D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.07.0B 第29卷第7期 北京科技大学学报 Vol.29 No.7 2007年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jd.2007 煤与瓦斯突出预测层次分析模糊综合评判方法 郭德勇)范金志)马世志)王仪斌) 1)中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京1000832)济宁煤炭工业局，济宁272017 3)平顶山煤业集团公司，平顶山467000 摘要将层次分析和模糊综合评判方法结合起来应用于煤与瓦斯突出预测研究中.运用层次分析法确定了煤与瓦斯突出 各影响因素权重系数，采用隶属函数构造了单因素判别矩阵，并运用模糊综合评判法建立了煤与瓦斯突出预测模型.对平顶 山研究区典型工作面进行了瓦斯突出危险性的定量预测和突出等级划分·结果表明，应用层次分析一模糊综合评判方法预测 煤与瓦斯突出强度是可行的· 关键词煤与瓦斯突出：突出预测：层次分析：模糊综合评判 分类号TD713+.2 煤与瓦斯突出是受多种因素控制的复杂的矿井 程度 动力现象.影响瓦斯突出的主要因素是不确定 模糊综合评判就是应用模糊变换原理和最 的，煤与瓦斯突出危险性预测可视为一个多因素决 大隶属度原则，首先考虑与被评价事物相关的各个 定的模糊事件，目前国内外有关煤与瓦斯突出预测 因素，对其进行综合评价，然后对这些因素进行综合 方法很多，如钻孔瓦斯涌出初速度法、综合指标D 分析，最终得出综合评判结果，它作为模糊数学的 和K值法等，它们主要是判断有没有突出危险性， 一种具体应用方法，最早是由我国学者汪培庄提出， 缺少对突出危险程度进行量化和分级处理，层次分 是一种对多个因素影响的事物进行综合评判的方 析模糊综合评判方法是一种对多个因素所影响的 法，煤与瓦斯突出影响因素很多，单因素判别方法 事物进行综合评判的有效方法，不仅可以综合考虑 不能真实反映突出的危险程度，模糊综合评判法不 多种因素的共同作用，判别工作面的突出危险性，还 仅能够考虑多种因素对煤与瓦斯突出的影响，并且 可以对工作面突出危险程度进行等级划分，根据所 能够反应各影响因素的相互关系，评判结果真实可 划分等级指导瓦斯防治工作. 靠，其具体分析过程分为两大步骤，首先建立单因 1层次分析模糊综合评判方法 素评判，然后综合所有因素进行综合评判， 层次分析法[可]又称多层次权重解析法，是将决 2研究区的选择 策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此 平顶山东矿区是煤与瓦斯突出高发区，严重威 基础之上进行定性和定量分析的决策方法，由美国 胁着矿井的安全高效生产，该区域矿井瓦斯地质条 著名运筹学家、匹兹堡大学萨蒂教授于20世纪70 件具有代表性，以该区域为例开展煤与瓦斯突出预 年代初首次提出，它把复杂问题分解成若干个有序 测研究，研究成果具有推广价值·对研究区煤与瓦 层次，根据客观事实判断，对每一层次相对重要性给 斯突出统计表明，在已发生的103次煤与瓦斯突出 予定量表示，然后利用数学方法计算出每层次的全 中，采面共发生33次，煤层巷道掘进突出70次，其 部元素相对重要性次序的数值，并据此对整个问题 中在地质构造带发生突出43次，占41,7%：放炮引 进行综合评价、分析和比较，提出问题的解决方案， 起突出51次，占49.5%；割煤引起31次，占 对于煤与瓦斯突出来说，由于其影响因素的复杂性， 30.1%.煤与瓦斯突出具有如下规律： 可以将其划分成不同层次，以便确定不同层次的权 (1)煤与瓦斯突出危险性随着煤层开采深度的 重大小，从而得出各层次对煤与瓦斯突出的影响 增加而增加.采深500m以上发生突出21次，在 收稿日期：2007-03-02修回日期：2007-04-07 500m以下发生突出60余次 基金项目：国家自然科学基金项目(N。40472084):教育部“新世纪 (②)随着煤层开采深度的增加，煤层瓦斯压力 优秀人才支持计划资助项目(No.NECT-050214) 作者简介：郭德勇(1966一)，男.教授，博士生导师 和含量也不断加大，如十矿戊组和己组煤层瓦斯压
煤与瓦斯突出预测层次分析－模糊综合评判方法 郭德勇1） 范金志12） 马世志3） 王仪斌1） 1） 中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院北京100083 2） 济宁煤炭工业局济宁272017 3） 平顶山煤业集团公司平顶山467000 摘 要 将层次分析和模糊综合评判方法结合起来应用于煤与瓦斯突出预测研究中．运用层次分析法确定了煤与瓦斯突出 各影响因素权重系数采用隶属函数构造了单因素判别矩阵并运用模糊综合评判法建立了煤与瓦斯突出预测模型．对平顶 山研究区典型工作面进行了瓦斯突出危险性的定量预测和突出等级划分．结果表明应用层次分析－模糊综合评判方法预测 煤与瓦斯突出强度是可行的． 关键词 煤与瓦斯突出；突出预测；层次分析；模糊综合评判 分类号 TD713＋∙2 收稿日期：2007-03-02 修回日期：2007-04-07 基金项目：国家自然科学基金项目（No．40472084）；教育部“新世纪 优秀人才支持计划”资助项目（No．NECT－05－0214） 作者简介：郭德勇（1966－）男教授博士生导师 煤与瓦斯突出是受多种因素控制的复杂的矿井 动力现象［1－4］．影响瓦斯突出的主要因素是不确定 的煤与瓦斯突出危险性预测可视为一个多因素决 定的模糊事件．目前国内外有关煤与瓦斯突出预测 方法很多如钻孔瓦斯涌出初速度法、综合指标 D 和 K 值法等它们主要是判断有没有突出危险性 缺少对突出危险程度进行量化和分级处理．层次分 析－模糊综合评判方法是一种对多个因素所影响的 事物进行综合评判的有效方法不仅可以综合考虑 多种因素的共同作用判别工作面的突出危险性还 可以对工作面突出危险程度进行等级划分根据所 划分等级指导瓦斯防治工作． 1 层次分析－模糊综合评判方法 层次分析法［5］又称多层次权重解析法是将决 策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次在此 基础之上进行定性和定量分析的决策方法由美国 著名运筹学家、匹兹堡大学萨蒂教授于20世纪70 年代初首次提出．它把复杂问题分解成若干个有序 层次根据客观事实判断对每一层次相对重要性给 予定量表示然后利用数学方法计算出每层次的全 部元素相对重要性次序的数值并据此对整个问题 进行综合评价、分析和比较提出问题的解决方案． 对于煤与瓦斯突出来说由于其影响因素的复杂性 可以将其划分成不同层次以便确定不同层次的权 重大小从而得出各层次对煤与瓦斯突出的影响 程度． 模糊综合评判［6］ 就是应用模糊变换原理和最 大隶属度原则首先考虑与被评价事物相关的各个 因素对其进行综合评价然后对这些因素进行综合 分析最终得出综合评判结果．它作为模糊数学的 一种具体应用方法最早是由我国学者汪培庄提出 是一种对多个因素影响的事物进行综合评判的方 法．煤与瓦斯突出影响因素很多单因素判别方法 不能真实反映突出的危险程度．模糊综合评判法不 仅能够考虑多种因素对煤与瓦斯突出的影响并且 能够反应各影响因素的相互关系评判结果真实可 靠．其具体分析过程分为两大步骤首先建立单因 素评判然后综合所有因素进行综合评判． 2 研究区的选择 平顶山东矿区是煤与瓦斯突出高发区严重威 胁着矿井的安全高效生产．该区域矿井瓦斯地质条 件具有代表性以该区域为例开展煤与瓦斯突出预 测研究研究成果具有推广价值．对研究区煤与瓦 斯突出统计表明在已发生的103次煤与瓦斯突出 中采面共发生33次煤层巷道掘进突出70次其 中在地质构造带发生突出43次占41∙7％；放炮引 起 突 出 51 次占 49∙5％；割 煤 引 起 31 次占 30∙1％．煤与瓦斯突出具有如下规律： （1） 煤与瓦斯突出危险性随着煤层开采深度的 增加而增加．采深500m 以上发生突出21次在 500m 以下发生突出60余次． （2） 随着煤层开采深度的增加煤层瓦斯压力 和含量也不断加大．如十矿戊组和己组煤层瓦斯压 第29卷 第7期 2007年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．7 Jul．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．07．003
第7期 郭德勇等：煤与瓦斯突出预测层次分析模糊综合评判方法 661. 力达到1.5~2.0MPa,瓦斯含量达18~20m3t-1 个相关因素，然后对这些因素进行综合分析，最终得 (③)煤与瓦斯突出危险性随煤层厚度增大而增 出综合评判结果， 大，在发生的103次突出中，有23次突出发生在煤 层厚度变化带、煤层倾角变化带和构造煤发育带， 4煤与瓦斯突出预测应用 (4)煤与瓦斯突出受地质构造影响尤为明显， 4.1建立煤与瓦斯突出影响因素集 占总突出次数的41.7%.其中在断层附近共发生突 对平顶山东矿区统计结果表明]，影响煤与瓦 出33次，在褶皱带发生突出10次， 斯突出的主要因素有9个：最大开采深度H、煤层 (5)煤与瓦斯突出发生前大多都有预兆·在发 厚度M、煤层倾角α、地质构造T、软分层厚度R、 生突出中有80余次均有喷孔、顶钻、夹钻等突出预 最大钻孔瓦斯涌出初速度q、打钻时动力现象G、最 兆，占突出总次数的77.7% 大瓦斯压力P、煤的最小坚固性系数f,即U= 3 层次分析模糊综合评判模型的 1,u2,…,u9. 4.2建立煤与瓦斯突出危险性评价等级 建立 根据《防治煤与瓦斯突出细则》规定及相关资 3.1模糊综合评判模型 料[]，本论文将工作面突出危险性分为三个等级， 考虑煤与瓦斯突出主控因素对煤与瓦斯突出的 即一般突出危险、中等突出危险和严重突出危险，即 综合影响，采用了“加权平均型”评判模型M(A, V=iv1,v2,03. ⊕)进行评判门.在模型中“八”为取小运算，而“①” 4.3确定单因素权重向量B 表示a⊕B=min(1,a十，即： (1)确定影响因素判断矩阵A·判断矩阵A中 Ci=min 1, 的元素值反映了各因素的相对重要性，为了使 (1) 决策判断定量化，采用1~9标度方法，通过两两因 式中，b:为影响因素山对评价等级v;的权重，Tg为 素的比较，根据其对瓦斯突出危险性影响的重要程 影响因素：对评价等级”；的关系模糊度 度来确定其标值，根据平顶山东矿区实际，由具有 3.2层次分析模糊综合评判模型建立步骤 现场经验的技术人员和专家共同确定（表1） (1)建立影响因素集，影响评判对象的各个因 表1煤与瓦斯突出影响因素判断矩阵 素构成的集合称为因素集，用U表示： Table 1 Judgment matrix of coal and gas outburst factors U=i1,u2,…,um} 其中，um代表第m个影响因素，m表示影响因素 73 /4 1/5 1/51/2 的个数 1/3 /2 /9 1/6 1/7 1/8 1/8 1/5 (2)建立危险性评价等级，评判结果组成的集 12 1/5 1/6 1/71/7 1/4 合称为危险性评价等级集，用V表示： 5 V=v1,v2,…,vn} 2 其中，v。表示第n个评价结果，n表示总的评价结 果个数.模糊综合评判的目的是在综合考虑所有因 1/2 素的基础上，从中选出一个最佳评价结果 1/5 1/31/3 (③)确定单因素权重向量，单因素权重向量的 大小反映了煤与瓦斯突出各影响因素的权重大小， (②)计算判断矩阵A的特征向量W. 即对煤与瓦斯突出危险性影响程度的大小 特征向量计算公式： (4)构造关系模糊矩阵，单因素标准隶属度模 糊矩阵由各单因数隶属度组成，一个具体的模糊对 W=,=1,2,9 (2) 象，首先确定合理的隶属函数，然后应用模糊数学方 向量正规化计算公式： 法进行定量分析 (5)模糊综合评判，模糊综合评判方法应用模 W-3w ,=1,2,…,9 (3) 糊变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物 W: 1 相关的各个因素，对其进行综合评价，首先要考虑各 计算结果见表2
力达到1∙5～2∙0MPa瓦斯含量达18～20m 3·t －1． （3） 煤与瓦斯突出危险性随煤层厚度增大而增 大在发生的103次突出中有23次突出发生在煤 层厚度变化带、煤层倾角变化带和构造煤发育带． （4） 煤与瓦斯突出受地质构造影响尤为明显 占总突出次数的41∙7％．其中在断层附近共发生突 出33次在褶皱带发生突出10次． （5） 煤与瓦斯突出发生前大多都有预兆．在发 生突出中有80余次均有喷孔、顶钻、夹钻等突出预 兆占突出总次数的77∙7％． 3 层次分析－模糊综合评判模型的 建立 3∙1 模糊综合评判模型 考虑煤与瓦斯突出主控因素对煤与瓦斯突出的 综合影响采用了“加权平均型” 评判模型 M （∧ ♁）进行评判［7］．在模型中“∧”为取小运算而“♁” 表示 α♁β＝min（1α＋β）即： Ci＝min 1∑ m i＝1 min（ birij） （1） 式中bi 为影响因素 ui 对评价等级 vj 的权重rij为 影响因素 ui 对评价等级 vj 的关系模糊度． 3∙2 层次分析－模糊综合评判模型建立步骤 （1） 建立影响因素集．影响评判对象的各个因 素构成的集合称为因素集用 U 表示： U＝｛u1u2…um｝ 其中um 代表第 m 个影响因素m 表示影响因素 的个数． （2） 建立危险性评价等级．评判结果组成的集 合称为危险性评价等级集用 V 表示： V ＝｛v1v2…v n｝ 其中v n 表示第 n 个评价结果n 表示总的评价结 果个数．模糊综合评判的目的是在综合考虑所有因 素的基础上从中选出一个最佳评价结果． （3） 确定单因素权重向量．单因素权重向量的 大小反映了煤与瓦斯突出各影响因素的权重大小 即对煤与瓦斯突出危险性影响程度的大小． （4） 构造关系模糊矩阵．单因素标准隶属度模 糊矩阵由各单因数隶属度组成．一个具体的模糊对 象首先确定合理的隶属函数然后应用模糊数学方 法进行定量分析． （5） 模糊综合评判．模糊综合评判方法应用模 糊变换原理和最大隶属度原则考虑与被评价事物 相关的各个因素对其进行综合评价首先要考虑各 个相关因素然后对这些因素进行综合分析最终得 出综合评判结果． 4 煤与瓦斯突出预测应用 4∙1 建立煤与瓦斯突出影响因素集 对平顶山东矿区统计结果表明［8］影响煤与瓦 斯突出的主要因素有9个：最大开采深度 H、煤层 厚度 M、煤层倾角 α、地质构造 T、软分层厚度 R、 最大钻孔瓦斯涌出初速度 q、打钻时动力现象 G、最 大瓦斯压力 P、煤的最小坚固性系数 f即 U ＝ ｛u1u2…u9｝． 4∙2 建立煤与瓦斯突出危险性评价等级 根据《防治煤与瓦斯突出细则》规定及相关资 料［9］本论文将工作面突出危险性分为三个等级 即一般突出危险、中等突出危险和严重突出危险即 V ＝｛v1v2v3｝． 4∙3 确定单因素权重向量 B （1） 确定影响因素判断矩阵 A．判断矩阵 A 中 的元素值 aij反映了各因素的相对重要性．为了使 决策判断定量化采用1～9标度方法．通过两两因 素的比较根据其对瓦斯突出危险性影响的重要程 度来确定其标值．根据平顶山东矿区实际由具有 现场经验的技术人员和专家共同确定（表1）． 表1 煤与瓦斯突出影响因素判断矩阵 Table1 Judgment matrix of coal and gas outburst factors A H M α T R q G P f H 1 3 2 1／6 1／3 1／4 1／5 1／5 1／2 M 1／3 1 1／2 1／9 1／6 1／7 1／8 1／8 1／5 α 1／2 2 1 1／8 1／5 1／6 1／7 1／7 1／4 T 6 9 8 1 4 3 2 2 5 R 3 6 5 1／4 1 1／2 1／2 1／2 2 q 4 7 6 1／3 2 1 1／2 1／2 3 G 5 8 7 1／2 3 2 1 1 3 P 5 8 7 1／2 3 2 1 1 3 f 2 5 4 1／5 1／2 1／3 1／3 1／3 1 （2） 计算判断矩阵 A 的特征向量 W． 特征向量计算公式： Wi＝ 9 ∏ 9 j＝1 aij i＝12…9 （2） 向量正规化计算公式： Wi＝ Wi ∑ 9 i＝1 Wi i＝12…9 （3） 计算结果见表2． 第7期 郭德勇等： 煤与瓦斯突出预测层次分析－模糊综合评判方法 ·661·
.662. 北京科技大学学报 第29卷 表2特征向量计算结果 Table 2 Calculation results of eigenvector W W2 Ws w Ws Ws W: Ws Ws 0.49130.2233 0.3026 3.77461.1072 1.6361 2.3875 2.3875 0.8088 13.1187 WI W2 W3 Wa Ws Ws W7 Ws W9 0.0375 0.0170 0.0231 0.2877 0.0844 0.1247 0.1820 0.1820 0.0617 因此，矩阵A的特征向量W={0.0375, FEBX表示一般突出危险隶属函数，OADCX是中 0.0170,0.0231,0.2877,0.0844.0.1247,0.1820, 等突出危险隶属函数，OBHG是严重突出危险隶属 0.1820,0.0617 函数.采深x对应的隶属度分别为0、α和B,它们 (3)求最大特征值入ma· 构成采深因素的判别矩阵向量，其他因素判别矩阵 (A),=1,2,,n 向量与此类似，它们共同构成模糊关系矩阵R: =台nW: (4) 0 0 1 经计算得入x=9.3772. 0 0 1 (4)一致性检验.为了检验上述特征向量W 0 0 1 的可信度，需要对判断矩阵进行一致性检验.当CR 0 0 1 的值小于0.1时，判断矩阵才具有满意的一致性；否 R= 0 0 y 则就需要调整判断矩阵，检验公式如下： 00.80.2 CR-MI 1 0 0 (5) 1 0 0 - (6) 1 0 0 式中，平均随机性RI值见表3， 表3平均随机性I值 Table 3 Average random index values 维数 123456789 R1指标值0.000.000.580.901.121.241.321.411.45 B x C X/m 利用公式(5)和(6)及表2和表3数据，计算出 图1采深因素隶属函数图 CR=0.033<0.1,满足一致性要求. Fig.1 Depth factor membership function 所以单因素权重向量B=W={0.0375, 4.5计算模糊综合评判结果 0.0170,0.0231,0.2877,0.0844,0.1247,0.1820, C=B.R=[0.03750.01700.02130.2877 0.1820,0.0617. 0.08440.12470.18200.18200.0617]· 4.4构造关系模糊矩阵R 00 1 (1)定性指标定量化.对于煤与瓦斯突出影响 00 1 因素中存在的定性指标，可采用量纲1量化处理 0 0 1 例如：钻孔动力现象是一个定性指标，可以对其界定 0 0 1 一个范围，当打钻动力现象严重时其值定为1，而无 0 0 1 =[0.42570.12470.5726] 动力现象时则定为0，其具体区间的值，可根据动力 00.80.2 现象轻重选取合适的值.地质构造的量化也是如 10 0 此，当地质构造复杂时其值为1，而无地质构造时其 10 0 值为0. L10 0」 (2)构造单因素模糊关系矩阵R,以平顶山十 归一化得：C=[0.37910.11100.5099]. 矿已1524060采面工作面为研究对象，煤层采深因 按照最大隶属度原则，：最大隶属度对应的等 素为例，选用降（升）半梯形分布（图1），其中折线 级即为工作面突出危险性等级，因此，该工作面的
表2 特征向量计算结果 Table2 Calculation results of eigenvector W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 W9 ∑ 9 i＝1 W i 0∙4913 0∙2233 0∙3026 3∙7746 1∙1072 1∙6361 2∙3875 2∙3875 0∙8088 13∙1187 W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 W9 0∙0375 0∙0170 0∙0231 0∙2877 0∙0844 0∙1247 0∙1820 0∙1820 0∙0617 因此矩阵 A 的 特 征 向 量 W ＝｛0∙0375 0∙01700∙02310∙28770∙08440∙12470∙1820 0∙18200∙0617｝． （3） 求最大特征值 λmax． λmax＝ ∑ n i＝1 （ A W）i nWi i＝12…n （4） 经计算得 λmax＝9∙3772． （4） 一致性检验．为了检验上述特征向量 W 的可信度需要对判断矩阵进行一致性检验．当 CR 的值小于0∙1时判断矩阵才具有满意的一致性；否 则就需要调整判断矩阵．检验公式如下： CR＝ CI RI （5） CI＝ λmax－ n n－1 （6） 式中平均随机性 RI 值见表3． 表3 平均随机性 RI 值 Table3 Average random index values 维数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 RI 指标值 0∙000∙000∙580∙901∙121∙241∙321∙411∙45 利用公式（5）和（6）及表2和表3数据计算出 CR＝0∙033＜0∙1满足一致性要求． 所以 单 因 素 权 重 向 量 B ＝ W ＝｛0∙0375 0∙01700∙02310∙28770∙08440∙12470∙1820 0∙18200∙0617｝． 4∙4 构造关系模糊矩阵 R （1） 定性指标定量化．对于煤与瓦斯突出影响 因素中存在的定性指标可采用量纲1量化处理． 例如：钻孔动力现象是一个定性指标可以对其界定 一个范围当打钻动力现象严重时其值定为1而无 动力现象时则定为0其具体区间的值可根据动力 现象轻重选取合适的值．地质构造的量化也是如 此当地质构造复杂时其值为1而无地质构造时其 值为0． （2） 构造单因素模糊关系矩阵 R．以平顶山十 矿已15－24060采面工作面为研究对象煤层采深因 素为例选用降（升）半梯形分布（图1）其中折线 FEBX 表示一般突出危险隶属函数OADCX 是中 等突出危险隶属函数OBHG 是严重突出危险隶属 函数．采深 x 对应的隶属度分别为0、α和β它们 构成采深因素的判别矩阵向量．其他因素判别矩阵 向量与此类似它们共同构成模糊关系矩阵 R： R＝ 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0∙8 0∙2 1 0 0 1 0 0 1 0 0 ． 图1 采深因素隶属函数图 Fig．1 Depth factor membership function 4∙5 计算模糊综合评判结果 C＝B·R＝［0∙0375 0∙0170 0∙0213 0∙2877 0∙0844 0∙1247 0∙1820 0∙1820 0∙0617］· 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0∙8 0∙2 1 0 0 1 0 0 1 0 0 ＝［0∙4257 0∙1247 0∙5726］ 归一化得：C＝［0∙3791 0∙1110 0∙5099］． 按照最大隶属度原则ci 最大隶属度对应的等 级即为工作面突出危险性等级．因此该工作面的 ·662· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第7期 郭德勇等：煤与瓦斯突出预测层次分析模糊综合评判方法 663 突出等级为严重突出危险，同理得出其他工作面的 斯突出的结果与实际突出情况相符，证明了该方法 模糊综合判别向量和突出危险性等级（表4） 的可行性，表明该方法具有应用价值 利用层次分析模糊综合评判方法预测煤与瓦 表4平顶山东矿区实验工作面突出危险性分级 Table 4 Risk degrees of outburst in the experimentation working face in Pingdingshan East Mining Area 矿别 工作面名称 一般突出危险 中等突出危险 严重突出危险 危险性等级 八矿 已15一14060机巷 0.7232 0.1384 0.1384 一般 八矿 戊9.10一14140里切眼 0.4872 0.3873 0.1258 一般 八矿 已15一12100采面 0.1701 0.4168 0.4131 中等 八矿 戊9.1一12170风巷 0.6225 0.1229 0.2556 一般 十矿 已15一24060采面 0.3791 0.1110 0.5099 严重 十矿 己15一22230风巷 0.1020 0.3094 0.5884 严重 十二矿 已15一17150下切眼 0.7804 0.1540 0.0656 一般 十二矿 已15一17190机巷 0.9070 0.0167 0.0763 一般 十二矿 三水平回风下山 0.4999 0.2878 0.2123 一般 业出版社，1990 5 结论 [2]郭德勇，韩德馨，王新义·煤与瓦斯突出的构造物理环境及其 应用.北京科技大学学报，2002,24(6)：581 (1)运用层次分析一模糊综合评判法预测煤与 [3]Shepherd J.Rixon L K.Griffiths L.Outbursts and geological 瓦斯突出的关键是确定各影响因素判断矩阵和影响 structure in coal mines:A review.Int J Rock Mech Min Sci Ge- 因素模糊关系矩阵. omech Abstr.1981.18(4):267 (2)运用层次分析一模糊综合评判法对平顶山 [4]Guo D Y,Song GT,Ku M X.Research on coal structure indices 东矿区煤与瓦斯突出的预测结果表明，在突出矿井 to coal and gas outbursts in Pingdingshan Mine Area.J Coal Sci 中有突出更严重的工作面，在突出工作面中有严重 Eng2002,8(1):1 [5]叶义成，柯丽华，黄德育，系统综合评价技术及其应用，北京： 突出区，加强突出矿井的分区分级管理对突出矿井 冶金工业出版社，2006 综合治理具有重要意义， [6]张跃，皱寿平，宿芬.模糊数学方法及其应用，北京：煤炭工业 (3)确定影响因素模糊关系矩阵的隶属函数没 出版社，1992 有统一的方法，需要根据实际情况和经验进行构建， [7]刘增良，模糊技术与应用选编，北京：北京航空航天大学出版 应加强该方面的研究，逐步对构建方法与模型进行 社，1997 [8]范金志，煤与瓦斯突出预测层次分析一模糊综合评判方法研 优化. 究[学位论文]，北京：中国矿业大学（北京），2003.37 参考文献 [9]梁运培，于不凡·煤与瓦斯突出矿井分级技术。重庆大学学 报：自然科学版，2001,24(5)：70 [1]焦作矿业学院瓦斯地质研究室，瓦斯地质概论.北京：煤炭工 Prediction method of coal and gas outburst by analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation GUO Deyong,FAN Jinzhi),MA Shizhi,WANG Yibin) 1)Resource and Safety Engineering School.China University of Mining and Technology (Beijing).Beijing 100083.China 2)Jining Coal Industry Bureau.Jining 272017,China 3)Pingdingshan Coal (Group)Co.Ltd.Pingdingshan 467000.China ABSTRACI The prediction of coal and gas outburst was studied by analytic hierarchy process (AHP)and fuzzy comprehensive evaluation.In the prediction method,AHP was applied to confirm the weights of coal and
突出等级为严重突出危险．同理得出其他工作面的 模糊综合判别向量和突出危险性等级（表4）． 利用层次分析－模糊综合评判方法预测煤与瓦 斯突出的结果与实际突出情况相符证明了该方法 的可行性表明该方法具有应用价值． 表4 平顶山东矿区实验工作面突出危险性分级 Table4 Risk degrees of outburst in the experimentation working face in Pingdingshan East Mining Area 矿别 工作面名称 一般突出危险 中等突出危险 严重突出危险 危险性等级 八矿 已15－14060机巷 0∙7232 0∙1384 0∙1384 一般 八矿 戊9∙10－14140里切眼 0∙4872 0∙3873 0∙1258 一般 八矿 已15－12100采面 0∙1701 0∙4168 0∙4131 中等 八矿 戊9∙10－12170风巷 0∙6225 0∙1229 0∙2556 一般 十矿 已15－24060采面 0∙3791 0∙1110 0∙5099 严重 十矿 己15－22230风巷 0∙1020 0∙3094 0∙5884 严重 十二矿 已15－17150下切眼 0∙7804 0∙1540 0∙0656 一般 十二矿 已15－17190机巷 0∙9070 0∙0167 0∙0763 一般 十二矿 三水平回风下山 0∙4999 0∙2878 0∙2123 一般 5 结论 （1） 运用层次分析－模糊综合评判法预测煤与 瓦斯突出的关键是确定各影响因素判断矩阵和影响 因素模糊关系矩阵． （2） 运用层次分析－模糊综合评判法对平顶山 东矿区煤与瓦斯突出的预测结果表明在突出矿井 中有突出更严重的工作面在突出工作面中有严重 突出区加强突出矿井的分区分级管理对突出矿井 综合治理具有重要意义． （3） 确定影响因素模糊关系矩阵的隶属函数没 有统一的方法需要根据实际情况和经验进行构建 应加强该方面的研究逐步对构建方法与模型进行 优化． 参 考 文 献 ［1］ 焦作矿业学院瓦斯地质研究室．瓦斯地质概论．北京：煤炭工 业出版社1990 ［2］ 郭德勇韩德馨王新义．煤与瓦斯突出的构造物理环境及其 应用．北京科技大学学报200224（6）：581 ［3］ Shepherd JRixon L KGriffiths L．Outbursts and geological structure in coal mines：A review．Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr198118（4）：267 ［4］ Guo D YSong G TKu M X．Research on coal structure indices to coal and gas outbursts in Pingdingshan Mine Area．J Coal Sci Eng20028（1）：1 ［5］ 叶义成柯丽华黄德育．系统综合评价技术及其应用．北京： 冶金工业出版社2006 ［6］ 张跃皱寿平宿芬．模糊数学方法及其应用．北京：煤炭工业 出版社1992 ［7］ 刘增良．模糊技术与应用选编．北京：北京航空航天大学出版 社1997 ［8］ 范金志．煤与瓦斯突出预测层次分析－模糊综合评判方法研 究［学位论文］．北京：中国矿业大学（北京）2003：37 ［9］ 梁运培于不凡．煤与瓦斯突出矿井分级技术．重庆大学学 报：自然科学版200124（5）：70 Prediction method of coal and gas outburst by analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation GUO Deyong 1）FA N Jinz hi 12）MA Shiz hi 3）WA NG Y ibin 1） 1） Resource and Safety Engineering SchoolChina University of Mining and Technology （Beijing）Beijing100083China 2） Jining Coal Industry BureauJining272017China 3） Pingdingshan Coal （Group） Co．Ltd．Pingdingshan467000China ABSTRACT The prediction of coal and gas outburst was studied by analytic hierarchy process （AHP） and fuzzy comprehensive evaluation．In the prediction methodAHP was applied to confirm the weights of coal and 第7期 郭德勇等： 煤与瓦斯突出预测层次分析－模糊综合评判方法 ·663·
.664 北京科技大学学报 第29卷 gas outburst factors,the judgment matrix of each factor was constructed by membership functions,and the pre- diction model of coal and gas outburst was established by the fuzzy comprehensive evaluation method.The pre- diction method was applied in risk type areas to forecast the coal and gas outburst quantitative intensity and the risk grade was divided in Pingdingshan typical mining area.The results show that the hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method was available for forecasting the coal and gas outburst intensity. KEY WORDS coal and gas outburst;outburst forecast;analytic hierarchy process;fuzzy comprehensive evalu- ation (上接第654页) Complex field theory,unified numerical modeling and integrated 3D visualization for mines LI Zhongxue,HAO Jinhui,LI Cuiping,MA Bin Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China ABSTRACI A conceptual framework of mine complex fields is proposed from the perspective of numerical modeling and visual simulation for geological and mining engineering systems.In view of the current trends to- wards the advancement of so-called digital mines using computation,information and communication technolo- gies,the significance of developing the unified numerical modeling and integrated 3D visualization systems for mine complex fields composed of geological and mining objects and their attributes is emphasized.Oriented to the needs for developing the techniques and systems of digital mines,key issues in and major methods for numer- ical modeling and 3D visual simulation of mine complex fields are presented.Fitting into the framework and us- ing the proposed methods,a prototype system with a Web-based approach for the numerical modeling and 3D vi- sualization of geological drill holes,ore bodies and underground excavations is built to show the methodologies used in constructing the prototype and the usefulness of a unified numerical modeling and 3D visual simulation approach in addressing the problem of complex fields in underground mines. KEY WORDS mine;complex field;modeling and simulation:visualization
gas outburst factorsthe judgment matrix of each factor was constructed by membership functionsand the prediction model of coal and gas outburst was established by the fuzzy comprehensive evaluation method．The prediction method was applied in risk type areas to forecast the coal and gas outburst quantitative intensity and the risk grade was divided in Pingdingshan typical mining area．The results show that the hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method was available for forecasting the coal and gas outburst intensity． KEY WORDS coal and gas outburst；outburst forecast；analytic hierarchy process；fuzzy comprehensive evaluation （上接第654页） Complex field theoryunified numerical modeling and integrated 3D visualization for mines LI ZhongxueHAO JinhuiLI CuipingMA Bin Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Efficient Mining and Safety of Metal MinesUniversity of Science and Technology Beijing Beijing100083China ABSTRACT A conceptual framework of mine complex fields is proposed from the perspective of numerical modeling and visual simulation for geological and mining engineering systems．In view of the current trends towards the advancement of so-called digital mines using computationinformation and communication technologiesthe significance of developing the unified numerical modeling and integrated 3D visualization systems for mine complex fields composed of geological and mining objects and their attributes is emphasized．Oriented to the needs for developing the techniques and systems of digital mineskey issues in and major methods for numerical modeling and3D visual simulation of mine complex fields are presented．Fitting into the framework and using the proposed methodsa prototype system with a Web-based approach for the numerical modeling and3D visualization of geological drill holesore bodies and underground excavations is built to show the methodologies used in constructing the prototype and the usefulness of a unified numerical modeling and3D visual simulation approach in addressing the problem of complex fields in underground mines． KEY WORDS mine；complex field；modeling and simulation；visualization ·664· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷