王國軍

（晉能控股煤業(yè)集團鄂爾多斯礦業(yè)投資有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

在社會進步和經(jīng)濟發(fā)展的過程中，能源起到了不可替代的作用。近年來隨著社會的高速發(fā)展，煤炭資源的社會需求量只增不減，煤炭資源的開采量隨之增加。但在煤礦開采的同時伴隨著各種各樣的安全問題，比如瓦斯、煤塵、火災等嚴重危害人的身體健康，而礦井通風質(zhì)量的好壞直接關系到井下風源性災害發(fā)生的概率。礦井通風的主要任務是為井下生產(chǎn)環(huán)境供應新鮮空氣，稀釋有害氣體，按照通風路線將有毒有害氣體排出礦井，為礦井工人創(chuàng)造一個良好的工作環(huán)境。所以在煤礦“一通三防”管理工作中，通風是首要管控的，是保證礦山安全生產(chǎn)的基礎。因此對一個煤礦井下通風質(zhì)量進行科學、客觀的評價至關重要，評價結(jié)果是礦井通風安全管理工作的需要，也是今后礦井通風系統(tǒng)整體調(diào)整的依據(jù)，礦井通風質(zhì)量的有效評價對礦井安全生產(chǎn)和有效管理能夠起到促進作用。

國內(nèi)外眾多專家學者在礦井通風安全評價方面進行了大量的研究。付天予、馬恒等[1]建立了非線性規(guī)劃的組合賦權(quán)模型，并將3 個礦井作為研究對象進行了通風安全評價分析。趙紅紅、蔣曙光等[2]以大柳塔煤礦的通風系統(tǒng)為研究背景，采用改進后的層次分析法建立了通風系統(tǒng)評價體系，確定了大柳塔煤礦通風質(zhì)量的影響因素的權(quán)重。劉慶龍、魏夕合等[3]將灰色關聯(lián)度和神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)合起來建立了評價模型，對礦井通風系統(tǒng)進行綜合評價。靳紅梅、黨琪等[4]基于FCEAHP模型建立了礦井通風質(zhì)量動態(tài)評價模型，并基于此模型對東灘煤礦的通風質(zhì)量進行了評價。

本文以礦井通風質(zhì)量影響因素指標實際測定值為基礎，結(jié)合AHP（層次分析法）和TOPSIS（逼近理想解排序法）建立礦井通風質(zhì)量綜合評價模型，對礦山井下主要巷道的通風質(zhì)量進行評價研究。

1 AHP-TOPSIS評價模型建立

1.1 AHP法計算原理

AHP（層次分析法）的核心是將不同影響決策問題的因素按照一定規(guī)則劃分為不同層次結(jié)構(gòu)。具體操作為：通過兩兩因素標度值相互比較，從而進行定性和定量分析。兩兩因素進行標度值比較的目的是建立比較矩陣，此過程中，傳統(tǒng)的九標度法和三標度法因分級過多和分級過少會產(chǎn)生相對應的問題。因此采用折中的五標度法進行評判更為合理。五標度法的AHP 計算方案優(yōu)選步驟如下：

1）建立綜合評判體系，對評判體系中各元素進行賦值，構(gòu)造比較矩陣A。因素i與因素j比較記為aij，則因素j和因素i的比較為bij=。

2）構(gòu)造判斷矩陣B。各元素bij的計算如式（1）所示。

式中ri為比較矩陣各指標重要性排序指數(shù)；rmax為ri的最大值；rmin為ri的最小值。

3）構(gòu)造傳遞矩陣C。各元素cij的計算如式（2）所示。

4）構(gòu)造擬優(yōu)一致矩陣D。各元素dij計算如公式（3）所示。

5）計算矩陣D的最大特征值，對特征向量進行歸一化處理，得到權(quán)重wi。評判體系中各元素權(quán)重構(gòu)成的權(quán)重向量如公式（4）所示。

1.2 TOPSIS原理

TOPSIS 又稱為逼近理想解排序法。TOPSIS 采用歐式距離，基于無量綱決策矩陣，通過各待選方案和最理想解的接近程度為評價方案優(yōu)劣的依據(jù)。采用TOPSIS法進行評價通常包括以下六步驟。

1）構(gòu)建初始決策矩陣

其中，aij(i=1,2,…x；j=1,2,…y)表示第i個待選方案中第j個指標值。

2）決策矩陣標準化處理。

由式（5）、（6）得到進行標準化處理的決策矩陣如下：

3）將式（7）結(jié)合式（4）進行加權(quán)處理可以得到如下加權(quán)矩陣：

4）評價目標與理想解的距離。

1.3 AHP-TOPSIS綜合評價模型

根據(jù)AHP計算的權(quán)重向量w，并結(jié)合TOPSIS計算的貼近度矩陣E可以得到各主要巷道通風質(zhì)量優(yōu)劣結(jié)果向量F。AHP-TOPSIS模型評價流程見圖1。

圖1 AHP-TOPSIS模型評價流程

圖2 不同時間段通風質(zhì)量貼近度

圖3 不同試驗地點通風質(zhì)量平均貼近度

2 AHP-TOPSIS模型的工程應用

2.1 評價指標確定及評價體系建立

煤礦主要通風區(qū)域包括采煤工作面、掘進工作面以及回風區(qū)段等，影響各主要通風區(qū)域通風質(zhì)量的因素不盡相同，將影響通風質(zhì)量的主要因素作為評價指標建立各主要區(qū)域的通風質(zhì)量評價體系，各主要區(qū)域評價指標及體系如下。

1）采煤工作面通風質(zhì)量評價指標體系

影響采煤工作面通風質(zhì)量的主要因素有溫度、濕度、風速、瓦斯體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、氧氣體積分數(shù)、粉塵密度等，故將上述影響因素作為主要評價指標建立采煤工作面通風質(zhì)量評價體系。

2）掘進工作面通風質(zhì)量評價指標體系

影響煤礦掘進工作面通風質(zhì)量的主要影響因素有局扇安裝點風速、溫度、濕度、瓦斯體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、氧氣體積分數(shù)、粉塵密度等，故將上述影響因素作為主要評價指標建立掘進工作面通風質(zhì)量評價體系。

3）主要回風區(qū)段通風質(zhì)量評價指標體系

影響回風區(qū)段通風質(zhì)量的主要因素有回風風速、實際風量、溫度、瓦斯體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、氧氣體積分數(shù)以及粉塵密度等。故將上述影響因素作為主要評價指標建立回風區(qū)段通風質(zhì)量評價體系。

2.2 評價模型數(shù)據(jù)獲取

1）該礦井生產(chǎn)制度為三八制，每班生產(chǎn)時間為8 h，將8107綜采工作面作為試驗采煤工作面，每隔2 h監(jiān)測一次采煤工作面空氣各成份質(zhì)量指標數(shù)值，連續(xù)監(jiān)測3 d，并取各監(jiān)測指標峰值作為計算依據(jù)，整理后的數(shù)據(jù)如表1所示。

2）選取4-1煤順槽綜掘工作面作為試驗掘進工作面，每隔2 h監(jiān)測一次掘進工作面空氣各成份質(zhì)量指標數(shù)值，連續(xù)監(jiān)測3 d，并取各監(jiān)測指標峰值作為計算依據(jù)，整理后的數(shù)據(jù)如表2所示。

從普遍情況來看，我區(qū)現(xiàn)用的水果包裝方式都是用發(fā)泡網(wǎng)或者紙箱來包裝水果，水果的包裝形式還是比較單一的，而且用紙箱包裝檔次也比較低。這種發(fā)泡網(wǎng)的使用，雖然看似能在一定程度上提高包裝的檔次，但實際上卻是中看不中用。因為從整體上來看水果的包裝規(guī)格、尺寸以及包裝上打眼的位置和形狀都是五花八門的，所以自然而然造成質(zhì)量參差不齊，出現(xiàn)了“一流產(chǎn)品、二流包裝、三流價格”的現(xiàn)象，從而也使水果的銷售大打折扣。

表2 4-1煤順槽綜掘工作面單班通風質(zhì)量指標

3）選取主要回風區(qū)段作為試驗掘進工作面，每隔2 h監(jiān)測一次掘進工作面空氣各成份質(zhì)量指標數(shù)值，連續(xù)監(jiān)測3 d，并取各監(jiān)測指標峰值作為計算依據(jù)，整理后的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 主要回風區(qū)段單班通風質(zhì)量指標

表4 通風質(zhì)量指標貼近度E值、F值

3 主要巷道通風質(zhì)量評價

3.1 AHP法計算指標權(quán)重

1）在專家及現(xiàn)場技術(shù)人員打分基礎上，結(jié)合五標度法比較標準，建立準則層、采煤工作面評價指標、掘進工作面評價指標及回風區(qū)段評價指標等比較矩陣。

2）根據(jù)式（1）～（5）依次計算，可求得采煤工作面的擬優(yōu)一致矩陣D 的最大特征值為8，相應的特征向量為[0.127 3，0.097 5，0.505 2，0.237 2，0.158 5，0.468 0，0.510 0，0.398 3]T，權(quán)重為w1=（0.050 9，0.039 0，0.201 9，0.094 8，0.063 4，0.187 0，0.203 8，0.159 2）。同理，可求得其余評判指標對應的指標權(quán)重，分別為：

3.2 TOPSIS法指標綜合評判

1）綜采工作面評價指標綜合評判

Step1：由表2-1 中數(shù)據(jù)建立綜采工作面通風質(zhì)量評判指標的決策矩陣；

Step2：依據(jù)式（7）進行標準化處理；

Step3：由公式（8）計算得到加權(quán)矩陣；

Step4：由公式（9）～（10）計算得出正理想解并求出評價目標與理想解的距離；

Step5：根據(jù)公式（11）求出各待選目標的接近度，并比較各接近度大小。

2）綜掘工作面評價指標綜合評判

計算過程類似綜采工作面通風質(zhì)量評判指標。

3）主要回風區(qū)段評價指標綜合評判

計算過程類似綜采工作面和綜掘工作面通風質(zhì)量評判指標。

3.3 AHP-TOPSIS 模型綜合評判

通過對該煤礦8107綜采工作面、4-1煤順槽綜掘工作面以及主要回風區(qū)段等地點的能夠反映該處通風質(zhì)量的因素指標進行現(xiàn)場監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)加以整理和標準化處理，利用TOPSIS 模型計算出正理想解、負理想解以及各時間段內(nèi)各試驗地點通風質(zhì)量貼近度E，同時結(jié)合AHP所得準則層權(quán)重向量，最終得出該礦井單班各時間段綜合通風質(zhì)量優(yōu)劣結(jié)果向量F。

利用層次分析法計算所得準則層權(quán)重向量w=（0.266 6，0.388 4，0.344 9），根據(jù)TOPSIS法計算得到各個評判指標貼近度矩陣E：

根據(jù)式（12）計算可得到單班各時間段綜合通風質(zhì)量優(yōu)劣結(jié)果向量F：

由AHP-TOPSIS 模型計算所得的該礦綜采工作面、綜掘工作面、主要回風區(qū)段等主要通風地點在單班不同時間段的通風質(zhì)量的貼近度以及綜合通風質(zhì)量優(yōu)劣結(jié)果向量如上述圖表所示。利用貼近度E值來反映各試驗地點不同時間段通風質(zhì)量，利用通風質(zhì)量優(yōu)劣結(jié)果向量F來反映該礦不同時間段綜合通風質(zhì)量。圖5直觀反映出單班不同時間段的通風質(zhì)量，總體來看，在每個生產(chǎn)班工作的1～2 h，試驗地點的通風質(zhì)量貼近度值較于其他時間段的通風質(zhì)量貼近度值，通風質(zhì)量較優(yōu)；單班生產(chǎn)的3～4 h，試驗地點的通風質(zhì)量貼近度值開始減小，通風質(zhì)量開始變差；單班生產(chǎn)的5～6 h，通風質(zhì)量貼近度值最小，此時通風質(zhì)量最差；直到單班生產(chǎn)的7～8 h，該礦主要通風地點的通風質(zhì)量貼近度值有所增大，通風質(zhì)量有所好轉(zhuǎn)。

4 總結(jié)

1）本文將溫度、濕度、風速、瓦斯體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、氧氣體積分數(shù)、粉塵密度等作為綜采工作面通風質(zhì)量的評價指標，將局扇安裝點風速、溫度、濕度、瓦斯體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、氧氣體積分數(shù)、粉塵密度等作為綜掘工作面通風質(zhì)量的評價指標，將回風風速、實際風量、溫度、瓦斯體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、氧氣體積分數(shù)以及粉塵密度等作為回風區(qū)段通風質(zhì)量的評價指標，結(jié)合AHP 法和TOPSIS法求解并綜合評價該礦通風質(zhì)量。

2）在鄂爾多斯色連一礦進行生產(chǎn)的8107 綜采工作面和4-1煤順槽綜掘工作面以及主要回風區(qū)段開展了現(xiàn)場試驗，測得較充分的通風質(zhì)量影響因素指標數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析以及結(jié)合AHP-TOPSIS模型對該礦不同試驗地點不同時間段通風質(zhì)量的貼近度和該礦綜合通風質(zhì)量優(yōu)劣向量進行計算。

3）計算結(jié)果表明，該礦主要通風地點在各時間段的通風質(zhì)量為每班生產(chǎn)的前2個小時，通風質(zhì)量較優(yōu)；中間時間段是生產(chǎn)的主要階段，故此過程中通風質(zhì)量較差；每班生產(chǎn)的后兩個小時，綜采工作面和綜掘工作面通風質(zhì)量較好。此外通過對比貼近度值的大小，該礦綜采工作面、綜掘工作面、主要回風區(qū)段的通風質(zhì)量優(yōu)劣關系為：主要回風區(qū)段＞綜掘工作面＞綜采工作面，但三者通風質(zhì)量優(yōu)劣貼近度相差甚小。