（采矿工程专业论文）煤矿巷道稳定性评价与安全评价软件开发.pdf

摘要 摘要 煤矿安全评价工作是运用科学的方法对矿山生产这一复杂的大系统内各个生产 子系统的安全状况做出的评价，定量或定性地描述各级系统内存在的危险因素，有 利于决策者及时发现和消除系统内存在的事故隐患，对于提高矿山的安全管理水平 和保障矿山安全生产有着重要意义。 文中所研究的以模糊数学和层次分析法为理论基础的模糊综合评价模型，不仅 克服了人为的主观随意性，且又可将安全检查人员和专家的定性分析结果量化，所 得的评价结果更加客观公正。是煤矿安全管理工作中可信度较高的一种评价方法。 在遵循科学性、全面性、系统性、适用性以及指标定量化处理等原则基础上， 系统全面地考虑了影响煤矿巷道安全的各种因素，构建了全面的煤矿巷道稳定性评 价指标体系。选用了4 个子指标2 2 个因素作为影响煤矿中煤巷稳定性的评价指标体 系；4 个子指标2 0 个因素作为影响煤矿中岩巷稳定性的评价指标体系。采用专家与 检查人员综合打分方式或用隶属度函数确定评判指标的隶属度，然后用多目标决策 中的层次分析法确定各评价指标的权重，实现了将定性分析定量化，撮终，利用模 糊综合评价理论得出评价结论。 应用现代应用数学、计算机科学、人工智能等现代科学进行安全评价的方法是 目前矿山安全评价的研究方向。将模糊综合评价方法，事件树分析法，事故树分析 法等评价方法编制成安全评价程序，构成了由事故原因分析、事故过程分析和系统 安全性分析组成的综合评价程序系统。并且将此系统应用到开滦( 集团) 有限公司 的安全评价实践中，达到了预期的目的。 图2 1表l o参6 2 关键词：煤矿巷道稳定性安全评价 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er i s ke v a l u a t i o ni st oe s t i m a t es a f e t yc o n d i t i o n si nt h ec o m p l e xc o a lm i n e p r o d u c t i o ns y s t e mb ys c i e n t i f i cm e t h o d si tc a l ld r a waq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i f i c a t i o n a l c o n c l u s i o no fr i s ki na l ll e v e l so fc o a lm i n es y s t e m s ，s oas a f e t yd e c i s i o n m a k e rc a nf i n d a n do b v i a t et h eh i d d e nt r o u b l ei nt h es y s t e mi nt i m e i ti sa ni m p o r t a n tw o r kt oi m p r o v e s a f e t ym a n a g e m e n ta n de n s u r es a f e t yp r o d u c t i o ni nm i n e i nt h i sp a p e r , b a s eo nf u z z ym a t h e m a t i c sa n da n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sm e t h o d ， b u i l d i n gt h ef u z z yi n t e g r a t e de v a l u a t i o nm e t h o d t h em e t h o dc a l ln o to n l ya v o i d s u b j e c t i v i t yo fp e o p l e ，b u ta l s of i xq u a n t i f ya b o u tt h er e s u l to ft h es a f e t y m e na n de x p e r t s a n a l y s i sr e s u l t s s ot h er e s u l t sa r em o r eo b j e c t i v ea n dr i g h t o nt h eb a s i so fp r i n c i p l eo fb u i l d i n gai n d e xs y s t e mi nt h i sp a p e r ，t ot a k eu pa l lk i n d o fi n f l u e n c ef a c t o ro nl a n e w a ys t a b i l i t ya n dc o n c e i v e de v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo nl a n e w a y s t a b i l i t y ，w h i c hc o n s i d e r e de v e r yi n f l u e n c i n gf a c t o ro nl a n e w a ys a f e t y i nt h i sp a p e r2 2 f a c t o r si n4s i d e sw e r eu s e dt oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo fl a n e w a yi nc o a ls e a ma n d2 0f a c t o r s i n4s i d e s 、张r eu s e dt oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo fl a n e w a yi nr o c k w eu s e dm e t h o do f e x p e r t s u r v e yt ob u i l dt h em e m b e r s h i pg r a d eo fi n d e x , a n dt h e nc o n f i r m e dt h ew e i g h tb yu s i n g a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) a tt h el a s tc o n c l u s i o nw a sd r a w nb yu s i n gt h e f u z z yi n t e g r a t e de v a l u a t i o nm e t h o dt h i sm e t h o di sg o o da tc h a n g i n gq u a l i t a t i v ea n a l y s i s i n t oq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n dm a k i n gl o g i c a lj u d g e m e n tb ys c i e n t i f i c t h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e rt e c h n i ca n dr i s ke v a l u a t i o nm e t h o d si st h es t u d y d i r e c t i o no fr i s ke v a l u a t i o ni nc o a l m i n ei nt h ep a p e r ，t h ep r o g r a ma b o u tt h ef u z z y i n t e g r a t e de v a l u a t i o nm e t h o d ，e v e n tt r e ea n a l y s i s m e t h o da n df a u l tt r e ea n a l y s i s m e t h o di sas y s t e mo fe v a l u a t i o np r o g r a m ，i tc a l la n a l y s ea c c i d e n tc a u s a t i o n ，t h ec o u r s e f r o ms t a r tt oe n do fa c c i d e n ta n ds y s t e ms a f e t yt h i sp r o g r a ma c q u i r e dg o o de f f e c ti n a c t u a lr i s ke v a l u a t i o n f i g u r e2 1 t a b l e1 0r e f e r e n c e6 2 k e y w o r d s ：c o a lm i n el a n e w a ys t a b i l i t y r i s ke v a l u a t i o n - 1 1 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示 了谢意。 签名：堑到日期：! ! 年竺月丝曰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：壑趟 导师签名： 塾1 8 日期：塑三年! 月丝日 引言 引言 文中所研究内容是河北省教育厅立项项目一煤矿安全管理信息系统中的部分研究 内容。 随着工业生产的不断发展和社会的不断进步，安全评价工作也逐渐涉及到社会 生产的各个领域。长期以来，国家和煤炭企业相继为此投入了大量的人力、物力、 财力并制定了许多相关的安全政策、规程、规定和措施，煤矿安全形势总趋势有所 好转，但近几年，重特大事故频繁发生，这些说明，我国的煤矿安全形势仍没有取 得根本性地好转。煤炭工业安全问题重要的是研究矿井事故发生的因果关系、各影 响因素及其相互关系，加强安全的过程管理，实现过程的动态安全评价，使安全管 理立于科学、系统、完善的评价理论和方法基础之上。煤矿安全评价是辨识和消除 煤矿生产系统危险的重要方法，对保障企业安全生产有着十分重要的意义。 安全评价是运用科学的评价方法，根据国家的法律、法规和现行的煤矿产业的 行业标准，分析生产过程中生产系统内的各种危险状况及其危险程度，为决策者做 出科学的管理决策和采取合理有效的技术措施提供必要的理论依据支持。 在矿山生产中，冒顶、鼓帮和底鼓事故时有发生，因此做好煤矿巷道的安全性 评价，有利于提高巷道的管理水平和减少事故的发生。在巷道的安全性评价方面， 国内的不少学者对巷道围岩稳定性分类、巷道支护的可靠性评价等几个方面作了深 入的研究，但对有支护煤矿软岩巷道来说，巷道稳定性评价问题没有给出有效的方 法，所以，针对煤矿巷道这样一个独特生产环境，给出了以层次分析法和模糊数学 为理论基础的模糊综合评价模型，不仅克服了评价模型指标不完善和评价指标难以 定量处理的问题，而且还有效地将专家经验和现场数据结合起来，使得评价模型更 具实用性和科学性。 根据安全生产的需求，本课题所研究的矿山事故分析与安全评价系统是针对该 企业安全工作的要求，结合煤矿安全管理工作的实际需要，依托计算机技术，将安 全分析评价技术融合到矿山的日常安全生产管理当中，研究设计并开发出一套安全 分析及评价的软件系统。系统的主要功能是完成事故原因分析和系统安全性评价， 对分析事故，合理制定相应预防措施、合理调整各生产环节的人力、物力资源等安 全管理方面的工作提供科学结论和依据。 河北理工大学硕士学位论文 l 文献综述 安全评价( s a f e t ye v a l u a t i o n ) ，也称为风险评价( r i s ke v a l u a t i o n ) 或危险度 评价，是指对一个具有特定功能的工作系统中固有的或潜在的危险及其严重程度所 进行的分析与评估，并以等级、概率值等做出定量的表示，最后根据定量值的大小 决定采取最经济、合理和有效的预防或防护对策，保证系统的安全运行。 在煤矿企业生产过程中，为实现矿山安全生产的目标，必须应用科学原理和系 统工程方法，预先对系统中的各种危险进行辩识、评价和控制，以防止事故的发 生，特别是防止重大事故的发生，并尽可能把一旦发生事故的损失限制在最低程 度。作好安全评价工作，不仅可以宏观控制抓住重点，分类指导，而且可以为微观 管理提供可靠的基础数据。 1 1 安全评价技术的研究历史和现状 1 l1 国外研究历史和现状 安全评价( 或风险评价、危险性评价) 出现于2 0 世纪3 0 年代保险行业。自 二次世界大战后，工业生产系统日趋大型化和复杂化，尤其是化学工业，在生产规 模和产品种类迅速发展的同时，生产过程中的火灾、爆炸、有毒有害气体泄漏和扩 散等重大事故不断发生，推动了对企业、装置、设施和环境等安全评价工作的开 展。2 0 世纪6 0 年代开始了全面、系统地研究企业、装置和设施的安全评价原理和 方法的历史阶段。1 9 6 4 年美国道( d o w s ) 化学公司开创了化工生产危险度量安全 评价的历史，该公司根据化工企业使用的原料的物理、化学性质、生产中的特殊危 险性，考虑到具体工艺处理过程中的一般性和特殊性之间的差别以及物量等因素的 影响，以火灾、爆炸指数形式定量的评价化工生产系统的危险程度，形成了经典性 的道火灾爆炸指数评价方法。以后，又分别于1 9 6 6 、1 9 7 2 、1 9 7 6 、1 9 8 0 年发表了 第2 、3 、4 、5 版，1 9 8 7 年发表了第6 版。1 9 9 4 年又发表了第7 版。 道化学公司的火灾爆炸指数法在世界推出后，各国积极地进行研究利开发，推 动了该项技术的迅速发展，并在此基础上提出了一些独具特色的评价方法。如英国 帝国( i c i ) 化学公司蒙德( m o n d ) 分公司根据化学工业的特点，在吸取道化学 公司评价方法的优点的基础l ，于1 9 7 6 年提出，m o n d 公司火灾、爆炸、毒性 指数评价方法，该方法在道火灾爆炸指数的基础上扩充了毒物危险冈素，并剐系统 2 1 文献综述 中影响安全状态的其他部分因素及有关安全设施等防护措施予以考虑，以补偿系数 的形式引入到评价模型的结构之中，比同期的道指数评价法从原理上更加完善。日 本劳动省参照道火灾、爆炸指数评价法、蒙德指数评价法的思想，也在1 9 7 6 年开 发出了“化学工厂六步骤安全评价法”。前苏联提出了俄罗斯化工过程危险性评价 法等。上述方法均为指数法，主要是针对化工企业评价而发展起来的，在评价原理 上无质的变化，仍然遵循了道化学公司以及系统内危险和危险能量为评价对象的原 则，而且这些方法仍然在不断的发展和完善之中。 以风险率为标准的定量评价是风险评价的高级阶段。这种评价手段是随着航空 航天、核工业等高技术领域的开发而得到迅速发展的。英国在6 0 年代中期建立了 故障数据库和可靠性服务咨询机构对企业开展概率风险评价工作口i 。1 9 7 4 年美国 原子能委员会( a e c ) 完成了商用核电站危险状况的全面评价，并于1 9 7 5 年由麻 省理工学院n r a t s r n u s s e l q 领导的研究小组发表了w a s h1 4 0 0 ：反应堆安全研究 ( w a s h1 4 0 0 ：t h er e a c t o rs a f e t ys t u d y ) ，在科技界和工程界引起了震动。1 9 7 6 年，英国生产安全管理局( h a s ) 对c a n v e y 岛以及t h u r r e c k 地区的工业设施进行 了危险评价。1 9 7 9 年英国伦敦c r e m e r & w a m e r 公司和德国法兰克福b a t t l e 公司对 荷兰r i j n m u n c l 地区- l - _ k 设旖进行了评价。此后，这类评价法在工业发达国家的许 多项目中得到广泛的应用。随之，又开发出一系列以概率论为理论基础的有特色的 安全评价方法【3 】。1 9 8 4 年设在印度博帕尔市的美国联合炭化物公司开办的一家农 药厂发生的毒气泄漏事故( 死亡2 5 0 0 人，中毒1 2 5 0 0 0 人) 、1 9 8 6 年两起震惊世 界的巨大事故( 美国“挑战者”号航天飞机爆炸和前苏联切尔诺贝利核电站爆炸事 故) 等，使得入们对安全问题有了更加深入的认识，各国政府和研究机构更重视安 全评价的研究。如英国的t e c h n i c a 有限公司、荷兰的应用科学研究院、欧洲的欧 共体i s p r a 联合研究中心、意大利的s t a 公司等都对安全评价进行了深入且广泛的 研究，并开发了相关软件。现在，风险定量评价已在工业发达国家的许多工程项目 中得到广泛的应用，并在许多行业制订定技术标准。一些国家还立法规定，工程项 目必须进行风险性评价，日本劳动省规定化工厂必须作综合的风险性评比，英国规 定在建企业凡没有进行风险性评价的都不许开工。 随着现代科技的迅速发展，特别是数学方法和汁算机科学技术的发展，以模糊 数学为基础的安全评价方法得到了发展和投入应用，并拓展了原有的方法和应用范 围，如模糊故障树分析、模糊概率法等。应用计算机专家系统、决策支持系统、人 工神经网络技术对生产系统进行实时、动态的安全评价等。 3 河北理工大学硕士学位论文 112 国内研究历史和现状 在我国，八十年代初期，安全系统工程引入我国，受到许多大型企业和行业管 理部门的高度重视。在引进和吸收国外安全检查和安全分析方法的基础上，机 械、冶金、化工、航空、航天等行业开始应用简单的安全评价方法，如安全检查 表，事故树分析，故障类型及影响分析、事件树分析、预先危险性分析，危险与可 操作性研究，作业环境安全评价方法。计算机的数据库、安全控制论也得到应用。 为了推动和促进安全评价方法在我国企业中的实践和应用，1 9 8 6 年劳动人事 部分别向有关科室下达了机械工厂危险程度分级、化工厂危险程度分级、工厂危险 程度分级等科研项目。1 9 8 7 年机械电子部首先提出在机械行业内开展机械工厂安 全评价，并于1 9 8 8 年颁布了第一部安全评价标准机械工厂安全评价标准，除 此外，还颁布了医药工业企业安全性综合评价通则、航空航天工业工厂安全 评价规程、石化企业安全性综合评价办法和电子企业安全性评价标准 等。 1 9 9 1 年国家“八五”攻关课题中，安全评价方法列为重点攻关项目。我国 “九五”国家科技攻关项目重大工业火灾、爆炸、毒物泄漏的事故分析模拟技术 研究在“八五”的基础上，分别对重大工业火灾、爆炸、毒物泄漏的事故分析模 拟技术研究仿生机卷4 及影响因素等方面，从事故类型、伤害程度、伤害性质、伤害 准则及事故原因进行了研究，并在此基础上利用计算机对作业场所典型的火灾事故 进行了计算机模拟研究。1 9 9 2 年，广东劳动保护研究所主持完成了工厂危险程度 分级方法；同年，原化工部制定了化工厂危险程度分析方法。1 9 9 5 年，原劳 动部、北京理工大学合作完成了易燃、易爆、有毒重大危险源的安全评价技术 的课题。同时，些高等院校、研究单位和企业等相继开展了安全评价技术的研究 和开发工作。特别是在1 9 9 4 年，我国相继发生了多起特大火灾事故后，安全评价 受到了政府部门和社会的重视，1 9 9 4 年、1 9 9 5 年分别在太原、成都召开了全国各 行业安全研究的研讨会，安全评价_ t 作在各行业系统内逐步推广和展开。 煤炭工业的安全管理和评价研究与其它行业相比，时间上几乎同步，但研究的 规模、深入程度要落后于上述行业。1 9 8 2 年煤炭工业部制定并颁发了矿井通 风质量标准及检查评定办法【”，作为矿井通风安全管理部门的检查标准：1 9 8 6 年，原煤炭工业部制定了生产矿井质量标准化标准，作为行业标准实行的，后 一f1 9 9 4 年进行了修订，其内容包括了开采、通风、运输、瓦斯、掘进，是目前煤 4 l 文献综述 矿使用最多的评价标准。煤矿安全评价技术的研究与开发大部分集中在高校，其研 究内容主要集中在管理信息系统和安全评价的基础工作，对安全评价的理论和技术 等尚不够深入。冶金企业曾经在行业内进行过安全管理和评价工作的调查，煤炭系 统进行了类似的安全评价和信息系统运行状况调查。 1 2 巷道稳定性评价的研究现状 巷道事故是煤矿中最常见最易发生的事故，因此，国内外不少学者在巷道的稳 定性研究投入了很大的精力，巷道稳定性研究的主要内容集中在巷道围岩稳定性分 类、巷道支护的可靠性评价等几个方面。 l 巷道围岩稳定性分类 巷道围岩稳定性分类是对巷道围岩质量和稳定性进行综合评价的一种简单迅速 的基本方法，在二十世纪的八十年代未，随着对岩体不确定性认识的深入和人工智 能技术的发展迅速，同时现代控制理论、信息学、系统工程等学科的发展为岩体力 学的发展带来了新的认知途径。运用专家系统、神经网络等现代智能技术手段在巷 道围岩稳定性评价上，如文献6 1 尝试了应用模糊数学进行围岩的分类，文献【7 1 阐述 了运用灰色理论对围岩进行分类的理论和方法，文献8 1 利用分形理沦进行了围岩稳 定性的分类等。文献9 1 运用专家系统对围岩的稳定性进行分类，阐述了专家系统在 围岩稳定性分类中的运用。文献1 0 i 运用神经网络原理对围岩稳定性的分类进行r 理论和实践运用的说明等。 2 巷道支护的可靠性评价 巷道支护的可靠性评价l l 是指在对巷道采取支护的情况下，对巷道的支护效 果进行分析与评价。其方法有安全系数法，结构可靠性评价法。 安全系数法： 安全系数法的基本思想是依据支护的抗力不得小于蘅载的原则，巷道支护的可 靠性由支护的安全系数k 表示，公式表述为： k = 肼， ( 1 ) t ，：j 其中，m f ，风分别为支架的抗力和荷载的均值。 此种方法忽略了围岩和支护状态的随机性和不确定性，使得在实践过程中容易 出现安全系数值与支护效果不相匹配。 结构可靠性评价法： 5 河北理工大学硕士学位论文 结构可靠性评价法首先认为所有的工程变量都是随机变量，在充分考虑抗 力，、荷载的随机性的基础上，建立了基于可靠度理论的结构评价方法，以指标口 衡量结构可靠性，基于可靠定理论的可靠性评价指标的计算公式： 多= 萼= q 6 ：七6 ： 生一1 胁一 图磊 0 ；粕x a j i = l ：a i i = 1 。 定义：设a 为n 阶矩阵，粕为a 的元素： 称同时具有性质至性质的矩阵a 为互反正矩阵。如果对任意l i n ， l j n ，矩阵a 的元素具有传递性，即满足等式： a 。a j k = a i k ( 13 ) 则称a 为一致性矩阵。只有判断矩阵满足一致性条件，才有唯一非零的最大特 征值n 。这是一致性矩阵的性质。 223 单一准则下元素相对权重的计算 设己知n 个元素 u 。，u ：，u 。) 。相对于准则c 的相对权重向量 1 w l ，w2 ，w 。j 。 求解特征根问题： a w = l w ( 1 4 ) 1 4 - 2 模糊综合评价理论 这里九。是矩阵a 的最大特征根w 是相应的特征向量。所得到的w 经归一 化后就可作为权重向量。当判断矩阵a 满足上式时，由正矩阵的p e r r o n 定理可知 k 。存在且唯一，w 的分量均为正分量，从而可以用幕法求出相应的特征向量。 用幂法求正矩阵的最大特征值及对应的特征向量的步骤i ”如- f ： 1 选择初始正向量 x 0 1 = ( x l ”，x 2 ，x n o ) 7 k = 0 m o = i | x o 忆= m a x ( x 。) y 、o l = x ”m ( o ) 2 ，循环 x b ”= a v k m 。k ，i = | | x “1 忆 。+ ”= x 。+ ”mt k + 1 1 如果 f n k + l - n l k 0 ： 3 ) 当a 的任何一个元素增加时，p ( a ) 也增t h 4 ) d ( a ) 是a 的单特征鞭。 将正矩阵的这些性质应用于判断矩阵，那么判断矩阵的按模最大的特征根必为 正根且为单根，它对应的特征向量必为正向量。这就为用特征根方法研究排序问题 提供了先决条件。 1 5 河北理工大学硕士学位论文 2 判断矩阵的一致性检验 由于客观事物的复杂性和主观判断的多样性，难以将同一准则下，f i 同元素的相 对重要程度判断得十分准确。一般来说，不一定满足一致性条件： a i j a j k = a i k ( i ，j ，k 。l ，2 ，m ) ( 1 5 ) 尽管判断矩阵不具有完全一致性，仍希望它的最大特征值k 。略大于阶数m ， 其余特征值接近于零，称之为满意的一致性。这样计算出的层次单排序结果才是合 理的。因此必须对判断矩阵的一致性进行检验，使之达到满意的一致性标准。 1 ) 判断矩阵的一致性指标ci c i ：兰型二竺( 1 6 ) m i 其中m 为判断矩阵的阶数，x 。为判断矩阵的最大特征值。一般说来，ci 越大 偏离一致性越大。反之偏离一致性越小。 2 ) 平均随机一致性指标 判断矩阵的阶数越大，判断的主观因素造成的偏差越大，偏离一致性也就越 大。因此还必须引入平均随机一致性指标rl ( r a n d o mi n d e x ) 。r i 值参见表2 。 这些ri 值使用随机方法构造判断矩阵，经过5 0 0 次以上的重复计算，求出一致性 指标，并加以平均得到的。 衰2 平均随机一致性捂标 3 ) 一致性比率 致性指标与同阶数平均随机一致性指标的比值称为一致性比率c r ( c o n s i s t e n c yi n d e x ) 。 c r = c 1 r i 一 ( 17 ) 用一致性比率c r 检验判断矩阵的一致性，当c r 越小时，判断矩阵的一致性 越好。一般认为，当c r 0 1 时，判断矩阵符合满意的一致性标准，层次的单排序 结果是可以接受的。否则修正判断矩阵，直到检验通过。 1 6 2 模糊综合评价理论 2 2 5 层次总排序及一致性检验 在任意一个层次结构中，层次权重解析过程中应该注意不完全层次关系。即对 于任一个准则，可能有某方案与之不存在关系，这时构造判断矩阵应将这个无关的 方案除外，所得判断矩阵会少一阶，得到m l 阶矩阵，解得m i 维特征向昔。在权 重解析过程中，这个方案对于准则的权重应为0 ，仍组成m 维向景。对一般不完全 层次关系，均应做类似处理。 触口方法的目的，在于求出各方案对总目标g 的优先权重。求解过程从上到 下，在相邻层次之间逐层进行。假定己经算出第k 一1 层上，。个元素相对于总目标g 的排序权重向量为： w t k - 1 ) = ( w 1 ( k - 1 ) ，w 2 ”，嘴j 1 ) ( 18 ) 第k 层子目标的i l k 个元素对第k i 层子目标的第j 个元素为准则的优先权重向 量为：p 啪= ( p ，p ，p 芸) t ，其中不受j 支配的元素权重为零。 p x w “表示k 层上元索对k 1 层上各个元素的排序，于- 是第k 联上元素 对总目标的合成排序向量为： w = p o w “1 ( k 3 )( 1 9 ) 同样地，层次总排序的一致性检验也是从上到下逐层进行的。 设层次b 关于层次a 的元素j 的单排序检验一致性指标为cb ，平均随机致 性指标为r i 。，则层次总排序的一致性指标、平均随机一致性指标和一致性比率指 标为： c l = w ，c i j ( 2 0 ) i = l r i = w j r ij (21) 咖鲁嚣 ( 2 2 ) 在实际操作中，总排序一致性检验常常省略。这是因为层次单排序通过致性 检验，总排序一致性检验公式计算加权平均值，结果不会有太大的偏离。再者，实 1 7 河北理工大学硕士学位论文 际构造判断矩阵难以兼顾总排序的一致性。因此大多数实际工作不考虑整体- 致性 检验。 2 3 综合评价理论及其计算方法 基f 层次分析法的模糊综合评价是将模糊数学数学与层次分析法相结合的一种 综合评价方法。将层次分次法分别和模糊综合评判与模糊隶属度相结合，建立了多 层次模糊综合评价模型1 3 7 1 和基于层次分析法和模糊隶属度的综合评价模型。 23l 多层次模糊综合评价模型 l 综合评价子目标集 根据系统安全状况，将评价子指标( u 1 ，u 2 ，u n ) 构成综合评价子指标 集。 u = ( u l ，u 2 ，u 。) ( 2 3 ) 2 评价子指标的权重分配 根据层次分析法计算结果，建立权重分配集，即 a = ( al ，a2 ，an ) 一( 2 4 ) 权重分配集具有如下特征： 1 ) 集合a 中各指标权重均为大予0 ，且小于等于1 ，即0 a 。1 。 2 ) 集合a 中各指标权重代数和等于l ，即q = 1 。 1 3 因素集 由于各子目标u 还受因素”。”。，“。的影响，则因素集u 为： u l = q 。，”m ，”。) ( 2 5 ) 4 因素权重分配 根据各因素( ”。，) 对u i 的影响大小，求权重分配( w 。w 。t rot w 。) ，设彬 为对应u 的因索权重分配集，即 彬= ( l ，h 2 ，w m ( 2 6 ) 5 选择评价集 根据系统的安全状况，选择若干评价级组成一个评价集，即 = k ，k ， 二) ， ，( 2 7 ) 在本论文中使用的评价级的个数为5 级，即m = 5 。 1 8 2 模糊综合评价理论 6 建立指标评价矩阵 请若干专家对各指标的状况通过投票进行评价，如请5 0 位对指标。按卜列5 个分级进行投票。结果见表3 。 表3 专家评价结果 t a b l e 3t h er e s u l to f e x p e r t s o p i n i o n s 设第i 个子指标u i 包含k 个因素，其评价矩阵r i 如下 l2 ，2 lt 2 - i2 一 7 - 。 _。 。 7 求各子指标u ，的综合评价向量b i ， b ，= 彬r ， 8 形成子指标评价矩阵b = ( b ，b ：，b 。) 7 。 9 求总目标评价向量c ， c = a b 1 0 求最终评价的总得分， = c s 7 式中，s 为评价集对应的分数向量，s = ( 9 5 ，8 0 ，6 5 ，4 5 ，3 0 ) 。 表4 系统安全等级表 t a b t e 4t a b l eo f 掣 a d i n gs y s t e ms a f e t y ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 3 0 ) ( 3 1 ) 1 1 系统的安全等级 根据最终评价的总分数，可将系统的安全等级划分为5 个等级，见表4 。 1 9 河北理工大学硕士学位论文 23 2 基于层次分析法和模糊隶属度的综合评价模型 1 综合评价子目标集 根据系统的安全状况的评价子目标( u i ，u ：，u n ) 构成综合评价予目标 集。 u = u i ，u 2 ，u 。) 2 评价子目标的权重分配 根据层次分析法计算结果。建立权重分配集，即： a = f8i ，a2 ，a 。) 权重分配集具有如下特征： i ) a 中各指标权重均为大于0 ，且小于等于l ，目口0 8 - i l 。 2 ) 集合a 中各指标权重代数和等于1 ，即= 1 。 l j 3 指标集 由于各子目标u 还受指标“d ，q ：，的影响，则指标集u i 为： = “，“。， 4 指标权重分配 根据各指标 n ，”1 2 ，d i i ，对u i 的影响大小 为对应u i 的指标权重分配集，即 形= w f l ，w m ，w * ) 求权重分配( w 。w 。，w i p ) ，设形 ( 3 5 ) 5 因素重要度的计算 根据指标体系及其权重集，求指标体系内各困素的重要度集伊= 瓴，吼 ，且 有甲= 哆= 1 。 j 2 1 6 评价结果的求解 在标体系内，若已知所有因素的重要度组成的因素重要度集伊= 妨，仇) ，所 有因素的隶属度组成的因素隶属度集r = k ， ，则评价结果指标， ，= r = k ，一，i 矗，一，妒。l = x 仍，且有o ，至l 。 = l 7 系统的危险等级划分 2 0 ) ) r r 渤 渤 ( ( 2 模糊综合评价理论 可i 根据最终评价的结果，可将系统的危险等级划分为如下5 个等级，见表5 所 表5 系统危险性等级表 t a b l e 5t a b l eo f g r a d i n gs y s t e mr i s k 综上所述，本章主要介绍了基于模糊理论和层次分析法的模糊综合评价理论， 它继承了层次分析法和模糊综合评价的许多优点。首先，它是一种将定量与定性相 结合，将人的主观判断用数量形式表达和处理的多准则决策方法，为人们提供了测 度无形事物和确定元素权重并综合所有判断确定元素的综合权重的有效方法。其 次，它为分析复杂的煤矿生产系统，对定性问题作定量分析提供了种简洁实用的 方法，能够有效地分析目标准则体系层次闻的非序列关系，有效地综合测度决策者 的判断和比较。能定量地处理各种模糊因素，因此其分析的结果或设计的方案更符 合客观实际，更为合理和准确。所以，基于模糊理论和层次分析法的模糊综合评价 理论的提出和使用优点有以下几点： 1 ) 此方法广泛采集集体意见，建立在科学量化研究的基础上，降低了评判中的 主观随意性，所得的结果客观公正，可信度高。 2 ) 在进行系统安全进行评价时，运用模糊综合评价方法，可将检查人员和专家 的定性分析结果量化，将不精确的表达和处理方法数字化，从而做出合理的判断评 价。 3 ) 使用该模型，可以更好地发现事故隐患和管理中的薄弱环节，加强督促整 改。提高矿山整体安全水平。 2 1 河北理工大学硕士学位论文 3 煤矿巷道稳定性评价 巷道事故是煤矿开采中极为常见的事故，且随着矿井的不断延深，在深部的矿 山压力及采动压力的影响下，巷道的支护及维护难度也随之加大，巷道的稳定性也 就更难于控制。一般来说，是由于自然地质因素的缺陷、采提技术不完善、支护质 量低劣以及巷道使用过程中维修、维护管理不到位等原因的综合作用降低了巷道的 整体稳定性，最终导致巷道事故的发生。 煤矿巷道稳定性评价主要的任务和且标就是依据已掌握的安全信息，对巷道稳 定性做出科学评价，安全人员则可以依据评价结果调整对巷道的管理。通过对以往 的煤矿巷道事故分析表明，巷道事故的发生与否及发生规模的大小不仅与客观条 件、人为管理等定性因素有关而且还与自然条件、生产技术条件等许多因素有 关。作为一个具有高度复杂性、不确定性、开放性的系统，它所涉及的影响因素不 但很多，而且它们之间存在相互影响、相互制约的内在联系，不能用一个确定的函 数关系来表达。因此，科学的选取一个既能充分地反映巷道的安全状况，又能突出 安全重点的评价指标体系，对指导生产实践、保证安全生产都具有其重要意义。 在巷道工程中，围岩和支护系统的力学行为及其关系是错综复杂的。以往在解 决巷道或其它地下工程稳定性问题时，通常采用两种方法：力学计算方法和经验类 比方法。以计算机为手段的力学计算方法，首先要确定计算模型，这在很多情况下 是不容易的，一旦模型确定后，计算所需的各项输入信息( 例如岩体力学性质，初 始地应力等) 就成为问题的关键。多数人通过现场调查和室内试验来获得输入信 息然而由于岩体是一种处于复杂地质环境中的异性爿；连续介质，以及试验技术和 财力上的种种原因，上述试验所获数据往往具有很大的离散性，有限的现场试验很 难全面反映岩体的真实情况，而输入信息反映客观实际的程度决定了计算结果的价 值。对于以围岩工程分级为基础的经验类比法，尽管近年来逐渐引入模糊理论和神 绎网络技术，但要对影响围岩稳定性诸因素定量仍然存在很大困难。事实证明，单 独使用力学计算法或经验法部不能取得较好的效果。因此，文中所研究的巷道稳定 性评价是在全面系统地分析系统内各种因素影响的基础l ，不仅可对巷道的稳定性 做出评价，而且还可以发现系统内不安全因素的危险程度，有利于决策者制定有效 的预防或处理措施，预防这类事故的发生或降低事故的危害，对于降低职工伤亡和 减少财产损失有着重要意义。 一2 2 3 煤矿巷道稳定性评价 所以在本文中，为了评价指标体系更具实用性和推广性。综合考虑了地质条 件、施工、支护和巷道变形及监测等方蔼因素的影响，并用模糊综合评价的方法对 巷道的安全性进行评价。 3l 安全评价指标体系的建立原则 指标体系的建立主要是指指标的选取与指标结构关系的确立。煤矿巷道稳定性 评价既要符合安全评价的一般性规则和要求，又要充分考虑煤矿安全生产状况的自 身特点。为了保证评价指标体系能客观、全面、科学地分析和评价煤矿巷道的危险 性，提高巷道的安全水平，减少事故的发生，应遵循咀下几个建立评价指标体系的 指导原则2 0 1 1 2 1 】【2 2 】。 i 科学性 指标、影响因素的选取和数据的获取及计算必须以公认的科学理论为依据。建 立巷道稳定性评价因素体系，也必须能反映客观实际以及事物的本质，能反映出影 响巷道稳定性的主要因索。只有坚持科学性原则，获得的信息才具有可靠性和客观 性，评价的结果才有效。 2 全面性 对煤矿巷道现状的评价是一种全面性的多因素综合评价，为了保证这一点，选 取的因索应具有代表性。选取时应从评价对象的各方面着眼，尽管最后确定的评价 因素不一定很多，但选择初始时，被选因素一定要多些，全面一些，以保证有选 取余地。 3 系统性 系统性是指在建立能够全面反映巷道稳定性指标体系的基础上，从中抓住主要 因素，使得指标体系既能反映因素和指标之间的关系，又能反映因素之间的关系， 保证评价的可信度。 4 可行性 建立的评价因素体系应该能方便数据资料的收集，能反映事物的可比性，做到 评价程序与工作尽量简化避免面面俱到，繁琐复杂。只有具有可行性，评价的实 施方案才能比较容易的为矿山的安全部门所接受。 5 定性与定量分析相结合的原则 为了对巷道的安全状况进行综合评价，必须将部分定性因素定量化，使得分析 评价工作更具科学性和可操作性。 2 3 河北理工大学硕士学位论文 6 可比性 为了便于比较，评价因素应当量化。由于评价对象比较复杂其中有些因素 ( 尤其是管理因素) 难以量化，但是事物的质是要通过一定的量表现出来的，因 此，评价因素应尽可能量化，只有量化了，才能揭示事物的本来匝：目。 7 相对独立性原则 指标体系在满足全面性和层次性要求的同时，必须避免指标的重叠及其显见的 包含关系，对于隐含的相关关系，要在模型中用适当的方法消除。 3 2 煤矿巷道稳定性评价指标体系 根据评价指标，从煤矿巷道这一生产系统内选取合适的评价因素集构造一个 既能全面反映各因素对巷道稳定性影响，又能较为容易地将各因素定量化处理的巷 道稳定性评价指标体系。依据因素的主客观条件，可将指标体系的因素集划分为n j 定性分析和可定量分析两部分。定性分析是从安全评价的目的和原则出发，考虑评 价指标的充分性、必要性、可行性、稳定性以及指标体系与评价方法的协调性等凶 素，主观确定指标体系及评价方法的过程。定量分析就是通过一系列检验，是指标 体系科学化、合理化的过程。 321 煤矿巷道稳定性评价指标体系的建立 评价指标体系指标的确定方法有两种：综合法和分析法i ”i 。 综合法是指在已存在的诸多因素的基础上，对其按一定的标准进行聚类，使其 体系化的一种构造指标体系的方法。 分析法是指对分析目标和分析对象划分成若干个子系统，然后再细分，直到每 一一予系统可以用具体的统计指标来描述和实现。对分析目标划分成若干各子目标或 子子目标，然后每个目标用若干个指标反映；对分析对象划分包括按对象的运动过 程和按对象的构成要素两种划分方式。 众所周知，煤矿巷道是一个复杂的生产系统，这里将从人一机一环境这一系统 的分析方法来考虑评价指标体系。显然，巷道的危险性是由人、机、环境共同作用 的结果，环境的不安全因素加上物的不安全状态导致事故的发生。 根据矿山安全生产及管理的实际情况，在综合文献【2 3 l 【2 4 1 1 2 5 1 1 2 6 咿】f 2 8 1 观点的基础 上，在与开滦部分资深专家进行长期的探讨和对开滦( 集团) 提供的历年巷道事故 的资料整理分析后，提取影响巷道安全的相关因素，并按影响因素的性质或所采取 2 4 3 煤矿巷遭稳定性评价 的技术条件划分为不同的因素集，即地质条件、支护、施工、巷道变形监测四部 分。煤矿巷道稳定性评价指标体系按煤巷和岩巷分别进行考虑： 1 岩巷稳定性评价指标体系内容包括( 见图1 ) ： 1 ) 地质条件部分 煤矿巷道附近的地质条件是影响巷道附近地压分布规律和巷道稳定性的物质基 础。地质条件和变化规律与地压的分布规律有直接的联系，而工程地质条件比较差 的地方往往是地压显现较为严重的地方。f 面就地质条件的各个因素逐一加以论 述。 岩体结构是指煤矿巷道围岩的分布情况。由于层状结构的围岩岩石中的层理磁f 构成了一个潜在的分离面( 或称为弱面) 强度低且层理丽间距小的薄层状围岩岩 层更易冒落，巷道也就更容易被破坏；反之，当巷道附近的岩层分层较少，岩层厚 度较大时，巷道就相对地较为稳定些。岩层的节理裂隙对顶板的稳定性影响极大。 围岩岩性是指围岩的本身所固有的性质，围者岩性和围岩的力学性质有着十分 紧密的联系。围岩的力学特性对巷道的稳性有重要影响。经验表明，围岩的力学性 质特别是围岩强度对冒项的影响很大，强度越低，越易冒项。低强度岩石包括大多 数粘士岩对标准的平巷宽度来说缺乏自撑能力，当支托它们的煤体开采出来后不久 就会从顶板冒落。 地下水的影响。永对岩石具有弱化作用，尤其对含混质的岩石，可使岩石强度 急剧下降，甚至发生崩解或体积膨胀。水也使岩石与裂隙间的摩擦系数和变形