一种整合煤矿残煤复采条件适宜性预测方法

技术领域

本发明属于煤矿安全领域，具体涉及一种整合煤矿残煤复采条件适宜性预测方法。

背景技术

近年来，随着资源整合政策的执行，大量的中小型煤矿被整合成大型矿井，在整合的井田范围内，存在一个或多个小煤矿采空区，这些采空区范围内赋存大量的优质煤炭资源，并影响整合矿井的开采。对于小煤矿破坏区的煤炭资源，在经过严谨的技术分析之后，在保证安全的和保证效率的前提下进行复采则可以有效的提高煤炭资源的利用率，同时也能够很好地提高矿井的服务年限，延长矿井服务年限，还可以从根本上解决残煤自然发火而引发的矿井火灾、环境污染等一系列问题，只有在对残煤复采资源的盈亏情况、以及各种危险情况有了较为全面的了解后，才能决定煤炭资源是否值得开采、开采的工艺方法以及应对危险的措施，进而从根本上避免盲目决策造成的浪费与损失。

国内外学者对复采评价进行了大量的研究。2010年，国内学者陆刚首次提出了对于残煤复采条件的适宜性建立指标体系进行定量的评价预测，1993年，国外学者Veil，JohnA等首次对复采的范围提出明确的规定，并在此基础上对于提高回采率和改善复采后采区环境做出合理的阐述。为了对整合矿井的残煤开采适宜性进行直观准确的评价，需要对各方面的因素进行充分考虑，以便进行准确的决策，为此需要适当的引入数学方法进行合理的分析，1985年模糊数学家汪培庄教授首次提出改变传统指标权重固定的评价模式，引入具有变权思想的综合决策方法，并在此基础上给出了变权的经验公式。这些研究方法在一定程度上对煤矿残煤复采的防治与预测起到了一定的作用，但所建评价模型在实际操作中指标权重的确定比较固定化，无法体现权重之间的动态变化，对模型指标因素考虑不够全面。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于信息熵修正的VWT-TOPSIS的整合煤矿残煤复采条件适宜性预测方法。

首先对矿区进行主观打分，为避免单一赋权法不能同时体现主客观信息的弊端，运用信息熵对初始权重进行修正，再引入变权函数对权重固化的各指标进行合理的调整，并基于此提出基于正交投影法(“垂面”距离)的TOPSIS模型建立VWT-TOPSIS整合煤矿残煤复采条件适宜性预测方法，对整合矿井残煤是否可以进行复采进行合理评价。

一种整合煤矿残煤复采条件适宜性预测方法，按照如下步骤进行：

步骤1、残煤复采条件适宜性等级的建立；

残煤复采的条件适宜性分析主要是通过对遗留煤炭资源地质构造条件、煤岩层条件、开采的安全性三个方面，选取断层复杂程度、褶皱复杂程度、煤层厚度、煤层倾角、煤层厚度变化程度、煤尘爆炸性、煤自燃倾向性、瓦斯含量、富水系数、顶板胶结状况、冲击矿压危险性，11个指标进行；根据所述指标可得出整合煤矿残煤复采适宜性评价的结构，如图1所示；

步骤2、确定初始权重及信息熵修正初始权重；

步骤2.1、确定初始权重；

在决策的总体目标和与之相关的评价指标之间建立层次结构图，分为目标层，准则层和指标层，之后根据决策者主观印象对每个评价指标进行1-9标度，同时对同层指标根据重要度分级标准进行两两比较，建立判断矩阵；之后对判断矩阵进行一致性检验后确定各指标初始权重

步骤2.2、信息熵修正初始权重；

尽管AHP层次分析法系统性较强、靠性较高，但具有较强的主观色彩，而信息熵作为一种客观赋权法，可以减小权重确定的主观性；信息熵修正AHP层次分析法指标初始权重过程，具体包括以下步骤：

(1)归一化处理：

式中，r

(2)求熵值：

式中，k＞0，一般取k＝1/lnm；

(3)求熵权：

(4)求修正后权重

式中，

步骤3、基于变权理论确定指标权重；

为了克服常权中因在指标评价过程中各指标权重始终不变而导致的计算结果与实际结果产生偏差的情况即“状态失衡”，提出变权理论；

步骤3.1、计算状态变权向量及其矩阵；

计算状态变权向量具体公式为：

式中，B(x)为m维均衡函数；进而得到状态变权向量矩阵；

步骤3.2、计算Hardarmard乘积；

设x＝(x

w·S(x)＝[w

步骤3.3、计算变权向量矩阵；

根据状态变权向量矩阵得到各指标权重；

步骤4、基于VWT的“垂面”距离TOPSIS评价模型的建立；

改进的基于“垂面”距离的TOPSIS方法打破传统TOPSIS方法中可出现评价对象与正负理想解等距情况；如图2所示，以三维空间为例，X，Y两个待评价方案的垂直距离是指分别过X，Y两点的垂面L

步骤4.1、建立初始评判矩阵；

设有m个评价方案，n个评价指标，决策样本值a

步骤4.2、决策矩阵归一化；

由于各指标的量纲不尽相同，在进行决策时需要对指标属性值进行归一化处理，把数值全部变换到[0，1]区间上，根据指标对于整合煤矿残煤复采条件适宜性的影响，分为正向指标和负向指标，因此归一化处理的评判矩阵B

正向指标：

负向指标：

步骤4.3、建立加权标准化评判矩阵；

构建加权标准化评判矩阵Z

式中，f

步骤4.4、确定正负理想解并计算“垂面”距离；

(1)根据加权综合评判矩阵获取评估目标的正负理想解；

S

S

式中，S

(2)计算各方案到正理想解的“垂面”距离P

为简化计算，将坐标原点平移至正理想解点，平移后正理想解为S

P

由上述建立的模型根据矿井条件不同时复采适宜性等级的量化分级标准，可知复采条件适宜性等级。

本发明优点：

(1)通过使用信息熵对层次分析法所得指标进行修正，削弱了AHP确定指标过程中的主观性。与单纯的基于主观经验的确定主观权重的方法相比，提高了计算的效率。

(2)本发明将变权理论引入于整合煤矿残煤复采条件适宜性评价中，通过信息熵修正初始函数的方法得到最佳常权，并在此基础上引入变权模型，根据指标值的差异性合理范围内对指标权重进行调配，避免了常权评价过程中因权重固定使评价指标“状态失衡”的缺陷。同时结合改进的基于“垂面”距离的TOPSIS法，可以定性给出残煤复采条件适宜性等级。

(3)模型能够有效判断残煤复采条件适宜性的等级，并根据计算结果分析得到各层薄弱环节所出现的位置，为决策提供理论依据。

附图说明

图1本发明整合煤矿残煤复采条件适宜性评价指标架构图；

图2本发明“垂面”距离示意图；

图3本发明的一种整合煤矿残煤复采条件适宜性预测方法流程图。

具体实施方式

结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

一种整合煤矿残煤复采条件适宜性预测方法，按照如下步骤进行：

步骤1、残煤复采条件适宜性等级的建立；

根据影响矿井残煤复采的因素将矿井可采性分为3个级别，I级(适宜)、II级(较适宜)、III级(不适宜)，评价准则见表1；以某矿为研究样本，检验矿井残煤复采的有效性；

表1矿井复采可行性评价准则

步骤2、确定初始权重及信息熵修正初始权重；

本实施例各指标主观权重的确定采用AHP层次分析法，同时利用信息熵的方法对初始权重进行修正，所得指标权重如表2所示；

表2指标权重值

步骤3、变权理论确定指标权重；

状态变权向量的构造直接影响变权的结果，为满足均衡性要求以及各状态变权向量的优缺点，本实施例选取具有参数设置灵活、拟合性强等优点的指数型状态变权向量，构造状态变权向量如下：

式中，i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n；α≥0；0＜β≤1；β为否定水平，根据实际情况取α＝0.5，β＝0.3；

则哈达玛(Hardarmard)乘积为：

变权向量矩阵为：

步骤4、基于VWT的“垂面”距离TOPSIS评价模型的建立；

根据式(4.5)得加权标准化决策矩阵为：

根据式(4.6)(4.7)可得正负理想解分别为：

将所有的变权重系数乘以相同的整数，运用“垂面”距离的方法使评估结果扩大10

根据式(4.9)得“垂面”距离P

由以上计算结果得到不同复采条件矿井复采适宜性等级的量化分级标准，其中样本数据P