煤矿事故论文煤矿事故案例论文浅析范数灰关联理论在煤矿瓦斯爆炸致因分析中的应用

煤矿事故论文煤矿事故案例论文：浅析范数灰关联理论在煤矿瓦斯爆炸致因分析中的应用摘要：采用范数灰关联分析方法对煤矿瓦斯爆炸致因因素进行分析，确定煤矿瓦斯爆炸事故发生的原因；分别计算各类事故致因因素对事故发生的灰色关联度；并根据得出的灰色关联度计算范数灰关联度，进而归一化处理计算结果，得到各影响因素的权重，从而得出结论：机电设备老化是高温热源产生的主要原因，通风系统设计不合理是瓦斯聚集的主要原因。关键词：瓦斯爆炸；致因因素；范数灰关联分析；关联度；权重中国是产煤大国，目前在中国能源消费结构中，煤炭所占比重超过７０％，而且这种能源格局在今后相当长的一段时间内不会改变，煤炭仍将作为中国重要的战略资源，在经济和社会发展中占据极其重要的地位。然而，中国煤矿死亡人数每年都超过６０００人，是世界上煤矿瓦斯事故最严重的国家之一。中国煤矿地质条件复杂，随着煤矿向深部开采，煤矿灾难更趋于严重。相对于其他各类煤矿事故，瓦斯爆炸事故发生更多，事故损失与影响更巨大。煤矿瓦斯爆炸事故一旦发生，不仅造成巨大经济损失，而且造成多人伤亡，带来极为不良的政治影响和巨大的经济损失。可见，有效降低煤矿瓦斯爆炸事故已成为煤矿持续发展的重要因素。一、研究评价对于煤矿瓦斯爆炸事故的研究，崔兆华、王振东等对煤矿瓦斯事故的发生原因进行分析并提出了相应的预防瓦斯事故的对策建议；陈红等从瓦斯爆炸事故一般性管理的角度入手，分析了故意违章和管理失误等因素对煤矿瓦斯爆炸事故特征规律的影响；付华等基于模糊粗糙集的数据挖掘算法建立了瓦斯灾害信息融合模型，并对所建模型进行误差曲线仿真分析。总体而言，对于瓦斯爆炸事故的研究，无论是一般性管理角度、安全技术角度还是事故致因角度，对事故发生原因的各影响因素影响程度的量化研究较少。为了确定煤矿瓦斯爆炸事故致因因素中各类因素影响程度的权重，本文从事故致因角度对瓦斯爆炸事故高温热源产生原因和瓦斯聚集原因进行分析，分别对各个影响因素进行范数灰关联分析与计算，并对计算结果归一化处理，得出各个影响因素的权重。二、事故致因因素分析煤矿瓦斯爆炸必须同时具备三个条件才能发生：１．空气中瓦斯浓度在爆炸范围内；２．高温热源存在时间长度大于瓦斯引火感应器时间长度；３．瓦斯－空气混合气体中的氧浓度大于１２％。在中国煤矿作业环境中，第三个条件始终满足，所以在对瓦斯爆炸事故发生条件的实际研究中，多数研究都主要集中于对瓦斯聚集和高温热源的研究。（一）高温热源产生原因对于瓦斯爆炸事故高温热源的产生原因，本文主要总结了三个方面：１．违章放炮，如：简化放炮程序、违章使用明电放炮、放糊炮、多母线放炮、连续放炮以及上下端平行放炮等；２．金属矿物碰撞／吸烟；３．机电设备老化。（二）瓦斯聚集原因经过统计总结，引起瓦斯聚集的主要原因有四个方面：１．矿井通风系统设置不合理；２．局部通风机停机；３．停电导致停风；４．其他违章操作。三、分析方法本文采用范数灰关联度分析方法对煤矿瓦斯爆炸致因因素进行分析。（一）灰关联度计算灰色系统理论关联度分析方法是指从系统离乱的、随机的行为特征中确定因素间的关联程度，主要是根据对系统统计序列曲线几何形状的相似程度的比较来描述系统中各个因素之间的关联程度。各因素间序列曲线的几何形状越接近，则说明它们之间的关联度越大。灰色关联度记为γ（Ｘ０，Ｘｉ），简记为γ０ｉ，第ｋ点观测数据的关联系数记为γ（ｘ０（ｋ），ｘｉ（ｋ）），简记为γ０ｉ（ｋ）。灰色关联度的计算步骤如下：第一步，确定参考序列和比较序列。参考序列为Ｘ０，相应的比较序列为Ｘｉ，即：第二步，对各序列无量纲化。无量纲化使指标数据标准化、正规化；通常的无量纲化方法有初值法、均值法和区间值法，前两种方法应用较为广泛。初值法：令均值法：令第三步，计算差序列。记第四步，计算两极最大差与最小差。记Ｍ＝第五步，计算关联系数。第六步，计算关联度。设表示第ｉ个比较序列中所有数据的灰关联系数构成的灰关联系数序列。（二）范数灰关联度计算基于均值获取的灰关联度可能造成对关联因素个性信息的湮没，而基于范数关联度的分析，由于引入了近距和远距，其计算结果显示具有更好的整体接近性，能充分利用传统方法计算出来的灰关联度，使灰色关联分析定量化。范数灰关联度的计算步骤如下：第一步，列出关联系数理想序列与负理想序列。设η０ｉ（ｉ＝１，２，…，ｍ）表示第ｉ个比较序列灰关联系数序列，则有η０ｉ（ｋ）＝｛γ０ｉ（ｋ）｜ｋ＝１，２，…，ｎ｝，并称η＋０ｉ＝｛ｍａｘｉγ０ｉ（ｋ）｜ｉ＝１，２，…，ｍ；ｋ＝１，２，…，ｎ｝＝｛η＋０ｉ（ｋ）｜ｋ＝１，２，…，ｎ｝为关联系数理想序列，称η－ｏｉ＝｛ｍｉｎｉγ０ｉ（ｋ）｜ｉ＝１，２，…，ｍ；ｋ＝１，２，…，ｎ｝＝｛η－０ｉ（ｋ）｜ｋ＝１，２，…，ｎ｝为关联系数负理想序列；η＋０ｉ表示与参考序列距离最近的比较序列，η－０ｉ表示与参考序列距离最远的比较序列。第二步，计算第ｉ个比较序列的近距和远距。关联系数序列的范数通常有１－范数，２－范数，ｐ－范数，∞－范数。本文采用２－范数进行计算，则第ｉ个比较序列的２－范数可定义为：第ｉ个比较序列的近距：第ｉ个比较序列的远距：第三步，计算范数灰关联度。在确定各因素间的关联关系时，如果“近距越小，远距越大”，则说明比较序列的关联性越强；反之，说明比较序列的关联性越弱［７］。第ｉ个比较序列的范数灰关联度可定义为：‖η０ｉ‖－２＝０，则比较序列为最弱关联序列，此时范数灰关联度εｉ为０；当‖η０ｉ‖２＋＝０时，比较序列为最强关联序列，此时范数灰关联度εｉ为１。第四步，计算第ｉ个比较序列的权重系数。将范数灰关联度归一化计算后作为因素权重系数，则第ｉ个子因素与母因素作比的因素权重系数为：四、瓦斯爆炸致因因素灰关联分析（一）原始数据选取本文的原始数据是从中国煤矿安全网、慧典市场研究报告网、中国安全天地网、国研网等网站搜集，并参考《中国煤矿重大事故中的不安全行为研究》一书中的相关数据进一步统计得出的。现以煤矿瓦斯爆炸事故起数作为参考序列Ｘ０。在事故高温热源产生原因中，将违章放炮引起爆炸死亡人数为比较序列Ｘ１，金属矿物碰撞／吸烟引起爆炸起数为比较序列Ｘ２，机电设备不达标率为比较序列Ｘ３，具体数据如表１所示。在事故瓦斯聚集原因中，将通风系统不合格率作为比较序列Ｘ４，局部通风机停机引起瓦斯爆炸起数为比较序列Ｘ５，停电导致停风引起瓦斯爆炸起数为比较序列Ｘ６，其他违章引起瓦斯爆炸起数为比较序列Ｘ７，具体数据如表２所示。（二）原始数据无量纲化本文采用均值法对原始数据进行无量纲化，根据公式（２）进行计算，计算结果如表３所示。（三）计算差序列运用公式（３）求差序列，计算结果如表４所示。通过表４可以得知，所有的Δｉ（ｋ）中，最大值Ｍ＝０．２９６５，最小值ｍ＝０．０００６。（四）计算关联系数和关联度为了更好地区别各影响因素对煤矿瓦斯爆炸高温热源以及瓦斯聚集原因的贡献率，本文取分辨系数为０．４，运用式（４）进行关联系数的计算，计算结果如表５所示。根据各关联系数，运用式（５）计算相应的关联度，计算结果为γ０ｉ＝｛０．６７６２，０．５１４８，０．７７２２，０．８４８０，０．６０２０，０．５９５９，０．５８４７｝；ｉ＝１，２，…，７。（五）结果分析由上述计算结果可知，在煤矿瓦斯爆炸事故高温热源产生原因分析中，γ０１＝０．６７６２，γ０２＝０．５１４８，γ０３＝０．７７２２，也即γ０３＞γ０１＞γ０２；在煤矿瓦斯爆炸瓦斯聚集原因分析中，γ０４＝０．８４８０，γ０５＝０．６０２０，γ０６＝０．５９５９，γ０７＝０．５８４７，也即γ０４＞γ０５＞γ０６＞γ０７。五、瓦斯爆炸致因因素范数灰关联分析在对煤矿瓦斯爆炸事故致因因素灰关联分析的基础上，根据灰关联系数的计算结果，对各致因因素进行范数灰关联分析。（一）确定理想序列／负理想序列依据表５中的关联系数，分别列出各比较序列关联系数的理想序列和负理想序列。理想序列为：η＋０ｉ＝｛０．９２０５，０．８７７１，０．９９０９，１，０．８３０１，０．９３７８，０．８９８３｝；ｉ＝１，２，…，７负理想序列为：η－０ｉ＝｛０．４７６６，０．２８７２，０．３７１９，０．６３０７，０．３２１３，０．３９１８，０．３５１３｝；ｉ＝１，２，…，７。（二）计算近距／远距通过式（６）和式（７）计算各个比较序列的近距和远距。各比较序列近距为：各比较序列远距为：（三）计算范数灰关联度利用式（８）计算各个序列的范数灰关联度，经过计算，七个比较序列的范数灰关联度为：（四）计算权重系数利用式（９）将所得范数灰关联度归一化作为因素权重系数，结果如下：（五）结果分析从范数灰关联分析结果可知，在煤矿瓦斯爆炸事故高温热源产生原因分析中，范数灰关联度ε１＝０．５３５５，ε２＝０．３９６２，ε３＝０．５８２４，ε３＞ε１＞ε２，与之前的灰关联度γ０３＞γ０１＞γ０２具有相同的排列顺序；又各序列权重系数ω１＝０．３５３７，ω２＝０．２６１７，ω３＝０．３８４７，ω３＞ω１＞ω２，且ω１＋ω２＋ω３＝１．０００１≈１，则在煤矿瓦斯爆炸事故高温热源产生致因因素分析中，违章放炮（Ｘ１）对高温热源产生的贡献率为０．３５３７，金属矿物碰撞／吸烟（Ｘ２）对高温热源产生的贡献率为０．２６１７，机电设备老化（Ｘ３）对瓦斯爆炸事故中高温热源产生的贡献率为０．３８４７。同理，由上述计算结果可知，在煤矿瓦斯爆炸瓦斯聚集原因分析中，各序列范数灰关联度ε４＝０．６０１６，ε５＝０．５９１５，ε６＝０．５５０４，ε７＝０．４３７１，可见，ε４＞ε５＞ε６＞ε７，与之前的灰关联度计算结果γ０４＞γ０５＞γ０６＞γ０７排列次序相同；又各序列权重系数ω４＝０．２７５９，ω５＝０．２７１３，ω６＝０．２５２４，ω７＝０．２００４，ω４＞ω５＞ω６＞ω７，且ω４＋ω５＋ω６＋ω７＝１，则矿井通风系统不合理（Ｘ４）对瓦斯聚集的贡献率为０．２７５９，局部通风机停机（Ｘ５）对瓦斯聚集的贡献率为０．２７１３，停电导致停风（Ｘ６）对瓦斯聚集的贡献率为０．２５２４，其他违章操作（Ｘ７）对瓦斯聚集的贡献率为０．２００４。六、结论煤矿瓦斯爆炸的发生是多因素相互作用的结果，本文主要分析了瓦斯爆炸事故高温热源产生的原因以及瓦斯聚集原因。事故高温热源主要由违章放炮、金属矿物碰撞／吸烟引起爆炸以及机电设备老化等原因引起；瓦斯聚集的主要原因是通风系统不合理、局部通风机停机、停电导致停风以及一些其他的人为违章行为。本文将范数灰关联度引入到煤矿瓦斯爆炸事故致因分析中，定量描述各影响因素对事故发生的影响程度，也即确定各影响因素的权重系数，得出机电设备老化是高温热源产生的主要原因，贡献率为０．３８４７；通风系统设计不合理是瓦斯聚集的主要原因，贡献率为０．２７５９。权重系数计算结果为煤矿瓦斯爆炸事故原因分析以及采取相应的防范措施提供了量化依据。随着中国对煤矿瓦斯治理力度的加大，煤矿对瓦斯治理的投入也随之增大，如重新设置通风体系，更换破损机电设备，规范生产运作流程等。这些措施均在一定程度上减少了煤矿瓦斯爆炸的次数及其破坏性。参考文献：［１］陈红．中国煤矿重大事故中的不安全行为研究［Ｍ］．北京：科学出版社，２００６：４．［２］崔兆华．２００１—２００８年中国煤矿瓦斯事故统计及原因分析［Ｊ］．科技情报开发与经济，２００９，１９（２１）：１３９－１４１．［３］王振东，祁振松，蒋丽．煤矿瓦斯事故的统计分析及防治对策［Ｊ］．中州煤炭，２００９（２）：８７－８９．［４］陈红，祁慧，谭慧．基于特征源与环境的煤矿重大瓦斯爆炸规律［Ｊ］．辽宁工程技术大学学报，２００５，２４（６）：７９３－７９６．［５］付华，王雨虹．基于数据挖掘的瓦斯灾害信息融合模型的研究［Ｊ］．传感器与微系统，２００８，２７（１）：５２－５４．［６］陈红．中国煤矿重大事故中的不安全行为研究［Ｍ］．北京：科学出版社，２００６：９１．［７］唐红梅，祝辉，李明，等．范数灰色理论在三峡库区危岩形成影响因子综合评价中的应用［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００６，２５（ｓ１）：２６９４－２６９９．［８］高建勇，陈艳霞，党进谦．基于范数灰关联的黄土边坡稳定性影响分析