基于未確知測度模型的硫化礦山炸藥自爆危險性評價新方法

羅凱 ，陽富強，吳超

(1. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2. 江西理工大學 建筑與測繪學院，江西 贛州，341000；3. 福州大學 環境與資源學院，福建 福州 350108)

硫化礦山爆破作業過程中，炸藥自爆事故時有發生，銅坑錫礦、水口山鉛鋅礦、青山硫鐵礦等礦山均發生過不同程度的炸藥自爆事故[1-4]。炸藥自爆事故不僅給爆破人員的生命安全和礦山生產帶來威脅，而且給企業造成巨大的經濟損失。隨著全球礦產資源的貧乏，礦山向深部開發是大勢所趨，深部開采的高溫問題必將加劇高硫礦床開采中炸藥自爆事故的高發。因此，在高硫礦山生產中，對炸藥自爆的危險性進行合理評價，從而指導企業安全生產，減少企業經濟損失，保證工人的生命安全。硫化礦山爆破的安全技術問題一直受到國內外學者和礦山企業的普遍關注，各國對炸藥自爆機理及炸藥自爆危險性評價方法都進行了大量的研究[5-11]。硫化礦山炸藥自爆的危險性評價方法有多種[1,3,11]，如三要素法，即礦樣中黃鐵礦的質量分數大于30%，礦樣中水溶性Fe2++Fe3+的質量分數＞0.3%，礦石中的水分質量分數為3%～14%；酸度差別法，即炸藥與硫化礦石接觸能否發生反應，關鍵取決于pH 的高低，而并非水溶性鐵離子的含量，并以礦樣的水溶性pH 極限值4.40～1.32 作為炸藥發生自爆的判據。葉曉暉等[5-7]提出了臨界溫度判別法，認為臨界溫度能反映炸藥與礦石反應的難易程度；陳壽如等[12-13]簡化了炸藥自爆判據，認為礦樣中的水溶性鐵離子含量與溶液的pH 存在一定關系，檢測過程中只需測定溶液的pH 即可。由此可知，以上有關炸藥自爆的危險性評價都是側重于其中的某幾個定量指標，片面強調了炸藥自爆的某幾個影響因素。實際上，炸藥自爆是受多種因素綜合作用的結果，既有定量的因素，也包含定性的影響因素，而且各因素相互影響、相互作用。只有在充分考慮多種因素的基礎上才能對炸藥的自爆破危險性進行科學合理的評價。因此，必須選擇一種綜合性的評價方法，不但能夠減少評價過程中的人為主觀性，還能進行定量分析。鑒于硫化礦山炸藥自爆的危險性評價過程中存在有許多不確定性因素，本文作者將未確知數學理論運用到炸藥自爆的危險性評價當中。

1 未確知測度理論

未確知數學理論[14]是由王光遠教授于20 世紀90年代初提出來的一種不同于模糊信息、隨機信息和灰色信息的不確定性信息理論。該理論已應用到各個學科領域當中，其中成果最多的是未確知測度評價模型的應用[15-20]。

設評價對象組成的集合為評價對象空間 X，X={X1，X2，X3，…，Xn}。若某評價對象有m 個評價指標，分別記為I1，I2，…，Im，相應的指標空間為 I= {I1，I2，…，Im}，若xij表示第i 個評價對象Xi關于第j 個評價指標Ij的測量值，則Xi可用m 維向量Xi=(xi1，xi2，…，xim)表示。

對xij有P 個評價等級C1，C2，…，Cp，記評價等級空間為U，U={C1，C2，…，Cp}；設第k 級比第k+1 級危險性大(或安全程度高)，記為Ck＞Ck+1；若C1＞C2＞…＞Cp或C1＜C2＜…＜Cp，則稱{C1，C2，…，Cp}是評價等級空間U 上的一個有序分割類[14]。在采場硫化礦山炸藥自爆危險性評價中，評價等級空間表示前一個等級比后一個等級的危險程度大。若μijk=μ (xij∈Ck)表示測量值xij屬于第k 個評價等級Ck的程度，且μ 滿足式(1)～(3)，則稱μ 為未確知測度[14]：

1.1 單指標未確知測度

由前述定義構造單指標測度函數μ( xij∈ Ck)，(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；k=1，2，…，p)，以便獲得某個評價因素xi的各個指標測度μijk，稱(μijk)m×p為單指標測度評價矩陣[19]，即

1.2 指標權重及多指標未確知測度

由于單指標測度評價矩陣(4)是已知的，故可以通過式(5)和(6)求得wi。

若μk=μ(Xi∈Ck)表示評價對象Xi屬于第k 等級的程度，則有

1.3 置信度識別準則

引入“置信度”評價準則[20]，以確定最終評價結果。設λ 為置信度(λ≥0.5，通常取λ=0.6 或0.7)，若C1＞C2＞…＞Cp，且滿足

則將評價對象歸為第k0個等級Ck0。

2 炸藥自爆危險性評價指標體系

要準確評價炸藥在開采過程中是否存在自爆危險性，必須充分考慮多種因素的綜合影響。采用分級標準量化法對各個指標進行分級和取值，每個指標劃分Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ4 個級別，分別表示自爆危險性極大、自爆危險性大、自爆危險性一般、自爆危險性小；相應的評判集設為{C1，C2，C3，C4}。整個評價體系結構[8-12,22]見表1 和表2。

由單指標測度函數的定義和表1、表2 關于各指標的賦值標準，建立炸藥自爆危險性的指標測度函數。圖1～6 所示分別為硫化礦石的水溶性鐵離子含量、礦石含水量、礦石中的黃鐵礦含量、礦石水分的pH、采場環境溫度、炮孔溫度等定量指標的單指標測度函數；圖7 所示為安全裝藥的技術水平、炸藥類型、采場的通風條件、裝藥時間、采場爆破管理水平等定性指標的單指標測度函數。

表1 炸藥自爆危險性評價的定量指標分級標準Table 1 Classification criterion of quantitative indexes in self-blasting of explosive risk evaluation

表2 炸藥自爆危險性評價的定性指標分級標準Table 2 Classification criterion of qualitative indexes in self-blasting of explosive risk evaluation

圖1 水溶性鐵離子質量分數的單指標測度函數Fig.1 Uncertainty measurement function of water soluble Fe2++ Fe3+

圖2 含水量的單指標測度函數Fig.2 Uncertainty measurement function of water content

圖3 黃鐵礦質量分數的單指標測度函數Fig.3 Uncertainty measurement function of pyrite content

圖4 水分pH 的單指標測度函數Fig.4 Uncertainty measurement function of water pH

圖5 采場環境溫度的單指標測度函數Fig.5 Uncertainty measurement function of environmental temperature in stope

圖6 炮孔溫度的單指標測度函數Fig.6 Uncertainty measurement function of blasting hole temperature

圖7 裝藥技術水平、炸藥類型、裝藥時間、通風條件、爆破管理水平的單指標測度函數Fig.7 Uncertainty measurement function of explosive-filling technology level, explosive type, explosive-filling time,ventilation conditions, and locale management level

3 實例應用

據文獻[1, 23-24]，許多礦山都開展過炸藥自爆的實驗及現場研究工作，從中選擇最具有代表性的4 座高硫礦山，包括銅官山銅礦天馬山礦區、水口山鉛鋅礦、老廟基山、銅山前山區。結合礦山當時的實際開采條件，運用未確知測度模型評價其炸藥自爆的危險性，4 座礦山相應的指標統計值見表3。

將表3 中的各個指標值，分別代入圖1～7 對應的單指標未確知測度函數中，可計算出4 座礦山的單指標評價矩陣。式(10)和(11)分別為天馬山礦、水口山鉛鋅礦的單指標評價矩陣。

由式(5)～(6)來確定各評價指標的權重，求得天馬山礦區、水口山鉛鋅礦、老廟基山、銅山前山區這4座礦山中各個評價指標的權重分別為：W1= {0.053 83，0.055 30，0.104 62，0.104 62，0.053 83，0.104 62，0.104 62，0.104 62，0.104 62，0.104 62，0.104 62}；W2={0.099 58，0.099 58，0.099 58，0.099 58，0.049 78，0.054 02，0.099 58，0.099 58，0.099 58，0.099 58，0.099 58}；W3= {0.099 46，0.055 04，0.099 46，0.099 46，0.099 46，0.049 85，0.099 46，0.099 46，0.099 46，0.099 46，0.099 46}；W4= {0.094 59，0.054 13，0.094 59，0.094 59，0.094 59，0.094 59，0.094 59，0.094 59，0.094 59，0.094 59，0.094 59}。

由多指標測度評價向量式(7)求出相應的多指標綜合測度評價向量，取λ=0.6，并結合置信度評價準則式(8)，獲得4 座礦山發生炸藥自爆事故的綜合未確知測度及評價結果，見表4。

從表4 可以看出，天馬山礦區發生炸藥自爆的危險等級為Ⅲ級，即危險性一般；水口山鉛鋅礦發生炸藥自爆的危險等級為Ⅰ級，即危險性極大；老廟基山礦發生炸藥自爆的危險等級為Ⅱ級，即危險性大；銅山前山區礦發生炸藥自爆的危險等級為Ⅰ級，即危險性極大。因此，必須針對水口山鉛鋅礦、銅山前山區礦、老廟基山礦采取相應的防炸藥自爆技術與措施[23,25]，包括使用安全炸藥，向炮孔內撒入石灰或石灰水，以降低炮孔內的酸性，提高安全裝藥技術水平，盡量縮短裝藥時間，向高溫炮孔灌水降溫，甚至還要考慮使用防自爆型炸藥等措施。對于天馬山礦區發生炸藥自爆危險性一般的評價結果，仍不能麻痹大意，要從防自爆的技術及管理2 方面要求爆破作業，保證炸藥自爆事故發生的概率降到最低。

根據歷史資料，水口山鉛鋅礦、老廟基山礦、銅山前山區礦在生產中均發生過炸藥自爆事故，而天馬山礦區高硫礦床未有炸藥自爆事故的相關報道。即采用未確知測度模型評價高硫礦山炸藥自爆危險性的結果與礦山實際相符。

表3 礦山相應指標的測定值Table 3 Measured data of risk evaluation indexes of four mines

表4 未確知測度模型評價結果與礦山現狀的對比Table 4 Comparison of results of uncertainty measurement evaluation and actuality

4 結論

(1) 硫化礦山炸藥自爆危險性評價受諸多不確定性因素影響，系統考慮硫化礦石及炸藥自身的物理化學性質、采場環境條件，以及現場管理水平等主、客觀因素，建立了炸藥自爆的未確知測度評價模型。

(2) 以硫化礦石中的水溶性鐵離子含量、黃鐵礦含量、水分pH、環境溫度、炮孔溫度、安全裝藥技術、炸藥類型、采場通風狀況、裝藥時間，以及現場管理水平等因子作為判別指標，保證了整個評價體系結構的合理性；運用信息熵理論獲取相應的指標權重，以減小主觀因素的影響；依據評價結果決定礦山是否需要采取有效的防炸藥自爆技術與措施。

(3) 4 座典型高硫礦山的炸藥自爆危險性評價結果表明，采用未確知測度模型評價硫化礦山炸藥自爆的危險性科學合理，這為硫化礦山的安全生產提供了一條新思路。

[1] 王國利. 硫化礦爆破安全技術的發展[J]. 工程爆破, 1997,3(2)： 65-68.WANG Guoli. Development of blasting safety technology for sulfide mines[J]. Engineering Blasting, 1997, 3(2)： 65-68.

[2] 陽富強, 吳超, 李孜軍, 等. 硫化礦山開采過程中炸藥自爆危險性預測[J]. 中國安全科學學報, 2012, 22(10)： 55-60.YANG Fuqiang, WU Chao, LI Zijun, et al. Risk prediction of self-blasting of explosive in a sulfide mine[J]. China Safety Science Journal, 2012, 22(10)： 55-60.

[3] 王國利. 句容硫鐵礦礦石自燃傾向和炸藥自爆危險性評價[J].有色金屬, 1999, 51(1)： 8-10.WANG Guoli. Evaluation of spontaneous combustion tendency of sulfide ores and risk of explosives spontaneous combustion of explosion[J]. Nonferrous Metals, 1999, 51(1)： 8-10.

[4] 谷新建. 青山硫鐵礦炸藥自爆的原因分析[J]. 湘潭礦業學院學報, 2000, 15(1)： 18-21.GU Xinjian. Analysis on the reasons for the spontaneous detonation of explosive in Qingshan pyrite mine[J]. J Xiangtan Min Inst, 2000, 15(1)： 18-21.

[5] 葉曉暉, 吳超, 陽富強, 等. 硫化礦開采中炸藥自爆危險性的可拓綜合評價[J]. 爆破, 2010, 27(4)： 99-104.YE Xiaohui, WU Chao, YANG Fuqiang, et al. Extension comprehensive evaluation of explosive’s self-blasting risk during sulfide mining[J]. Blasting, 2010, 27(4)： 99-104.

[6] 廖明清. 炸藥自爆危險性及硫化礦用炸藥安全性檢測技術[J].爆破器材, 1992, 21(4)： 14-19.LIAO Mingqing. Self-explosion risks of explosives and testing techniques of safety properties of explosives for sulfide ore body[J]. Explosive Materials, 1992, 21(4)： 14-19.

[7] 廖明清, 聶輝成. 高硫高溫礦用安全炸藥的研究[J]. 礦業研究與開發, 1993, 13(2)： 48-55.LIAO Mingqing, NIE Huicheng. A study on safe explosive resistant to high sulfur and high temperature[J]. Research and Development of Mining, 1993, 13(2)： 48-55.

[8] 葉曉暉, 吳超, 李孜軍, 等. 硫化礦床開采中炸藥自爆危險性的實驗研究[J]. 礦冶工程, 2011, 31(3)： 13-17.YE Xiaohui, WU Chao, LI Zijun, et al. Experimental study on risk of spontaneous explosion of explosive in mining sulfide deposit[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2011, 3l(3)：13-17.

[9] 吳超. 硫化礦床開采中炸藥自爆事故樹分析及其試驗方法[J].礦冶工程, 1995, 15(1)： 17-20.WU Chao. The mechanism of self-blasting of explosives during the mining of sulfide ores and experimental method of safety assessment[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 1995,15(1)： 17-20.

[10] 李孜軍, 古德生, 吳超. 高溫高硫礦床開采中炸藥自爆危險性的評價[J]. 中國礦業, 2002, 11(2)： 15-18.LI Zijun, GU Desheng, WU Chao. Danger of explosive’s self-initiation in high temperature and high sulfur mines[J].China Mine, 2002, 11(2)： 15-18.

[11] 袁昌明. 硫化礦炸藥自爆機理分析與實驗研究[J]. 爆破器材,2004, 33(3)： 16-20.YUAN Changming. Mechanism analysis and experimentation research of the self-exploded of the pyrites and dynamite contact[J]. Explosive Materials, 2004, 33(3)： 16-20.

[12] 陳壽如, 徐國元, 李夕兵. 硫化礦中炸藥自爆判據的簡化及應用[J]. 中南工業大學學報(自然科學版), 1995, 26(2)：167-171.CHEN Shouru, XU Guoyuan, LI Xibing. A simple criteria of explosives self-initiation and its application in sulfurous mines[J].Journal of Cent South University of Technology (Natural Science), 1995, 26(2)： 167-171.

[13] 陳壽如, 謝圣權. 硫化礦炸藥自爆新判據和治理措施研究[J].工程爆破, 2005, 11(3)： 19-22.CHEN Shouru, XIE Shengquan. Study on a new criteria and treatment method of auto-ignition explosive in sulfide ore blasting[J]. Engineering Blasting, 2005, 11(3)： 19-22.

[14] 何虎軍, 蘇生瑞, 王孝健, 等. 基于未確知測度的崩塌危險性綜合評價模型研究及應用[J]. 中南大學學報(自然科學版),2013, 44(4)： 1564-1570.HE Hujun, SU Shengrui, WANG Xiaojian, et al. Study and application on comprehensive evaluation model of landslide hazard based on uncertainty measure theory[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(4)：1564-1570

[15] 吳義鋒, 薛聯青, 呂錫武. 基于未確知數學理論的水質風險評價模式[J]. 環境科學學報, 2006, 26(6)： 1047-1052.WU Yifeng, XUE Lianqing, Lü Xiwu. Assessment model of water quality risk based on unascertained mathematics theory[J].Acta Scientiae Circumstantiae, 2006, 26(6)： 1047-1052.

[16] 劉開第, 龐彥軍, 孫光勇, 等. 城市環境質量的未確知測度評價[J]. 系統工程理論與實踐, 1999, 19(12)： 52-58.LIU Kaidi, PANG Yanjun, SUN Guangyong, et al. The uncertainty measurement evaluation on a city’s environmental quality[J]. Systems Theory and Practice Engineering, 1999,19(12)： 52-58.

[17] 宮鳳強, 李夕兵, 董隴軍, 等. 基于未確知測度理論的采空區危險性評價研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2008, 27(2)：323-330.GONG Fenggiang, LI Xibing, DONG Longjun, et al.Underground goaf risk evaluation based on uncertainty measurement theory[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(2)： 323-330.

[18] 閆樂林, 王國旗, 許滿貴, 等. 煤礦安全預評價的未確知測度模型及應用[J]. 災害學, 2004, 19(2)： 18-22.YAN Lelin, WANG Guoqi, XU Mangui, et al. The unascertained measure model and application for preliminary evaluation of coal mine safety[J]. Journal of Catastrophology,2004, 19(2)： 18-22.

[19] 李如忠, 洪天求, 熊鴻斌, 等. 基于未確知數學理論的沉積物重金屬污染評價模式[J]. 農業環境科學學報, 2007, 26(6)：2167-2172.LI Ruzhong, HONG Tianqiu, XIONG Hongbin, et al.Assessment model for heavy metal pollution in stream sediments based on uncertainty mathematics theory[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2007, 26(6)： 2167-2172.

[20] 陽富強, 吳超, 李孜軍. 未確知測度模型在礦倉硫精礦自燃危險性評價中的應用[J]. 煤炭學報, 2010, 35(2)： 264-268.YANG Fuqiang, WU Chao, LI Zijun. Application of uncertainty measurement model in risk evaluation on spontaneous combustion of sulfur concentrate in storehouse[J]. Journal of China Coal Society, 2010, 35(2)： 264-268.

[21] 曹慶奎, 劉開展, 張博文. 用熵計算客觀型指標權重的方法[J]. 河北建筑科技學院學報, 2000, 17(3)： 40-42.CAO Qingkui, LIU Kaizhan, ZHANG Bowen. Calculation method of objective index weight by entropy[J]. Journal of Hebei Institute of Architectural Science and Technology, 2000,17(3)： 40-42.

[22] 吳超, 孟廷讓. 高硫礦井內因火災防治理論與技術[M]. 北京：冶金工業出版社, 1995： 15-55.WU Chao, MENG Tingrang. Theory and technology of the spontaneous combustion control of sulfide ores in mines[M].Beijing： Metallurgical Industry Press, 1995： 15-55.

[23] 陽富強, 吳超. 硫化礦自燃預測預報理論與技術 [M]. 北京：冶金工業出版社, 2011： 2-5.YANG Fuqiang, WU Chao. Prediction and forecast for spontaneous combustion of sulfide minerals[M]. Beijing：Metallurgical Industry Press, 2011： 2-5.

[24] 廖明清. 對高硫采場60℃以下炮孔中炸藥自爆危險性的探討[J]. 有色金屬(礦山部分), 1992(2)： 39-41.LIAO Mingqing. Discussion on self-blasting of explosive under 60℃ in high sulfur mines[J]. Nonferrous Metals(Mine Section),1992(2)： 39-41.

[25] 陳壽如, 周治國, 黎劍華, 等. 硫化礦預防炸藥自爆技術的改進及應用[J]. 工程爆破, 2001, 7(1)： 74-78.CHEN Shouru, ZHOU Zhiguo, LI Jianhua, et al. Improvement and application of the technology of preventing explosive’s self-initiation[J]. Engineering Blasting, 2001, 7(1)： 74-78.