張 菊

(四川工業(yè)科技學(xué)院，四川 德陽 618000)

隨著露天開采技術(shù)和設(shè)備的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)能夠進(jìn)行開采的各種露天礦山數(shù)量也持續(xù)上升[1]，各種建立完畢或者正在建立的大型礦山不斷涌現(xiàn)，尤其是在我國(guó)的山西以及新疆等地。由于大部分煤田中的煤層隱藏比較淺，容易引發(fā)煤層自燃，而且在露天煤田建設(shè)完成初期，周邊各種小窯的過量開采以及遺棄礦區(qū)未遮蓋等引發(fā)煤層自燃，會(huì)對(duì)很多露天煤礦的正常生產(chǎn)造成很大的威脅，尤其是后者會(huì)導(dǎo)致火區(qū)向煤層隱蔽的地方蔓延，增加治理難度。為了解決上述問題，相關(guān)專家重點(diǎn)針對(duì)煤田火區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了大量的研究[2-3]，例如，文獻(xiàn)[4]提出了基于FOWA—模糊綜合評(píng)價(jià)的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，結(jié)合各個(gè)類型的危險(xiǎn)源構(gòu)建15個(gè)指標(biāo)，由此組建評(píng)價(jià)體系，進(jìn)而提出一種全新評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[5]提出了基于SEM的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，通過系統(tǒng)工程原理構(gòu)建危險(xiǎn)性影響因素的模型，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)。在上述評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)法，提出一種基于模糊數(shù)學(xué)法的煤田火區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法不僅能夠有效增加評(píng)價(jià)結(jié)果的精度和可信度，同時(shí)還能夠以較快的速度完成評(píng)價(jià)。

1 方法的提出

1.1 煤田火區(qū)危險(xiǎn)性分析

煤田火災(zāi)不同于一般的火災(zāi)，發(fā)生在煤礦儲(chǔ)藏區(qū)域，通常發(fā)生原因有2種:①煤礦開采時(shí)由于人為操作不當(dāng),導(dǎo)致出現(xiàn)礦內(nèi)火災(zāi);②自然環(huán)境影響導(dǎo)致地表燃煤或淺層燃煤。煤田火災(zāi)發(fā)生示意如圖1所示。

圖1 煤田火災(zāi)發(fā)生示意Fig.1 Occurrence map of coalfield fire

煤炭的自燃是有一個(gè)發(fā)生過程的，主要過程如圖2所示。

圖2 煤炭自燃發(fā)生過程Fig.2 Occurrence process of coal spontaneous combustion

預(yù)先危險(xiǎn)性分析是初步地分析煤田中的危險(xiǎn)物或裝置可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)狀況，主要目的是確定物質(zhì)和裝置中潛在的各類危險(xiǎn)因素，同時(shí)判定危險(xiǎn)類別和可能發(fā)生的后果，制定對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施，有效防止意外事故的發(fā)生。

采用預(yù)先危險(xiǎn)性分析時(shí)，對(duì)于危險(xiǎn)等級(jí)的劃分，需要采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家相關(guān)部門針對(duì)各種有效有害因素確定了4個(gè)不同的等級(jí)。①Ⅰ級(jí)：比較安全，在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生事故，能夠忽略。②Ⅱ級(jí)：處于危險(xiǎn)發(fā)生的邊緣，隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)人員和財(cái)產(chǎn)損失，需要及時(shí)進(jìn)行排除，同時(shí)制定相關(guān)的防護(hù)措施。③Ⅲ級(jí)：比較危險(xiǎn)，會(huì)導(dǎo)致人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失，需要各個(gè)部門的相關(guān)人員及時(shí)制定防護(hù)措施，有效控制危險(xiǎn)進(jìn)一步蔓延。④Ⅳ級(jí)：破壞性的，會(huì)導(dǎo)致災(zāi)害性事故發(fā)生，同時(shí)財(cái)產(chǎn)以及人員傷亡比較慘重，需要相關(guān)人員立即將危險(xiǎn)消除。

應(yīng)全面了解不同評(píng)價(jià)單元，結(jié)合專家意見給出各個(gè)危險(xiǎn)因素的危險(xiǎn)等級(jí)，通過危險(xiǎn)級(jí)別制定對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施，將煤田火區(qū)危險(xiǎn)性下降至最低。

事故樹分析(FTA)是一種對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行安全性和可靠性的評(píng)價(jià)方法[6-7]，具體的操作步驟為：①對(duì)需要進(jìn)行評(píng)價(jià)的對(duì)象進(jìn)行分析和了解，確定系統(tǒng)的頂上事件。②由結(jié)果到原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，直至不能再分為止，確定導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的“基本事件”。③對(duì)基本事件和產(chǎn)生基本事件的直接原因進(jìn)行分析，結(jié)合分析結(jié)果進(jìn)行事故樹繪制。④當(dāng)實(shí)現(xiàn)事故樹的編制后，事故樹的約簡(jiǎn)需要通過布爾代數(shù)法則實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而獲取最小分割集。對(duì)最小分割集進(jìn)行較深層次的分析，同時(shí)求解各個(gè)事件對(duì)應(yīng)的影響力度。結(jié)合影響力度對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)的重要度系數(shù)進(jìn)行求解，同時(shí)將求解結(jié)果按照從小到大的順序進(jìn)行排列，獲取基本事件對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)性等級(jí)。⑤假設(shè)事故樹的割集比較多，求解過程比較復(fù)雜時(shí)，需要通過事故樹繪制和其對(duì)偶的成功樹進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到最小割集和徑集。

當(dāng)獲取煤田火區(qū)危險(xiǎn)事故樹之后[8-9]，需要結(jié)合相關(guān)理論對(duì)事故樹進(jìn)行定量和定性分析，進(jìn)行分析的主要目的是得到事故樹的主要特點(diǎn)和詳細(xì)的變化規(guī)律，同時(shí)制定防護(hù)措施，有效避免事故的發(fā)生。其中，定性和定量分析的內(nèi)容主要包括：①通過事故樹對(duì)各種基本事件進(jìn)行分析，進(jìn)而獲取最小或者是最小割集。②對(duì)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行分析和計(jì)算，獲取最小分割集對(duì)應(yīng)的求解結(jié)果。③按重要度進(jìn)行排序，分析主因，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行深入分析，制定有效的防范措施。分析煤田火區(qū)危險(xiǎn)性事故樹，通過布爾代數(shù)法則化解事故樹，求解最小分割集。構(gòu)建事故樹的函數(shù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而獲取分割樹中包含的54個(gè)最小割集，求解重要度并排序。

1.2 基于模糊數(shù)學(xué)法的煤田火區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)

為了實(shí)現(xiàn)煤田火區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)，需要借助模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行分析研究。優(yōu)先給出模糊集理論的基礎(chǔ)概念——論域，其中涉及的全體對(duì)象被稱為論域。

當(dāng)算法在實(shí)際應(yīng)用的過程中，模糊現(xiàn)象不一定會(huì)致使模糊決策。為了更好地實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)，需要組建模糊子集和普通子集間的溝通橋梁。其中，兩個(gè)子集之間的關(guān)系也是通過模糊集的分解定論獲取。

模糊綜合評(píng)價(jià)方法[10-11]主要根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理，通過隸屬度固定模糊關(guān)系，同時(shí)借助模糊變換理論，獲取最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。操作流程如圖3所示。

圖3 模糊綜合評(píng)價(jià)流程圖Fig.3 Flow chart of fuzzy comprehensive evaluation

(1)確定因素集。分析研究問題的實(shí)際情況，得到能夠影響評(píng)價(jià)對(duì)象性能的全部影響因素[12-13]，結(jié)合這些因素構(gòu)成因素集：

U={u1,u2,…，um}

(1)

式中，U為因素集。

(2)確定評(píng)價(jià)集。由評(píng)價(jià)對(duì)象中大概率的評(píng)價(jià)結(jié)果溝通組成評(píng)價(jià)集，對(duì)應(yīng)的表達(dá)式為：

V={v1，v2，…，vn}

(2)

式中，V為評(píng)價(jià)集。

(3)構(gòu)建評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型判定模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果是否有效，同時(shí)利用因素集U即可求解出對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量，根據(jù)評(píng)價(jià)集V即可求解不同評(píng)價(jià)結(jié)果的隸屬度。設(shè)定W為權(quán)重向量，表示為W={w1，w2，…，wn}，則wi為第i個(gè)因素的權(quán)重。

通過權(quán)重wi組建U上的模糊集，則W還能夠表示為：

(3)

結(jié)合上述分析組建模糊矩陣[14]：

(4)

式中，R為由多個(gè)不同的隸屬度構(gòu)建的模糊矩陣，同時(shí)也能夠通過該矩陣描述2個(gè)子集間存在的模糊關(guān)系，所以也可以將其稱為模糊矩陣。

(4)模糊綜合評(píng)價(jià)[14]。通過步驟(3)建立評(píng)價(jià)模型后，對(duì)各個(gè)子集之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，同時(shí)構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣[15]，具體的表達(dá)形式為：

WR=Z={z1，z2，…，zn}

(5)

通過上述的模糊數(shù)學(xué)理論中的模糊綜合評(píng)價(jià)方法組建煤田火區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)體系[16]。由于煤田火區(qū)主要呈塊狀分布在煤田內(nèi)，具有燃燒面積大以及持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，結(jié)合上述的理論分析，構(gòu)建如圖4所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

圖4 煤田火區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)體系Fig.4 Comprehensive risk evaluation system of coalfield fire area

多個(gè)不同的分量共同組成了評(píng)價(jià)體系中的評(píng)價(jià)指標(biāo)[17]，變量的獲取是進(jìn)行煤田火區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)的基本，其中主要包含變化賦值和歸一化處理2個(gè)步驟。

各個(gè)類型的數(shù)據(jù)均需要進(jìn)行量化處理，主要是由定量數(shù)據(jù)和賦值兩者共同完成。在進(jìn)行煤田火區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)的初始階段，需要優(yōu)先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并歸一化處理[18]，然后統(tǒng)一放置到區(qū)間[0,1]。針對(duì)定量數(shù)據(jù)而言，如果數(shù)據(jù)全部控制在[0,1]，則可以直接通過原始數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)而分析；反之，則需要將煤田火區(qū)危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分，使最終獲取的評(píng)價(jià)值在區(qū)間[0,1][19]。

在上述分析的基礎(chǔ)上，將U設(shè)定為一級(jí)指標(biāo)因素集，分析各個(gè)因素集之間的關(guān)聯(lián)性，分別進(jìn)行一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)[20]。同時(shí)將影響煤田火區(qū)危險(xiǎn)進(jìn)行等級(jí)劃分，結(jié)合構(gòu)建的模糊綜合評(píng)價(jià)模型實(shí)現(xiàn)煤田火區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提基于模糊數(shù)學(xué)法的煤田火區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)方法的綜合有效性，實(shí)驗(yàn)選取L市的煤田作為研究對(duì)象，重點(diǎn)針對(duì)其煤田火區(qū)危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

(1)煤田火區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果分析。分別采用3種不同評(píng)價(jià)方法對(duì)煤田火區(qū)危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和表1所示。分析表1和圖5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所提方法能夠更加準(zhǔn)確評(píng)價(jià)煤田火區(qū)危險(xiǎn)性等級(jí)，進(jìn)而獲取更加精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)結(jié)果。另外2種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果則處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，需要進(jìn)一步對(duì)2個(gè)方法進(jìn)行完善。通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，全面驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性。

圖5 不同方法的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of evaluation results of different methods

表1 不同方法的煤田火區(qū)危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)價(jià)分析Tab.1 Evaluation and analysis of risk grade of coalfield fire area by different methods

(2)評(píng)價(jià)結(jié)果可信度。評(píng)價(jià)結(jié)果和評(píng)價(jià)結(jié)果可信度之間存在密切關(guān)聯(lián)，其中評(píng)價(jià)結(jié)果越準(zhǔn)確，則說明評(píng)價(jià)結(jié)果越可信，利用圖6給出3種不同方法的評(píng)價(jià)結(jié)果可信度對(duì)比結(jié)果。分析圖6中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，由于所提方法具有較高的評(píng)價(jià)精度，所以使整個(gè)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果可信度更好一些，同時(shí)所提方法還重點(diǎn)針對(duì)煤田火區(qū)危險(xiǎn)性的相關(guān)影響因素進(jìn)行分析，明確風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，整個(gè)操作過程全部都是由計(jì)算機(jī)完成的，具有較高的可信度。而另外2種方法在實(shí)際評(píng)價(jià)的過程中，全部分?jǐn)?shù)都是人為制定的，所以整體的可信度偏低一些。

圖6 不同方法的評(píng)價(jià)結(jié)果可信度對(duì)比結(jié)果Fig.6 Comparison results of reliability of evaluation results by different methods

(3)煤田火區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)耗時(shí)。實(shí)驗(yàn)選取L市中典型的5塊煤田作為測(cè)試對(duì)象，分別針對(duì)各個(gè)煤田火區(qū)的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中各個(gè)方法的評(píng)價(jià)耗時(shí)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同方法的評(píng)價(jià)耗時(shí)對(duì)比結(jié)果Fig.7 Evaluation time-consuming comparison results of different methods

分析圖7中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，由于不同測(cè)試區(qū)域的危險(xiǎn)性等級(jí)不同，導(dǎo)致各方法的評(píng)價(jià)耗時(shí)也存在明顯的差異。其中，所提方法的評(píng)價(jià)耗時(shí)在3種方法中為最低，基于FOWA—模糊綜合評(píng)價(jià)的方法的評(píng)價(jià)耗時(shí)次之；基于SEM方法的評(píng)價(jià)耗時(shí)最高。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分說明所提方法能夠以較快的速度完成煤田火區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)，整體性能明顯優(yōu)于另外2種評(píng)價(jià)方法。

3 結(jié)語

為了更好完成煤田火區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)，提出一種基于模糊數(shù)學(xué)法的煤田火區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠全面提升評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度，同時(shí)還能夠有效減少評(píng)價(jià)耗時(shí)。但是由于時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)有限，所提方法仍然存在大量的不足，后續(xù)將重點(diǎn)針對(duì)以下幾方面的內(nèi)容進(jìn)行研究和分析。

(1)雖然在構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)的過程中查閱了大量的相關(guān)文獻(xiàn)，但是整個(gè)體系的劃分還不夠精細(xì)，后續(xù)將加強(qiáng)該方面內(nèi)容的研究。

(2)目前獲取數(shù)據(jù)的渠道比較少，后續(xù)將擴(kuò)大試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集范圍，獲取更加有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(3)目前所提方法也沒有重點(diǎn)針對(duì)評(píng)價(jià)復(fù)雜度方面的內(nèi)容進(jìn)行研究，致使整個(gè)評(píng)價(jià)方法的操作過程過于繁瑣，后續(xù)將對(duì)其進(jìn)行改善。