基于投影尋蹤模型的煤礦掘進工作面環境評價*

胡媛媛， 李樂樂

(1. 運城職業技術大學 礦山工程系， 山西 運城 044000；2. 國家電網 新絳縣供電公司， 山西 新絳 043100)

0 引言

隨著煤炭開采機械化程度大幅提高，高效開采設備的應用使掘進工作面開采速度不斷加快，粉塵和有害氣體濃度超標、高溫高濕等問題日益嚴重，因此，掘進工作面環境安全評價對保障作業人員生命安全具有重要意義。我國多數煤礦已經基本實現對采煤工作面環境參數的實時監測，相關學者也對工作面污染物分布和過程環境安全等級評價方法進行了大量研究。如龔曉燕[1-6]等利用動網格技術從粉塵、噪聲、有害氣體、熱環境等不同方面采用數值模擬法分析掘進工作面三維空間內各環境參數的分布規律；邢媛媛[6-11]等采用可變模糊識別理論、灰色關聯評價模型以及多維信息融合等多種方法對工作面環境狀況進行分級探索。上述研究在理論方面對煤礦工作面環境安全狀況分析評價及改善提供了基礎，但評價過程沒有考慮各級指標的關聯性，指標權重的確定由專家主觀給定因素，結論常為固定的、靜態的，因此評價結果的準確性和實用性不高[12]。對此本課題提出了利用基于遺傳算法的投影尋蹤模型評價掘進工作面作業環境安全狀況。首先根據被測點環境實際狀況構建環境污染評價指標體系，投影尋蹤法建模，采用安全等級標準數值求解最優投影方向確定評價指標權重；然后對采樣數據進行投影，計算采樣點投影值到各級環境標準投影值間的距離，確定環境安全等級及發展趨勢。評價結果反映了評價因素多維、多指標間的相互作用的結果和被評價環境安全等級的變化趨勢，為制定掘進工作面環境改進措施提供了參考依據，改善了作業人員的工作環境。

1 煤礦掘進工作面環境特性

掘進工作面影響作業人員職業健康安全的環境因素主要包括粉塵、噪聲、有害氣體、熱環境、作業條件。其中有害氣體、熱環境、作業條件等均包含多個評價參數，因此對掘進工作面的環境安全等級進行評價需確定多層次影響因子的權重，是一個具有多維度復合指標體系的復雜系統。掘進面巷道一般采用局部通風機壓入式通風，風筒吊掛在巷道一側頂幫，風機啟動后將風流沿巷道壁吹向工作面最前端，經煤壁反射改變風向，含塵風流沿巷道另一側流出，路線近似呈“U”型。根據風流路線可將掘進工作面分為射流區T1、沖擊區T2、回流區T3和渦流區T4四個特征區域。綜合考慮工作面風流路線、機械設備及工作人員位置分布情況，分別在上述四個區域進行評價樣本采集。

2 投影尋蹤算法建模

為避免主觀賦值，引入投影降維思想，構建投影尋蹤模型，搜索最優投影方向確定各指標的最優權重，對多級指標參數進行投影合成，得到一個綜合評價值。

2.1 指標數據預處理

掘進工作面環境評價指標較多且各參數濃度值在數量級上有明顯不同，為了簡化計算和消除數據處理時各指標的量綱效應，使用歸一化方法對樣本指標數據預處理。采樣數據歸一化處理后處于同一數量級，數值大小在[0,1]之間，簡化計算過程方便數據融合評價。設樣本集為{x*(i,j)|i=1～n,j=1～p}，其中n為待評價樣本數量，p為指標個數[13-15]。采用下式對各指標值預處理：

x(i,j)=[x*(i,j)-xmin(j)]/[xmax(j)-xmin(j)]

(1)

x(i,j)=[xmax(j)-x*(i,j)]/[xmax(j)-xmin(j)]

(2)

式中：xmin(j)、xmax(j)分別為樣本中第j個指標的最小值和最大值。預處理公式根據指標數據在評價模型中對環境安全等級的作用方向進行選擇，對于數值越大環境越好的數據采用式(1)進行歸一化，否則用式(2)處理。對于溫度、濕度為區間性指標，無論數值是越大還是越小都會使環境變差，則用區間上的相對位置來歸一化，即選擇環境最優值為參考點，小值用式(1)歸一化，大值則用式(2)。

2.2 構造投影指標函數

參與掘進工作面環境安全等級評定的指標有p個，投影方向定義為單位相量a=[a(1)，a(2)，…，a(p)]，把樣本集x(i,j)利用公式(3)投影到a上得到一維投影值z(i)，a(j)即為第j個評價指標的權重。

(3)

在對各指標樣本進行投影計算的過程中，為更好地反映樣本數據的差異特性，要求投影值z(i)的標準差Sz盡可能地取大，同時使表示z(i)局部密度的數值Dz取最大，基于這兩種約束，可將投影目標函數f(a)構造為：

f(a)=SzDz

(4)

(5)

(6)

式中：Ez為z(i)的平均值；R為密度窗寬；rij為兩個樣本間的距離。其中R值是由樣本間的距離來確定的，局部密度窗口中投影點數量適中，太少或太多都會使降低計算的精確度，根據經驗常把R定義為rmax+p/2≤R≤2p，其中rmax=max(rij)，-p≤z(i)≤p。U為單位階躍函數，當R-rij≥0時其函數值為1，否則為0。

2.3 遺傳算法搜尋最佳投影方向a

投影目標函數f(a)的值隨著投影方向a的變化而變化，評價指標在a的非線性約束下取最大值時能最優地反映多維樣本數據的結構特征。因此對式(7)進行優化求解，可得到最優投影方向即評價指標的權重值。

maxf(a)=SzDz

(7)

-1.0≤a(j)≤1.0

求解樣本數據在多維空間投影方向的最優值是非線性向量空間的優化問題，用普通方法較難計算。利用模擬種群內生物優勝劣汰進化和染色體信息交換機制的遺傳算法對非線性數據優化問題進行搜索尋優，能夠簡化計算過程較快得到最優解。

2.4 評價分析

分析掘進工作面環境安全等級標準數據建立環境評價模型，通過上述步驟計算各指標的最優投影方向a，將最優投影方向帶入到式(3)中分析掘進工作面環境安全等級標準數據和采樣數據的投影值，計算工作面采樣點環境指標投影值到各級標準投影值間的距離，距離大小反映環境等級變化趨勢，距離最小的為最終監測點環境安全評價等級。

3 應用實例

3.1 樣本指標建立

根據山西宏源煤業集團鳳凰臺礦1236軌道順槽掘進工作面現場實際情況，選取環境安全一級評價指標為粉塵、有害氣體、熱環境3個，對應的二級指標有甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)和硫化氫(H2S)、溫度、濕度和風速共10個構成工作面環境安全評價的指標體系，其中粉塵和有害氣體濃度越小越好，均取最小值為0，溫度的最優值取中間值26 ℃，濕度的最優值取中間值55%，風速的最優值取中間值1.5 m/s。待評價樣本參照工作面風流特性分別在T1、T2、T3和T4特征區域采集。

根據《煤礦安全規程》規定及現場環境因素分析，綜合已有研究優點，將評價等級分為Ⅰ(安全，環境優)、Ⅱ(較安全，環境良)、Ⅲ(危險，及時整改)、Ⅳ(較危險，立即整改)和Ⅴ(重度危險，停產整頓)。5級標準對應的環境評價指標濃度值如表1所示，實測待評價工作面4個位置處的樣本指標數據如表2所示。

表1 掘進工作面環境評價指標安全等級分級標準

表2 待評價樣本指標實測數據

3.2 模型求解

把表1中安全等級分級標準數據代入投影指標函數，利用遺傳算法的matlab程序代碼計算最佳投影方向，確定10個評價指標的相對重要程度，即權重a=(0.275 5，0.216 1，0.261 5，0.206 6，0.209 8，0.237 3，0.405 0，0.322 5，0.327 1，0.539 4)。將單位投影方向a代入到式(3)得出各等級標準和采樣數據的歸一化值及投影，如表3和表4所示，進一步求解樣本點環境實測數據投影值與標準等級投影值的差值，分析評價等級如表5所示。

表3 掘進工作面環境評價指標安全等級分級標準歸一化值及投影

表5 采樣數據與環境標準數據投影值的差值及評價結果

3.3 評價結果分析

表3列出工作面環境5個等級標準數據的對應投影值，數值反映了環境安全等級越高投影值越大。表4中4個待測點樣本數據的投影值為Z(1)>Z(2)>Z(3)>Z(4)，表明待測點1處環境最好，區域2處相對較好、3處相對差、4處環境最差，與實際情況一致。分析表5可以看出樣本1、2的投影值到等級Ⅰ的距離最短，距離數值為負，表明該監測點數據投影值大小在Ⅰ級和Ⅱ級之間，因此評定為Ⅰ級偏Ⅱ級。樣本3的投影值在Ⅱ級和Ⅲ級之間，距離Ⅱ級標準距離稍近，距離數值為負，所以該監測點作業環境目前等級評定為Ⅱ級偏Ⅲ級。樣本4指標數據投影值在Ⅱ級和Ⅲ級之間，距離Ⅲ級接近，距離數值為正，表明環境暫時評定為Ⅲ級偏Ⅱ級，需要及時改進通風除濕抽瓦斯等措施，否則將威脅作業人員的生命安全。

4 結論

1) 對掘進工作面環境等級標準數據和4個區域樣本數據進行投影降維評價分析，環境安全等級與實際危險物質分布情況一致，說明將投影尋蹤模型用于掘進工作面進行環境安全等級評價是可行的。

2) 通過構建投影指標函數確定樣本數據的指標權重和投影值，分別計算與各環境等級投影值的最小差值，能夠直觀有效地反映被測樣本點的環境情況及發展趨勢。

3) 粉塵、溫度、風速和濕度是影響被測掘進工作面環境安全等級的主要因素，結合樣本指標數據實際分析可以得出利用投影尋蹤模型對掘進工作面環境等級評價的準確率較高，可為作業環境治理提供更為可靠的決策信息。