基于可變模糊集理論的硫化礦炸藥自爆危險性評價*

賴 勇，陽富強

(福州大學 環境與資源學院，福建 福州 350116)

0 引言

硫礦資源是社會經濟發展中的重要資源，我國已探明硫礦產地1 437多處，儲量約58億t[1]。在硫化礦床進行開采作業時，常利用炸藥對礦石進行爆破，但在開采過程中硫化礦石及其氧化產物與炸藥接觸時會發生放熱反應，導致溫度過高，發生爆炸事故[2]。隨著開采深度的增加，礦井內部的溫度不斷升高，在用炸藥進行爆破作業時，炸藥自爆的危險性增加。國內外曾多次發生硫化礦山炸藥自爆事故。例如，新疆富蘊蒙庫鐵礦、內蒙古烏努格土山銅鉬礦、廣東云浮硫鐵礦、巴布亞新幾內亞Lihir金礦、美國Meikle金礦等都曾發生過礦石炸藥自爆事故[3-5]。因此，開展硫化礦床炸藥自爆危險性評價，對減少炸藥自爆事故具有重要意義。

目前，硫化礦床炸藥自爆的研究較少且主要集中在炸藥自爆機理。例如，機械活化理論認為在礦床開采過程中，礦石經各種形式的機械力作用(地壓、摩擦力等)，使礦石的物理化學性質發生改變并提高化學反應活性，在一定環境條件下更易發生氧化自熱現象[6]。微生物作用機理認為有可氧化硫化礦物的微生物存活于氧化礦帶中，在開采過程中微生物在合適的環境下會對礦物進行氧化從而放熱[7]。此外，也有學者對硝酸銨的穩定性進行研究，Sun等[8]論證了無機酸對硝酸銨熱穩定性的催化效應；Xu等[9]發現亞硝酸鈉能夠降低乳化炸藥的起始分解溫度。還有部分學者對炸藥自爆危險性進行研究，例如，葉曉暉等[10]利用可拓綜合模型對炸藥自爆危險性進行評價；羅凱等[11]基于未確知測度模型對硫化礦山炸藥自爆危險性提出了新的評價方法；陽富強等[12]利用云模型對硫化礦床開采中炸藥自爆危險性進行危險性分析。硫化礦床炸藥自爆的研究主要側重炸藥自爆機理研究，對于炸藥自爆危險性評價的研究較少，相關的炸藥自爆危險性評價研究成果基本上都是用單一模型對樣本進行評價，或只能將評價標準處理成點的形式，不能對復雜的井下開采條件進行有效評價。本文將采用可變模糊集理論對影響硫化礦炸藥自爆的因素進行分析，利用熵權法確定各影響因素權重，減少主觀性。研究結果可為評價高硫礦山炸藥自爆危險性提供參考依據，減少礦山炸藥自爆事故。

可變模糊集理論由陳守煜在2005年創立[13]，該理論能夠有效分析具有模糊性、動態性、不確定性特征的復雜系統[14]。目前該理論主要應用于水利工程、地質災害等領域[15-17]并已取得成效。由于硫化礦床開采環境復雜，影響炸藥自爆的因素具有模糊性和動態性等特點，因此，應用可變模糊集理論對硫化礦床開采中炸藥自爆危險性進行評價。

1 炸藥自爆危險性可變模糊評價模型

1.1 建立指標體系

對于硫化礦床開采中炸藥自爆危險性評價，合理的選擇評價指標能夠使評價結果更為準確。炸藥自爆的危險性與不安全的環境條件、不安全的物質狀態以及裝藥時間有著極為緊密的關系。其中，環境條件主要為礦井內溫度、濕度；物質狀態主要為礦石自身的物化性質以及炸藥的種類。硫化礦床開采中炸藥自爆危險性評價的指標選取主要依據過往的自爆事故原因與已有的研究成果，并結合實際的生產情況，經篩選后確定。由于礦井內部環境復雜，在選取指標時應以靈敏性、可變性、易得性及代表性等為原則[14]。

1.2 評價模型與方法

可變模糊評價的具體方法步驟如下：

1)確定樣本特征值矩陣

確定待評價樣本的指標特征向量x=(x1x2…xm)，其中m為樣本指標特征值的個數。

2)確定指標評價區間矩陣

將待評價樣本的各指標按照c個級別劃分成評價區間，令1級最好，c級最差，區間等級按數字順序分布，可得到指標評價區間矩陣：

(1)

式中：[aih，bih]為指標i的h級別的標準值區間；aih，bih分別為區間的上下限。

3)根據Iab確定可變范圍評價區間矩陣：

(2)

式中：[cih，dih]為指標i的h級別的可變范圍值區間；cih，dih分別為區間的上下限。其中[cih，dih]有：

(3)

4)據矩陣Iab，按指標i的物理特性與實際情況，確定指標i級別h的點值矩陣：

(4)

公式(4)中的Mih為：

(5)

式中：h=1,2,…，c。

5)將樣本指標特征值xij與Mih比較大小，若xij≤Mih，其隸屬函數計算公式為：

(6)

若xij>Mih，則其隸屬函數計算公式為：

(7)

根據指標特征值xij與Mih，再利用公式(6)、(7)可得相對隸屬度矩陣：

(8)

6)確定指標權向量

熵權法是依據各項指標變異程度，利用信息熵的大小來計算各指標權重的1種方法。本文利用熵權法求得炸藥自爆影響指標權重w={w1,w2,…,wn}。

7)確定可變模糊綜合評價模型

不同參數組合均可得到相應的非歸一化綜合相對隸屬度矩陣，對其進行歸一化，可得到歸一化的各指標綜合相對隸屬度值。由公式(9)可得樣本對級別h的綜合相對隸屬度向量：

(9)

式中：wi為指標權重；m為指標數；α為優化標準參數，α=1為最小一乘方準則，α=2為最小二乘方準則；p為距離參數，p=1為海明距離，p=2為歐氏距離。α與p共有4種不同組合。

8)綜合評價

由式(10)可得級別特征值H：

Hj=(1,2…c)·uhj

(10)

并結合判斷準則：

(11)

根據歸屬級別Hj的等級對硫化礦床開采中炸藥自爆危險性進行評估。

2 實例運用

2.1 評估體系的建立及其樣本的特征值

參考有關硫化礦床炸藥自爆危險性評價的文獻[11]，并結合實際生產情況，選定水溶性鐵離子含量、硫化礦石含水量、炸藥類型、裝藥時間等8個影響因素作為評價炸藥自爆危險性的綜合評價指標，具體指標見表1。根據以往的炸藥自爆事故調查報告以及相關的自爆研究，對綜合評價指標進行分級與取值[11]。將綜合評價指標分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ4個級別，依次對應自爆危險性小、自爆危險性一般、自爆危險性大以及自爆危險性極大。其中，炸藥類型與裝藥時間的等級劃分與取值是根據炸藥的耐熱性和實際裝藥時間與計劃裝藥時間對比決定的。

以某高硫金礦為例，其主要成分為黃鐵礦。該礦山的生產事故記錄顯示，礦山曾發生過自燃事故，未發生過炸藥自爆事故。根據炸藥自爆危險性評價指標得到礦山的危險評價指標特征值，如表2所示。

表1 炸藥自爆危險性評價指標與等級劃分Table 1 The risk evaluation indicators and grades of explosive self-explosion

表2 某高硫金礦炸藥自爆危險性指標特征值Table 2 The risk indicators characteristic values of self-explosion for a high-sulfur gold mine

2.2 相對隸屬度的計算

由表1可得某高硫金礦的炸藥自爆危險性的指標評價區間矩陣：

由指標評價區間矩陣Iab和公式(3)可得可變范圍評價區間矩陣：

由指標評價區間矩陣Iab和公式(5)可得：

將指標特征值xij與Mih比較大小，然后根據公式(6)、(7)計算出礦山的相對隸屬度矩陣：

根據熵權法計算出硫化礦床開采中炸藥自爆危險性各評價指標對應的權重值W=(0.127,0.114,0.146,0.243,0.094,0.114,0.081,0.081)。

2.3 硫化礦山炸藥自爆綜合等級特征值計算

由公式(9)求得α與p共有4種不同組合情況下的未歸一化的綜合隸屬度矩陣，再對其進行歸一化處理，得歸一化后的綜合相對隸屬度矩陣。再根據公式(10)、(11)得到級別特征值H，具體數值見表3。

表3 某高硫金礦炸藥自爆綜合等級特征值Table 3 The comprehensive grade characteristics values of self-explosion for a high-sulfur gold mine

3 結論

1)硫化礦床的實際開采條件復雜，影響炸藥自爆的因素多，且各因素間會相互影響。可變模糊集理論對影響炸藥自爆指標的范圍進行分析，兼顧評價指標所具有的模糊性、動態性，解決了將評價標準處理成點而導致評價結果不準確的問題。

2)根據實際情況選取8項影響炸藥自爆危險性的綜合評價指標對炸藥自爆危險性進行評價。采用熵權法求得各項指標的權重，再利用可變模糊評價模型對礦山的特征值進行計算，得出某高硫金礦的炸藥自爆危險性等級為Ⅱ級，自爆危險性一般，計算結果與實際情況一致，表明該方法有效。

3)可變模糊集理論處于不斷發展和完善階段，將該理論應用于實際生產中還有待改進，如可變模糊集理論不能夠完全消除模型可變參數取值范圍的主觀性等。此外，硫化礦床在實際開采中影響炸藥自爆的因素尚未被完全理解，需要對炸藥自爆機理進行更深入的研究。