煤與瓦斯突出預(yù)測綜合指標(biāo)F臨界值研究
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作者：李斌
目前，近代數(shù)學(xué)方法在煤與瓦斯突出預(yù)測方面研究不斷深入，有郭德勇等進(jìn)行了煤與瓦斯突出預(yù)測可拓聚類方法研究；馮占文等應(yīng)用層次分析與模糊綜合評判法對煤與瓦斯突出危險性進(jìn)行預(yù)測；曲方等基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對煤與瓦斯突出預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)研究；李希建等運(yùn)用瓦斯峰谷比值法對炮掘工作面突出危險性進(jìn)行預(yù)測；湯國水等提出了含瓦斯煤體滲透率預(yù)測模型，但這些方法無法避免主觀因素的干擾。煤與瓦斯突出預(yù)測的相關(guān)參數(shù)具有灰色特征的因素，可以應(yīng)用灰色理念以及灰靶決策理論對其進(jìn)行預(yù)測分析。而在實際生產(chǎn)過程中，國內(nèi)有些煤礦出現(xiàn)了預(yù)測為不突出而實際上卻發(fā)生突出的現(xiàn)象，并試圖用降低預(yù)測指標(biāo)臨界值的方法提高預(yù)測的可靠性系數(shù)、增大安全系數(shù)。煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司通過試驗研究提出了煤與瓦斯突出預(yù)測綜合指標(biāo)F。
本文在文獻(xiàn)砑究的基礎(chǔ)上，將評價指標(biāo)視為“區(qū)間型”的變量，引入“獎優(yōu)罰劣”變換算子與改進(jìn)的熵值法指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用灰靶理論，建立改進(jìn)的多指標(biāo)加權(quán)灰靶決策模型，對煤與瓦斯突出綜合指標(biāo)F的臨界值進(jìn)行研究�？杀苊飧盍褬颖�、漏掉部分指標(biāo)值的缺點，又能快速、準(zhǔn)確地展開最優(yōu)范圍和最優(yōu)值搜索，為工作面瓦斯突出預(yù)報工作提供理論支持和預(yù)測依據(jù)。
1 “三率”與法瓦斯突出預(yù)測綜合指標(biāo)F 介紹
“三率”法（預(yù)測突出準(zhǔn)確率、預(yù)測不突出準(zhǔn)確率和預(yù)測突出率）為評價指標(biāo)，常用的三個單項指標(biāo)為△h2、q、S。采用“三率”法對煤與瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)效果評價過程中，其各指標(biāo)具有“區(qū)間型”屬性，即該方法認(rèn)為突出預(yù)測率不能毫無限制的提高，必須與實際生產(chǎn)過程中總結(jié)的實際突出概率想接近并在此水平下才能是越小越好，即突出預(yù)測率應(yīng)該在不低于[lO%，20%]的范圍內(nèi)越低越好，所以如果突出預(yù)測率能夠在此區(qū)間內(nèi)是最優(yōu)的；而突出預(yù)測準(zhǔn)確率雖然越大越好但是也存在一個區(qū)間，即要求突出預(yù)測準(zhǔn)確率不能低于60%應(yīng)該是在區(qū)間[ 600/0，100%]的范圍內(nèi)越大越好不能低于此區(qū)間；預(yù)測不突出準(zhǔn)確率越大越好，但也存在一個區(qū)間范圍，一般為了減少漏報要求預(yù)測不突出準(zhǔn)確率不應(yīng)當(dāng)?shù)陀?5%，即在區(qū)間[95%，100%]區(qū)間內(nèi)越大越好。
煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司通過實驗室分析結(jié)合現(xiàn)場測試和相關(guān)理論研究，結(jié)合“三率”法，首次提出了突出預(yù)測綜合指標(biāo)，該指標(biāo)也具有區(qū)間屬性，其表達(dá)式為：
式中：△h2為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)；q為鉆孔瓦斯涌出初速度。
該綜合指標(biāo)具有預(yù)測突出準(zhǔn)確率較高、預(yù)測突出率較小、防突措施工程量偏低、采掘工程進(jìn)度較快的優(yōu)點，克服了其他常用指標(biāo)的不足，并在現(xiàn)場實際應(yīng)用中取得了很好的效果。北票礦區(qū)普遍采用煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司提出的預(yù)測綜合指F法開展預(yù)測。
2 改進(jìn)的多指標(biāo)加權(quán)灰靶決策模型建立
2.1 效果樣本矩陣的建立
設(shè)多指標(biāo)決策問題有n個待評估對象或擬定的決策方案組成決策方案集A，A= {A1，A2，…，An}，m個評價指標(biāo)或?qū)傩越M成指標(biāo)集B= {B1，B2，…，Bm)，方案Ai對應(yīng)的效果樣本值為xij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)，則方案A的效果樣本矩陣為：
根據(jù)本文研究過程中的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，選取“三率”指標(biāo)即突出預(yù)測率、突出預(yù)測準(zhǔn)確率、不突出預(yù)測準(zhǔn)確率分別形成指標(biāo)集B1、B2、B3，3個評價指標(biāo)形成指標(biāo)集B= {B1，B2，B3}。取不同的F值形成決策方案集A，建立F取不同臨界值時的“三率”分布樣本效果矩陣，如表1所示。
2.2決策矩陣的建立
一般情況下評價指標(biāo)可分為：“效益型”、“成本型”和“區(qū)間型”3種。當(dāng)評價決策時，指標(biāo)集本身所具有的不同量綱屬性使得相互間難以進(jìn)行直接決策比較，因而在對評價指標(biāo)進(jìn)行評價決策前需對原始效果樣本矩陣進(jìn)行無量綱化處理。本文引入了“獎優(yōu)罰劣”的變換算子，當(dāng)評價指標(biāo)高于各指標(biāo)整體的平均值時，則就賦予0~1之間的值，反之，則賦予-1~0之間的值，該方法克服了常用的在[0，1]區(qū)間上的線性變換方法存在“只獎不罰”的不足現(xiàn)象。利用[ -1，1]區(qū)間上的線性變換算子對效果樣本矩陣X(t)=（Xij）進(jìn)行變換。
令
效益型指標(biāo)：
成本型指標(biāo)：
區(qū)間型指標(biāo)：
令I(lǐng)i為[a，b]為區(qū)間型指標(biāo)（包括固定型指標(biāo)，此時a=b），則
以上稱為[ -1，1]線性生成算子，得決策矩陣R，其中ri=(ri1，ri2,…，rim)為方案i的效果向量。
因為突出預(yù)測指標(biāo)的評價指標(biāo)“三率”具有區(qū)間型屬性，所以在F臨界值的研究過程中，必須考慮其屬性，并以此開展綜合決策與評價研究，以此確定其臨界值。
根據(jù)表1的樣本效果矩陣，并將其按式(6)成形成規(guī)范化決策矩陣，建立以F值不同為方案集的決策矩陣，如表2所示。
選取決策矩陣的多指標(biāo)灰靶決策的最優(yōu)效果向量。�。�
從表2可以得出，選取臨界值為最優(yōu)效果向量，即：r= (0.139863，1，1)。
2.3 改進(jìn)熵值法指標(biāo)權(quán)重的確定
熵值法是在客觀條件下，由評價指標(biāo)值構(gòu)成的判斷矩陣來確定指標(biāo)權(quán)重的一種方法，它能盡量消除各因素權(quán)重的主觀性，使評價結(jié)果更符合實際。同時，針對過去熵值處于某一區(qū)間時，其所傳遞的信息與熵權(quán)大小不一致的不足，對熵權(quán)的計算式進(jìn)行改進(jìn)，其計算步驟如下：
1)非負(fù)化處理，決策矩陣R按式(9)轉(zhuǎn)換成R’。
2)計算在指標(biāo)計算在指標(biāo)Bj條件下，方案Ai的特征比重Pij。
3)計算各指標(biāo)的熵值。
4)計算各指標(biāo)的熵權(quán)。
由式(12)計算得出各指標(biāo)最終的權(quán)重系數(shù)，當(dāng)ej→1時，指標(biāo)權(quán)重的計算值將由于特別微小的數(shù)值變化而引起熵權(quán)值成倍數(shù)的變化，因此，提出一種改進(jìn)的熵權(quán)法：
由表2的決策矩陣分別按式(9)、(10)、(11)計算得到熵值為：ei= (2. 548，2.532，2.771)，按式( 13)計算得到熵權(quán)為：ωj = (0. 346，0. 349 ,0. 305)。
2.4靶心距的計算
效果向量的靶心距為：
依據(jù)加權(quán)靶心距的計算方法，計算得出21個不同臨界值對應(yīng)的靶心距，如表3所示。
2.5綜合指標(biāo)F臨界值研究
由表3可以得出，依據(jù)靶心距越小決策方案與效果向量的距離越近的原則，對21種不同決策方案即不同臨界值所對應(yīng)的排序。靶心距由小到大排序，排第一的是F= 400，第二的是F=390，第三的是F =380，其他臨界值由于與效果向量的靶心距相對較遠(yuǎn)。
因此，最佳的臨界值為F= 400，此時的F取400時突出預(yù)測率、突出預(yù)測準(zhǔn)確率、不突出預(yù)測準(zhǔn)確率分別為：20. 86%、68. 97%、97. 27 010為最優(yōu)選擇方案；其次是F= 390，二者的靶心距相差很小。從純理論角度分析，可以選擇F= 400，從工程實踐的角度可以適當(dāng)?shù)慕档椭笜?biāo)的臨界值以保障安全，綜合指標(biāo)F的臨界值取390時，既能保證臨界值在最優(yōu)區(qū)間內(nèi)，又能保證具有較小的靶心距和區(qū)分度，同時也充分考慮了煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況，從而確定390作為綜合指標(biāo)F的最優(yōu)臨界值是合理的。
3 突出預(yù)測綜合指標(biāo)F臨界值應(yīng)用及效果
分析
在章村礦西三采區(qū)運(yùn)用綜合預(yù)測指標(biāo)F的臨界值為390進(jìn)行煤與瓦斯突出預(yù)測，其結(jié)果與未采用前的結(jié)果進(jìn)行比較，如表4所示。
由表4可以看出，章村礦西三采區(qū)之前由于單項指標(biāo)預(yù)測煤與瓦斯突出準(zhǔn)確率不高，從而造成工作面在生產(chǎn)過程中需要施工防突措施的地方以及范圍都大大增加，進(jìn)而嚴(yán)重影響了煤礦的生產(chǎn)進(jìn)度；另一方面，防突施工過程中，需要投入大量的人力、物力與財力，從節(jié)約成本方面也存在很大的不足。運(yùn)用綜合指標(biāo)F進(jìn)行預(yù)測后，預(yù)測指標(biāo)準(zhǔn)確率得到了很大提高，防突施工工程量大大減少，在保證煤礦安全生產(chǎn)的前提下給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
4結(jié)論
1)本文基于“三率”指標(biāo)與綜合指標(biāo)F本身的區(qū)間型屬性考慮，建立了改進(jìn)熵值權(quán)重法的多指標(biāo)加權(quán)灰靶決策模型對工作面煤與瓦斯突出預(yù)測的綜合指標(biāo)F的最優(yōu)取值進(jìn)行研究。依據(jù)靶心距越小越近的原則，得出理論最優(yōu)臨界值為400，其次是390。結(jié)合煤礦現(xiàn)場工程實踐，需要適當(dāng)?shù)慕档椭笜?biāo)的臨界值以保障安全生產(chǎn)，確定390作為F為最優(yōu)臨界值。
2)通過將綜合預(yù)測指標(biāo)F= 390在章村礦西三采區(qū)工作面現(xiàn)場實際應(yīng)用并考察其效果，現(xiàn)場工程應(yīng)用表明，390作為預(yù)測指標(biāo)臨界值能在保證工作面高效安全推進(jìn)的前提下大大降低防突成本，保證了采掘工作面的順利推進(jìn)，說明F= 390選取合理，也證實了該決策模型的實用性與準(zhǔn)確性。針對不同煤礦對指標(biāo)的敏感性差異，同樣可以運(yùn)用該決策模型選擇煤與瓦斯突出預(yù)測綜合指標(biāo)F臨界值，從而該決策模型使綜合指標(biāo)F預(yù)測煤與瓦斯突出具有普遍適應(yīng)性。
5摘要：
為了更加準(zhǔn)確的預(yù)測掘進(jìn)工作面煤與瓦斯突出，防止災(zāi)害事故的發(fā)生，針對“三率”各評價指標(biāo)與掘進(jìn)工作面煤與瓦斯突出預(yù)測綜合指標(biāo)具有區(qū)間型屬性特性，運(yùn)用灰靶決策理論，提出了基于熵值加權(quán)法與多指標(biāo)加權(quán)灰靶相耦合的決策模型。該模型引入“獎優(yōu)罰劣”變換算子，對樣本矩陣進(jìn)行無量綱初始化處理，結(jié)合改進(jìn)的熵值法確定指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建了綜合指標(biāo)F臨界值的決策模型，將綜合指標(biāo)F值在200~ 400內(nèi)以10為步長形成了21個評價方案，對綜合指標(biāo)F的臨界值進(jìn)行研究。最后，通過在章村煤礦的現(xiàn)場實際應(yīng)用，證實了該模型的有效性與實用性。
