硫化礦石自燃傾向性綜合判定的物元模型及其應(yīng)用

陽(yáng)富強(qiáng) ，吳超 ，李孜軍

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 中南大學(xué) 國(guó)家金屬礦安全科學(xué)技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

硫化礦石自燃是金屬礦山生產(chǎn)中所面臨的重大災(zāi)害之一[1-2]。礦山一旦發(fā)生自燃火災(zāi)，將引發(fā)一系列的安全與環(huán)境問(wèn)題[3]：迫使礦山短期甚至長(zhǎng)期停產(chǎn)；燒毀大量礦產(chǎn)資源，使許多已建工程報(bào)廢；產(chǎn)生大量有毒有害氣體，腐蝕井下設(shè)備及污染地表空氣；引發(fā)炸藥自爆，造成重大人員傷亡。隨著礦產(chǎn)資源的逐漸貧乏，礦山向深部開(kāi)發(fā)是大勢(shì)所趨，深部開(kāi)采的高溫問(wèn)題又將加劇高硫礦石自燃事故的高發(fā)。因此，進(jìn)行硫化礦石自燃傾向性的合理判定對(duì)指導(dǎo)高硫礦山防滅火工作、保障礦井安全生產(chǎn)、減少國(guó)家資源損失等具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外判定硫化礦石自燃傾向性的方法主要有單一指標(biāo)法及多指標(biāo)法[4]，如以吸氧速度常數(shù)、電化學(xué)性能指標(biāo)、差熱分析所反映的熱譜、有無(wú)膠狀黃鐵礦、礦石的氧化速率、升溫率、礦石中水溶性鐵離子含量等指標(biāo)中的一個(gè)或多個(gè)作為判定依據(jù)；而后中南大學(xué)提出過(guò)類比綜合指標(biāo)判定法[5]，但該方法涉及到的測(cè)定指標(biāo)較多，評(píng)價(jià)過(guò)程較為煩瑣。在此，依據(jù)硫化礦石的自燃特性，選取決定其自燃傾向性大小的主要影響因子，嘗試運(yùn)用一種新的綜合判定方法(物元分析法)對(duì)硫化礦石的自燃傾向性大小進(jìn)行判定。該方法是將評(píng)價(jià)的對(duì)象、各特征和對(duì)象關(guān)于特征的量值組成一個(gè)整體(物元)來(lái)研究，用可拓集合的關(guān)聯(lián)函數(shù)值大小描述各個(gè)特征參數(shù)與所研究對(duì)象的從屬關(guān)系，從而把屬于或不屬于的定性描述擴(kuò)展為定量描述[6]。物元可拓分析法已在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、質(zhì)量分級(jí)，以及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[7-14]，并取到了較好的效果。

1 硫化礦石自燃傾向性綜合判定物元模型的建立

1.1 確定經(jīng)典域物元和節(jié)域物元

將所研究的事物記作N，N的特征記作C，N關(guān)于C的量值記作V，則稱有序三元組R=(N,C,V)為物元[15]；若事物N有多個(gè)特征，需要用各個(gè)特征c1，c2，c3，…，cn和相應(yīng)的量值v1，v2，…，vn來(lái)描述。將事物的特征及其標(biāo)準(zhǔn)量值范圍組成的物元矩陣稱為經(jīng)典域[16]，記作R0j。

式中：N0j為硫化礦石自燃傾向性判定的第j(j=1,2,…,m)個(gè)等級(jí)；ci(i=1,2,…,n)為硫化礦石自燃傾向性等級(jí)N0j的第i個(gè)判定因子；v0ji為N0j關(guān)于ci所規(guī)定的量值范圍，即硫化礦石自燃傾向性判定等級(jí)關(guān)于對(duì)應(yīng)的判定因子所取的數(shù)據(jù)范圍；a0ji和b0ji為v0ji的上限和下限。

將經(jīng)典物元加上可以轉(zhuǎn)化為經(jīng)典物元的事物及其特征和此特征拓廣了的量值范圍組成的物元矩陣稱為節(jié)域[17]，記為Rp。

式中：P表示硫化礦石自燃傾向性判定等級(jí)的全體；vpi為P關(guān)于ci所取的量值范圍；api和bpi為vpi的上限和下限。

1.2 待判物元

對(duì)于待判硫化礦石礦樣，用物元R表示，即

式中：vi為待判礦樣關(guān)于各判定因子ci所測(cè)得的具體數(shù)據(jù)。

1.3 單指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)

單指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)為某個(gè)判別因子與某標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度的函數(shù)，待判礦樣與硫化礦石自燃傾向性等級(jí)的關(guān)聯(lián)函數(shù)kj(vi)可由下式[18]計(jì)算：

其中：ρ(vi,v0ji)為實(shí)數(shù)軸上點(diǎn)vi與區(qū)間vij= (a0ji,b0ji)之間的距離；ρ(vi,vpi)為實(shí)數(shù)點(diǎn)vi與節(jié)域區(qū)間vpi=(api,bpi)之間的矩；計(jì)算公式如下：

1.4 綜合關(guān)聯(lián)度Kj(p)

綜合關(guān)聯(lián)度Kj(p)是各單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度與相應(yīng)權(quán)重系數(shù)的乘積，它表示待判礦樣p關(guān)于自燃傾向性等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度[15-18]，即

式中：λi為各個(gè)判定因子i的權(quán)重系數(shù)，其確定方法一般包括主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法，文中采用層次分析(AHP)方法獲得硫化礦石自燃傾向性判定因子的權(quán)重。

若

則認(rèn)為待判礦樣p屬于等級(jí)j0。

2 實(shí)例分析

2.1 硫化礦石自燃傾向性的判定因子及等級(jí)確定

硫化礦石自燃是一個(gè)極其復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，其自燃傾向性的判定因子應(yīng)該是與過(guò)程有關(guān)的量。基于現(xiàn)有關(guān)于硫化礦石自燃傾向性判定指標(biāo)相關(guān)性的研究結(jié)論[19-20]，文中選取硫化礦石的低溫氧化質(zhì)量增加率(v1)、自熱點(diǎn)(v2)和著火點(diǎn)(v3) 3個(gè)指標(biāo)作為其自燃傾向性綜合判定的基本因子。將硫化礦石的自燃傾向性等級(jí)劃分為A，B，C和D 4個(gè)級(jí)別，分別表示自燃危險(xiǎn)性極大、自燃危險(xiǎn)性大、自燃危險(xiǎn)性一般和自燃危險(xiǎn)性小，如表1所示。其中，低溫氧化質(zhì)量增加率是硫化礦石在低溫環(huán)境中氧化一段時(shí)間后的質(zhì)量增加率(文中取各個(gè)礦樣氧化 3月以后的值)，其表征礦樣的低溫氧化速率；自熱點(diǎn)表示礦樣發(fā)生自熱的難易程度，且硫化礦石只有在其溫度上升到著火點(diǎn)以后才能引發(fā)自燃。

表1 硫化礦石自燃傾向性綜合判定的指標(biāo)分級(jí)Table 1 Indexes classification of spontaneous combustion tendency determination

2.2 物元的構(gòu)建

由表1得出硫化礦石自燃傾向性判定各級(jí)別的經(jīng)典物元分別為R01，R02，R03和R04：

硫化礦石自燃傾向性判定的節(jié)域物元RM，待評(píng)物元R(僅列出1號(hào)礦樣)分別為：

2.3 待判礦樣關(guān)聯(lián)函數(shù)值的計(jì)算

從國(guó)內(nèi)多家典型金屬礦山采集了9個(gè)具有代表性的硫化礦石礦樣，9個(gè)礦樣的主要化學(xué)成分及自燃傾向性判定因子的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2[21-22]，其中2個(gè)典型礦樣的顯微鏡光片如圖1所示。用手工法將礦樣破碎成180～250 μm，在室內(nèi)分別確定各個(gè)礦樣的低溫氧化質(zhì)量增加率、自熱點(diǎn)，以及著火點(diǎn)。

將各個(gè)待判礦樣的測(cè)定值，依次代入式(4)～(6)可以計(jì)算出相應(yīng)的關(guān)聯(lián)函數(shù)值。其中1號(hào)待判礦樣的關(guān)聯(lián)函數(shù)值分別為：K1(v1)=0.388 9，K2(v1)=-0.388 9，K3(v1)=-0.500 0，K4(v1)=-0.576 9，K1(v2)=0.333 3，K2(v2)=-0.666 7，K3(v2)=-0.875 0，K4(v2)=-0.923 1，K1(v3)=0.040 0，K2(v3)=-0.040 0，K3(v3)=-0.520 0，K4(v3)=-0.680 0。

2.4 待判礦樣的自燃傾向性等級(jí)

為了權(quán)衡低溫氧化質(zhì)量增加率、自熱點(diǎn)以及著火點(diǎn)3個(gè)指標(biāo)對(duì)硫化礦石自燃傾向性的影響程度，參考文獻(xiàn)[23]，采用AHP法得到該3個(gè)判定因子的權(quán)重系數(shù)分別為0.506 9，0.253 9和0.239 2。依據(jù)所確定的各個(gè)待判礦樣的關(guān)聯(lián)函數(shù)值及各判定因子所對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，由式(7)計(jì)算出各個(gè)待判礦樣對(duì)每個(gè)自燃傾向性等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度，并獲得相應(yīng)的歸屬等級(jí)。

表2 待判礦樣的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及判定因子測(cè)試值Table 2 Chemical compositions and values of spontaneous combustion tendency determination for different samples

圖1 2種礦樣的光片F(xiàn)ig.1 Typical photomicrograph of two samples

由表3可以看出：1號(hào)、3號(hào)和9號(hào)礦樣的自燃傾向性級(jí)別為A級(jí)(危險(xiǎn)性極大)，所以，在礦山開(kāi)采中應(yīng)引起足夠重視，并采取相應(yīng)的防滅火技術(shù)與措施；8號(hào)礦樣的自燃傾向性等級(jí)為B級(jí)，即危險(xiǎn)性大，同樣需要做好自燃防治工作；2號(hào)、4號(hào)和7號(hào)礦樣的自燃傾向性級(jí)別為C級(jí)(危險(xiǎn)性一般)，由于采場(chǎng)中硫化礦石爆堆的自燃與采場(chǎng)環(huán)境、采礦方法，以及管理水平有關(guān)，所以，在生產(chǎn)中仍不能麻痹大意；而5號(hào)和6號(hào)礦樣的自燃傾向性等級(jí)為D級(jí)(危險(xiǎn)性小)，故在礦山開(kāi)采中不需加大自燃火災(zāi)防治的投入。

將物元可拓法與多因素綜合比較法所得的判定結(jié)果[21-22]進(jìn)行比較，可以看出多因素綜合判定法將礦樣的自燃傾向性等級(jí)壓縮為3級(jí)，即Ⅰ(易自燃)、Ⅱ(易自熱)以及Ⅲ(不易自燃)；對(duì)1號(hào)、3號(hào)和9號(hào)礦樣，用物元可拓法得出的判定結(jié)果為A級(jí)(危險(xiǎn)性極大)，與多因素綜合法的判定結(jié)果Ⅰ級(jí)(易自燃)相對(duì)應(yīng)；2號(hào)、4號(hào)和7號(hào)礦樣的C級(jí)(危險(xiǎn)性一般)與Ⅱ級(jí)(易自熱)相對(duì)應(yīng)；6號(hào)礦樣為D級(jí)(危險(xiǎn)性小)，與Ⅲ級(jí)(不易自燃)相對(duì)應(yīng)。5號(hào)礦樣由于在低溫氧化中反應(yīng)速率很小，加上自熱點(diǎn)較高，所以，將其自燃傾向性的級(jí)別劃為D級(jí)(危險(xiǎn)性小)是合理的；而按照多因素綜合法將其歸類為Ⅱ級(jí)(易自熱)，則未考慮其低溫氧化特性。8號(hào)礦樣所在礦體存在自燃現(xiàn)象，依據(jù)物元可拓法將其歸為B級(jí)(危險(xiǎn)性大)與實(shí)際相符合，而多因素綜合比較法僅判定為Ⅱ級(jí)(易自熱性)，有失準(zhǔn)確性。因此，用物元可拓法進(jìn)行硫化礦石自燃傾向性的綜合判定更有利于指導(dǎo)礦山的安全生產(chǎn)。

表3 各個(gè)礦樣的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(P)及判定等級(jí)Table 3 Evaluation rank of integrated relating degree for each sample

3 結(jié)論

(1) 基于物元分析和可拓集合的關(guān)聯(lián)函數(shù)，建立了硫化礦石自燃傾向性綜合判定的物元評(píng)價(jià)模型。選取了硫化礦石的低溫氧化質(zhì)量增加率、自熱點(diǎn)、著火點(diǎn)3項(xiàng)指標(biāo)作為其自燃傾向性綜合判定的基本判別因子，使得整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系全面、簡(jiǎn)潔。

(2) 用該方法對(duì)采自國(guó)內(nèi)多家典型金屬礦山的 9個(gè)代表性礦樣的自燃傾向性進(jìn)行了綜合判定，所得判定結(jié)果與多因素綜合比較法給出的評(píng)價(jià)結(jié)果較為一致，或者更為準(zhǔn)確，表明了該綜合判定模型的可靠性。

(3) 該方法評(píng)價(jià)原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便，為硫化礦石自燃傾向性的綜合判定提供了一條新途徑；依據(jù)所得的判定結(jié)果，可以有效指導(dǎo)礦山采取相應(yīng)的防滅火技術(shù)與措施，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦山安全、高效開(kāi)采。

[1]《采礦手冊(cè)》編輯委員會(huì). 采礦手冊(cè)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社,1991: 278-291.Mining Handbook Editorial Committee. Mining handbook[M].Beijing: Metallurgical Industry Press,1991: 278-291.

[2]YANG Fu-qiang,WU Chao,HU Han-hua,et al. Fireextinguishing techniques research on spontaneous combustion of a sulfide iron ore dump in mining stope[C]//Progress in Safety Science and Technology. Beijing: Science Press,2008: 869-874.

[3]WU Chao,LI Zi-jun,YANG Fu-qiang,et al. Risk forecast of spontaneous combustion of sulfide ore dump in a stope and controlling approaches of the fire[J]. Archives of Mining Sciences,2008,53(4): 565-579.

[4]陽(yáng)富強(qiáng),吳超,吳國(guó)珉,等. 硫化礦石堆自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2007,17(5): 89-95.YANG Fu-qiang,WU Chao,WU Guo-min,et al. Prediction and forecast techniques of spontaneous combustion of sulfide ore piles[J]. China Safety Science Journal,2007,17(5): 89-95.

[5]吳超,孟廷讓. 高硫礦井內(nèi)因火災(zāi)防治理論與技術(shù)[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社,1995: 50-56.WU Chao,MENG Ting-rang. Theory and technology of the spontaneous combustion control of sulfide ores in mines[M].Beijing: Metallurgical Industry Press,1995: 50-56.

[6]匡樂(lè)紅,徐林榮,劉寶琛. 基于可拓方法的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué),2006,27(5): 1-6.KUANG Le-hong,XU Lin-rong,LIU Bao-chen. Debris flow hazard assessment based on extension method[J]. China Railway Science,2006,27(5): 1-6.

[7]蘭雙雙,姜紀(jì)沂,王濱. 基于物元可拓法的地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)——以梨樹(shù)縣平原區(qū)淺層地下水為例[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào): 地球科學(xué)版,2009,39(4): 722-727.LAN Shuang-shuang,JIANG Ji-yi,WANG Bin. Evaluation of groundwater quality based on matter-element and extension means——Taking shallow groundwater of plain areas in Lishu for example[J]. Journal of Jilin University: Earth Science Edition,2009,39(4): 722-727.

[8]康志強(qiáng),周輝,馮夏庭,等. 大型巖質(zhì)邊坡巖體質(zhì)量的可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2007,28(12):l770-1773.KANG Zhi-qiang,ZHOU Hui,FENG Xia-ting,et a1. Evaluation of high rock slope quality based on theory of extenics[J]. Journalof Northeastern University: Natural Science,2007,28(12):1770-l 773.

[9]黃祥志,余成學(xué). 基于可拓理論的圍巖穩(wěn)定分類方法的研究[J]. 巖土力學(xué),2006,27(10): 1800-1804.HUANG Xiang-zhi,SHE Cheng-xue. Research on methods of surrounding rock masses stability classification based on extension theory[J]. Rock and Soil Mechanics,2006,27(10):1800-1804.

[10]楊瑩春,諸靜. 一種新的巖爆分級(jí)預(yù)報(bào)模型及其應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2000,25(2): 169-172.YANG Ying-chun,ZHU Jin. A new model for classified prediction of rockburst and its application[J]. Journal of China Coal Society,2000,25(2): 169-172.

[11]尚敏,陳劍平,王征亮,等. 向家河大橋庫(kù)岸地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)的可拓學(xué)評(píng)價(jià)[J]. 巖土力學(xué),2007,28(11): 2445-2450.SHANG Min,CHEN Jian-ping,WANG Zheng-liang,et a1.Geological disaster risk zoning evaluation based on extenics method in bank near Xiangiiahe Bridge[J]. Rock and Soil Mechanics,2007,28(11): 2445-2450.

[12]李克鋼,許江,李樹(shù)春,等. 基于可拓理論的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究[J]. 重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(4): 75-78.LI Ke-gang,XU Jiang,LI Shu-chun,et a1. Research on evaluation of the slope stability based on the extension theory[J].Journal of Chongqing Jianzhu University,2007,29(4): 75-78.

[13]舒繼森,才慶祥,郝航程,等. 可拓學(xué)理論在邊坡破壞模式識(shí)別中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,34(5): 591-595.SHU Ji-sen,CAI Qing-xiang,HAO Hang-cheng,et al. Use of extenics theory in recognizing failure mode of slope[J]. Journal of China University of Mining and Technology,2005,34(5):591-595.

[14]談小龍,徐衛(wèi)亞,梁桂蘭. 可拓方法在巖石邊坡整體安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(12):2504-2510.TAN Xiao-long,XU Wei-ya,LIANG Gui-lan. Application of extenics method to comprehensive safety evaluation of rock slope[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(12): 2504-2510.

[15]齊福榮,李忠,武強(qiáng). 可拓評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)及其應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2009,45(30): 211-213.QI Fu-rong,LI Zhong,WU Qiang. Improvement of ectenics assessment method and its application[J]. Computer Engineering and Applications,2009,45(30): 211-213.

[16]張曉蘭. 基于可拓工程方法的地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究: 以渭河陜西段環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)為例[J]. 湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2007,22(1): 119-122.ZHANG Xiao-lan. Study of surface water environment quality based on the extension engineering method: Taking the environment quality of Shanxi section of Weihe river as an example[J]. Journal of Hunan University of Science &Technology: Natural Science Edition,2007,22(1): 119-122.

[17]張虹波,劉黎明,張軍連,等. 區(qū)域土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)的物元模型構(gòu)建及應(yīng)用[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào): 農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版,2007,33(2): 222-229.ZHANG Hong-bo,LIU Li-ming,ZHANG Jun-lian,et al.Matter-element model and its application to land resource eco-security assessment[J]. Journal of Zhejiang University:Agric & Life Sci,2007,33(2): 222-229.

[18]劉立民,劉漢龍,連傳杰. 建筑物采動(dòng)損壞等級(jí)評(píng)定的物元模型及其應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2004,29(1): 17-21.LIU Li-min,LIU Han-long,LIAN Chuan-jie. Matter-element model for buildings’ damage grade evaluation and its application caused by mining subsidence[J]. Journal of China Coal Society,2004,29(1): 17-21.

[19]WU Chao,LI Zi-jun. A simple method for predicting the spontaneous combustion potential of sulfide ores at ambient temperature[J]. Transactions of the Institutions of Mining and Metallurgy,Section A,2005,114(2): 125-128.

[20]WU Chao,LI Zi-jun,ZHOU Bo. Correlations among factors of sulfide ores in oxidation process at ambient temperature[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2004,14(1):175-179.

[21]李孜軍. 硫化礦石自燃機(jī)理及其預(yù)防關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,2007: 58-94.LI Zi-jun. Key technique research on spontaneous combustion mechanism and prevention of sulfide ores[D]. Changsha: Central South University. School of Resources and Safety Engineering,2007: 58-94.

[22]李孜軍,汪發(fā)松. 銀家溝硫鐵礦發(fā)火礦體開(kāi)采綜合技術(shù)研究[R]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,2008: 125-163.LI Zi-jun,WANG Fa-song. Comprehensive technology research on Yinjiagou iron sulfide mine with spontaneous combustion[R].Changsha: Central South University. School of Resources and Safety Engineering,2008: 125-163.

[23]李孜軍,汪發(fā)松,馬樹(shù)寶. 基于層次分析法和集對(duì)理論的硫化礦自燃傾向性評(píng)定[J]. 科技導(dǎo)報(bào),2009,27(19): 69-73.LI Zi-jun,WANG Fa-song,MA Shu-bao. Safety assessment of the spontaneous combustion tendency of sulfide ores based on AHP and SPA[J]. Review Science and Technology,2009,27(19):69-73.