基于模糊数学法的矿井通风系统评价方法研究.pdf

第 2 2卷第 2期 2 0 1 3年 6月 矿 冶 MI NI NG MET AL LURGY Vo 1 2 2NO 2 J u n e 2 0 1 3 文章 编号 ： 1 0 0 5 7 8 5 4 ( 2 0 1 3 ) 0 2 - 0 0 1 9 - 0 5 基于模糊数学法的矿井通风系统评价方法研究 牛 肖铮 吕力行 林 吉飞 李基 隆 ( 1 昆明理工大学 国土资源与工程学院，昆明 6 5 0 0 9 3 ； 2 同煤集 团麻 家梁 煤 业有 限公 司 ， 山西 朔州 0 3 6 0 0 0 ) 摘 要 ： 传统的评价方法只能单指标比选， 不能很好体现专家经验， 缺乏系统性和科学性。采用基于 模糊 数学法 的评价方 法评价 矿井通 风系统 ， 可有效 体现专家经验 和矿井通风 系统的特点 。本 文从 评价 指标体系构建 、 评价指标 权值 确定等方面对 矿井通 风系统评 价方法进行研究 ， 并 以模糊数学 的方法对云 南某铜矿矿井通风系统进 行评价。结果表明 ， 该评 价方法确定的矿 井通 风系统参数科学合理 ， 具备一定 的推广应用 价值 。 关 键 词 ：矿井通风 系统 ； 层次分析法 ； 模糊数学 ； 指标权值 中图分类号 ： T D 7 2 文献标志码 ： A d o i： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 - 7 8 5 4 2 0 1 3 0 2 0 0 5 S TUDY ON MI NE VENTI LAT 1 0N S YS TEM EVAL UATI ON METHOD BAS ED ON FUZ ZY MATHEMATI CS M X ia o z h e n g L V L i x in g L I N J i-f e i L I j i。 lo n g ( 1 F a cu l t y o f L a n d R e s o u r ce E n g i n e e r i n g， K u n min g U n i v e r s it y o f S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y，Ku n min g 65 0 0 9 3，Ch in a； 2 Ma j ia lia n g C o a l Min e I n d u s t r y C o ， L t d ， D a t o n g C o a l Min e G r o u p， S u o z h o u 0 3 6 0 0 0 ，S h a n x i， C h in a ) ABSTRACT ：On ly s in g le i nd ica t o r ca n b e s e le ct e d a n d co mp a r e d in t r a d it io na l e v a lu a t i o n me t h o d s，wh ich ca n n o t we ll r e fl e ct t h e e x pe r t e x p e r ie n ce t h us la ck o f s y s t e ma t i c a n d s cie n t i f ic cha r a ct e r s Ev a lu a t io n o f min e v e n t ila t io n s y s t e m b a s e d o n f u z z y ma t h e ma t ica l me t ho d ca n e f f e ct i v e l y r e fl e ct t h e e x p e rt e x pe r ie n ce a n d ch a r a ct e r is t ics o f t h e min e v e n t ila t io n s y s t e m a s we l1 Th e p a p e r a n a ly z e s min e v e n t ila t io n s y s t e m e v a l ua t io n me t h o d f r o m t h e co n s t r u ct io n o f e v a lu a t io n in d e x s y s t e m ，e v a l ua t io n o f t h e de t e r mina t io n o f t h e in d e x we ig h t a nd o t h e r a s p e ct s，a n d a d o pt s f u z z y ma t he ma t ics me t h o d t o e v a lu a t e t h e v e n t ila t io n s y s t e m o f a co p p e r min e in Yun n a n Pr o v ince Th e r e s u lt s s h o w t h a t t he mi ne v e n t ila t io n s y s t e m p a r a me t e r s d e t e r mi n e d b y t h is e v a lu a t i o n me t ho d is s ci e n t if ic a n d r e a s o n a b le，wi t h ce r t a in a pp li c a t i o n v a lu e KEY W ORDS：min e v e n t i la t io n s y s t e m ；a n a l y t ic h ie r a r ch y p r o ce s s；f u z z y ma t he ma t ics；in d e x we ig h t 在矿床地下开采 中， 矿井通风系统的任务是利 用通风动力向井下提供新鲜风流 ， 达到稀释并排除 污风以及调节作业面气候 ， 保证营造一个 舒适安全 的作业环境 。然而对矿 井通风系统 选择 的影 响 因素很多 ， 各因素在矿井通风 系统评价 中的地位不 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 3 1 7 作者 简介 ： 牛 肖铮， 硕士研究生 ， 研究方 向为矿井通风与安全 、 安 全科学技术理论 。 同， 传统 的矿井通风系统评价仅从单一指标 的对 比 分析来得出结论 ， 不能有效考虑整个矿井通风系统 评价 的系统性 。利用模 糊 数学理 论对 矿井 通 风系统 进行评价， 可有效 考虑各 因素对系统的影 响。同时 合理地利用层次分析法 ， 确定各影响因素的权值 ， 有 效降低人为评价过程中的主观性 ， 确定 出最佳的矿 井 通风 系统 。 矿 冶 1 矿 井通风 系统评价指标建 立 矿井通风系统评价指标的建立是进行矿井通风 系统评价的基础和关键 ， 因此 ， 需要合理的选择各评 价指标 。通过对矿井通风系统特性及矿井通风系统 目标层 准则层 指标层 指标 的物理意义进行研究 ， 确定影响矿井通风系统 的一 级评 价指 标有 3个 ， 在 每个 一 级 指 标 下 又分 设 二级指标 ， 应用层次分析法建立 的矿井通风系统评 价指标体系如图 1所示 。 燃圈图 圈 图 1 矿井通风 系统评价指标体 系 Fig 1 Th e e v a lu a t io n ind e x s ys t e m o f mine v e n t ila t io n s ys t e m 2 用层 次分析 法确定评价指标权 重 2 1 构 造 判断 矩 阵 一 般来说 ， 作为评价准则的指标可 以分为定性 指标和定量指标 ， 在矿井通风系统评价 中， 基本是采 用定 性指 标 。 自 S a a t y 最早提出 19标度以来 ， 出现了多种 标度 。针对定性指标 ， 根据国内学者提出的标度 以及所得判断矩阵的性质差异 ， 可将标度归纳为两 大类 ： I “ 互 反 性 ” 标 度 ， 包括 19标度 、 9 99 1 、 1 0 1 01 8 2标度 和指数标度等 ； I I “ 互补性” 标 度 ， 包括 0 1 0 9标 度 、 01标 度 、 02标 度 、一1 1 标 度、一2 2标度等。19标 度方法存在 问 题 ： 1 ) 1 9标 度 评 判 标 度 系 统 与 人 们 头 脑 中 的 实 际标 度 系统并 非 一 致 ， 且 这 种非 一 致 性 可 能 破 坏 最后的方案排序优选 ； 2 ) 在采用幂迭代特征值法求 解权向量时， 由于判断 矩阵 的不一致性 ， 收敛 较缓 慢 ， 迭代次数多 ， 增加 了计算量 ； 3 ) 当专家给 出的判 断不能满足可接受 的一致性检验 时， 需要重新进行 咨询或进行修订。针对 1 9标度法存在的问题 ， 文 献 提 出 了采 用 构 造 判 断 矩 阵 的 两 阶 段 法 。第 一 阶段采用( 0 ， 1 ， 2 ) 三标度法来对每一元素进行两两 比较后 ， 建立一个 比较矩阵并计算出各元素 的排序 指数 ； 第二阶段通过变换将 比较矩 阵转化为判断矩 阵， 并证明它完全满足一致性的要求。因此 ， 本文采 用两阶段法构造通风系统方案评价指标体系 。 1 ) 建立 比较 矩 阵 用 ( 0 ， 1 ， 2 ) 三标度法来对同一层元素进行两两 比较后建立一个 比较矩阵 ， 并计算出各元 素的重要 性的排序指数 ， 将 比较矩 阵转 化为判断矩阵 ( 这里 采用 极差 法构 造判 断矩 阵 ) 。 ( 0 ， 1 ， 2 ) 三标度法比较矩阵为 E =( e ) ： ，2 指 i比 重要 e； = 1 指 i与 同样重要 ( 1 ) L O 指 i不 如 7 重 要 构 成 的 比较 矩阵 为 e1 n rl e2 n r2 ： ： - e - ( 2 ) 式 中 i， =1 ， 2， ， n ； r l=e 2 ) 将比较矩阵转化为判断矩阵 将 比较矩阵 E =( e 。 ， ) 通过极差法转化 为判 断矩 阵 C： 牛 肖铮等 ： 基于模糊数学法 的矿井通风 系统评 价方 法研 究 c =c 6 r i ( 3 ) 式 中 c 为参数 ， 一般取 c =9 ； R为极 差 ： R =R 一R ( 4 ) 其中： R =ma x r l， r 2 ， ， r ； R i =rain r 1 ， r 2 ， ， 2 2 计算 权 重 向量 排序权 向量计 算方法主要 有特征值法 ( E M) 、 最I I Z 乘法 ( L S M) 、 对数最小二乘法 ( L L E M) 、 混合 最小二乘法( ML S M) 、 梯度特征值法( G E M) 、 最小偏 差法( G L D M) 等。文献 1 0 给 出了定理 ， 说明在判 断矩阵是一致性矩 阵时 ， 各种方法导 出的排序向量 完全相同。文献 1 1 指出合理的排序方法应该 具 有置换不变性 、 相容性、 对称性和协调性等性质 ， 并 指出右主特征向量法满足置换 不变性 和相容性 ， 但 不 满 足 对 称 性 和 协 调 性， 而 对 数 最 小 二 乘 法 ( L L S M) 和最小偏差法 ( G L D M) 均满 足上述 四个性 质。因此本文采用 L L S M法计算矿井通风系统评价 指标的权值 。指标 i的权重计算公式如下 ： n 1 ( Hc ) W f= 一， i =1 ， 2 ， ， n ( 5 ) ( c ) 亡 2 3 矿 井通 风 系统评 价指 标权 值计 算 根据建立 的矿井通风 系统评价指标体系 ， 各指 标权值确定如下 酡。 1 )T一( 。 ， ， X ) ， 几=3 ， 采用两阶段标度法 E ： f， ； 。0 ； c ： f，。133 3 。03。3。 E r l j c r l 。 3 。，11 j Wr= ( 0 2 3 ， 0 0 8 ， 0 6 9 ) ， A r m =3 f， 2 。0 220 1 1 47 1 0 2 l E xl = l 0 I i 0 2 4 l l 。 2 。 2 0 l2 1 9 1 J 0 o 0 C 1 1 0 4 4 0 4 4 1 73 0 1 9 2 28 1 1 3 9 5 0 44 2 2 8 1 1 3 9 5 0 4 4 O 5 8 0 2 5 0 2 5 1 0 1 1 5 2 2 28 2 28 9 1 1=( 0 2 6 ， 0 1 2 ， 0 1 2 ， 0 4 6 ， 0 0 5 ) ， A ：5 3 )X 一( 1 6 ， 1 7 ， I s ， 1 9 ) ， n=4， 采用两 阶段标度 法 构造 判 断矩 阵 ： Ex 2 = Cx 2 = 1 2 0 1 0 0 0 0 1 0 48 0 23 01 l 2 08 1 0 48 0 2 3 4 3 3 2 0 8 1 0 48 9 4 3 3 2 0 8 1 W x 2= ( 0 5 5 ， 0 2 6 ， 0 1 3 ， 0 0 6 ) ， A 肌 =4 4 ) 一( ， 0 ， ， ， ： ) ， n =3 ， 采 用两阶段标度 法构造判断矩阵 ： Ex 3 = 1 2 0 1 0 0 0 0 1 0 48 0 2 3 O1 1 2 0 8 1 0 4 8 O 2 3 4 3 3 2 0 8 1 0 48 9 4 33 2 08 1 Wx 3= ( 0 5 5 ， 0 2 6 ， 0 1 3 ， 0 0 6 ) ， A 船 =3 5 ) 最终得到的指标权值 ： Wr 一，= ( 0 0 6 1 ， 0 0 2 7 ， 0 0 2 7 ， 0 1 0 5 ， 0 0 1 2 ， 0 0 4 2 ， 0 0 2 0 ， 0 0 1 0 ， 0 0 0 5 ， 0 5 6 6 ， 0 0 6 3 ， 0 0 6 3 ) 3模 糊 综合 评 价 3 1原 始指 标矩 阵构 建 以云南某铜矿为例 ， 针对矿 山通风系统存在的 问题 ， 提 出 了 三 种 通 风 系 统 方 案 ： 1 ) 系 统 总 装 机 地 点 为 1 0处 ； 2 ) 系统 总装 机 地 点为 8处 ； 3 ) 系统 总 装 机地点为 7处等 。 。矿井 通风系统评 价指标 中， 定 量 指标 包 括 矿 井 风 压 、 矿 井 总 等 积 孔 、 有 效 风 量 率、 风量供需 比、 通风机效率 、 吨矿通风机电费、 通风 井巷工程费和年经 营费 ； 定性指标包括风机种类及 型号 、 风机 串并联作业 、 用风地点风流稳定性和矿井 抗灾能力 。通过采用专 家打分法确定定 性指标 的 值 ， 最终原始指标取值见表 1所示 。 7 5 3 1 2 2 2 1 2 2 1 0 7 5 3 l 2 2 2 l 2 2 1 O 取 量 权 为 作 一 ； = 一 ? 并 2 2 矿 冶 构建的原始指标矩阵如下 ： A = ( o ) = 1 ( 2 2 0 2 l ； ； ；I 0ml 0 m2 0 mn J 4 1 1 0 8 2 5 4 6 2 6 2 1 08 0 81 5 5 2 2 41 1 0 8 0 8 3 ( 7 ) 79 3 3 8 0 3 4 8 0 1 3 2建立模 糊数 学 评价矩 阵 根 据 通 风 系统 各 指 标 的特 点 ， 对 各 指标 建 立 相 应 的隶属函数。通风系统评价指标主要分为正指标 和负指标 ， 正指标包括矿井 总等积孔 、 有效风量率 、 风量供需 比、 风机种类及型号和通风机效率等 ； 负指 标包 括矿 井 风 压 、 吨 矿 通 风 机 电 费 、 通 风 井 巷 工 程 费、 年经营费、 风机 串并联作业、 用风地点风流稳定 性和矿井抗灾能力等。对于正指标 ， 指标值越大越 好 ， 而对于负指标 ， 则指标值越小越好 ， 其相应的隶 属 函数 如下 ： 式 中 ： n 表示 采矿 方案 i评 价指 标 的取值 ； i = 1， 2， 3； = 1， 2， ， 1 2。 最终得到的原始指标矩阵为： f ， 正 指 标 r = m ( = 1 ，2 ， ， m ； = 1 ， 2 ， ，n ) l ， 负 指 标 0 i i ( 8 ) 式中， n 和 o 分别表示在通风系统方案 中第- 个 指标的最大值和最小值。 最终 得到 模糊 判断 矩 阵为 ： 1 0 9 8 7 0 5 9 4 1 0 8 2 1 1 1 1 、 1 1 0 9 1 3 0 7 5 0 8 9 3 1 0 8 8 9 0 8 1 0 6 0 。 9 9 7 1 0 9 9 1 0 9 9 0 8 8 9 0 7 3 3模糊 评价 根据前面得到的权值 向量和模糊判断矩阵 ， 利 用加权平均模型进行运算 ， 得到矿井通风系统评价 综合 值 ： B = 1 Vr 一， R = ( 0 9 6 1 ， 0 9 5 8 ， 0 9 5 5 ) 根 据最 大隶属 度 原则 ， 确 定 方案 1 ， 即采 用 总 装 机地点为 1 O处的矿井通风系统方案， 与文献 2 采 用灰色关联分析法得到的结果一致 ， 证 明了采用模 糊数学法评价矿井通风系统方案的合理性。 4 结 语 基 于模糊数学法的矿井通风系统评价方法中 ， 采用层次分析法构建矿井通 风系统评价体系 ， 采用 两 阶段 标度 法 和对数 最小 二乘 法得 到矿 井通 风 系统 评价指标权值 ， 利用模糊数学法对矿井通风系统做 出模糊评价 ， 最终选 出合适的矿井通风系统 ， 取得 了 一 定 的研 究成 果 ， 在 矿井 通 风 系 统 评 价 的实 际应 用 中具备一定的推广应用价值。在建立模糊判断矩阵 的时候 ， 对 于隶属度 选 择存 在一定 的不 足 ， 需要 更深 入的研究评 价指标的特点 ， 构建适 当的隶属函数 。 因此 ， 本 文研 究采 用 模 糊 数 学法 的评 价 方 法 需 要 在 实际应用中得到进一步的检验和修正 。 参 考 文献 ： 1 张 秀华 ， 王李管 ， 冯兴 隆 金属 矿 山通 风系统 安全 性综 合评价 J 中国矿 业 ， 2 0 1 0 ， 1 9 ( 4 ) ： 9 3 9 6 2 冯 兴隆 大红 山铜矿 矿井 通风系统优化 改造研究 D 昆明： 昆明理工大学 ， 2 0 0 5 3 熊立 ， 梁棵 ， 王国华 层 次分析 法 中数 字标度 的选 择与 ， l 、 r J 2 3 9 7 6 9 8 8 2 2 3 2 2 1 9 9 9 0 0 0 2 3 2 5 0 5 1 2 3 6 8 1 2 3 9 8 5 4 0 0 0 8 1 7 2 6 8 4 7 8 2 1 3 2 1 ， l J l 【 = A 8 6 8 7 1 9 9 0 0 2 2 8 8 1 9 9 0 0 6 6 6 8 7 8 l 0 0 9 6 1 8 6 7 1 0 0 ，。 一 = 、 J V r L ： R 牛 肖铮 等 ： 基于模糊数学法 的矿 井通 风系统评价方法研究 评价方法研究 J 系统工程理 论与 实践 ， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 7 2 79 4 H a r k e r P T， V a r g a s L G T h e t h e o r y o f r a t i o s ca le e s t im a t i o n ： S a a t y S a n a l y t i c h i e r a r ch y p r o ce s s J Ma n a g e me n t S c ie n ce， 1 98 7， 33： 1 3 83- 1 40 3 5 杜栋 基 于 0 1一 O 9标 度 的 A H P再 研究 J 系统工 程 与 电子术 ， 2 0 0 1 ( 5 ) ： 3 6 3 8 6 张文鸽 ， 黄强 层次分析法 ( A HP ) 的标度分 析及其 在水 利工 程评价 中 的应 用 J 西 北农林 科技 大学学 报 ： 自 然科学版 ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 3 ) ： 1 5 2 1 5 6 7 张晨光 ， 吴泽宇 层次分析法 ( A HP ) 比例标度 的分析与 改进 J 郑州工业大学学 报 ， 2 0 0 0 ， 2 1 ( 2 ) ： 8 5 8 7 8 舒康 ， 梁镇 韩 A H P中的指数 标度 法 J 系统 工程 理 论与实践 ， 1 9 9 0 ( 1 ) ： 6 8 9 朱茵 ， 孟 志勇， 阚叔愚 用层次分析法 计算权重 J 北 方交通大学学报 ， 1 9 9 9 ， 2 3 ( 5 ) ： 1 1 9 1 2 0 1 0 郭飞 ， 李 德明 ， 马骏 ， 等 层次 分析 法 中单 一 准则下 的 排序方法 J 黄淮学 刊 ， 1 9 9 4， 1 0 ( 1 ) ： 6 1 6 3 1 1 贾兰香 ， 陈宝谦 层 次分析 决策方 法排 序问题 的一 般 性质 J 南 开 大 学学 报 ： 自然 科 学版 ， 1 9 9 1 ( 2 ) ： 1 9 2 8 1 2 彭祖赠 ， 孙韫 玉 模糊 ( F u z z y ) 数学及 其应用 M 武 汉 ： 武汉大学 出版社 ， 2 0 0 7 ( 上接第 1 8页) 往 均匀 分散 的磷 灰石 悬 浮液 中加入 适量 的磷化 淀粉絮凝剂 ， 轻微搅拌 ， 沉 降一定 时间后 ， 分离 出磷 灰石絮体 。然后 ， 将磷灰石絮体加入 到已经分散好 的石英悬浮液中缓慢搅拌 ， 观察絮体的沉降情况 。 试验发现 ， 大部分石英颗粒与磷灰石 絮体一起 沉降 ， 悬浮液中悬浮的颗粒物很少。由此可见 ， 磷灰 石絮体沉降过程 中对石英颗粒 的凝聚、 网捕作用可 能是导致絮凝选择性降低的另一个原因。 3 结 语 1 ) 单一蒸馏水 中， 磷灰石溶解出的 ca “量不足 以使石英发生凝 聚现象， 且 p H变化对磷灰石溶 解 出 C a 含 量影 响 很 大 ； 碱性 条 件 下 ， 添 加 了 六偏 磷 酸钠的蒸馏水 中， 磷灰石溶解 出 C a “量显著增加 ； 而适 量的六偏磷 酸钠即能较好 地消除 ca 对 石英 颗 粒 间相互 凝 聚 的影响 。 2 ) 通过进一步杂絮凝和 网捕作用试验 ， 认 为罩 盖在石英颗粒表面的极微细磷灰石颗粒通过间接的 “ 架桥” 作用而引起的杂絮凝和磷灰石絮体沉 降过 程中对石英颗粒 的凝聚、 网捕作用导致 了人工混合 矿絮凝选择性的降低 。 3 ) 无论是采用选择性 分散剂 、 絮凝剂 ， 借助各 种检测手段和试验方法 ， 探索药剂与矿 物颗粒表面 作用的机理是成功地实现选择性絮凝工艺 的基础。 虽然 ， 影响选择性絮凝的因素很复杂 ， 但是随着研究 的不断深入， 选择性 絮凝将会越来越多地应用于微 细粒 矿物 的 回收 。 参考 文献 ： 1 S h a n k a r S A R， D e o M G，K u l k a r n i R A， e t a 1 S e l e ct iv e fl o ccu la t io n o f ir o n