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。