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        硫化礦床開采中炸藥自爆危險性的云模型分析

        2018-10-10 01:43:08陽富強(qiáng)
        金屬礦山 2018年9期
        關(guān)鍵詞:模糊性炮孔危險性

        陽富強(qiáng) 賴 勇 李 偉

        (福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,福建 福州350116)

        在硫化礦山開采的過程中,由于硫化礦石自身特性,容易發(fā)生氧化放熱反應(yīng)。當(dāng)?shù)V井內(nèi)放熱速率高于散熱速率時,礦井內(nèi)部溫度升高,當(dāng)達(dá)到一定溫度時,礦井發(fā)生火災(zāi)事故。礦山進(jìn)行爆破掘進(jìn)時,若炮孔內(nèi)溫度達(dá)到炸藥爆燃點就會導(dǎo)致炸藥自爆,發(fā)生嚴(yán)重事故。隨著工業(yè)對礦產(chǎn)資源需求的增加,使得淺層的礦產(chǎn)資源逐漸枯竭,金屬礦山的開采也向深部開采發(fā)展[1]。但是,開采深度的增加,巖層溫度也不斷增加,這使得礦石炸藥自燃自爆的危險性進(jìn)一步加大。目前,國內(nèi)外的金屬礦山在采礦過程中都發(fā)生過礦石炸藥自爆事故。例如新疆富蘊蒙庫鐵礦、廣東云浮硫鐵礦、內(nèi)蒙古烏努格土山銅鉬礦等都曾發(fā)生炸藥自燃自爆事故[2-3]。國外如美國Mt Con銅礦與Meikle金礦、加拿大Mt Con金礦、澳大利亞Mt Isa銅礦與Mt Whaleback硫鐵礦等均發(fā)生過礦石炸藥自爆事故[4]。礦山炸藥自爆事故,嚴(yán)重威脅著工作人員的生命安全和企業(yè)的財產(chǎn)安全。因此,對硫化礦開采過程中炸藥自爆危險性進(jìn)行評價可以有效地減少爆炸事故的發(fā)生。

        硫化礦山開采炸藥自爆是多方面因素共同影響的結(jié)果。目前對硫化礦開采中炸藥自爆進(jìn)行分析評價的有可拓綜合評價[5]、解釋結(jié)構(gòu)模型分析[6]、事故樹分析[7]、未確知測度模型分析[8]等。以上幾種方法在對炸藥自爆危險性進(jìn)行評價時,能夠考慮多個因素對炸藥自爆的影響,并建立相應(yīng)的評價指標(biāo)體系。然而,在硫化礦床的炸藥自爆危險性分析過程中,評價人員無法對監(jiān)測指標(biāo)本身所具有的隨機(jī)性和模糊性進(jìn)行客觀的分析與處理,上述的幾種方法在分析過程中,不能解決該類不確定性問題。

        云模型主要反映了自然語言概念中的不確定性,即模糊性和隨機(jī)性,利用特定語言將兩者結(jié)合起來,在定性和定量之間形成映射,是一種定性知識描述與定量數(shù)值之間的轉(zhuǎn)換模型,能夠有效表達(dá)知識概念的模糊不確定性和隨機(jī)不確定性[9]。如,吳賢國[10]利用云模型對運營隧道結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行安全評價;陽富強(qiáng)[11]利用云模型對硫化礦石的自燃傾向性進(jìn)行分級;陳勇[12]利用云模型與模糊綜合評價方法對地下鐵礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價。云模型在實際應(yīng)用中有效地體現(xiàn)了各指標(biāo)的模糊性與不確定性,使得評價結(jié)果更科學(xué),更客觀。

        1 硫化礦床開采中炸藥自爆危險性評價指標(biāo)構(gòu)建

        硫化礦床炮孔中含有的礦石粉末的氧化產(chǎn)物與硝酸銨炸藥接觸后,在一定的濕度條件下發(fā)生一系列的放熱化學(xué)反應(yīng),且礦山內(nèi)部溫度高,炮孔內(nèi)散熱條件差,引起炮孔內(nèi)溫度劇增。另一方面,水的活化作用導(dǎo)致炸藥的爆燃點下降,當(dāng)炮孔內(nèi)溫度達(dá)到爆燃點時,炸藥分解引起自爆。

        1.1 自爆機(jī)理概述

        對于炸藥自爆的機(jī)理,國內(nèi)并沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。目前對于炸藥發(fā)生自爆的原因主要有以下3種觀點:①當(dāng)硫化礦石中的水溶性Fe2++Fe3+離子和水分達(dá)到一定量時,其與炸藥中的硝酸銨發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生大量的氣體和熱量,使得孔內(nèi)溫度不斷上升,炸藥的爆燃點下降,從而引起自爆;②礦石由于其自身的氧化自燃性,導(dǎo)致炮孔底部形成高溫,從而導(dǎo)致炸藥自爆;③認(rèn)為礦石水分中含酸量(pH值)大小是引起炸藥自爆的主要原因。

        馮勝利[13]認(rèn)為采場內(nèi)的高溫高濕環(huán)境加快了硫化礦石自身的氧化反應(yīng)速率,使得內(nèi)部溫度上升,而炮孔中的炸藥與礦石相互作用導(dǎo)致炸藥爆燃點下降從而導(dǎo)致炸藥自爆事故的發(fā)生。陳壽如[14]認(rèn)為礦樣中的Fe2++Fe3+濃度是衡量FeS2氧化程度的指標(biāo),F(xiàn)e2++Fe3+濃度是硫化礦氧化產(chǎn)物和炸藥中硝酸銨接觸后產(chǎn)生一系列放熱反應(yīng)的關(guān)鍵,并建立了鐵離子濃度與pH值關(guān)系的經(jīng)驗關(guān)系。廖明清[15]從硝酸銨的熱分解及其與黃鐵礦的反應(yīng)機(jī)理入手,分析炸藥自燃、自爆的原因,并提出了防止炸藥熱分解和炸藥與礦石接觸反應(yīng)的防自爆技術(shù)途徑。

        1.2 硫化礦山炸藥自爆危險性的評價指標(biāo)體系

        對炸藥自爆危險性評價的各指標(biāo)進(jìn)行分級與取值,劃分為I,II,III和IV 4個級別,相應(yīng)代表著自爆危險性極大、自爆危險性大、自爆危險性一般以及自爆危險性?。?]。具體的評價體系結(jié)構(gòu)見表1、表2[8]。

        2 云模型與熵權(quán)法相關(guān)理論

        2.1 云模型

        設(shè)U是一個可以用精確數(shù)值表示的定量論域,C是U上的定性概念,如果定量值x∈U,且x是C的一次隨機(jī)實現(xiàn),x對C的確定度 μ(x)∈[0,1]是具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)。若

        則x在論域U上的分布稱為云,每一個x稱為一個云滴[16]。

        云模型常用期望Ex(expected value)、熵En(entropy)、超熵He(hyper entropy)來表征云圖,記作(Ex,En,He),如圖1所示。

        2.2 熵權(quán)法

        熵權(quán)法是依據(jù)各項指標(biāo)變異程度,利用信息熵的大小來計算各指標(biāo)權(quán)重的一種方法。

        假設(shè)硫化礦山炸藥自爆危險性測定指標(biāo)有n個,已知評估對象有m個,xij表示第i個測定指標(biāo)的第j個評價值[17],從而構(gòu)成評價指標(biāo)值矩陣K為

        進(jìn)行歸一化處理后,構(gòu)建矩陣

        其中,aij是xij歸一化后的數(shù)值。

        定義評價指標(biāo)的熵P:

        確定各測定指標(biāo)的熵的權(quán)重wi:

        其中,wi之和為1。

        2.3 評價流程

        利用云模型對硫化礦山炸藥自爆危險性的鑒定指標(biāo)進(jìn)行定量測定,可以使評價結(jié)果同時兼顧隨機(jī)性和模糊性;并且利用熵權(quán)法,使權(quán)重更客觀。具體步驟如下:

        (1)為待評價對象建立因素論域U={u1,u2,…,un},評價域V={v1,v2,…,vm}。

        (2)對硫化礦山炸藥自爆危險性的各個待測指標(biāo)進(jìn)行評價時,需建立模糊關(guān)系矩陣R。設(shè)R中要素i與其對應(yīng)等級j的上下邊界值分別為,那么要素i所對應(yīng)的等級j的定性概念L可用云模型表示為:

        評價域中的邊界值,是相鄰級別之間的過渡值,應(yīng)為這2個級別所共有,表示2級別隸屬度相等,具有一定程度的模糊性:

        本研究中超熵(Heij)的取值為經(jīng)驗取值,取值為0.1。

        (3)由熵權(quán)法求得炸藥自爆影響指標(biāo)權(quán)重W=(w1,w2,…,wn)。

        (4)rij為模糊關(guān)系矩陣R中待評對象第i個影響因素為rij第q次通過正向云發(fā)生器的值。將炸藥自爆影響因素實測值輸入正向云發(fā)生器,計算出各因素指標(biāo)在不同本質(zhì)評級中的正態(tài)云隸屬度向量矩陣,正向云發(fā)生器算法具有一定的隨機(jī)性,故取正向云發(fā)生器計算N次后的結(jié)果,確定最終的平均隸屬度Rij:

        (5)由炸藥自爆影響指標(biāo)權(quán)重W和模糊關(guān)系矩陣R,求得本質(zhì)安全評價的模糊子集B:

        4 實例應(yīng)用

        從國內(nèi)選取有代表性的4座高硫礦山,結(jié)合礦山實際開采條件,各個礦山相應(yīng)采場的相關(guān)指標(biāo)測試結(jié)果,如表3所示。

        根據(jù)熵權(quán)法,由式(2)~(5)對4個礦山的實際指標(biāo)計算可得各指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重值W=(0.126 8,0.113 8,0.145 9,0.243 1,0.094 5,0.114 0,0.081 0,0.081 0)。

        根據(jù)表1、表2中的炸藥自爆危險性評價的指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn),通過式(6)、式(8)可將各指標(biāo)所對應(yīng)的等級標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為正態(tài)云模型的分級標(biāo)準(zhǔn),轉(zhuǎn)化結(jié)果見表4。

        通過Malab和Origin軟件,可根據(jù)表4中各指標(biāo)的正態(tài)云分級標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)得出8個評價指標(biāo)參數(shù)在不同的炸藥自爆危險性等級下的正態(tài)云隸屬度函數(shù)。以硫化礦石的含水量為例,繪制其正態(tài)云隸屬度函數(shù),如圖2所示。

        通過Matlab軟件的正向云發(fā)生器算法得到隸屬度矩陣。通過重復(fù)計算1 000次加權(quán)平均隸屬度,提高評價結(jié)果的準(zhǔn)確性,并結(jié)合式(9),得出各等級下炸藥自爆危險性指標(biāo)所對應(yīng)的平均隸屬度矩陣R;由式(10)可得評價指標(biāo)的模糊子集B;由最大隸屬度原則,確定4個礦山的自爆危險性等級,評價結(jié)果見表5。

        由表5可知,1號礦山的自爆危險性為IV級,而2、3、4號礦山的自爆危險性等級都為I級。即1號礦山的自爆危險性小,而2、3、4號礦山的自爆危險性極大。根據(jù)歷史資料,2、3、4號礦山都曾發(fā)生過炸藥自爆事故,而1號礦山未曾有過炸藥自爆相關(guān)事故的報告。即采用云模型評價硫化礦山炸藥自爆危險性等級的結(jié)果與實際結(jié)果相符,說明該方法在評價炸藥自爆危險性有較好的效果,并且云模型在處理模糊性、隨機(jī)性、復(fù)雜不確定性的問題上有其優(yōu)越性,評價的結(jié)果更具科學(xué)性。

        5 結(jié)論

        (1)硫化礦山炸藥自爆危險性受多種復(fù)雜因素相互影響,且各因素都具有較大的模糊性和隨機(jī)性。將云模型應(yīng)用到硫化礦山炸藥自爆危險性等級的劃分中,使得炸藥自爆危險性等級兼顧隨機(jī)性和模糊性,實現(xiàn)各測定值向評價等級的不確定映射。

        (2)以水溶性鐵離子含量、硫化礦石的含水量、黃鐵礦的含量、礦石水分的pH、采場的環(huán)境溫度、炮孔溫度、炸藥類型、裝藥時間作為云模型的判別指標(biāo),同時利用熵權(quán)法求得各影響的權(quán)重,減少主觀因素的影響。利用云模型對4個硫化礦山的炸藥自爆危險性進(jìn)行等級劃分,所得結(jié)果與礦山實際生產(chǎn)狀況基本相符,表明該方法適用于硫化礦山炸藥自爆危險性評價。

        (3)運用云模型判定硫化礦山炸藥自爆危險性目前還處于不完善階段,仍需要對云模型在實際應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行更加深入的研究,使得云參數(shù)的獲得更加科學(xué)。此外,對判定炸藥自爆危險性的參數(shù)需要進(jìn)一步地完善,研究出炸藥自爆的機(jī)理,得到更符合實際的評判結(jié)果。

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