的影響程度隨著該因素條件的劣化,通常隨之加大,即當(dāng)某一因素條件很差時,其影響的重要性程度增加,甚至可起到?jīng)Q定作用。各因素的權(quán)重隨著各指標(biāo)值的大小而變化,計算公式為ωbi=Wbi∑WbiWbi(ui)={r′0i+(1-1.5rij)/ji(rij<0.5)r′0i+(1-rij)2/ji(rij≥0.5)(11)式中,ωbi為歸一化的變權(quán)值;r′0i為模糊灰關(guān)聯(lián)度r0i歸一化后的數(shù)值,即為第i項影響因素靜態(tài)相對重要性程度的權(quán)重值,用改進的模糊灰色關(guān)聯(lián)決策模型確定;ji為第i項影響因素動態(tài)影響的重要性級別,ta,tg,tw,H,v的動態(tài)影響重要性級別分別為:3,2,2.5,1,1.5。4空氣氣象參數(shù)的測定兗礦集團東灘煤礦是機械化程度較高的年產(chǎn)量為800萬t/a的現(xiàn)代化特大型礦井?，F(xiàn)開采水平均在-660m以下,礦井熱害較嚴(yán)重。該研究結(jié)合2007年7—8月間對該礦進行的熱害調(diào)查,采用灰色模糊變權(quán)綜合評價模型對井下6個不同采掘工作地點的熱害程度進行了定量分析評價。針對東灘煤礦采掘工作面的實際情況,選取6個工作地點的熱環(huán)境空氣參數(shù)進行分析評定,測定地點1至測定地點6如下:西翼四采區(qū)擴大區(qū)軌道巷距4312工作面運輸巷50m處、北翼148-1號提斜上車場處、北翼14309工作面軌道巷至入口處向東50m、北翼14309工作面距軌道巷50m處、西翼4301工作面距軌道巷50m處、西翼4301工作面運輸巷測風(fēng)站處。空氣氣象參數(shù)的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)見表1。由表1中的數(shù)據(jù)可知:上述6個工作地點的干球溫度、濕球溫度和輻射溫度均高于《煤礦安全規(guī)程》第102條的采掘工作面空氣溫度不得超過26℃的規(guī)定,可見,上述6個工作地點均出現(xiàn)了不同程度的熱害問題,但各工作地點的熱害程度大小有待于進一步評價。4.1模糊關(guān)系結(jié)果根據(jù)模糊關(guān)系R的確定原則,由隸屬度函數(shù)計算得到井下6個工作地點的各空氣氣象參數(shù)的模糊關(guān)系如下:R=[10.5530.8090.2550.36200.7780.267100.7330.17810.5230.7950.1820.45500.5000.091100.2270.09100.5710.2860.8570.8571]4.2模糊灰色關(guān)聯(lián)度根據(jù)改進的模糊灰色關(guān)聯(lián)決策模型和灰色模糊變權(quán)綜合評價模型的計算原則和方法,經(jīng)計算得出ta,tg,tw,H,v的模糊灰色關(guān)聯(lián)度r0i歸一化后的數(shù)值r′0i(靜態(tài)相對重要性程度的權(quán)重值)和歸一化的變權(quán)值ωbi分別為r′0i=[0.23340.20190.21270.16620.1858]ωbi=[0.25600.19640.19450.15230.2008]4.3熱害級別與熱害度的關(guān)系B=Ab⊙R=(ωbi?ωb2???ωbm)⊙R=[0.17300.17300.17300.17230.17300.1357]式中,Ab為模糊度權(quán)向量。按照最大隸屬度原則,雖然各工作地點熱環(huán)境的空氣氣象參數(shù)數(shù)值的變化較大,但評價的結(jié)果是:第1,2,3,5這4個工作地點的熱害程度屬于同一級別,對照表1中的空氣氣象參數(shù)實測數(shù)據(jù),應(yīng)該說這4個工作地點出現(xiàn)了輕微的熱害問題;同理,第4個工作地點的熱害程度較前4個工作地點稍微嚴(yán)重;第6個工作地點的熱害程度最為嚴(yán)重。但若按照一般的模糊綜合評判法對上述6個采掘工作地點進行熱害評價,結(jié)果則是:所有的6個工作地點的熱害程度屬于同一級別。這顯然不符合實際,同時也不利于對不同熱害程度的工作地點采取不同的降溫措施。可見,灰色模糊變權(quán)綜合評價模型的評價結(jié)果是科學(xué)、合理的。所以,根據(jù)評價結(jié)果,對第1,2,3,5工作地點采取增加風(fēng)量的措施對其進行降溫即可,如選擇合理的礦井通風(fēng)方式、優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)、合理分配工作地點進風(fēng)線路的風(fēng)量等;對第4、6這2個工作地點除了采取上述措施外,還應(yīng)采取其他一些輔助措施進行降溫,如減少采空區(qū)漏風(fēng)、壓氣降溫、煤壁注水預(yù)冷煤層等。若溫度還不能降到《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定以下,就必須采取人工制冷、加強礦工個體防護等更加切實有效的措施進行降溫,從而確保采掘工作面礦工的身體健康和勞動生產(chǎn)率的提高。5因素優(yōu)越條件的模糊統(tǒng)計方法1)該研究把改進的模糊灰色關(guān)聯(lián)決策模型應(yīng)用于模糊初始權(quán)重計算,實現(xiàn)了模糊數(shù)