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避灾硐室选址最优化分析 丁燕峰1， 2， 蒋曙光1， 2， 曹爱虎1， 2 1． 煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江苏 徐州 221008; 2． 中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116 摘要 针对我国煤矿现有紧急避险系统的建设情况， 指出当前避灾硐室存在选址不合理、 逃生 路线不明确等问题。重点对避灾硐室位置选择问题进行深入探讨， 通过引入巷道当量长度的概 念， 应用灰色系统理论对影响避灾硐室位置的关联因素进行全面分析， 计算出避灾硐室最优位 置， 为煤矿企业提供最优避灾方案。 关键词 灰色系统理论; 当量长度; 避灾硐室; 最优选址 中图分类号 TD264 ． 3文献标志码 B文章编号 1003 －496X 2011 12 －0149 －03 虽然我国一些煤矿已经建立了部分避灾硐室， 但是它们功能简单、 避灾硐室位置不合适、 避灾路线 不合理， 难以起到紧急避险的作用。当煤矿井下发 生事故时， 井下交通系统具有高度的不确定性， 井下 巷道的破坏情况、 巷道中是否有有毒有害气体等信 息都是灰色的。所以一个合理位置的避灾硐室能够 更好的减少事故损失， 挽救井下工作人员的生命。 如何选取一个合适的井下避灾硐室位置引导井下工 作人员撤离到避灾硐室等安全地带是至关重要的。 因此利用灰色系统理论对避灾硐室的位置的选择进 行最优化的设计， 选择一个能够使井下工作人员快 速有效地进入避灾硐室的避灾路线和避灾硐室位置 是紧急救援的首要任务。 1避灾硐室地址最优化选择评价指标体系 1． 1避灾硐室地址选择评价指标体系 紧急救援的性质决定了避灾硐室位置的特殊性 和重要性， 所以在避灾硐室位置的选择中， 成本最低 的原则已经不是最主要的了， 应更加注重时间因素， 以逃生所用时间体现效益。综合考虑紧急救援的特 殊性以及最优化选择的影响因素， 选择地质情况、 避 灾硐室离工作面距离、 井下工作人员分布、 煤矿生产 衔接计划、 井下避灾路线分布、 地面情况作为避灾硐 室地址最优化选择的评价指标体系， 见图 1。 地质情况主要是指避灾硐室应该远离各种地质 构造区域， 例如 断层、 岩层断裂破碎带、 岩脉， 不受 地震活动或其他扰动影响的地方。同时， 避灾硐室 的位置区域也要求有相当大的强度， 远离井下火药 库、 变电所、 胶带运输轨道等容易着火和没有积水的 图 1避灾硐室地址选择评价指标体系 地方。避灾硐室离工作面的距离就是求取安全最短 的撤退时间， 但是在煤矿井下最短的撤退距离并不 一定是最短的撤退时间， 这是因为井下巷道的通行 难易程度是不一样的。对于井下巷道， 影响人员行 走速度的因素主要有 巷道断面、 巷道风速、 坡度、 局 部障碍物以及巷道能见度等。将这些因素用通行难 易系数表示后， 使之与巷道的实际长度相乘， 得到的 长度即为当量长度 ［1 ］。通过计算当量长度以后， 各 个支路巷道的通行难易程度就一致了， 最短路线也 就是当量长度最短的路线。 井下人员的分布情况主要是确定避灾硐室的服 务范围， 使井下工作人员能够在自救器工作最大距 离的时间内到达避灾硐室。最大距离是基于人员在 合理的状态下采用合理的装备以合适的行走方式在 自救器持续时间限度内行走的距离［2 ］。煤矿生产 衔接计划决定了避灾硐室的服务时间， 一般永久避 灾硐室服务年限不低于 5 年， 临时避灾硐室服务年 限不大于 5 年 ［3 ］。井下避灾路线的分布情况是根 据避灾硐室的性质决定避灾硐室的位置， 避灾硐室 941 分析探讨 2011 －12 要求位于井下主要避灾路线上。地面情况是指所选 的避灾硐室位置的地面情况， 该处地面距离井下的 距离有多少， 是否适合钻孔作业等这些方面都影响 着避灾硐室的位置的选择。 1． 2巷道当量长度的计算 对于煤矿井下的第 i 条巷道， 其当量长度可通 过下面的公式计算 li x1x2x3xlzi ∑ n j 1lj 1 式中li 第 i 条巷道的当量长度， m; x1 由巷道类型决定的通行难易系数; x2 由巷道中风速决定的通行难易系数; x3 由巷道坡度决定的通行难易系数; lzi 第 i 条巷道的实际长度， m; n 第 i 条巷道中的局部障碍数目; lj 第 j 个局部障碍的当量长度值， m。 巷道通行难易系数 x1、 x2、 x3的取值可参见表 1、 表 2 和表 3， 局部障碍的当量长度 lj可参见表 4。 表 1由巷道类型决定的通行难易系数 序号巷道类型通行难易系数 1进风井筒1．00 2回风井筒1．00 3轨道大巷1．00 4胶带大巷1．00 5总回风巷1．25 6工作面1．30 7总进风 － 采区联络巷1．30 8采区进风 － 回风联络巷1．22 9采面进风 － 回风联络巷1．15 10不可通行巷道∞ 表 2由风速决定的通行难易系数［1 ］ 序号风速/ms －1 通行难易系数备注 1 0， 51．00 2 5， 100．95 3 10， 150．93 4 0， －51．10逆风 5－5， －101．18逆风 6－10， －151．30逆风 2避灾硐室地址最优化选择的灰色评价 2． 1灰色评价符号说明 评价指标序号为 i i 1， 2， 3， ， n ， 评价指标 集 G { G1， G2， G3， ， Gn} 。 表 3由坡度决定的通行难易系数［1 ］ 序号坡度/ 通行难易系数备注 101．0 2 0， 90坡度每增加 1， 系数加 1上行 3 0， －301．0下行 4－30， －60 1．0， 1．9 坡度每增加 1， 系数加 0．03 下行 5－60， －902．0下行 表 4局部障碍的当量长度 序号局部障碍类型通行难易系数备注 1风门1．00 2风桥1．00 3穿越胶带1．10 4穿越轨道1．10 评价灰类序号为 j j 1， 2， 3， ， m ， J { 1， 2， 3， ， m} 。受评可选位置序号为 k k 1， 2， 3， ， p ， K { 1， 2， 3， ， p} ［4 ］。 则 Фj 表示第 j 个灰类对于评价值的白化权函 数， dki k∈K， i∈I 为第 k 个可选地点的第 i 个评价 指标的评价信息值， δki表示 dki归一化处理后的值。 2． 2合适位置评价信息矩阵 避灾硐室的合适位置评价指标是由专家根据避 灾硐室的作用以及煤矿的实际情况综合考虑各种因 素而确定的。因为各个评价指标的计量单位和标准 不同， 所以需要预先进行归一化处理。进行归一化 处理时， 一般将指标分为“越大越优型” 和“越小越 优型” 2 类 ［5 ］， 其分别按下面的方法处理 ①评价指 标越大越优时， 可用上限效果测度， 即 δki dki/ maxdki; ②评价指标越小越优时， 可用下限效果测 度， 即 δki dki/mindki。 将所有评价指标按上述方法归一化处理后， 即 可得到评价信息矩阵 δ δki n m。 2． 3确定评价灰类和各灰类白化函数值 评价信息值实际上是一个灰数的白化值， 为了 真正反应评价对象属于某类的程度， 需要确定评价 灰类。确定评价灰类就是确定评价灰类的等级、 灰 类的灰数、 灰数的白化权函数， 一般情况下视实际情 况而定 ［6 ］。针对研究的问题， 将评价灰类分为优、 良、 中、 差 4 类， 相应的白化权函数为 第一灰类 优 j 1 ， 设定灰数 1∈〔0， 0． 9， ∞〕 ， 白化函数 Фj如图 2 a ; 第二灰类 良 j 2 ， 设定灰数 2∈〔0， 0． 8， 1． 6〕 ， 白化函数 Фj如图 2 051 第 42 卷第 12 期分析探讨 b ; 第三灰类 中 j 3， 设定灰数 3∈〔0 ， 0． 6 ， 1．2〕 ， 白化函数 Фj如图 2 c ; 第四灰类 差 j 4 ， 设定灰数 4∈〔0， 0． 1， 0． 5〕 ， 白化函数 Фj如图 2 d 。 图 2各灰类白化权函数［6 ］ 2． 4计算灰色评价权向量及权矩阵 对于评价指标 Gi， 其第 k 个可选位置属于第 j 个评价灰类的灰色评价系数记 rij k， 则可得 x k ij Φ j δ ki 2 对于评价指标 Gi， 第 k 个可选位置属于各个评 价灰类的总灰色评价系数为 x k i ， 则根据理论推导 得 〔6〕 x k i ∑ 4 j 1x k ij 3 所以对评价指标 Gi， 其第 k 个受评对象 可选 位置 属于第 j 个灰类的灰色评价权可记为 r k ij ， 则 r k ij x k ij x k i 4 由前面可知评价灰类有 4 个， 所以第 k 个受评 者的评价指标 Gi对于各灰类的灰色评价权向量 r k i 为 r k i r k i1 ， r k i2 ， r k i3 ， r k i4 5 由此将 r k i 综合即可得到第 k 个受评者 避灾 硐室的合适位置 的评价指标集 G 所属各指标对于 各评价灰类的灰色评价权矩阵 R k 为 R k r k 1 r k 2 r k             n r k 11 r k 12 r k 13 r k 14 r k 21 r k 22 r k 23 r k 24 r k n1 r k n2 r k n3 r k n             4 6 2． 5计算综合评价值并排序 众所周知在最优化选择中， 各个评价指标对受 评者综合评价的影响程度不一， 所以实际评价中就 需要确定各个评价指标的权重系数。权重系数的确 定采用的是经验赋值法， 即 根据国内外研究情况和 煤矿的实际情况加以确定， 最终将两者的结果进行 附加计算得到各评价指标的最终综合权重 y。因此 可以得到第 k 个合适位置的综合评价值 W k为 W k yr k i w k 1 ， w k 2 ， w k 3 ， w k 4 7 由于第 k 个受评者 合适位置 的综合评价值 W k是一个向量， 为了充分利用 W k提供的信息对 合适位置的优劣情况作精确处理和排序， 就需要对 W k作进一步处理， 使其单值化。所以引入不同灰 类的权系数 αj j 1， 2， 3， 4 ， 取其值为 α11． 0， α2 0． 8， α30． 6， α4 0． 4。则可选位置 k 的综合评 价结果 Z k为 Z k ∑ 4 j 1w kα j 8 所以取综合评价结果 Z k值最大的位置即为最 优位置。 3结语 重点对煤矿发生灾难时紧急避险系统中的避灾 硐室的选址问题进行了分析和研究， 引入巷道当量 长度的概念， 计算出在最短时间内撤退的最安全路 线的长度， 根据模糊灰色理论决策方法， 对影响硐室 位置的各个因素进行详细分析研究， 为在多个备选 位置中确定出最优化的位置提供了指导和参考。 参考文献 ［ 1］ 匡开宇， 韩雪海， 宋伟， 等． 煤矿井下最优救灾、 避灾 路线的研究［ J］ ． 科技成果管理与研究， 2010 7 89 － 90． ［ 2］ 赵利安， 王铁力． 国外井工矿避灾硐室的应用及启示 ［ J］ ． 煤矿安全， 2008 2 88 －91． ［ 3］ 国家煤矿安监局． 煤矿井下紧急避险系统建设管理暂 行规定［ Z］ ． 2010 －11 －16． ［ 4］ 孙燕， 陈森发， 黄 鹍． 基于灰色理论的自适应最优 路径选择［ J］ ． 中国公路学报， 2003， 16 4 87 －90． ［ 5］ 邓聚龙． 灰色系统理论教程［ M］ ． 武汉 华中理工大学 出版社， 1990． ［ 6］ 邹志云， 宋程， 虢向阳． 基于灰色理论的应急物流最 优路径选择［ J］ ． 物流技术， 2008， 27 1 46 －48． 作者简介 丁燕峰 1988 － ， 男， 陕西宝鸡人， 硕士研究 生， 主要从事矿井通风防灭火及安全监测监控技术研究。 收稿日期 2011 －04 －18; 责任编辑 梁绍权 151 分析探讨 2011 －12