层次分析法确定煤与瓦斯突出影响因素的权重

２００４年６月　矿业安全与环保　第３１卷第３期　层次分析法确定煤与瓦斯突出影响因素的权重　范金志　，郭德勇　，张建国　（１．中国矿业大学北京校区，北京１０００８３；　２．平硕山煤业集团公司十二矿，河南平顶山４６７０００）　摘　要：针对煤与瓦斯突出是多因素共同怍ｑｊ的地质动力现象，以平顶山八矿为例，对影响煤与瓦　斯突出的相关因素进行了分析，并运用层次分析法确定了影响突出因素的权重系数，为煤与瓦斯突出　预测和防治提供了科学的依据。　关键词：煤与瓦斯突出；权重；层次分析法　中图分类号：ＴＤ７１３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８－４４９５（２００４）０３—０００４－０２　

煤与瓦斯突出是威胁矿井生产和安全的重要灾　害之一。煤与瓦斯突出的发生受多种因素的影响　，　由于影响突出的因素对不同突出危险性界限往往是　不明确的，具有一定的模糊性，在对煤与瓦斯突出危　险性进行模糊综合评判时，需要考虑每一个因素对　突出的影响程度。如何确定影响突出的主要因素，也　就是确定煤与瓦斯突出影响因素的权重问题是影响　评判结果的关键。权重的确定方法有专家评议法、专　家调查法和层次分析法，前两种方法都是通过专家　直接打分来确定的，没有考虑到因素之间的联系，很　容易受到专家知识水平和经验的限制，而层次分析　法能克服这一缺点，基于此，作者引入层次分析法来　确定煤与瓦斯突出影响因素的权重，提高了评判结　果的准确性。　

１影响煤与瓦斯突出的因素　平顶山八矿是煤与瓦斯突出严重的矿井之一，　由于在生产实践中，积极采取防突措施，突出现象少　有发生，因此，对煤与瓦斯突出影响因素的分析只能　从以往发生过的突出人手，为了便于对八矿突出危　险性进行预测和评价，对其影响突出危险的因素进　行了分析，如表１所示。　从表１中可以看出，对于煤与瓦斯突出的危险性　来说，如果只按单一指标进行判别，将会出现不同的　判别结果，例如：如果只按垂深来判别，按一般规律　来说，垂深大，突出危险性加大，但从表中突出强度　来看却不遵循这一规律，使得对突出危险陛的预测　出现偏差。由此可见，判别煤与瓦斯突出危险性时，　

收稿日期：２００３－１２－２９　基金项目：国家自然科学基金项目（４０００２０１０）　作者简介：范金志（１９７３－），男，内蒙古赤峰人，现为中国矿　业大学（北京校区）硕士研究生，研究方向为安全技术及工程。　４·　

表１平顶山八矿突出点突出强度及其影响因素　突Ｈ｛强垂深煤厚煤层倾软分层瓦斯涌出初　打钻时动　ｆ蔓／ｆ　／　／ｍ　角　。）厚度／ｍ速度／（Ｌ　ｎＪ　地质构造　力现象　

应该充分考虑到影响煤与瓦斯突出的因素。　对于表ｌ中两个定性指标：打钻时动力现象和地　质构造在煤与瓦斯突出模糊综合评判中可采用表２及　表３所示划分出不同的类别来处理，其具体数值根据　动力现象的大小及地质构造复杂情况取不同的值。　表２打钻时动力现象的分类　壁呈　塑　堕当　垫　ｌ　打钻时出现煤炮声、喷瓦斯、喷煤粉的现象　２　打钻时不顺利，顶钻、卡钻的现象　３　打钻时顺利，无顶钻、卡钻现象　

背、向斜轴两侧，断层附近　煤层因地质构造变薄、变厚、倾角变化，或者其它与　突出有关的小构造　与突出相关的小型地质构造及其变化区段、软分层　地质构造极其轻微的地段　

２层次分析法原理　层次权重决策分析法　（简称层次分析法）是由　美国Ａ．Ｌ．ｓａａｔｙ教授提出的一种科学决策方法，是通过　建立层次分析模型，在各层元素中两两进行比较，构　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００４年６月　矿业安全与环保　第３１卷第３期　造出比较判断矩阵　；并引入合适的标度将判断定量　化，通过数学运算计算出各因素的排序权值，从而决　定因素的重要性。　在层次分析法中，为了使决策判断定量化，形成　判断矩阵　，Ａ．Ｌ．Ｓａａｔｙ￣ｌ用了表４中的１～９标度方法：　表４层次分析中的标度方法　标度　ｌ　１　

９　２，４，６，８　例数　

含　义　表示两个因素相比，具有同样重要性　表示两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要　表示两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要　表示两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要　表示两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要　上述两相邻判断的中值　因素　比较得判断ｂ　则因素　与　比较的判断６　。＝ｌ／ｂ　

３煤与瓦斯突出影响因素的层次分析　３．１选择因素集Ｕ　由于影响煤与瓦斯突出的因素很多，不可能也　没有必要将所有因素都罗列出来，只要选取有代表　性的因素进行分析即可。通过上述分析，决定采用煤　层垂深　，煤层厚度　，煤层倾角　，地质构造７Ｔ，软分　层厚度Ｒ，钻孔瓦斯涌出初速度ｑ，打钻时的动力现象　Ｇ等指标，作为评价煤与瓦斯突出危险ｌ生的因素：　３．２构造判断矩阵　判断矩阵的构造是通过对两两因素的比较，根　据其对突出危险性影响的重要程度，依据上面所示　标度由有经验的技术人员和专家来确定，对于平顶　山八矿来说，其煤与瓦斯突出的各影响因素的判断　矩阵如表５所示。　表５煤与瓦斯突出影响因素判断矩阵　８　Ｈ　Ｍ　ｑ　Ｔ　Ｒ　ｌ　ｌ／３　ｌ　６　３　ｌ　４　

３．３求判断矩阵　的特征值　～，和特征向量　特征值Ａ～和特征向量　可采用层次分析法中　的方根法来计算，其步骤如下：　１）计算判断矩阵每一行元素的乘积　兀ｂ　，ｉ＝１，２，…，ｎ　２）计算Ｍ的　次方根　Ｗ　／Ｍ　３）对向量　：［　．，　ｚ，…，　］正规化，即：　所得向量即为特征向量。　Ｊ＝Ｉ　４）计算判断矩阵的最大特征根Ａ～。　入一＝　按照上面的步骤，计算出特征值Ａ～＝７．７８３　５　特征向量　：｛０．０４４　０．０３５　０．Ｏ６４　０．３４７　０．Ｏ９Ｏ　０．１０１　０．３２０）。　３．４一致性检验　为了检验上述特征向量　的可信程度，需要对　判断矩阵进行一致性检验，方法如下：　１）求出一致性检验指标ｃ，　ＣＩ＝等　式中ｎ为判断矩阵的维数，Ａ　为判断矩阵的特征值。　２）选取平均随机一致性指标　，　对于单层次判断矩阵而言，其平均随机一致性　指标Ｒ，随矩阵的维数ｎ变化而变动，取值如表６所示。　表６　ＲＩ随判断矩阵维数ｎ变化表　维数　１　２　３　４　５　６　７　８　９　３）求出一致性指标ＣＲ　当ＣＲ越小时，判断矩阵的完全一致性越好，一般　认为：当ＣＲ≤０．１时，就可认为判断矩阵基本符合完　全一致性条件，属于可以接受的程度。　依据上述原则对矩阵一致性进行检验，ｃ，＝　０．１３０　６，ＲＩ＝Ｉ．３２，ＣＲ＝０．０９８　９≤０．１满足一　致Ｉ生要求，故可以用特征向量　作为权重向量。　４层次权重向量排序　上述对煤与瓦斯突出影响因素进行层次分析得　知，判断矩阵满足一致性要求，具有良好的一致性。因　此，根据上面所述的步骤求出的特征向量　＝｛０．Ｏ４４　０．０３５　０．０６４　０．３４７　０．０９０　０．１０１　０．３２０｝可以作为煤与　瓦斯突出影响因素的权重向量，从中可以看出各因素　的权重大小是不同的，即对煤与瓦斯突出危险性的　影响程度各不相同，为了更加明确地表征影响突出　素的大小，对权重向量　进行排序如表７所示。　表７煤与瓦斯突出影响因素权重向量排序　指标　７１　Ｇ　ｑ　Ｒ　口Ｈ　Ｍ　权重系数０．３４７　０．３２　０．１０１　０．０９　０．Ｏ６４　０．Ｏ４４　０．０３５　

（下转第８页）　５·　

佑　ｑ—　●仃佑佑●　●Ｍ　口　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００４年６月　矿业安全与环保　第３１卷第３期　碍物下的火焰传播速度。再比较Ａ型障碍物和ｃ型障　碍物，它们的挡板高度都一样，Ａ型障碍物挡板间距比　ｃ型障碍物的挡板间距／］￣１０　ｅｍ，只有２０　ｏｍ，且挡板数　比Ｃ型障碍物多２片，因此从图２同样可以看出，在某一　位置处，Ａ型障碍物下的火焰传播速度大于ｃ型障碍　物下的火焰传播速度。对于图３的浓度为８．８０％的甲烷　气体，通过分析同样可以得出相同的结论。因此，在煤　矿井下可能发生瓦斯爆炸的地方，应尽量减少和清除　不必要的障碍物，以防万一发生瓦斯爆炸时引起火焰　加速，从而诱导壁面的煤尘参与燃烧和爆炸，导致爆　炸强度和波及范围的迅速扩大。　

爵点火端距离／ｃｍ　图３障碍物对甲烷诱导煤尘燃烧的火焰速度的加速作用　

２．２甲烷浓度对火焰传播速度的影响　图４是在Ａ型障碍物下，讨论了８．８０％、９．６５％、　７．４２％和１０．１０％等４种不同浓度下甲烷气体诱导煤　尘燃烧的火焰加速作用，从图４可以看出，Ａ型障碍物　对浓度为９．６５％的甲烷气体诱导煤尘燃烧的加速作　用最为显著，其次是浓度为１０．１０％和８．８０％甲烷气　体，影响最小的是浓度为７．４２％的甲烷气体。这表明　对于同一特征尺寸的障碍物，甲烷浓度在越接近化　学计量比时，障碍物对火焰的加速作用越显著。这是　Ｅ　型　图４　Ａ型障碍物Ｆ火焰速度与甲烷浓度的关系　闳为甲烷浓度过高或过低，都会造成甲烷气体或空　气的大量过剩，过量的甲烷气体或空气在火焰传播　的过程中起到冷却作用，从而导致火焰传播速度都　有不同程度的下降。　３结论　１）障碍物对瓦斯煤尘燃烧爆炸过程中的火焰传　播规律具有重要影响。障碍物能够明显地加速火焰　的传播，随着障碍物数量的增加和特征尺寸的增大，　火焰传播速度迅速提高。　２）甲烷浓度对火焰传播速度有重要的影响。对于　同一特征尺寸的障碍物，甲烷浓度越接近化学计量　比，障碍物对火焰的加速作用越显著。　

参考文献：　１　刘晓利，李鸿志．障碍物对铝粉火焰加速作用的实验研究　Ｊ］．爆炸与冲击，１９９５　—２　林柏泉，周世宁，张仁贵．障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰和　爆炸波的影响［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社，１９９９　（责任编辑：吴自立）　

！者　五　蛤　五　；　；　；　：；　；　；　；　七；　；；　；　；　ｊ　，ｉ　！一　；　；　；＼！　、！　＼！　；　；　（上接第５页）　从表７中可以看出，影响煤与瓦斯突出因素的权　重由大到小依次为：地质构造　、打钻时动力现象Ｇ、　钻孔瓦斯涌出初速度ｑ、软分层厚度尺、煤层倾角　、　煤层垂深　和煤层厚度　，预测煤与瓦斯突出时要充　分考虑这些因素的权重系数。　

５结论　１）通过对影响煤与瓦斯突出因素的分析，建立　煤与瓦斯突出影响因素的层次分析模型，得出了权　重排序向量，直观地反映出了影响煤与瓦斯突出各　因素的权重大小，将影响煤与瓦斯突出的定性指标　进行量化，便于判别分析，为预测和防治煤与瓦斯突　出提供了科学的依据。　

８．　

２）层次分析法是在专家知识和经验基础上，利　用具有严密思维的数学方法，使各因素之间相互联　系，可以尽量剔除主观成分，并且可以根据判断矩阵　是否具有一致性来检验权重系数的合理性，使权重　系数比单纯的专家评分确定更合理，从而提高模糊　综合评判的准确性。