鄭彥濤,劉德鋒,姜貴川,龍 波,高玉寶,馬廣舉

(1.貴州息烽磷礦有限責任公司,貴州 貴陽 551108;2.武漢工程大學 資源與安全工程學院,湖北 武漢 430073;3.貴州云峰礦業(yè)公司,貴州 貴陽 550001;4.保利新聯(lián)爆破工程集團有限公司,貴州 貴陽 550001)

近年來,相關學者通過科研工作,已對全尾砂充填體強度和變化規(guī)律研究取得了一定成果[1-3]:吳祥輝等采用正交試驗數(shù)據(jù)對全尾砂充填體強度與水灰比進行了回歸分析,確定了水灰比與全尾砂充填體強度之間的解析關系[4];付自國通過充填體強度試驗,對水灰比、齡期和固體填隙率與全尾砂充填體強度之間的關系進行了多元回歸分析[5]。但在南方地區(qū)部分采深大涌水多的高溫高濕礦山,井下高溫度場和高濕度場疊加下,全尾砂充填體強度及其變化與其他環(huán)境下相比呈現(xiàn)出一定的特異性,充填體強度及其變化規(guī)律復雜難測,給礦山生產(chǎn)帶來安全隱患[6-7]。

地下鋁土礦因圍巖強度較低,因此全尾砂充填體強度及其隨時間變化的規(guī)律對于地下鋁土礦的安全生產(chǎn)尤為重要。為了對高溫度場和高濕度場疊加環(huán)境下的地下鋁土礦全尾砂充填體強度及其變化進行真實準確的分析,對井下充填體強度和其包括溫度濕度在內(nèi)的影響指標進行原位測試和現(xiàn)場實測是必要的。統(tǒng)計收集相關數(shù)據(jù)建立溫濕環(huán)境下的全尾砂充填體強度及其變化分析的知識系統(tǒng)。考慮到溫度濕度及其他影響因素對全尾砂充填體強度及變化的影響具有優(yōu)勢性或偏好性,又因為井下充填實際環(huán)境復雜及潛在未知因素影響等原因,井下全尾砂充填體強度及變化的結果具有一定的不確定性即模糊性[8]。因而將優(yōu)勢關系和精度分析聯(lián)合,以變精度優(yōu)勢關系粗糙集充分分析各影響因素對充填體強度及變化的優(yōu)勢關系和概率不確定性,分析得到的規(guī)律結果也具有明顯的優(yōu)勢涵蓋關系和模糊性特征[9-10]。以變精度優(yōu)勢關系粗糙集分析的溫濕環(huán)境下的充填體強度及其變化規(guī)律,分析維度全面立體,分析過程緊貼實際,其分析結果也更加科學并更具備實踐指導意義。

1 溫濕環(huán)境下充填體強度規(guī)律分析模型

1.1 溫濕環(huán)境下充填體強度變化影響指標體系構建

充填體強度變化的影響因素眾多,以往全尾砂充填體強度相關分析時,考慮的影響因素主要有骨料性質(主要是骨料強度)、水灰比及灰砂比等[11-13]。但高溫高濕能夠對充填體內(nèi)膠凝材料的水化反應程度和速度產(chǎn)生影響,宏觀上會對充填體強度及其隨時間的發(fā)展變化產(chǎn)生較大的影響[14-15]。得到全尾砂充填體強度及其變化規(guī)律分析的指標體系構建見圖1。

圖1 高溫度濕度疊加環(huán)境下充填體強度及其變化主要影響指標體系

1.2 分析理論和創(chuàng)新

傳統(tǒng)的充填體強度及其變化分析一般以全面試驗或正交試驗方法進行試驗分析,通過構建包含各主要影響指標在內(nèi)的全面試驗方案或正交試驗方案進行試驗,獲取充填體強度分析結果。進而進行單因素指標的對比分析各指標因素標對充填體強度變化的影響[16-17]。但實際上井下充填環(huán)境復雜多變,充填體強度及其變化的試驗分析結果與實際情況一般均有所差異[18]。

此外,在充填體的各影響指標中,部分指標對充填體強度及變化規(guī)律的影響帶有明顯的偏好性。又由于井下環(huán)境的復雜多變以及潛在未知因素的影響,充填體強度和變化趨勢也帶有一定的偶然性,帶有明顯的概率性特征。因此,為了對指標的偏好性特征和結果的概率不確定性進行分析,將優(yōu)勢關系粗糙集和變精度粗糙集聯(lián)合構建變精度優(yōu)勢關系粗糙集模型,以對充填體強度和變化趨勢規(guī)律進行全面完整的分析。

變精度優(yōu)勢關系粗糙集模型演變見圖2。

圖2 粗糙集模型演變過程

1.3 變精度優(yōu)勢關系粗糙集分析

1.3.1 知識系統(tǒng)構建

粗糙集的知識系統(tǒng)S包括三個部分:對象集U、條件屬性C和決策屬性D。故充填體強度變化規(guī)律分析的知識系統(tǒng)為S=(U,C∪D),條件屬性C為規(guī)律分析的影響指標,包括骨料強度c1、水灰比c2、灰砂比c3、環(huán)境溫度c4及環(huán)境濕度c5;決策屬性D為規(guī)律分析的結果,由于充填時,充填體終了強度(28d時強度,關系空區(qū)充填安全)及充填體達到可利用強度的時間(充填體強度達到終了強度的95%時,可以利用其來進行生產(chǎn)活動)對礦山生產(chǎn)意義重大,故決策屬性D包括充填體最終強度d1以及充填體達到可利用強度的時間d2。

1.3.2 數(shù)據(jù)離散與等價類劃分

對條件屬性和決策屬性的指標數(shù)值可根據(jù)實際靈活選用等寬度、等區(qū)間、等頻率或參照相關規(guī)范或慣例以及人為靈活確定等方法進行離散。

對于對象集U,由條件屬性集合C生成不可分辨關系I(x)(I(y,z)的定義為:I(x,y)={(y,z)∈U×U:f(y,a)=f(z,a),?q∈C})。由條件屬性的不可分辨關系I(x)可以生成多個等價類X。

由決策屬性集合D,生成決策類F。決策類F的定義為:

(1)

其中xi為決策類集合F中的元素,μF是元素對決策類集合F的隸屬度。μF的定義為:

(2)

對于?λ∈[0,1],計算決策類集合F的λ-截集,形成模糊等價類Fλ,模糊等價類Fλ的定義為:

(3)

1.3.3 模糊等價類中的優(yōu)勢關系提取

條件屬性和決策屬性中可能有向上或向下的優(yōu)勢關系,即偏好性。如對于充填體強度的決策類而言,如將充填體強度分為F1={高}、F2={較高}、F3={一般}、F4={較低}四個決策子類,可得到充填體強度優(yōu)勢關系決策子類的并集如下:

1.3.4 約簡搜尋

(4)

(5)

1.3.5 規(guī)則生成和規(guī)律分析

根據(jù)搜尋到的β-約簡,生成溫濕環(huán)境下的充填體強度及其變化的偏好規(guī)則并計算出各規(guī)則相應的概率,即可得到規(guī)律分析的概率性偏好規(guī)則。提取規(guī)則支持數(shù)較高的規(guī)則作為規(guī)律。

2 實證分析

2.1 項目背景

西南某地下鋁土礦山有多個開采區(qū),采用上向水平分層充填法和空場嗣后充填法作為礦山主要采礦方法,全尾砂膠結充填,有多套充填系統(tǒng)。井下不同區(qū)段的溫差變化較大,部分區(qū)段潮濕多水,造成井下全尾砂充填體的強度及其發(fā)展趨勢難以預測,給礦山安全生產(chǎn)帶來了隱患。企業(yè)擬對充填體的強度及其變化規(guī)律進行分析掌握。通過環(huán)境監(jiān)測、原位取樣及數(shù)據(jù)統(tǒng)計等手段獲取了多個區(qū)段多組充填體的骨料強度、水灰比、灰砂比、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度及充填體強度和充填體達到可利用強度的時間等指標數(shù)據(jù),得到充填體強度和變化規(guī)律分析的基礎數(shù)據(jù)見表1。

表1 各類指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)離散和知識系統(tǒng)構建

目前對于充填體強度影響因素指標尚無統(tǒng)一的離散標準,考慮到充填體影響指標數(shù)多,樣本數(shù)少,故離散等級不宜過多。綜合考慮各影響指標數(shù)據(jù)的分布范圍和分布特征、以及該礦山企業(yè)的對充填體強度分析的相關要求,采用貼近現(xiàn)實的靈活離散方法確定的各指標的離散原則如下:

骨料強度(單位:MPa):[0,20)為低、[20,40)為中、[40,60]為高;

水灰比(單位:無):[0,1.8)為小、[1.8,2.0)為中、[2.0,+∞]為大;

灰砂比(單位:無):[0,0.2)為小、[0.2,0.3)為中、[0.3,+∞]為大;

環(huán)境溫度(單位:℃):[0,20)為低、[20,30)為中、[30,+∞]為高;

環(huán)境濕度(單位:%):[0,60)為低、[60,80)為中、[80,+∞]為高;

充填體終了強度(單位:MPa):[0,3.5)為不合格、[3.5,+∞)為高;

充填體達到可利用強度的時間(單位:d):[0,18]為短、[19,22]為中、[23,+∞]為長。

對各指標數(shù)據(jù)離散后,得到充填體強度及其變化規(guī)律分析的知識系統(tǒng)見表2。

表2 充填體強度及其變化規(guī)律分析知識系統(tǒng)

2.3 等價類劃分與約簡搜尋

根據(jù)條件屬性C,對對象集U進行劃分,得到等價類U/C={X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8,X9,X10,X11,X12,X13},其中X1={n1,n9},X2={n2,n14,n18},X3={n3,n13},X4={n4,n19},X5={n5,n20},X6={n6},X7={n7},X8={n8,n10},X9={n11},X10={n12},X11={n15},X12={n16},X13={n17}。

根據(jù)條件屬性D,對對象集U進行劃分。以充填體終了強度d1劃分決策類,得到?jīng)Q策類U/d1={F1,F2},其中不合格類F1={n1,n2,n5,n6,n7,n9,n14,n15,n18,n20},合格類F2={n3,n4,n8,n10,n11,n12,n13,n16,n17,n19};以達到可利用強度的時間d2劃分決策類,得到?jīng)Q策類U/d2={f1,f2,f3},其中短類f1={n1,n2,n5,n9,n15,n18,n20},中類f2={n3,n6,n7,n11,n13,n14,n16},長類f3={n4,n8,n10,n12,n17,n19}。

各等價類相對于決策類U/d1和U/d2的粗糙隸屬度見表3。

表3 各等價類相對于決策類的粗糙隸屬度

由表3可知,各等價類對于各決策類的分類質量都非常高,除等價類X2對于決策類U/d2外,其余等價類對于決策類的分類質量均達到了100%。

取置信閾值β=60%,得到條件屬性集C對決策屬性充填體終了強度d1和達到可利用強度的時間d2的分類質量見式(6)、式(7):

(6)

(7)

按照縮減后的條件屬性集的分類質量不低于原條件屬性集分類質量原則搜尋β-約簡,得到最小約簡為C-{c4},即搜尋得到的約簡為{c1,c2,c3,c5}。

2.4 概率性偏好規(guī)則提取和規(guī)律分析

基于現(xiàn)有經(jīng)驗,可以明確:骨料強度越大、水灰比越小以及灰砂比越小時,充填體終了強度趨向越大。而環(huán)境溫度對于充填體終了強度的影響則不明確。觀察環(huán)境濕度與充填體終了強度的關系可判斷:環(huán)境濕度越低時,充填體終了強度越大。而通過觀察各條件屬性與充填體達到可利用強度的時間關系可判定:當骨料強度越低、水灰比越大、灰砂比越大以及環(huán)境濕度越高時,充填體達到可利用強度的時間越短。由此確定各條件屬性對于充填體終了強度及充填體達到可利用強度的時間的相對優(yōu)勢關系。

根據(jù)各條件屬性對充填體終了強度的偏好關系,提取得到充填體終了強度的概率性偏好規(guī)則見表4。

表4 充填體終了強度的概率性偏好規(guī)則

根據(jù)各條件屬性對充填體達到可利用強度的時間的偏好關系,提取得到其概率性偏好規(guī)則見表5。

表5 充填體達到可利用強度的時間的概率性偏好規(guī)則

由表4及表5可知:對于充填體終了強度,共提取了4條概率性偏好規(guī)則,其中兩條規(guī)則的支持數(shù)超過了5條,且置信度均為100%,規(guī)律性強且可靠性高,不存在二義性;而對于充填體達到可利用強度的時間,共提取了6條概率性偏好規(guī)則,其中有3條支持數(shù)超過了5條,且置信度分別為90%、90%及100%,規(guī)則的規(guī)律性強,可靠性較高。而根據(jù)經(jīng)驗,規(guī)則支持數(shù)在5之上時,可以稱為規(guī)律,故提取出5條規(guī)律。

而采用傳統(tǒng)的不可分辨關系的粗糙集得到的規(guī)則最大支持數(shù)僅為3,普遍規(guī)則支持數(shù)太少,無法提取出可靠的規(guī)律。

2.5 規(guī)律挖掘與應用

通過以上分析,可知對于礦山井下空區(qū)的充填體強度及其隨時間變化規(guī)律而言,礦山井下環(huán)境的濕度對充填體強度及其隨時間變化有較為顯著的影響,但溫度則對其影響有限。而根據(jù)相關學者研究,溫度對于充填體強度及其變化有影響,產(chǎn)生此種差異的原因,可能是井下環(huán)境減弱了溫度對充填體強度及其變化的影響,也有可能是井下溫度變化范圍還不足以改變充填體強度及其變化所致,后續(xù)需作進一步分析研究。

分析各條件屬性對充填體終了強度及充填體達到可利用強度的時間的優(yōu)勢關系,其中部分優(yōu)勢關系特征與通常情況有一定差異,如一般情況下,充填配比的水灰比越大,充填體凝結時間越長,達到可利用強度的時間也就越長。而本次研究發(fā)現(xiàn),在高溫高濕環(huán)境下,充填體的水灰比越大,充填體達到可利用強度的時間反而越短。產(chǎn)生這種差異的可能在于全尾砂充填體的細部微觀結構或充填體內(nèi)的不同物料之間的相互反應在高溫高濕環(huán)境下發(fā)生了大的變化,從而在宏觀上表現(xiàn)為充填體強度及其變化與某些影響因素之間關系的改變。

根據(jù)提取的規(guī)律解譯,得到地下鋁土礦充填體終了強度為合格時的規(guī)律兩條,充填體達到可利用強度時間為中或短、為長或中及達到為長的規(guī)律各1條。將這些規(guī)律應用于該礦山生產(chǎn)后,當年因充填體強度不足而造成的安全事故數(shù)為3次,且均為一般事故,所造成的經(jīng)濟損失為13.6萬元。而前三年因充填體強度不足而造成的平均安全事故數(shù)為6次,平均經(jīng)濟損失為34.1萬元。因充填體強度不足產(chǎn)生的安全事故和經(jīng)濟損失分別降低了50%和60%。

3 結 論

1)通過對井下高溫和高濕疊加環(huán)境下的充填體強度變化趨勢及其影響因素實測值統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn):濕度對地下鋁土礦充填體強度及其變化有較強的影響,而溫度對充填體強度及其變化的影響并不明顯。這可能是由于井下環(huán)境減弱溫度影響或井下溫度變化還不足以影響充填體強度及其變化所致,未來可進一步深入研究。

2)在井下高溫高濕的影響下,地下鋁土礦井下充填體強度及其變化呈現(xiàn)與一般環(huán)境下有差異的特征。如在高溫高濕環(huán)境下,充填體的水灰比越大,充填體達到可利用強度的時間反而越短,這與常規(guī)井下環(huán)境下呈現(xiàn)明顯差異,未來可進行更加全面系統(tǒng)的分析。

3)通過變精度優(yōu)勢關系粗糙集對地下鋁土礦充填體強度的變化規(guī)律分析,提取出了地下鋁土礦充填體強度及其變化的若干概率性偏好規(guī)律,這些規(guī)律支持數(shù)和置信度均較大,且包含了對影響因素的偏好信息和決策結果的模糊概率性分析,分析全面。而將得到的分析規(guī)律應用指導礦山生產(chǎn)后,由全尾砂充填體強度而引發(fā)的安全事故和經(jīng)濟損失都大為減少,說明了該方法對充填體強度及其變化規(guī)律分析的可靠性及有效性。