羅凱 ，陽(yáng)富強(qiáng)，吳超

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪學(xué)院，江西 贛州，341000；3. 福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108)

硫化礦山爆破作業(yè)過程中，炸藥自爆事故時(shí)有發(fā)生，銅坑錫礦、水口山鉛鋅礦、青山硫鐵礦等礦山均發(fā)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(chǎn)帶來(lái)威脅，而且給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著全球礦產(chǎn)資源的貧乏，礦山向深部開發(fā)是大勢(shì)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(fā)。因此，在高硫礦山生產(chǎn)中，對(duì)炸藥自爆的危險(xiǎn)性進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，從而指導(dǎo)企業(yè)安全生產(chǎn)，減少企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失，保證工人的生命安全。硫化礦山爆破的安全技術(shù)問題一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和礦山企業(yè)的普遍關(guān)注，各國(guó)對(duì)炸藥自爆機(jī)理及炸藥自爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法都進(jìn)行了大量的研究[5-11]。硫化礦山炸藥自爆的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法有多種[1,3,11]，如三要素法，即礦樣中黃鐵礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%，礦樣中水溶性Fe2++Fe3+的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞0.3%，礦石中的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～14%；酸度差別法，即炸藥與硫化礦石接觸能否發(fā)生反應(yīng)，關(guān)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(fā)生自爆的判據(jù)。葉曉暉等[5-7]提出了臨界溫度判別法，認(rèn)為臨界溫度能反映炸藥與礦石反應(yīng)的難易程度；陳壽如等[12-13]簡(jiǎn)化了炸藥自爆判據(jù)，認(rèn)為礦樣中的水溶性鐵離子含量與溶液的pH 存在一定關(guān)系，檢測(cè)過程中只需測(cè)定溶液的pH 即可。由此可知，以上有關(guān)炸藥自爆的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)都是側(cè)重于其中的某幾個(gè)定量指標(biāo)，片面強(qiáng)調(diào)了炸藥自爆的某幾個(gè)影響因素。實(shí)際上，炸藥自爆是受多種因素綜合作用的結(jié)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(chǔ)上才能對(duì)炸藥的自爆破危險(xiǎn)性進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)。因此，必須選擇一種綜合性的評(píng)價(jià)方法，不但能夠減少評(píng)價(jià)過程中的人為主觀性，還能進(jìn)行定量分析。鑒于硫化礦山炸藥自爆的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)過程中存在有許多不確定性因素，本文作者將未確知數(shù)學(xué)理論運(yùn)用到炸藥自爆的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)當(dāng)中。

1 未確知測(cè)度理論

未確知數(shù)學(xué)理論[14]是由王光遠(yuǎn)教授于20 世紀(jì)90年代初提出來(lái)的一種不同于模糊信息、隨機(jī)信息和灰色信息的不確定性信息理論。該理論已應(yīng)用到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域當(dāng)中，其中成果最多的是未確知測(cè)度評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用[15-20]。

設(shè)評(píng)價(jià)對(duì)象組成的集合為評(píng)價(jià)對(duì)象空間 X，X={X1，X2，X3，…，Xn}。若某評(píng)價(jià)對(duì)象有m 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別記為I1，I2，…，Im，相應(yīng)的指標(biāo)空間為 I= {I1，I2，…，Im}，若xij表示第i 個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象Xi關(guān)于第j 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)Ij的測(cè)量值，則Xi可用m 維向量Xi=(xi1，xi2，…，xim)表示。

對(duì)xij有P 個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)C1，C2，…，Cp，記評(píng)價(jià)等級(jí)空間為U，U={C1，C2，…，Cp}；設(shè)第k 級(jí)比第k+1 級(jí)危險(xiǎn)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(píng)價(jià)等級(jí)空間U 上的一個(gè)有序分割類[14]。在采場(chǎng)硫化礦山炸藥自爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)等級(jí)空間表示前一個(gè)等級(jí)比后一個(gè)等級(jí)的危險(xiǎn)程度大。若μijk=μ (xij∈Ck)表示測(cè)量值xij屬于第k 個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)Ck的程度，且μ 滿足式(1)～(3)，則稱μ 為未確知測(cè)度[14]：

1.1 單指標(biāo)未確知測(cè)度

由前述定義構(gòu)造單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)μ( xij∈ Ck)，(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；k=1，2，…，p)，以便獲得某個(gè)評(píng)價(jià)因素xi的各個(gè)指標(biāo)測(cè)度μijk，稱(μijk)m×p為單指標(biāo)測(cè)度評(píng)價(jià)矩陣[19]，即

1.2 指標(biāo)權(quán)重及多指標(biāo)未確知測(cè)度

由于單指標(biāo)測(cè)度評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)對(duì)象Xi屬于第k 等級(jí)的程度，則有

1.3 置信度識(shí)別準(zhǔn)則

引入“置信度”評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[20]，以確定最終評(píng)價(jià)結(jié)果。設(shè)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(píng)價(jià)對(duì)象歸為第k0個(gè)等級(jí)Ck0。

2 炸藥自爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)炸藥在開采過程中是否存在自爆危險(xiǎn)性，必須充分考慮多種因素的綜合影響。采用分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)量化法對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)和取值，每個(gè)指標(biāo)劃分Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ4 個(gè)級(jí)別，分別表示自爆危險(xiǎn)性極大、自爆危險(xiǎn)性大、自爆危險(xiǎn)性一般、自爆危險(xiǎn)性??；相應(yīng)的評(píng)判集設(shè)為{C1，C2，C3，C4}。整個(gè)評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)[8-12,22]見表1 和表2。

由單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)的定義和表1、表2 關(guān)于各指標(biāo)的賦值標(biāo)準(zhǔn)，建立炸藥自爆危險(xiǎn)性的指標(biāo)測(cè)度函數(shù)。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(chǎng)環(huán)境溫度、炮孔溫度等定量指標(biāo)的單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)；圖7 所示為安全裝藥的技術(shù)水平、炸藥類型、采場(chǎng)的通風(fēng)條件、裝藥時(shí)間、采場(chǎng)爆破管理水平等定性指標(biāo)的單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)。

表1 炸藥自爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的定量指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification criterion of quantitative indexes in self-blasting of explosive risk evaluation

表2 炸藥自爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的定性指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification criterion of qualitative indexes in self-blasting of explosive risk evaluation

圖1 水溶性鐵離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)Fig.1 Uncertainty measurement function of water soluble Fe2++ Fe3+

圖2 含水量的單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)Fig.2 Uncertainty measurement function of water content

圖3 黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)Fig.3 Uncertainty measurement function of pyrite content

圖4 水分pH 的單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)Fig.4 Uncertainty measurement function of water pH

圖5 采場(chǎng)環(huán)境溫度的單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)Fig.5 Uncertainty measurement function of environmental temperature in stope

圖6 炮孔溫度的單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)Fig.6 Uncertainty measurement function of blasting hole temperature

圖7 裝藥技術(shù)水平、炸藥類型、裝藥時(shí)間、通風(fēng)條件、爆破管理水平的單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)Fig.7 Uncertainty measurement function of explosive-filling technology level, explosive type, explosive-filling time,ventilation conditions, and locale management level

3 實(shí)例應(yīng)用

據(jù)文獻(xiàn)[1, 23-24]，許多礦山都開展過炸藥自爆的實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)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(qū)、水口山鉛鋅礦、老廟基山、銅山前山區(qū)。結(jié)合礦山當(dāng)時(shí)的實(shí)際開采條件，運(yùn)用未確知測(cè)度模型評(píng)價(jià)其炸藥自爆的危險(xiǎn)性，4 座礦山相應(yīng)的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值見表3。

將表3 中的各個(gè)指標(biāo)值，分別代入圖1～7 對(duì)應(yīng)的單指標(biāo)未確知測(cè)度函數(shù)中，可計(jì)算出4 座礦山的單指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣。式(10)和(11)分別為天馬山礦、水口山鉛鋅礦的單指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣。

由式(5)～(6)來(lái)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，求得天馬山礦區(qū)、水口山鉛鋅礦、老廟基山、銅山前山區(qū)這4座礦山中各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)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(biāo)測(cè)度評(píng)價(jià)向量式(7)求出相應(yīng)的多指標(biāo)綜合測(cè)度評(píng)價(jià)向量，取λ=0.6，并結(jié)合置信度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則式(8)，獲得4 座礦山發(fā)生炸藥自爆事故的綜合未確知測(cè)度及評(píng)價(jià)結(jié)果，見表4。

從表4 可以看出，天馬山礦區(qū)發(fā)生炸藥自爆的危險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，即危險(xiǎn)性一般；水口山鉛鋅礦發(fā)生炸藥自爆的危險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，即危險(xiǎn)性極大；老廟基山礦發(fā)生炸藥自爆的危險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，即危險(xiǎn)性大；銅山前山區(qū)礦發(fā)生炸藥自爆的危險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，即危險(xiǎn)性極大。因此，必須針對(duì)水口山鉛鋅礦、銅山前山區(qū)礦、老廟基山礦采取相應(yīng)的防炸藥自爆技術(shù)與措施[23,25]，包括使用安全炸藥，向炮孔內(nèi)撒入石灰或石灰水，以降低炮孔內(nèi)的酸性，提高安全裝藥技術(shù)水平，盡量縮短裝藥時(shí)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(duì)于天馬山礦區(qū)發(fā)生炸藥自爆危險(xiǎn)性一般的評(píng)價(jià)結(jié)果，仍不能麻痹大意，要從防自爆的技術(shù)及管理2 方面要求爆破作業(yè)，保證炸藥自爆事故發(fā)生的概率降到最低。

根據(jù)歷史資料，水口山鉛鋅礦、老廟基山礦、銅山前山區(qū)礦在生產(chǎn)中均發(fā)生過炸藥自爆事故，而天馬山礦區(qū)高硫礦床未有炸藥自爆事故的相關(guān)報(bào)道。即采用未確知測(cè)度模型評(píng)價(jià)高硫礦山炸藥自爆危險(xiǎn)性的結(jié)果與礦山實(shí)際相符。

表3 礦山相應(yīng)指標(biāo)的測(cè)定值Table 3 Measured data of risk evaluation indexes of four mines

表4 未確知測(cè)度模型評(píng)價(jià)結(jié)果與礦山現(xiàn)狀的對(duì)比Table 4 Comparison of results of uncertainty measurement evaluation and actuality

4 結(jié)論

(1) 硫化礦山炸藥自爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)受諸多不確定性因素影響，系統(tǒng)考慮硫化礦石及炸藥自身的物理化學(xué)性質(zhì)、采場(chǎng)環(huán)境條件，以及現(xiàn)場(chǎng)管理水平等主、客觀因素，建立了炸藥自爆的未確知測(cè)度評(píng)價(jià)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(huán)境溫度、炮孔溫度、安全裝藥技術(shù)、炸藥類型、采場(chǎng)通風(fēng)狀況、裝藥時(shí)間，以及現(xiàn)場(chǎng)管理水平等因子作為判別指標(biāo)，保證了整個(gè)評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)的合理性；運(yùn)用信息熵理論獲取相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重，以減小主觀因素的影響；依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果決定礦山是否需要采取有效的防炸藥自爆技術(shù)與措施。

(3) 4 座典型高硫礦山的炸藥自爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，采用未確知測(cè)度模型評(píng)價(jià)硫化礦山炸藥自爆的危險(xiǎn)性科學(xué)合理，這為硫化礦山的安全生產(chǎn)提供了一條新思路。

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