模糊综合评价模型在冲击等级判定中的应用

杨　军，石海洋，娄浩朋，曹民远，杜世鹤，焦艳平，肖莉莉

(1.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；>3.神华新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830027)

采选技术

模糊综合评价模型在冲击等级判定中的应用

杨军1，2，石海洋1，2，娄浩朋1，2，曹民远3，杜世鹤1，2，焦艳平1，2，肖莉莉1，2

(1.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；>3.神华新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830027)

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B3+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。

关键词：模糊综合评价模型；隶属度函数；冲击等级；权重

冲击地压的发生主要是由于人类活动和地质构造等因素导致煤岩体内部应力过度集中，煤岩体内部能量突然瞬间向巷道内或回采工作面释放，造成巨大气浪、块体抛掷等破坏现象，常常造成巨大经济损失和人员伤亡。所以，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[1]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[2-4]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[5-6]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。

(1)

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。

表1　冲击地压的评价指标分级

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))。

(2)

图1　指标的等级隶属函数曲线

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。

(3)

式中，rin1为第i组指标中的第n个指标对于第Ⅰ级的隶属度，再对第二层指标Ri做模糊运算得到向量Bi(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))。

(4)

(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η为置信度，规定η>0.5，一般取η=0.6或0.7，则煤矿冲击危险等级k0的计算公式(式(6))。

(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+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53～110m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+500B1+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。

表2　+500水平回采工作面冲击地压自然因素评价指标测定值

表3　+500水平回采工作面冲击地压开采因素评价指标测定值

+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k0=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k0=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。

图2　第四测区波速分布/(m/ms)

从图2波速分布情况，波速值分布基本在2.9m/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+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。

参考文献

[1]毛德兵.冲击矿压发生危险性评价方法[J].煤矿开采，2000(4):52-53.

[2]葛志会，肖福坤，段立群.冲击矿压危险等级预测[J].煤炭技术，2010，29(11):100-102.

[3]张开智，夏均民.冲击危险性综合评价的变权识别模型[J].岩石力学与工程学报，2004，23(20):3480-3483.

[4]王 超.基于未确知测度理论的冲击地压危险性综合评价模型及应用研究[D].徐州：中国矿业大学，2011.

[5]王书文，毛德兵，杜涛涛，等.基于地震CT技术的冲击地压危险性评价模型[J].煤炭学报，2012，37(S1)：1-6.

[6]周强，杜涛涛，王书文.地震波CT技术在宽沟煤矿冲击地压防治中的应用[C]//煤炭开采新理论与新技术—中国煤炭学会开采专业委员会2012年学术年会论文集，2012.

[7]秦子晗，彭永伟.基于动态权重的区域冲击危险性评价方法研究[J].煤炭科学技术，2011，39(10):18-21.

[8]秦子晗，齐庆新.煤矿安全动态评价模型的研究[J].煤矿安全，2009(01):119-121.

[9]李春睿，齐庆新，秦子晗.煤矿工作面安全事故的模糊综合评价方法[J].煤矿开采，2009，14(3):13-15.

[10]秦子晗.煤矿安全动态评价模型的研究与应用[D].北京：煤炭科学研究总院开采设计分院，2009.

[11]李传贵.安全评价中的方法问题[J].劳动保护科学技术，1997(15):17-18.

[12]钱静，陈志云.关于危害因素辨识、危险评价及危险控制措施探讨[J].劳动保护科学技术，2001(2):25-26.

[13]毛德兵.冲击矿压发生危险性评价方法[J].煤矿开采，2000(12):52-53.

The application of fuzzy synthetic evaluation method on the grade of rock burst tendency

YANG Jun1，2，SHI Hai-yang1，2，LOU Hao-peng1，2，CAO Min-yuan3，DU Shi-he1，2，JIAO Yan-ping1，2，XIAO Li-li1，2

(1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；3.Shen-hua Xinjiang Energy Corporation Ltd.，Urumqi 830027，China)

Abstract:A fuzzy comprehensive evaluation model whose membership function is calculated by the normal membership function is established in this thesis according to inadequacy in the traditional safety evaluation and the fact that the state of the whole mining system is changed with the working face advance.The degree of rock-burst can be gained when the weight of the factors are divided into attributive weight and the rank weight followed by the fuzzy matrix operation.This fuzzy comprehensive evaluation model is successfully used in the +500B1+2and B3+6working face of WuDong coal with the result that the degree of the rock-burst isⅢ，which is also be verified by ultrasonic CT technology.This good proved method in practice provides a preference to the similar conditions.

Key words：fuzzy comprehensive evaluation model；membership function；the degree of rock-burst；weight value

收稿日期：2015-01-22

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目资助(编号：51304210)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目资助(编号：20120023120014)

作者简介：杨军(1979-)，男，回族，山东泰安人，讲师，博士，主要从事软岩支护、深部岩石力学等方面的教学和研究。E-mail:yjlr@163.com。

中图分类号：TD32

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)01-0083-04