关于模糊综合评价模型在冲击等级判定中应用的研究

 

    对回采区域进行冲击危险性等级评价进而采取相对应的措施，无疑可以降低风险，进而可以降低冲击地压发生风险。目前学者对采区冲击危险性判段做了很多研究，毛德兵对目前评价冲击危险性的几种方法及其适用范围、评价冲击危险指标进行较为系统的论述；葛志会等采用模糊数学方法，针对影响冲击地压发生的各个影响因素，选取不同的隶属度函数形式，建立冲击危险性评判模型，预测冲击危险等级；此外，王书文等采用地震波CT技术通过波速与应力关系得知测区内应力集中程度分布情况，进而推断区域内围岩冲击危险性。

  但是围岩体冲击危险性等级不仅与煤层自然赋存条件相关，而且会随着人类开采活动动态变化，因为开采活动会导致采区内环境的变化，而目前煤层冲击倾向性等判断方法往往只是静态判断。本文试图通过考虑开采因素等动态指标建立冲击危险等级评价模型，使其能够适应不断开采活动导致的环境变化，进而指导安全生产活动。

1模糊综合评价模型的建立

1.1动态权重模型的建立

  煤矿安全生产是个系统复杂的工程，诸多安全影响因素会随着回采工作的进行而变化，只采用特定不变的指标权重去约束随时变化的因素显然不符合工程安全评价需要。对此建立一种动态权重评价模型，可以对回采工作面进行客观的综合安全评价。指标的权重大小会随着其表现出来的危险程度增加而增大，这样可以避免被其他安全指标中和。

  本文采用层次分析法将影响煤矿安全的指标分为属性权重ω和等级权重ω，其中属性权重表示评价指标的不同属性对煤矿冲击危险影响程度，而等级权重表示各区域评价指标值所属不同安全等级对煤矿安全影响程度的等级，再利用最小信息熵原理把属性权重和等级权重综合为组合权重ωi，i=1，2，…n，进而建立动态权重模型(式(1))。

式中：ωi，ωi分别为第i个指标的属性权重和等级权重；咒为指标个数。ω是属于静态权重，而ω具有动态性特征。因此，综合权重值不仅借鉴了工程经验，而且又与工程实际相结合，能够很好的反映煤矿安全等级随着回采工作进行而变化的特点。

1.2隶属函数模型的建立

  根据煤矿冲击地压特点，以及相关法律法规、标准规范和相关规程等，将煤矿冲击危险性分为四个等级，即I级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，分别表示安全、较安全、较危险、危险四种情况。

  根据上述四个冲击危险等级，对评价指标进行隶属度计算，将冲击危险性的评价指标进行分级具体化，制成以下单因素指标，见表1。

  确定分级标准后，根据每个评价指标的特点分别选用最适合的评价措施，来确定这些评价指标对不同等级的隶属度，进而构成模糊综合评价隶属度函数。本文隶属函数选取正态隶属函数(式(2))。

p为冲击危险等级数。

  结构图如图1所示，一般第1个级别划分的端点为x≤bo，第Ⅳ级别的端点通常为z≥b3，这两个首尾区间采用宽域方式。其中第I级别实际区

μ1。对于第Ⅱ级区间[bo，b1]，利用已知μ(bo)一0.5，μ（a1）=1确定μ(x)的具体表达形式μ1。

  下面分析第Ⅳ级别区间，端点值为x≥b。，取点a4=b3 +0.5b3为区间的中点，当z>a4时，令μ4 =1，在[b3，a4]段内，利用μ(b3)=0.5，μ(a4)=1，确定μ(x)中的系数，即可得到μ4，其余第Ⅱ级、Ⅲ级区间内，隶属函数均采用窄域函数方式。

1.3计算模型与结果分析

  计算模型采用加权和模型，该模型不仅可以综合考虑所有因素的影响，还保留了单因素的评判信息，设单因素模糊评判矩阵为R，第二层指标的单因素模糊评判矩阵如式(3)所示。

式中，rm1为第i组指标中的第n个指标对于第1级的隶属度，再对第二层指标Ri做模糊运算得到向量B：(式(4》。对矩阵R再进行模糊运算，即可得到第一层指标对评价集的隶属向量B(式(5))。

  由于评价集是有序分割类，最大关联度原则显然不是最适用，对此采用“置信度”识别准则。设叩为置信度，规定7>0.5，一般取7=0.6或0.7，则煤矿冲击危险等级ko的计算公式(式(6))。

式中，p为冲击危险等级数。

2实例分析

2.1工程概况

  乌东煤矿南采区处于乌鲁木齐东北部，地面标高十850m，煤层倾角87～89。，呈近直立状态，现主采煤层为+500m水平B1+2和B3+6两层煤，其中B1+2煤层平均厚度为37m，B3+6煤层平均厚度为49m，两层煤被厚度在53～llOm且由东向西逐渐变薄的岩墙隔开，煤层顶底板以粉砂岩为主，采用垂直分段放顶采煤方法进行回采，一次采高3m，放顶厚度22m。

2.2  冲击危险等级计算

  自然因素和开采因素是影响煤矿冲击危险性的两个重要方面，首先根据表1评价指标分级标准情况，结合+ 50081+2和B3+6回采工作面冲击地压自然因素和开采因素评价指标测定值，如表2和表3所示，由式(2)即可得到自然因素和开采因素指标隶属度。

  +500水平回采工作面自然因素和开采因素评价指标属性权重和等级权重计算值为

由式(1)，得知各评价指标综合权重为

由公式Bi=ωi·Ri计算，可求得回采工作面自然素对冲击地压危险评判的最终模糊评判集为B1=[0.194,0.634,0.003,0.181]。

  按照“置信度”识别原则进行分析所得结果，设置信度λ=0．6，由式(6)计算得ko=2，由此求得，回采工作面自然因素的冲击危险等级为二级，为弱冲击危险等级。

  同理可求得回采工作面自然素对冲击地压危险评判的最终模糊评判集为B2=[0. 214，0．225，0. 255，0．306]。

  计算得ko=3，得知回采工作面开采因素的冲击危险等级为三级，为中等冲击危险等级。

  将自然因素和开采因素的评价结果综合考虑，最终取最危险评价结果，综上所述，确定+ 500水平回采区域为中等冲击危险等级。

2.3地震波CT技术探测结果对比分析

  乌东南采区同时采用了地震波CT技术对+500水平B1+2和B3+6两煤层进行了冲击危险性评价，此次探测共分为四个测区，分别为第一测区，B3+6工作面1494～1710m范围；第二测区，B3+6工作面1295～1490m范围；第三测区，B3+6工作面1300～1490m范围；第四测区，B1+2工作面1755～1957m范围，限于篇幅，下面仅取B1+2煤层第四测区波速分布图进行分析，见图2。

  从图2波速分布情况，波速值分布基本在2.9 m／ms以下，但东西两侧波速分布极不均匀，根据波速与应力的关系，东、西两侧均出现了不同程度的应力集中，应力集中区主要分布在以下方面。

  1)应力集中区域I(1927～1960m)，工作面冲击危险性为弱冲击危险。

  2)应力集中区域II(1760～1850m)，工作面冲击危险性为中等冲击危险。

  结合其他三个测区结果，并且综合考虑下一阶段+475水平掘进巷道导致的采掘相向、采区内强烈的水平构造应力、采空区高达330m的回填黄土以及中间近直立高岩墙撬动作用等自然因素和开采因素的影响，确定+500B1+2和B3+6工作面冲击危险性均为三级，即中等冲击危险等级。

3结  论

  1)采用模糊综合评判法可以很好的考虑动态变化指标对煤矿冲击危险性影响程度，避免通常一年仅一次的安全评价无法准确指导生产的弊端，同时本文隶属度函数模型的建立也克服了某些危险值高的指标被中和的现象以及人为主观因素导致的误差。

2)通过采用模糊综合评价模型对乌东煤矿南采区十500水平回采工作面进行冲击危险评价，得出该区域冲击危险等级为三级，即中等危险等级，同时采用地震波CT技术结合开采范围内工程地质条件等因素综合分析验证，结果表明模糊综合评价方法可以很好的评价煤矿冲击危险性等级，为类似条件下冲击危险性评价具有一定的借鉴意义。

4摘要：针对当前传统安全评价方法存在的问题，结合煤矿冲击特性随着生产的动态变化特点，建立模糊综合评价模型，利用正态隶属度函数进行指标的隶属度计算，将冲击特性指标体系分为属性权重和等级权重，利用最小信息熵原理把二者综合为组合权重，并评价指标矩阵模糊运算，得到煤矿冲击危险等级。结合乌东煤矿南采区+500B1+2和3+6工作面现场地质条件和开采现状，采用该评价模型分析得出该区域回采工作面冲击危险等级为三级，即中等冲击危险等级，并采用地震波CT技术进行对比分析，结果表明该模型在实践中得到较好的验证，为类似条件下冲击危险等级判定提供了参考。