煤矿水灾害中系统动力学运用

1、煤矿水灾害中系统动力学运用 煤矿水灾害中系统动力学运用范文水灾害是煤矿的主要灾害之一，中国煤田水文地质条件极为复杂，煤矿突水事故时有发生，它不仅严重破坏煤矿的正常建设和生产，造成巨大的经济损失，而且还威胁人员的生命安全。煤矿水灾害系统是人机环境相互交融的复杂系统，其结构、功能与行为之间，系统与环境之间是动态、辩证对立的统一关系，是一个十分复杂的、开放的、动态的巨系统1-2。以往关于煤矿水灾害形成机理的研究多侧重于工程技术层面，没有将其放在煤矿生产复杂系统的大环境下来考虑。因此，研究和发现煤矿水灾害复杂系统下各组成要素间的相互耦合、关联、制约、转化行为对煤矿水灾害形成的影响机制，是进行有效防治的

2、基础3。系统动力学(SystemDynamic，SD)是研究高度非线性、高阶次、多变量、多重反馈复杂系统的一种定量方法4。系统动力学在研究城市经济发展、企业经营管理、宏观经济规划、工程系统、能源规划、区域经济等许多领域应用广泛。国内学者在运用系统动力学方法研究煤矿安全系统方面做了许多努力。如邱利等5对矿山安全生产系统运用系统动力学做了初步研究。何刚等6运用系统动力学理论和方法，对影响煤矿安全管理水平因素进行动态仿真预测。本文在对煤矿水灾害安全系统分析研究的基础上，依据系统动力学的原理和方法，建立反映煤矿水灾害安全水平的系统动力学模型并利用Vensim仿真软件进行动态仿真，研究了煤矿水灾害安全状

3、况在多因素共同作用下的系统动力学演化机理，并对模型中关键参数进行灵敏度分析。1安全系统动力学建模系统动力学建模的步骤如下7-9。1)确定建模问题:煤矿水灾害系统各影响因素如何影响煤矿水灾害安全水平。2)确定系统边界及构成系统的要素:煤矿水灾害安全系统。3)确定因果关系图及定义变量:绘制煤矿水灾害安全系统因果关系图，定义模型诸变量。4)建立SD流图模型及方程。11问题及边界确定煤矿水灾害安全系统是人机环境相互交融的复杂系统，参考国内外专家对煤矿水灾害危险源理论的研究，按照煤矿水灾害的实际情况利用系统工程理论，把影响煤矿水灾害的因素分为人的行为因素、设备设施因素、技术因素、法制监管因素、环境因素以

4、及安全管理因素6个部分(如图1)，为后续系统动力学分析奠定框架基础10-13。12因果关系图及变量定义1)煤矿水灾害因果关系图。煤矿水灾害安全水平的高低受到法制监管、技术水平、人的行为、环境、设备设施、安全管理的综合影响，同时各个因素之间又彼此影响，存在着复杂的因果关系，共同决定了煤矿水灾害系统的安全水平，而绘制出煤矿水灾害安全系统的因果关系图是分析和理解该系统机能的有效途径，同时为系统流图的构建奠定基础。因果关系图如图2。2)煤矿水灾害安全系统的变量定义。结合以上因果关系图并考虑到流图及系统动力学方程的建立，定义如下模型变量:水平变量、速率变量、辅助变量和常量，如表1。13流图及方程通过分析

5、煤矿水灾害系统因果关系图和变量定义，建立煤矿水灾害系统动力学流图，如图3所示。1)煤矿水灾害安全系统的SD模型中，其参数的设定参考国内外学者已有成果，并基于对某国有大型煤矿的调研数据，以及煤矿水灾害专家依据该煤矿的实际情况综合评价得出。2)选取案例煤矿近十几年关于煤矿安全及煤矿水灾害的历史数据，采用模糊综合评价法，得出各影响因素对系统安全水平的相对权重14。3)选取案例煤矿历史数据进行综合评价，确定SD模型中各状态变量的初始值和各影响因素间的影响系数。4)依据以上参数，设定系统中每个因素的增加率为0.02，且设定各因素的水平增加量为Iiexp(AQSP/100)(i=1，2，6)，此公式和值的

6、确定是基于保证系统安全水平的动态发展趋势符合煤矿安全实际，且经过与历史数据的反复比对多次调试后得出的。5)由于煤矿水灾害的危害巨大，所以要使其安全水平处在较高状态，因此假定煤矿水灾害期望安全水平为95。2安全系统的系统动力学仿真利用SD仿真软件Vensim，建立煤矿水灾害安全系统的SD模型流图，并定义相关参数，通过计算机进行动态仿真，仿真时间设定为36个月。21模拟仿真1)各影响因子的水平及其发展趋势。在各影响因素的增加率均为0.02情况下，对图3中SD模型进行仿真模拟，得出煤矿水灾害安全水平趋势图(见图4)及各影响因素水平的发展趋势图(见图5)。在设定的初始条件下，案例煤矿的煤矿水灾害安全水

7、平在27个月达到目标值95。可见，提高煤矿水灾害安全水平需要长期运作。同时，也可以观测到系统中各影响因素水平的发展趋势。2)各影响因素水平的增加率对煤矿水灾害安全水平的影响。对图3中SD模型进行了6次仿真模拟，得出不同方案的总安全水平图，并把6次不同的仿真趋势图表示在同一张图上(见图6)。第一次仿真把法制监管水平增加率(I1)调制为0.04，其它参数不变，运行SD软件，得出趋势图Law;第26次仿真依次调整技术水平增加率(I2)、人的行为水平增加率(I3)、环境水平增加率(I4)、设备设施水平增加率(I5)、安全管理水平增加率(I6)为0.04得出趋势图Technology、People、En

8、vironment、Equipment、Manage-ment，如图6。3)各影响因子的实际作用率。依据图4、图6所示及仿真所得数据，以图4的Current为基准，先求煤矿水灾害安全水平的平均值为8307。将图6中Law的每个月水平值减去Cur-rent对应的每个月水平值，取平均值得1.79，再与Current的水平平均值83.07比，比值为0.010188，即表示法制监管对煤矿水灾害安全水平的实际作用率，其含义是指其它影响因素不变的条件下，法制监管水平增加率增加0.02，可以使煤矿水灾害安全水平每个月平均增加1.01%。同理，可以得出其它的因子的实际作用率。法制监管、技术、人的行为、环境、设

9、备设施、安全管理各因素的实际作用率分别0.010188、0.012948、0.022828、0.00826、0.01631、0.027092。22仿真结果分析研究选择影响煤矿水灾害的关键因素，构造出煤矿水灾害系统的系统动力学模型，参考调研数据和专家意见，运用Vensim软件动态模拟了各关键因素水平自身及其增加率对煤矿水灾害安全水平的影响。期望安全水平为95。1)从图4可以看出，各因素安全水平及煤矿水灾害安全水平要达到期望安全水平是个长期的过程。煤矿水灾害安全水平达到期望安全水平需27个月。2)从图5可以看出人的行为水平和环境水平的提高需要相对更长期的过程。文中仿真结果显示:人的行为水平需要36

10、个月才能达到预期水平，环境的安全水平需要42个月才能达到预期水平。3)从图6可以看出，各因素对煤矿水灾害安全水平的影响程度差异明显。其中“安全管理”的实际作用率最大，其次是“人的行为”，其它因素的作用率不太显著，这与煤矿实际情况是相符的。因此，加强安全管理，提高人员安全水平是减少煤矿水灾害事故的重点。实际作用率更能准确地比较复杂系统中不同因素对系统整体安全水平的影响程度，有助于管理者采取相应的措施。4)图4图6中各因素的水平及总安全水平通过累积改善到达一定时间可能会达到100，这并不表示绝对安全，安全是一个相对的概念，这里只表示发展趋势达到一个相对很安全的状态。5)各趋势图呈线性变化是建立在根

11、据具体煤矿实际统计分析和模型及方程系统分析的基础上的，可能由于各因素间关系的界定的不精确、该煤矿统计数据的局限性、模型建立的主观性等及其共同作用导致系统及各因素安全水平呈线性变化。3灵敏度分析本文以系统参数作为研究对象。灵敏度公式为S=J(p+p)J(p)/J(p)p/p。其中，S为灵敏度，p为参数，p为参数变化量，J为参数的目标函数值15。进行灵敏度分析，一般选取SD模型中一些关键参数进行分析，无需对所有参数进行分析。本模型选择的关键参数是煤矿水灾害安全系统6个影响因素的增加率，其分析结果见表2。通过对以上关键参数的灵敏度分析，从表2可以看出模型对各个参数变化的灵敏度各不相同，其中最大的灵敏度只有0.22，说明各个参数的调整对于系统动态的影响呈现出一定的不均衡性。而且经过验证和分析，可以说明所建立的煤矿水灾害安全系统动力学模型基本上可以有效地描述出现实系统的真实情况，可以进行煤矿水灾害安全决策的系统仿真及长期政策分析，并且可以在此过程中，根据实际情况不断进行反馈和修正，使模型更加符合实际系统的运行机制，提高决策的可靠有效性16。4结论依据系统动力学的原理和方法，建立反映煤矿水灾害安全水平的系统动力学模型，并动态仿真了各影响因素的安全水平和各影响因素的增加率对煤矿水灾害安全水平的影响。模型较好地解决了煤矿水灾害复杂大系统