Method for assessing coal-floor water-inrush risk based on the variable-weight model and unascertained measure theory

Abstract

Water inrush from coal-seam floors greatly threatens mining safety in North China and is a complex process controlled by multiple factors. This study presents a mathematical assessment system for coal-floor water-inrush risk based on the variable-weight model (VWM) and unascertained measure theory (UMT). In contrast to the traditional constant-weight model (CWM), which assigns a fixed weight to each factor, the VWM varies with the factor-state value. The UMT employs the confidence principle, which is more effective in ordered partition problems than the maximum membership principle adopted in the former mathematical theory. The method is applied to the Datang Tashan Coal Mine in North China. First, eight main controlling factors are selected to construct the comprehensive evaluation index system. Subsequently, an incentive-penalty variable-weight model is built to calculate the variable weights of each factor. Then, the VWM-UMT model is established using the quantitative risk-grade divide of each factor according to the UMT. On this basis, the risk of coal-floor water inrush in Tashan Mine No. 8 is divided into five grades. For comparison, the CWM is also adopted for the risk assessment, and a differences distribution map is obtained between the two methods. Finally, the verification of water-inrush points indicates that the VWM-UMT model is powerful and more feasible and reasonable. The model has great potential and practical significance in future engineering applications.

Résumé

L’intrusion d’eau au niveau des planchers dans les mines de charbon menace grandement la sécurité minière en Chine du Nord et est. un processus complexe contrôlé par des multiples facteurs. Cette étude présente un système d’évaluation mathématique pour le risque d’intrusion d’eau au niveau du plancher de charbon basé sur le modèle à pondération de variables (VWM) et la théorie des mesures non déterminées (UMT). Contrairement au modèle traditionnel à poids constant (CWM), qui attribue un poids fixe à chaque facteur, le VWM varie avec la valeur d’état du facteur. L’UMT emploie le principe de confiance, qui est. plus efficace dans les problèmes de partition ordonnée que le principe d’adhésion maximale adopté dans l’ancienne théorie mathématique. La méthode est. appliquée à la mine de charbon de Datang Tashan dans le Nord de la Chine. Tout d’abord, huit principaux facteurs ont été sélectionnés pour élaborer un système complet d’index d’évaluation. Par la suite, un modèle à pondération variable de type incitation-sanction est. construit pour calculer les poids de chaque facteur. Ensuite, le modèle VWM-UMT est. établi en utilisant la division du degré de risque de chaque facteur selon l’UMT. Sur cette base, le risque d’intrusion d’eau au niveau du plancher de charbon dans le mine No.8 de Tashan est. subdivisé en cinq degrés. A titer de comparaison, le CWM est. également adopté pour l’évaluation des risques, et une carte de répartition des différences entre les deux méthodes est. obtenue. Enfin, la vérification des points d’intrusion d’eau indique que le modèle VWM-UMT est. puissant et plus réalisable et raisonnable. Le modèle possède un grand potentiel et une portée pratique pour de futures applications d’ingénierie.

Resumen

La inundación de agua de los suelos en vetas de carbón amenaza en gran medida la seguridad minera en el norte de China y es un proceso complejo controlado por múltiples factores. Este estudio presenta un sistema de evaluación matemática para el riesgo de inundación de agua en el suelo de carbón basada en el modelo de peso variable (VWM) y la teoría de mediciones inciertas (UMT). En contraste con el modelo tradicional de peso constante (CWM), que asigna un peso fijo a cada factor, el VWM varía con el valor del estado del factor. La UMT emplea el principio de confianza, que es más eficaz en los problemas de partición ordenada que el principio de miembro máximo adoptado en la teoría matemática anterior. El método se aplica a la mina de carbón de Datang Tashan en el norte de China. En primer lugar, se seleccionan ocho factores principales de control para construir el sistema de índices de evaluación integral. Posteriormente, se construye un modelo de peso variable de incentivos y sanciones para calcular los pesos variables de cada factor. Luego, el modelo VWM-UMT se establece utilizando la división cuantitativa de grado de riesgo de cada factor de acuerdo con la UMT. Sobre esta base, el riesgo de la entrada de agua en el suelo de carbón en la mina No. 8 de Tashan se divide en cinco grados. A modo de comparación, el CWM también se adopta para la evaluación del riesgo, y se obtiene un mapa de distribución de diferencias entre los dos métodos. Por último, la verificación de los puntos de inundación indica que el modelo VWM-UMT es potente y más factible y razonable. El modelo tiene un gran potencial y significación práctica en futuras aplicaciones de ingeniería.

摘要

在中国北方,煤层底板突水严重影响着煤矿的安全开采。底板突水是一个由多种因素控制的复杂过程。本次研究提供了一种结合变权模型与未确知测度理论的数学方法体系,对煤层底板突水危险性进行评价。与传统的固定权重的常权模型相比,变权模型的权重是随着每个指标的值的变化而变化。未确知测度理论采用的置信度原则,比之前的数学理论采用的最大隶属度原则更加适用于有序分割类的问题。这个模型被应用于中国北方的大唐塔山煤矿。首先,选取八个主控因素建立了综合评价指标体系。随后,建立了惩罚-激励型分区变权模型计算每一个因素的变权权重。然后,根据未确知测度模型,应用定量化的等级划分建立了变权-未确知测度模型。在此基础上,塔山矿八号煤底板突水危险性被划分为五个等级。为了便于比较,常权模型也被用来进行了危险性评价,并且得到了两种模型的差异性分布图。最后,通过评价结果表明变权-未确知测度模型是有效的,并且更加可行和合理。该模型在未来的工程应用中具有很大的潜力和现实意义。

Resumo

Intrusões de água dos patamares fissurados de carvão ameaçam fortemente a segurança das minas no norte da China e é um processo complexo controlado por fatores múltiplos. Esse estudo apresenta um sistema de avaliação matemática para o risco de intrusão de água em assoalhos carbonífero baseado no modelo de ponderação variável (MPV) e teoria de medidas não determinadas (TMND). Em contraste ao modelo de ponderação constante (MPC), que estipula um peso fixo para cada fator, o MPV varia com o valor do estado do fator. A UMTTMND emprega o princípio da confiança, que é mais eficaz em problemas de partição ordenada que o princípio dos membros máximos adotado na teoria matemática anterior. O método é aplicado na mina de carvão Datang Tashan no norte da China. Primeiro, oito fatores de controle principais foram selecionados para construir o sistema do índice de avaliação compreensivo. Subsequentemente, um modelo de ponderação variável de penalidade incentivada foi construído para calcular os pesos das variáveis para cada fator. Então, o modelo MPV-TMND foi estabelecido utilizado a classificação do risco quantitativo dividida por cada fator de acordo com a TMND. Nessa base, o risco de intrusão de água no patamar carbonífero na mina Tashan No. 8 foi dividido em 5 categorias. Para comparação, o MPV foi adotado também para a avaliação de risco, e o mapa da distribuição das diferenças foi obtido entre os dois métodos. Finalmente, a verificação dos pontos de intrusão de água indica que o modelo MPV-TMND é poderoso e mais praticável e justo. O modelo tem grande potencial e significância prática em aplicações em engenharia futuras.