基于未确知测度理论的硫化矿石爆堆自燃危险性评价

阳富强^{1, 2}，吴超^{1, 2}

(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 中南大学 国家金属矿安全科学技术研究中心，湖南 长沙，410083)

摘  要：运用未确知测度理论，建立采场硫化矿石爆堆的自燃危险性评价模型。选取采场硫化矿石的氧化增重率、水溶性铁离子含量、矿堆中水溶液pH、矿石的含水量、矿物成分的ST值、矿石的自热幅度、矿石的着火点、矿石损失率、矿岩的环境温度、矿石堆的体积共12项指标作为未确知测度模型的判别指标；根据实测数据建立各指标的未确知测度函数，并利用信息熵理论获得各判别指标的权重，依照置信度识别准则进行等级判定，最后得出采场矿石爆堆的自燃危险性评价结果。用该方法对国内4座典型硫化矿山的采场矿石爆堆自燃危险性进行评价，评价结果与矿山实际情况完全相符。因此，这种新方法能够应用到硫化矿山开采时的采场矿石爆堆自燃危险性评价当中，并能解决采场矿石爆堆自燃危险性评价中的诸多因素不确定性问题，对其进行定量评价。

关键词：采场硫化矿石爆堆；自燃；未确知测度；置信度识别；危险性评价

中图分类号：TD75          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)06-2373-08

Risk assessment on spontaneous combustion of sulfide ore dump in stope based on uncertainty measurement theory

YANG Fu-qiang^{1, 2}, WU Chao^{1, 2}

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. National Research Center of Safety Science and Technology for Metal Mines,

Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Based on uncertainty measurement theory, the assessment model of spontaneous combustion sulfide ore dump in stope was established. 12 main factors that influence spontaneous combustion of sulfide ore dump were taken into account, including oxidation increment of ore sample, water soluble Fe ion content, pH value of water in ores, water content in ore, ST value, self-heating tendency, ignition point, ore losing rate, ventilation conditions, environmental temperature, and volume of ore dump; the uncertainty measurement function was obtained based on the in-situ data; entropy theory was used to calculate the index weight of all indexes, and the assessment results of the spontaneous combustion of sulfide ore dumps were obtained using the rules of credible recognition criteria. The spontaneous combustion risks of sulfide ore dump in stope of 4 typical mines were evaluated. The assessment results are consistent with the actual instances. Therefore, this newly formulated risk assessment method can be applied to evaluate the fire risk in any mine containing sulfide ores. It can solve lots of uncertainty problems in spontaneous combustion assessment on sulfide ore dumps, and analyze the problems quantitatively.

Key words: sulfide ore dump in stope; spontaneous combustion; uncertainty measurement; credible degree recognition; risk assessment

空气渗入到采场硫化矿石爆堆内时，会发生氧化作用而放出热量，若氧化生成的热量大于其向周围散发的热量，矿石堆便能自行增高其温度；在一定的外界条件下，局部热量积聚使得矿石不断被加热，直到达到其着火点温度，即引发自燃火灾^[1]。火灾不仅恶化了井下的作业环境，污染地面空气，影响工人的身体健康，而且会造成矿物资源的巨大浪费，可能破坏井下设备，影响采矿作业的正常进行，甚至造成重大的人员伤亡事故。据统计^[2-3]，我国有20%~30%的硫铁矿和5%~10%的有色金属或多金属硫化矿山存在内因火灾危害。随着全球矿产资源越来越贫乏，矿山向深部开发是大势所趋，深部开采的高温问题必将加剧高硫矿床自燃事故的发生。因此，在高硫矿山的开采过程中，对采场硫化矿石爆堆的自燃危险性进行合理评价极其重要。由于影响采场硫化矿石爆堆自燃的因素有很多，而且各因素互相影响、相互作用，不可能用单因素法来评价矿石自燃危险性的程度，而且现有的绝大多数方法还是停留在定性评价阶段，用于定量评价硫化矿石爆堆自燃危险性的方法并不多见^[4]。文献[5]以“火灾、爆炸危险指数”(DOW)为模型，分析硫化矿石自燃的影响因素，建立了针对硫化矿石自燃危险性的评价指数和等级，但该方法在处理诸多不确定性影响因素过程中带有较强的主观性，难免会对评价结果产生一定的影响。鉴于采场硫化矿石爆堆的自燃危险性评价过程中存在许多不确定性的因素，本文作者将未确知数学理论运用到矿石爆堆的自燃危险性评价当中，并对其进行定量分析。

1  未确知测度理论概述

未确知信息及其数学理论^[6]是由王光远教授于1990年提出来的，它是一种不同于模糊信息、随机信息和灰色信息的新的不确定性信息理论。而后，许多学者将该理论应用到各个学科领域当中，其中，大多为未确知测度评价模型的应用^[7-12]。

设评价对象组成的集合为评价对象空间，记为X，则评价对象空间 X={X₁, X₂, X₃, …, X_n}。如果某个评价对象有m个评价指标，用I₁, I₂, …, I_m表示，则指标空间可表示为 I={I₁, I₂, …, I_m}；若x_ij表示第i个评价对象X_i关于第j个评价指标I_j的测量值，则X_i可表示为1个m维向量：X_i= (x_i1, x_i2, …, x_im)。

对x_ij有p个评价等级C₁，C₂，…，C_p，评价等级空间记为U，则U={C₁, C₂, …, C_p}；设第k级比第k+1级危险性大(或安全程度高)，记为C_k＞C_k+1；若C₁＞C₂＞…＞C_p，或C₁＜C₂＜…＜C_p，则称{C₁, C₂, …, C_p}是评价等级空间U上的一个有序分割类^[8]。在采场硫化矿石爆堆的自燃危险性评价当中，评价等级空间则表示前一个等级比后一个等级的危险程度大。

如果表示测量值x_ij属于第k个评价等级C_k的程度，且满足：

0≤≤1

 (i=1, 2, …, n; j=1, 2, …, m; k=1, 2, …, p)    (1)

(i=1, 2, …, n; j=1, 2, …, m)    (2)

 (k=1, 2, …, p)  (3)

称式(2)为对评价空间U满足归一性；式(3)为对评价空间U满足可加性；称满足式(1)～(3)的为未确知测度^[10]。

1.1  单指标未确知测度

根据未确知测度的定义构造单指标测度函数() (i=1, 2, …, n；j=1, 2, …, m；k=1, 2, …, p)，以便求出某一评价因素x_i的各个指标测度值，那么，称为单指标测度评价矩阵^[11]，即

        (4)

1.2  指标权重的确定

设w_j表示测量指标x_ij与其他指标相比具有的相对重要程度，要求w_j满足:0≤w_j≤1，，则w={w₁, w₂, …, w_m}称为指标权重向量。在此，利用熵确定权重^[13]，即

          (5)

              (6)

由于单指标测度评价矩阵(4)是已知的，可以通过式(5)和(6)求得w_j。

1.3  多指标未确知测度

设w_j为评价指标I_j (j=1, 2, …, m)的权重，如果存在μ_ik满足：0≤μ_ik≤1，(k=1, 2, …, p)，则称为多指标未确知测度矩阵^[11]。

           (7)

向量μ_ik=(μ_i1, μ_i2, …, μ_ip)为X_i的多指标综合测度评价向量^[12]。

1.4  置信度识别准则

为了得出评价对象的最终评价结果，引入“置信度”评价准则^[8]。设λ为置信度(λ≥0.5，通常取λ=0.6或0.7)，若C₁＞C₂＞…＞C_p，且令

       (8)

则认为评价对象属于第k₀个评价等级。

2  采场硫化矿石爆堆自燃危险性评价指标体系的建立

采场硫化矿石爆堆的自燃危险性评价体系是一个极其复杂的综合系统，要实现其合理评价的目标，就必须建立完善、科学的评价指标体系。评价指标过多，会增加评价体系的复杂程度及评价难度，而指标过少又不能全面反映评价系统的客观状况。影响采场硫化矿石爆堆自燃的因素有很多^[14-16]，大致可分为矿石自身因素和环境因素两大类。前者指硫化矿石的自燃倾向性，主要包括矿石本身的物理化学成分、结构、着火点、吸水性及热物理性质等；后者指采矿的工艺条件，主要包括采场的环境温度、通风状况、采矿方法及矿石的损失率等。鉴于某些指标之间存在极大的相关性^[17]，因此，采场硫化矿石爆堆自燃危险性评价的体系结构应尽量全面而且简单。

在评价过程中，由于某些定性指标不能直接参与评价，所以要参考大量经验资料及相关技术规程后，通过特定的处理方法将定性指标转化为半定量指标，转化后不会影响评价结果，这类指标包括矿井的通风条件状况、选用的采矿方法等。采用分级标准量化法对各指标进行分级和取值，将每个指标分为4级，评判集为{C₁，C₂，C₃，C₄}，即Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，分别表示自燃危险性极大、危险性大、危险性一般、危险性小，每级都规定一个取值标准或数值区间，具体见表1^[18-19]和表2。

根据上述有关单指标测度函数的定义和表1、表2中关于各评判指标的赋值标准，构建采场硫化矿石爆堆自燃危险性评价的各指标测度函数，以便求得各评价指标的未确知测度值。其中，矿石氧化增重率、水溶性铁离子含量、矿堆中水溶液的pH、矿石的含水 量、矿物成分的ST值、矿石的自热幅度、矿石的着火点、矿石的损失率、矿岩的环境温度及矿石堆体积等定量指标的单指标测度函数分别见图1~10。

图1  氧化增重率的单指标测度函数

Fig.1  Uncertainty measurement function of oxidation increment

表1  采场硫化矿石爆堆自燃危险性评价的定量指标分级标准

Table 1  Classification criterion of quantitative indexes in spontaneous combustion risk evaluation on sulfide ore dump in stope

表2  采场硫化矿石爆堆自燃危险性评价的定性指标分级标准

Table 2  Classification criterion of qualitative indexes in spontaneous combustion risk evaluation on sulfide ore dump in stope

图2  水溶性铁离子含量的单指标测度函数

Fig.2 Uncertainty measurement function of water soluble iron ion content

图3  矿堆中水溶液pH的单指标测度函数

Fig.3  Uncertainty measurement function of pH value of water in ores

图4  矿石含水量的单指标测度函数

Fig.4  Uncertainty measurement function of water content in ore

图5  矿物成分的ST值的单指标测度函数

Fig.5  Uncertainty measurement function of ST value

图6  矿石自热幅度的单指标测度函数

Fig.6  Uncertainty measurement function of self-heating tendency

图7  矿石着火点的单指标测度函数

Fig.7  Uncertainty measurement function of ignition point

图8  矿石损失率的单指标测度函数

Fig.8  Uncertainty measurement function of ore losing rate

图9  矿岩环境温度的单指标测度函数

Fig.9  Uncertainty measurement function of environmental temperature

3  工程实例

新疆阿舍勒铜矿矿区位于中国阿尔泰山山脉西北段南麓低山丘陵区，地形以构造剥蚀及构造侵蚀成因类型为主；其中，某一矿体呈厚层状，以块状矿石为主，矿石类型以铜锌硫矿石、铜硫矿石为主，硫铁矿石次之；采集了多个有代表性的矿样，部分矿样的化学成分及光片结构分别见表3及图12；结合其工程设计方案，用未确知测度模型评价该矿山采场硫化矿石爆堆的自燃危险性程度；同时对国内其他3座典型的发火矿山进行评价。4座矿山的采场矿石爆堆各指标统计值见表4^[20]。

图10  矿石堆体积的单指标测度函数

Fig.10  Uncertainty measurement function of ore dump volume

将表4中统计到的各指标值分别代入图1~10中相应的单指标未确知测度函数中，计算求得阿舍勒铜矿、松树山铜矿、武山铜矿、东乡铜矿的单指标评价

矩阵，分别为式(9)~(12)：

      (9)

     (10)
 

      (11)

     (12)

表3  在显微镜下估算的阿舍勒铜矿矿物组成及含量(质量分数)统计

                Table 3  Statistical data of mineral contents of samples estimated under microscope               %

图11  阿舍勒铜矿矿样的典型光片

Fig.11  Typical photomicrograph of samples

表4  各矿山采场矿石爆堆各指标调查统计值

Table 4  Estimation and measured data of risk evaluation indexes of each mine in stope

由式(5)~(6)来确定各评价指标的权重，求得阿舍勒铜矿、松树山铜矿、武山铜矿、东乡铜矿4座矿山的评价指标权重分别为：

W₁={0.049 05，0.084 19，0.095 80，0.095 80，0.095 80，0.095 80，0.051 06，0.049 34，0.095 80，0.095 80，

0.095 80，0.095 80}；

W₂ ={0.061 37，0.103 31，0.103 31，0.103 31，0.051 66，0.051 66，0.053 21，0.103 31，0.103 31，0.056 10，

0.103 31，0.103 31}；

W₃ ={0.060 95，0.102 61，0.051 30，0.102 61，0.060 95，0.102 61，0.052 84，0.102 61，0.102 61，0.055 72，

0.102 61，0.102 61}；

W₄={0.054 25，0.103 40，0.103 40，0.103 40，0.079 15，0.066 08，0.066 08，0.103 40，0.057 84，0.056 15，

0.103 40，0.103 40}。

由多指标测度评价向量求出各矿山的多指标综合测度评价向量，取置信度λ=0.6，并结合置信度评价准则式(8)，得出4座矿山的综合未确知测度及判别结果，见表5。

由表5可知：阿舍勒铜矿采场矿石爆堆发生自燃火灾的危险等级为Ⅳ级，发火危险性小；而松树山铜矿、武山铜矿以及东乡铜矿采场矿石爆堆发生自燃火灾的危险等级为Ⅱ级，发火危险性大。依据评价结果，各矿山应该采取相应的防灭火技术与措施，从而达到避免盲目设计、节省投资、保证安全的目的。

表5  未确知测度模型评价结果与矿山实际情况的比较

Table 5  Comparison of results of uncertainty measurement evaluation and factual

4座矿山在实际开采过程中，阿舍勒铜矿未曾发生过自燃火灾，而松树山铜矿、武山铜矿以及东乡铜矿都报道过采场矿石爆堆发生过自燃火灾，由此表明用未确知测度模型对采场硫化矿石爆堆自燃危险性评价的结果与矿山的实际发火情况完全相符，从而验证了该方法的可行性。

4  结论

(1) 采场硫化矿石爆堆自燃火灾的发生受多种因素影响。针对采场硫化矿石爆堆自燃危险性评价过程中诸多影响因素的不确定性，综合考虑了硫化矿石自燃倾向性及采场工艺条件，基于未确知测度理论，建立了采场硫化矿石爆堆的自燃危险性评价模型。

(2) 运用该模型，选取硫化矿石的氧化增重率、水溶性铁离子含量、矿堆中水溶液pH、矿石的含水量、矿物成分的ST值、矿石的自热幅度、矿石的着火点、矿石损失率、矿岩的环境温度、矿石堆的体积等12项指标作为未确知测度模型的判别指标，使得评价体系结构尽量全面而且简洁；利用信息熵理论计算各影响因素的指标权重，减少了人为主观因素的影响；依照置信度识别准则进行等级判定，根据评价结果来决定矿山是否需要采取有效的防灭火技术与措施，从而保障矿山生产的顺利开展。

(3) 用该理论对国内4座典型硫化矿山的采场矿石爆堆自燃危险性进行了定量评价，结果表明该方法用于采场硫化矿石爆堆的自燃危险性预测是合理的、有效的，这为硫化矿石自燃危险性综合评价提供了一条新的途径。

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(编辑 赵俊)

收稿日期：2009-10-18；修回日期：2009-12-06

基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAK04B03-02)；中南大学研究生学位论文创新基金资助项目(1960-71131100023)

通信作者：阳富强(1982-)，男，湖南耒阳人，博士研究生，从事矿山安全、环境保护研究；电话：13467517626；E-mail: ouyangfq@163.com