基于matlab确定采煤工作面环境评价模型参数的权重

魏洪霞 高凌辉

摘 要：采煤工作面环境直接影响工作人员的身体健康，所以做好粉尘监测评价工作成为重中之重，有效的评价可以体现采煤工作面环境治理的效果，只有做好有效的监测及评价工作才能更好地防尘降尘以及做好其他的环境优化，本文采用层次分析法，利用matlab确定采煤工作面环境评价模型的评价因素的权重，为后续利用模型对采煤工作面环境进行综合的安全评价做准备。

关键词：采煤工作面；环境评价；权重

1 模型介绍

采煤工作面粉尘环境评价数学模型从自然因素，开采条件，体感因素三个方面来评价粉尘环境，自然条件分为：煤种，原煤含水率，原煤含矸率，顶板淋水量；开采条件分为：一次采全高（放顶煤开采），煤机喷雾流量，支架喷雾流量，煤层注水量；体感因素分为：煤尘浓度，空气湿度，空气温度，风速，风压。

模型将每个因素分为三个等级进行评价，模型从左向右等级由高变低，D1/100时等级最高。现等级界限值为专家小组经验值及查阅相关文献所定的初步值，不一定准确，后续将加以论证，本论文不做论证。

此模型的创新点是：体感因素所占权重最大。由于自然条件是不可控因素，所以占比最小，开采条件对粉尘环境有一定影响，占比稍高于自然条件，体感因素是可以通过相应措施来优化提升的，所以最能体现一个矿井的防尘措施的优劣，因此，体感因素占有大部分比重。

模型如下：

说明：

（1）环境评价值P=N×D+M×D+S×D

（2）环境最优值PMIN=N×D1+M×D1+S×D1=100

（3）环境最差值PMAX=N×D3+M×D3+S×D3=60

（4）如1102工作面的参数为：煤种为气肥煤、原煤含水率>20%、原煤含矸率>20%、顶板淋水量<1m3/h、煤层厚度3米一次采全高、煤机喷雾流量8m3/h、支架间无喷雾、未进行煤层注水、煤尘浓度平均280mg/m3、空气湿度50%、空气温度30℃、风速3m/s、风压101KPa。

则1102工作面P1102=N1×D2+N2×D3+N3×D3+N4×D3

+M1×D2+M2×D2+M3×D3+M4×D3

+S1×D2+S2×D1+S3×D2+S4×D1+S5×D1

（5）分级思路

①环境最优值为100，即矿井自然因素条件都是最优的，开采条件也是最优的，体感因素也都是最优的，自然因素、开采条件、体感因素均在D1水平。

②体感因素均在D1水平，开采条件中M3、M4、M5也均在D1水平。其它均为D3水平时（即人为可控制因素情况较好，矿井自身因素较差） 是环境综合管理最优的，按照此计算的P值为优秀的与良好的界限。

③体感因素在D3水平，其他均在D1水平（即体感因素情况较差，自身条件及防尘措施较好），按照此计算的P值为良好和中等的界限。

④体感因素在D3水平，开采条件中M3、M4、M5在D3水平，其他均在D1水平（即体感因素情况及防尘措施较差，自身条件较好）是环境综合管理是最差的，按照此计算的P值为中等和差的界限。

⑤环境最差值为60，即即矿井自然因素条件都是最差的，开采条件也是最差的，体感因素也都是最差的，自然因素、开采条件、体感因素均在D3水平。

2 模型评价参数权重的确定方法

本论文采用层次分析法验证采煤工作面粉尘环境评价模型的各层次的权系数。先采取专家意见法初步给出权系数，再采用层次分析法確定权系数，然后利用确定的模型对采煤工作面粉尘环境进行综合的安全评价。

层次分析法，简称AHP，是指将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。该方法是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于20世纪70年代初，在为美国国防部研究"根据各个工业部门对国家福利的贡献大小而进行电力分配"课题时，应用网络系统理论和多目标综合评价方法，提出的一种层次权重决策分析方法[3]。

层次分析法是将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则直至具体的备投方案的顺序分解为不同的层次结构，然后用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重，最后再加权和的方法递阶归并各备择方案对总目标的最终权重，此最终权重最大者即为最优方案。层次分析法力图模拟人在决策思维过程中的三个基本特征（即分解、判断和综合）对复杂的问题进行分层次的、拟定量的、规范化的处理，同时还在整个处理过程加入统计检验。

层次分析法的基本思想是：根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相互关联影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型，从而最终使问题归结为最低层（供决策的方案、措施等）相对于最高层（总目标）的相对重要权值的确定或相对优劣次序的排定。由此可见，层次分析法主要包括两方面内容，一是建立层次模型；二是确定各元素在单一准则下的相对权重及对目标层的合成权重[4]。

3 模型评价参数权重的计算

3.1 第一级因素权重的计算

第一级评价因素包括：自然条件（N），开采条件（M），体感因素（S）。按照层次分析法构造了子体系重要性判断矩阵。

应用MATLAB软件，计算N，M，S所构成的矩阵，得出特征向量和最大特征值λmax=3.0055 。

将求得的最大特征值 λmax和该矩阵的阶数n（这里n=3）代入公式中，求出一致性指标 ，由n=3可得到比例系数R.I=1.12 ，再将C·I 和R·I 的值代式（2.3），求得随机一致性比值C·R=0.00529<0.1 。

按一致性判断标准，该矩阵具有满意的一致性，确定的各因素的权重是合理的。

3.2 第二级因素权重的计算

①自然条件（N）的子因素权重的计算

自然条件（N）包括：煤种（N1），原煤含水率（N2），原煤含矸率（N3），顶板淋水量（N4）。

应用MATLAB软件，计算N1-N4所构成的矩阵，得出特征向量和最大特征值λmax=4.0407 。

讲求得的最大特征值λmax 和该矩阵的阶数n（这里n=5）代入公式中，求出一致性指标C·I=0.01357 ，由n=4查表2.2，可得到比例系数R·I=0.89 ，再将C·I 和R·I 的值代入式（2.3），求得随机一致性比值C·R=0.01524<0.1 。

按一致性判断标准，该矩阵具有满意的一致性，确定的各因素的權重是合理的。

②开采条件（M）的子因素权重的计算

开采条件（M）包括：一次采全高（放顶煤开采）（M1），煤机喷雾流量（M2），支架喷雾流量（M3），煤层注水量（M4）。

应用MATLAB软件，计算N1-N4所构成的矩阵，得出特征向量和最大特征值λmax=4.0606 。

将求得的最大特征值λmax 和该矩阵的阶数n（这里n=4）代入公式中，求出一致性指标C·I=0.0202 ，由n=4查表2.2，可得到比例系数R·I=0.89 ，再将C·I 和R·I 的值代入式（2.3），求得随机一致性比值C·R=0.02270<0.1 。

按一致性判断标准，该矩阵具有满意的一致性，确定的各因素的权重是合理的。

③体感因素（S）的子因素权重的计算

体感因素（S）包括：煤尘浓度（S1），空气湿度（S2），空气温度（S3），风速（S4），风压（S5）。

应用MATLAB软件，计算S1-S5所构成的矩阵，得出特征向量和最大特征值λmax=5.0198 。

讲求得的最大特征值λmax 和该矩阵的阶数n（这里n=5）代入公式中，求出一致性指标C·I=0.00495 ，由n=3查表2.2，可得到比例系数R·I=1.12，再将C·I 和R·I 的值代入式（2.3），求得随机一致性比值C·R=0.00442<0.1 。

按一致性判断标准，该矩阵具有满意的一致性，确定的各因素的权重是合理的。

4 结论

一级评价因素权重计算结果：自然条件（N）：0.13，开采条件（M）：0.27，

体感因素（S）：0.60。

参考文献：

[1]周贵全.浅谈煤矿矿尘防治工作的现状及对策[J].陕西煤炭，2011，30（05）：26-27+52.

[2]林子钰，张禹，蒋仲安.矿井综合防尘定量评价系统的设计研究[J].矿业安全与环保，2006（04）：35-36+39.

*基金项目：中央高校基本科研业务费资助项目（3142018039；3142018033）