中煤新集能源股份有限公司新集二矿 安徽省淮南市 232180
摘要：由于煤矿通风系统的复杂性，其影响因素众多且存在模糊性。如何对矿井通风系统的安全状况进行全面的分析和评价，采取合理的防范措施，降低安全风险以确保安全生产显得尤为重要。目前应用于煤矿通风系统的评价方法主要包括定性评价、定量评价以及定性定量相结合的评价方法，比如: 安全检查表法、模糊综合评价、基于粗糙集－ 神经网络的方法、灰色综合评价、基于安全度的评价方法等等。由于一些定性评价方法具有较大的主观性，难以实现对评价指标和结果的准确量化，而一些定量方法又存在计算复杂、适应性差等问题。本文分析了主成分分析法在煤矿通风系统评价中的应用。
关键词：主成分分析法；煤矿通风系统评价；应用；
矿井通风系统能够在生产期间以最经济的方式向井下各用风地点供给风量合格、风流稳定的新鲜空气，确保工作人员顺畅呼吸，稀释并排除瓦斯、粉尘等各种有毒有害物质，降低热害; 在发生灾变时，能够保证通风设备运行可靠、稳定，可快速实现风流控制，防止灾害扩大，最大限度地减少事故损失。现阶段，主要采用类比法进行通风系统优化设计，该方法过度依赖矿山技术人员的经验，具有较大的主观性。
一、概述
煤矿通风系统是一个不断变化的动态系统，矿井通风网络结构变化、巷道变形、通风线路改变、通风构筑物变形损坏及主要通风机和局部通风机运行参数变化等，都会导致通风网络中整体或局部风量发生变化，从而直接影响井下的安全生产。对通风系统进行可靠性评价，一方面能够估计通风系统的整体可靠程度，同时也能找出影响整体可靠性的具体因素，有利于正确调节系统。本文提出一种基于主成分分析（ＰＣＡ）和灰色关联分析（ＧＲＡ）的煤矿通风系统可靠性评价方法，即采用ＰＣＡ将所有评价指标集分为少数几个综合指标，然后通过构建ＧＲＡ模型得到矿井通风系统的可靠度数值。
1.矿井通风系统可靠性评价方法。一是通风系统本身存在的灰色性不仅包含随机性、模糊性和非确知性，还有其他更广泛的特性，因此利用灰色关联分析法对矿井通风系统进行评价，能够有效弥补模糊综合评价法的不足，使评价结果更加客观、合理。二是在传统的灰色关联分析法中，不同指标的权重系数通常都设为等值，考虑到各因素的重要性程度不同，这样的设置明显偏颇。对于各因素权重的确定通常采用层次分析法、专家评议法、模糊隶属函数法等，这些方法大多由人的主观经验得到，因此得到的权重误差较大。主成分的贡献率反映了原始数据的信息量占全部信息量的比重，因此利用主成分的贡献率确定权重是客观合理的，克服了上述方法确定权重系数的缺陷。三是通常得到的评价指标数量较多，且彼此存在着一定的相关性，增加了分析问题的复杂性，因此利用ＰＣＡ的降维思想，将其化简为几个互不相关的综合指标，能够有效降低分析问题的复杂度。
2.矿井通风系统评价指标体系的建立。煤矿通风系统可靠性评价的关键是建立评价指标体系，其目标是能正确反映煤矿通风系统的可靠性特征，因此需要从中选取一些具有代表性的评价指标。在综合考虑各种因素的基础上，从５个方面出发选取了一些具有代表性的可靠性评价指标。一是通风网络结构方面包括网络复杂度Ｘ１、矿井等积孔Ｘ２和回风段阻力百分比Ｘ３。网络复杂度影响着井下风流的稳定性、可靠性和风量的可调性，通风网络越复杂，其可调性越差。通风网络复杂度ｆ 与通风网络节点数ｍ、普通分支数ｎ 及角联分支数ｎ０间的关系为ｆ＝ｌｇ［ｍ（ｎ＋ｎ０）］，ｆ 值越小越好。回风段阻力百分比一般认为不超过３５％即基本合理，最大不能超过４５％，其合理性测度越大越好。二是通风动力方面包括主要通风机运行效率Ｘ４，主要通风机有效度Ｘ５及主要通风机风压合理度Ｘ６。考虑到矿井通风系统的可修特点，根据可靠性工程原理，本文将主要通风机有效度引入到评价指标体系中，其定义为Ａｆ＝ μ２＋２μσ２σ２＋μ２＋２μσ，其中μ为修复率，σ为故障率。该指标反映了主要通风机本身的质量与时间特性，一定程度上反映了通风机结构的可靠性。对于风压合理度，过高的风压会导致通风机能量消耗增大、风量增大及漏风，导致瓦斯积聚和煤炭自燃的可能性增大，因此应尽量降低主要通风机风压，其合理性测度越大越好。三是通风设施方面包括通风设施合格率Ｘ７，定义为主通风路线上质量和布置方式满足风量调节要求的构筑物数量与主通风路线上所有构筑物数量之比。四是通风环境方面包括矿井通风能力比Ｘ８、矿井有效风量率Ｘ９、各作业点瓦斯最大体积分数Ｘ１０、最高温度Ｘ１１和采掘面瓦斯超限频次Ｘ１２。其中矿井通风能力比定义为同时期内矿井的实际生产能力与核定矿井通风能力之比，且核定通风能力必须大于最终确定的综合生产能力１０％以上，其比值越小，说明矿井风量越能满足整个矿井的实际生产需求。五是监测方面包括矿井环境安全监测和矿井生产监测两部分，指标主要为监测利用率Ｘ１３，定义为工作正常的传感器数量与矿井安全生产应设置的传感器数量之比。
二、主成分分析法在煤矿通风系统评价中的应用
矿井内的通风阻力和进出通风井的长度、设备提供的风量大小、通信线路网的布局及通风井的光滑程度等，都会严重地影响矿井通风系统的通风效率。只有在平时注意核查以上的资料和数据，并且严格地分析其是不是能够有效地降低矿井通风的阻力，进而优化矿井通风系统的方案，使矿井通风系统变得更加的合理更加的有效。
1.通风系统评价指标确定。其通风评价的数据精确度受到选择的评价指标的影响，所以应该将能具体反映矿井通风系统的特点和状态的指标作为评价指标，并在检验效度过程中消除重叠类型数据，以减小指标相关性。
的主要思想，其构建都是利用经济性能、管理性能和可靠性技术三个指标作为主要指标体系。本文量化分析了煤矿通风指标评价系统，然后根据当地实际情况选择了三大类别共计10 项来自三大方面的通风系统评价指标。一是通风设计及通风能力指标通风设计及通风能力指标主要涉及到通风系统的设计、局部通风情况和通风设施三个方面。二是技术指标瓦斯爆炸和火灾是煤矿多发事故，对此，煤矿企业必须要有具体的、有针对性的解决和预防措施，从而保证矿井安全通风系统的正常运行。所以煤矿企业所选择的指标主要为综合防尘、自然发火预防和抽采瓦斯。三是管理指标。一般而言，在煤矿安全指标当中，管理是非常重要的指标之一。在煤矿生产中，需要管理井下的爆破、瓦斯、制度和监控通风安全系统。
2.基于主成分分析的通风系统评价方法。可以将函数映射运用到安全评价当中，设定指标评价变量为n，维向量为X，评价数据信息为Y，函数映射从变量X 到结果信息Y 就是整个安全评价的过程。所谓“主成分析法”，就是
提取特征或者压缩数据的一种统计多变量的分析技术，其能够集中众多变量，进而形成较小数量的综合变量，将主成分变成原变量的线性组合。通风系统所运用的主成分分析法的大致过程如下：①收集样本数据。先将安全打分表编制好，然后实际评价其煤矿的安全状况，最后再收集样本数据。②标准化原始数据信息，即排除一些数据的数量级差异或数量量纲，然后利用SPSS 软件进行自动标准化。③计算其系数矩阵，即根据SPSS软件对其数据相关系数矩阵进行标准化构建。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆④利用F=u，X，+utzXz+uX3+⋯+u 这一公式提取主成分与其他成分的线性关系。⑤优化函数。利用主成分累计共享率a 和主成分个数等因素，从而对其函数进行构造，即F=a，F，+azFz+a3F3+⋯+ap.⑥分析其最后所得评价数据。排序F、主成分和F 综合主成分如果有一致性较高的排序结果，即表示其有着非常合理的主成分提取，从而能更好地将指标的重点内容体现出来。
3.基于主成分分析的通风系统评价方法。根据计算情况可得，前四个特征值有着高达92.6%的贡献率累计，即表示这几个主成分将所有指标信息几乎全部覆盖，因此需要提取前四个特征值。通过计算第一主成分“X4”、第二主成分“X5”、第三主成分“X1”和第四主成分“X10”，综合评价函数构建方面主要运用前四个主成分数据指标，为X=47.7X4＋20.09X5＋16.46X1＋8.35X10.在第一个主成分表达式当中，较大系数的指标为第二个、第四个和第七个，即这三个指标是主要指标，所以第一主成分就是能够反映矿井综合安全性质的指标，利用瓦斯粉尘防治、监控通风情况来保证生产安全；第二主成分影响最大的指标为第一个和第五个，即防治瓦斯事故和提升运输安全性等方面的综合数据指标；第三主成分影响较大的指标为第九项和第十项，是关于矿井灭火防御和电气灭火预防方面的；第四主成分系数较大的为第八项指标，其主要是防治矿井当中水的指标。
4.应用主成分分析方法，消除了评价指标间的相互影响; 减少了指标选工作量; 并将原始变量转化为线性组合的主成分，形成了反映成分和指标包含信息量的权数。利用综合评价函数来评价煤矿通风系统安全程度，实现了煤矿通风系统的定量化评价。利用各个煤矿安全评价指标之间的F 值比较，可以相应地衡量煤矿安全状况，提供了一种定量化分析和评价煤矿通风系统的方法与途径。在对指标量化的基础上，将一些相关性变量转化成独立的变量，获取主成分能消除各指标之间的相关性影响，减少指标选择的工作量，以快速准确地实现通风系统评价。
三、实例分析
目前，随着煤矿能源需求量不断增加，为满足正常需求，煤矿开发深度扩大，为满足深层次采矿需求，通风系统在发展中，应当体现出大型化趋势。在科学技术发展推动下，煤矿作业速度与效率不断提高，尤其是现代化机械设备的应用，提高了其作业效率，为满足作业需求，需要对煤矿通风系统运行能力进行重新评估与设置，通过改造与调整，确保通风系统运行满足安全性要求。应配置一定量的通风设施与降温设施，将自动化技术应用于矿井通风系统之中，可以有效满足智能化通风控制，及时预警，确保矿井作业安全性。
1.主成分分析的原理。主成分分析是利用降维的思想，将多个变量转化为数个少数综合变量(主成分) ，其中各主成分都是原始变量的线性组合，各主成分间互不相干，从而能够反应原始变量的绝大部分信息，且所含的信息互不重叠。该方法是一种直观的、全面的评价方法，优点有: 一是在对原指标变量进行变换后形成了彼此相互独立的主成分，可消除评价指标之间的相关影响，减少方案比选过程中指标选择的工作量; 二是在综合评价函数中，各主成分的权重为其贡献率，反映了该主成分包含原始数据的信息量占全部信息量的比重，如此确定的权重较客观、合理; 三是计算流程较规范，易于编程实现。本研究采用主成分分析法进行矿井通风系统方案比选的步骤为: 一是原始数据提取，提取多个方案中主要比选的技术指标; 二是对原始数据进行标准化处理; 三是计算相关系数矩阵，并计算特征值、特征向量; 四是计算主成分贡献率、累计贡献率; 五是计算各主成分得分及综合主成分得分，并进行相关分析。
2.提取方案主要技术指标。某煤矿被鉴定为高瓦斯矿井，矿井瓦斯涌出量较高，且有继续增加的趋势，适当加大采掘工作面及硐室的配风量，能提高矿井的通防安全保障程度，但矿井的通风阻力也会随之加大。矿井基本采用单翼开采方式，通风网路长，通风阻力大，现有的通风系统无法满足要求，须进行通风系统优化。由于工业场地布局已定，根据实地考察得出仅有3 处区域适合建设风机房，结合井下采掘布置情况，通风系统优化共提出了3 个方案: 方案一，新建回风立井，井下通过回风集中巷与原有回风大巷相连; 方案二，新建回风斜井，直接与原有回风大巷相连; 方案三新，建回风立井，通过回风暗斜井与原有回风大巷相连。根据本研究方案比选的重点，首先是通风量、通风负压、等积孔的比选，由于等积孔可反应通风量及通风负压，因此选定等积孔为方案指标。其次为工程量、成本、投资的比选，投资能综合反应工程量和成本，因此选定工程投资为方案指标。为提高方案比选的准确性，将投资细化为井下投资和井上投资( 即矿建工程投资和土建、设备及安装投资) 。由于井筒工程量相差较大，故本研究将井筒工程量作为一个方案指标。最后为施工工期、施工复杂程度和对现有系统影响程度分析，该类指标影响矿井安全效益的见效期限，但该类指标均具有较大的主观性，本研究评价对其进行量化处理，减少人为干预。
3.数据标准化处理及特征提取。将该类数据输入SPSS 软件，计算出了相关系数矩阵以及特征值、特征向量。分析表明: 主成分F1贡献率为77． 026%，主成分F2贡献率为22．974%，两项主成分的累计贡献率大于85%，认为两者能充分反映原变量的信息，故本研究选用F1、F2两个主成分进行分析。定量得到各矿井通风系统的可靠度数值，同时根据灰色关联图可以直观看出各样本序列与最优序列在各指标处的差距，有利于定向发现薄弱环节，进而采取相应改进措施。
4.综合主成分计算，主成分F1主要反映矿井等积孔、矿建工程投资、井筒工程量等3 个指标，主成分F2主要反映施工工期。综合主成分F 得分的计算由于主成分F1贡献率较大，故本研究结合F1值和F 值来确定矿井通风系统优化方案比选结果。主成分F1和综合主成分F 排序上一致，其值排序顺序为方案一＞ 方案三＞ 方案二。由此可见，方案一优于方案三且优于方案二，分析结果与实际情况较吻合，表明利用主成分分析法可对矿井通风方案进行高效比选。本文中最优序列是从样本序列中挑选最优指标得来的，样本序列不同，得到的最优序列也不同，可能导致评价结果存在误差。为了提高该评价方法的精确度，下一步将重点研究最优序列中某些最优指标在目前技术条件下能够收敛到的最优值。以某煤矿为例，在已有3 种通风方案的基础上，为实现方案有效比选，本研究采用主成分分析法进行方案评价。结果表明，该方法优选出的方案与矿井实际情况较吻合，表明利用该方法对矿井通风方案进行比选可靠性较强，可供类似矿山借鉴。
结合综合评价函数X 评价煤矿的安全性，从而构建量化评价煤矿安全的目标模型。矿井安全程度与函数X 呈正相关，比较各项评价安全指标内X 值的大小，然后明确组成煤矿安全评价的相关因素，评估其风险项目安全决策需要通过评价综合指标项目安全来实现。如果有关系较为复杂的多个影响因素时，就不能很好地聚类或划分层次，此时，可以单独考虑各个因素，然后再分析其主成分，这样会有更好的效果。
参考文献：
［1］邓宗保，李改． 矿井通风系统合理性的评价［J］． 华北科技学院学报，2015(4):25-29．
［2］刘东锐，刘伟强，李印洪，等． 石湖金矿中深部通风系统改造方案［J］．现代矿业，2016(8):213-215．
［3］王洁，杨平，郁嵩，等． 主成分分析和小波神经网络在气缸疲劳失效预测中的应用［J］．机床与液压，2015，43(13):167-171．
［4］张俭让，杨日丽.主成分分析法在煤矿通风系统评价中的应用［J］.西安科技大学学报，2015（06）.
论文作者:李洪君
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/1/24
标签：矿井论文; 成分论文; 指标论文; 通风系统论文; 评价论文; 煤矿论文; 方案论文; 《基层建设》2017年第31期论文;