基于AHP-TOPSIS模型的矿井通风质量评价

王国军

（晋能控股煤业集团鄂尔多斯矿业投资有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

在社会进步和经济发展的过程中，能源起到了不可替代的作用。近年来随着社会的高速发展，煤炭资源的社会需求量只增不减，煤炭资源的开采量随之增加。但在煤矿开采的同时伴随着各种各样的安全问题，比如瓦斯、煤尘、火灾等严重危害人的身体健康，而矿井通风质量的好坏直接关系到井下风源性灾害发生的概率。矿井通风的主要任务是为井下生产环境供应新鲜空气，稀释有害气体，按照通风路线将有毒有害气体排出矿井，为矿井工人创造一个良好的工作环境。所以在煤矿“一通三防”管理工作中，通风是首要管控的，是保证矿山安全生产的基础。因此对一个煤矿井下通风质量进行科学、客观的评价至关重要，评价结果是矿井通风安全管理工作的需要，也是今后矿井通风系统整体调整的依据，矿井通风质量的有效评价对矿井安全生产和有效管理能够起到促进作用。

国内外众多专家学者在矿井通风安全评价方面进行了大量的研究。付天予、马恒等[1]建立了非线性规划的组合赋权模型，并将3 个矿井作为研究对象进行了通风安全评价分析。赵红红、蒋曙光等[2]以大柳塔煤矿的通风系统为研究背景，采用改进后的层次分析法建立了通风系统评价体系，确定了大柳塔煤矿通风质量的影响因素的权重。刘庆龙、魏夕合等[3]将灰色关联度和神经网络结合起来建立了评价模型，对矿井通风系统进行综合评价。靳红梅、党琪等[4]基于FCEAHP模型建立了矿井通风质量动态评价模型，并基于此模型对东滩煤矿的通风质量进行了评价。

本文以矿井通风质量影响因素指标实际测定值为基础，结合AHP（层次分析法）和TOPSIS（逼近理想解排序法）建立矿井通风质量综合评价模型，对矿山井下主要巷道的通风质量进行评价研究。

1 AHP-TOPSIS评价模型建立

1.1 AHP法计算原理

AHP（层次分析法）的核心是将不同影响决策问题的因素按照一定规则划分为不同层次结构。具体操作为：通过两两因素标度值相互比较，从而进行定性和定量分析。两两因素进行标度值比较的目的是建立比较矩阵，此过程中，传统的九标度法和三标度法因分级过多和分级过少会产生相对应的问题。因此采用折中的五标度法进行评判更为合理。五标度法的AHP 计算方案优选步骤如下：

1）建立综合评判体系，对评判体系中各元素进行赋值，构造比较矩阵A。因素i与因素j比较记为aij，则因素j和因素i的比较为bij=。

2）构造判断矩阵B。各元素bij的计算如式（1）所示。

式中ri为比较矩阵各指标重要性排序指数；rmax为ri的最大值；rmin为ri的最小值。

3）构造传递矩阵C。各元素cij的计算如式（2）所示。

4）构造拟优一致矩阵D。各元素dij计算如公式（3）所示。

5）计算矩阵D的最大特征值，对特征向量进行归一化处理，得到权重wi。评判体系中各元素权重构成的权重向量如公式（4）所示。

1.2 TOPSIS原理

TOPSIS 又称为逼近理想解排序法。TOPSIS 采用欧式距离，基于无量纲决策矩阵，通过各待选方案和最理想解的接近程度为评价方案优劣的依据。采用TOPSIS法进行评价通常包括以下六步骤。

1）构建初始决策矩阵

其中，aij(i=1,2,…x；j=1,2,…y)表示第i个待选方案中第j个指标值。

2）决策矩阵标准化处理。

由式（5）、（6）得到进行标准化处理的决策矩阵如下：

3）将式（7）结合式（4）进行加权处理可以得到如下加权矩阵：

4）评价目标与理想解的距离。

1.3 AHP-TOPSIS综合评价模型

根据AHP计算的权重向量w，并结合TOPSIS计算的贴近度矩阵E可以得到各主要巷道通风质量优劣结果向量F。AHP-TOPSIS模型评价流程见图1。

图1 AHP-TOPSIS模型评价流程

图2 不同时间段通风质量贴近度

图3 不同试验地点通风质量平均贴近度

2 AHP-TOPSIS模型的工程应用

2.1 评价指标确定及评价体系建立

煤矿主要通风区域包括采煤工作面、掘进工作面以及回风区段等，影响各主要通风区域通风质量的因素不尽相同，将影响通风质量的主要因素作为评价指标建立各主要区域的通风质量评价体系，各主要区域评价指标及体系如下。

1）采煤工作面通风质量评价指标体系

影响采煤工作面通风质量的主要因素有温度、湿度、风速、瓦斯体积分数、二氧化碳体积分数、一氧化碳体积分数、氧气体积分数、粉尘密度等，故将上述影响因素作为主要评价指标建立采煤工作面通风质量评价体系。

2）掘进工作面通风质量评价指标体系

影响煤矿掘进工作面通风质量的主要影响因素有局扇安装点风速、温度、湿度、瓦斯体积分数、二氧化碳体积分数、一氧化碳体积分数、氧气体积分数、粉尘密度等，故将上述影响因素作为主要评价指标建立掘进工作面通风质量评价体系。

3）主要回风区段通风质量评价指标体系

影响回风区段通风质量的主要因素有回风风速、实际风量、温度、瓦斯体积分数、二氧化碳体积分数、一氧化碳体积分数、氧气体积分数以及粉尘密度等。故将上述影响因素作为主要评价指标建立回风区段通风质量评价体系。

2.2 评价模型数据获取

1）该矿井生产制度为三八制，每班生产时间为8 h，将8107综采工作面作为试验采煤工作面，每隔2 h监测一次采煤工作面空气各成份质量指标数值，连续监测3 d，并取各监测指标峰值作为计算依据，整理后的数据如表1所示。

2）选取4-1煤顺槽综掘工作面作为试验掘进工作面，每隔2 h监测一次掘进工作面空气各成份质量指标数值，连续监测3 d，并取各监测指标峰值作为计算依据，整理后的数据如表2所示。

从普遍情况来看，我区现用的水果包装方式都是用发泡网或者纸箱来包装水果，水果的包装形式还是比较单一的，而且用纸箱包装档次也比较低。这种发泡网的使用，虽然看似能在一定程度上提高包装的档次，但实际上却是中看不中用。因为从整体上来看水果的包装规格、尺寸以及包装上打眼的位置和形状都是五花八门的，所以自然而然造成质量参差不齐，出现了“一流产品、二流包装、三流价格”的现象，从而也使水果的销售大打折扣。

表2 4-1煤顺槽综掘工作面单班通风质量指标

3）选取主要回风区段作为试验掘进工作面，每隔2 h监测一次掘进工作面空气各成份质量指标数值，连续监测3 d，并取各监测指标峰值作为计算依据，整理后的数据如表3所示。

表3 主要回风区段单班通风质量指标

表4 通风质量指标贴近度E值、F值

3 主要巷道通风质量评价

3.1 AHP法计算指标权重

1）在专家及现场技术人员打分基础上，结合五标度法比较标准，建立准则层、采煤工作面评价指标、掘进工作面评价指标及回风区段评价指标等比较矩阵。

2）根据式（1）～（5）依次计算，可求得采煤工作面的拟优一致矩阵D 的最大特征值为8，相应的特征向量为[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，权重为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，可求得其余评判指标对应的指标权重，分别为：

3.2 TOPSIS法指标综合评判

1）综采工作面评价指标综合评判

Step1：由表2-1 中数据建立综采工作面通风质量评判指标的决策矩阵；

Step2：依据式（7）进行标准化处理；

Step3：由公式（8）计算得到加权矩阵；

Step4：由公式（9）～（10）计算得出正理想解并求出评价目标与理想解的距离；

Step5：根据公式（11）求出各待选目标的接近度，并比较各接近度大小。

2）综掘工作面评价指标综合评判

计算过程类似综采工作面通风质量评判指标。

3）主要回风区段评价指标综合评判

计算过程类似综采工作面和综掘工作面通风质量评判指标。

3.3 AHP-TOPSIS 模型综合评判

通过对该煤矿8107综采工作面、4-1煤顺槽综掘工作面以及主要回风区段等地点的能够反映该处通风质量的因素指标进行现场监测，并对监测数据加以整理和标准化处理，利用TOPSIS 模型计算出正理想解、负理想解以及各时间段内各试验地点通风质量贴近度E，同时结合AHP所得准则层权重向量，最终得出该矿井单班各时间段综合通风质量优劣结果向量F。

利用层次分析法计算所得准则层权重向量w=（0.266 6，0.388 4，0.344 9），根据TOPSIS法计算得到各个评判指标贴近度矩阵E：

根据式（12）计算可得到单班各时间段综合通风质量优劣结果向量F：

由AHP-TOPSIS 模型计算所得的该矿综采工作面、综掘工作面、主要回风区段等主要通风地点在单班不同时间段的通风质量的贴近度以及综合通风质量优劣结果向量如上述图表所示。利用贴近度E值来反映各试验地点不同时间段通风质量，利用通风质量优劣结果向量F来反映该矿不同时间段综合通风质量。图5直观反映出单班不同时间段的通风质量，总体来看，在每个生产班工作的1～2 h，试验地点的通风质量贴近度值较于其他时间段的通风质量贴近度值，通风质量较优；单班生产的3～4 h，试验地点的通风质量贴近度值开始减小，通风质量开始变差；单班生产的5～6 h，通风质量贴近度值最小，此时通风质量最差；直到单班生产的7～8 h，该矿主要通风地点的通风质量贴近度值有所增大，通风质量有所好转。

4 总结

1）本文将温度、湿度、风速、瓦斯体积分数、二氧化碳体积分数、一氧化碳体积分数、氧气体积分数、粉尘密度等作为综采工作面通风质量的评价指标，将局扇安装点风速、温度、湿度、瓦斯体积分数、二氧化碳体积分数、一氧化碳体积分数、氧气体积分数、粉尘密度等作为综掘工作面通风质量的评价指标，将回风风速、实际风量、温度、瓦斯体积分数、二氧化碳体积分数、一氧化碳体积分数、氧气体积分数以及粉尘密度等作为回风区段通风质量的评价指标，结合AHP 法和TOPSIS法求解并综合评价该矿通风质量。

2）在鄂尔多斯色连一矿进行生产的8107 综采工作面和4-1煤顺槽综掘工作面以及主要回风区段开展了现场试验，测得较充分的通风质量影响因素指标数据，并通过数据处理、数据分析以及结合AHP-TOPSIS模型对该矿不同试验地点不同时间段通风质量的贴近度和该矿综合通风质量优劣向量进行计算。

3）计算结果表明，该矿主要通风地点在各时间段的通风质量为每班生产的前2个小时，通风质量较优；中间时间段是生产的主要阶段，故此过程中通风质量较差；每班生产的后两个小时，综采工作面和综掘工作面通风质量较好。此外通过对比贴近度值的大小，该矿综采工作面、综掘工作面、主要回风区段的通风质量优劣关系为：主要回风区段＞综掘工作面＞综采工作面，但三者通风质量优劣贴近度相差甚小。