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1、首都经济贸易大学 硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 姓名：陈魏 申请学位级别：硕士 专业：安全技术及工程 指导教师：李传贵 20100301 摘 要 摘 要 本文首先分析了我国煤矿安全现状，论述了开展煤矿安全综合评价的必要性，然 后在事故致因理论的基础上，结合煤矿生产系统复杂多样的特点，用事故树分析法、 人-机-环境分析法和层次分析法三种常用方法构建煤矿安全指标分析模型， 以此作为 分析煤矿安全综合评价指标的工具。 通过煤矿安全指标分析模型得到煤矿安全评价综合指标体系， 将其纵向分为目标 层、中间层和因素层三个层次，横向则划分为人员素质因素、生产装备因素、生产环 境因素和安
2、全管理因素四个方面总共 34 个指标。 介绍了神经网络的结构、算法等内容，对 BP 神经网络的学习算法所存在的局部 最小问题，采用附加动量法进行了改进，利用改进后的 BP 神经网络建立煤矿安全综 合评价模型，确定了模型为三层（34-14-5）结构，采用 MATLAB 中的神经网络工具箱 进行编程，在计算机中实现了煤矿安全综合评价神经网络模型的建立。采用国内比较 具有代表性的 20 个实例样本对神经网络进行训练，对训练过程中误差函数存在收敛 慢的问题，在附加动量法的基础上采用自适应调整步长的方法进行改进，最后通过该 模型对义马煤业集团公司下属耿村、常村等矿进行评价，其结果与实际情况相符，说 明该
3、模型成功建立起影响因素和煤矿安全状况之间复杂的非线性映射关系， 具有一定 的实用价值。 随着样本库的逐渐充实，该模型的评价结果会越来越精确，其应用价值也会越来 越高。 关键词关键词：煤矿安全；影响因素；指标体系；神经网络；BP 算法；MATLAB 神经网 络工具箱；评价模型 Abstract Firstly, this paper analyzes the status quo of Chinese coal mine safety, and it is necessary to carry out a comprehensive evaluation for coal mine. Based
4、 on safety accident causation theory and the complexity of coal mine system, three methods which commonly used in safety analysis, fault tree analysis, Human-Machine-Environment analysis and analytic hierarchy process, are synthesized to build the indicators analysis model of coal mine safety, by wh
5、ich we could get the factors that affect safety status of coal mine. Through the analysis model, indicators system is built, which is vertically divided into the target layer, middle layer and indicators layer. And in the indicators layer, there are 34 indicators horizontally ranging in four areas,
6、the personnel quality part, equipment part, environmental factors and safety management part. Then make an introduction of the neural networks structure, algorithms and so on, for the existence of local minimum of the BP neural network learning algorithm, this paper adopt an additional momentum meth
7、od to improve its efficiency. Then use the improved BP neural network model to build comprehensive evaluation model of coal mine safety with three layers of 34-14-5 structure, and program the model in the computer by the neural network toolbox of MATLAB. After that, train the neural network with 20
8、representative samples, we find out that it is slowly the training error function curve converges, then the method of self-adaptively adjusting steps is obtained in the paper. Finally, five instances of Yima Coal Industry Group are used for simulation, and the result shows that the model has success
9、fully established the complex nonlinear mapping relationship between safety indicators and the actual safety situation of the mines. With the abundance of the sample library in future, this model will get more accurate evaluation results, and its application value will be enhanced. Key words: coal m
10、ine safety; factors; indicators system; neural networks; BP algorithm; MATLAB neural network toolbox; evaluation model 独 创 性 声 明 独 创 性 声 明 本人郑重声明：今所呈交的基于神经网络的煤矿安全综合评价模 型研究 论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的科研成果。 尽我所知，文中除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写的内容及科研成果，也不包含为获得首都经济贸易大 学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。 作者签名 作者签名： 日
11、期：日期： 年年 月月 日日 关于论文使用授权的说明 关于论文使用授权的说明 本人完全了解首都经济贸易大学有关保留、使用学位论文的有关规 定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅、借阅或网 络索引；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采取影印、缩印或 其它复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 作者签名： 作者签名： 导师签名： 导师签名： 日期： 日期： 年 年 月 月 日 日 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网络的煤矿安全综合评价模型研究 第 1 页，共 65 页 1 绪论绪论 1.1 课题的研究背景及其意义 1.1 课题的研究背景及其意义 1.1.1
12、研究背景 1.1.1 研究背景 煤炭在我国一次能源生产和消费结构中占 70%左右， 是重要的基础能源和工业原 料。煤炭工业是关系国家经济命脉的重要基础产业，是高危险行业，其生产系统为半 封闭式结构，呈管网式布置，存在煤尘、瓦斯等多种易燃、易爆、有毒、有害因子， 事故一旦发生往往会引起其他灾害事故的伴生或耦合，使得应急处置、救援救助和自 救情况复杂、困难，易造成群死、群伤的重特大事故。由于煤炭工业的特殊性，我国 尚未对其灾害事故实现有效控制，重特大事故仍时有发生，安全生产形势相当严峻。 随着我国煤炭工业的发展，开采强度不断加大、开采深度逐步增加，煤矿开采条 件呈现逐渐恶化的趋势。我国煤矿开采深度
13、平均每年增加 10-20m1，从而导致地应 力和瓦斯压力越来越高，煤与瓦斯突出、冲击地压、冒顶片帮等事故危险性也越来越 高。 6.16 4.65 5.21 4.78 5.155.03 4.67 5.1 5.02 5.3 5.86 5.06 4.94 3.71 3.056 2.811 2.041 1.485 1.182 0 1 2 3 4 5 6 7 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 年份 百万吨死亡率 图 1.1 我国煤矿百万吨死亡率趋势图
14、1 近年来，我国加大了煤矿整治力度，百万吨死亡率逐年降低（见图 1.1：我国煤 矿百万吨死亡率趋势图） ，但与美国、澳大利亚等其他主要产煤国相比还存在很大差 距23。加强煤矿安全生产工作，充分利用先进的科学技术逐步提高对煤矿整体安全 的控制水平，预防重大事故的发生，保障矿工生命安全。 1.1.2 研究意义 1.1.2 研究意义 煤矿是一个由人、机（物） 、环境三方面组成的、空间分布极其复杂的系统，存 在多种灾害形式。煤矿井下可能发生的灾害有瓦斯或煤尘爆炸、透水、自然发火、煤 1 数据来源于国家煤炭工业局编写的煤炭生产统计报告，及文献23456中的统计。 首都经济贸易大学硕士学位论文 基于神经网
15、络的煤矿安全综合评价模型研究 第 2 页，共 65 页 与瓦斯突出、机电事故、冒顶片帮、坍塌、高处坠落、放炮、物体打击、提升运输、 中毒与窒息、机械伤害、起重伤害、触电、火药爆炸、灼烫、火灾、淹溺等7。尽管 这些事故的发生并不相同，但致灾因素之间关系密切且相互牵连，在时间、空间上各 种灾害伴生或耦合，一起小事故的发生有可能引发其他致灾因素的多米诺骨牌效应， 产生危害更大、 范围更广的二次或多次重大甚至特大事故， 造成不可挽回的严重后果。 在煤矿现场实际中， 我国制定了很多技术措施用来防止某一类型事故或者局部事 故的扩大化，如巷道中隔一段距离会吊挂盛满水的水槽，这是为了减少煤尘或瓦斯爆 炸冲击波的传播距离，降低其温度，从而达到抑制灾害的目的。还有一些规章和措施 是为了达到预防的目的而制定和实施的，比如矿工在井下的工作服必须是棉质的，这 是为了预防静电产生电火花，在瓦斯浓度达到爆炸或燃烧集极限的时候，这小小的电 火花很容易引发瓦斯爆炸或瓦斯燃烧的事故灾害。但是，我们应该看到，仅仅着眼于 事故的预防和控制措施上是远远不够的， 我们需要对煤矿致灾因素的内在规律进行深 入的理论研究，揭示其相互之间的影响，从总体上为煤矿安全把关，从而为煤矿整体 安全的实现从全局上有一个清晰的认识和把握。 我们从理论上研究煤矿安全的影响因素及其内在关系， 通过安全理论和方法实现 综合安全评价
