基于ISM和AHP的硫化礦石自燃危險性分析

陽富強，劉廣寧，黃賢煜

(福州大學環(huán)境與資源學院，福建 福州 350116)

基于ISM和AHP的硫化礦石自燃危險性分析

陽富強，劉廣寧，黃賢煜

(福州大學環(huán)境與資源學院，福建 福州 350116)

為系統(tǒng)了解硫化礦石自燃的影響因素，從人-物-環(huán)-管四個方面找出18個硫化礦石自燃的影響因子. 運用系統(tǒng)工程理論，建立硫化礦石自燃影響因素的6級多層遞階解釋結構模型(ISM)，采用層次分析法(AHP)確定各指標權重. 研究表明，多層遞階ISM能有效地表達硫化礦石自燃影響因素的結構，18個影響因子可以分為6個層級，直觀地反映出各個影響因素之間的層級及相互關系； AHP法求解出影響硫化礦石自燃的各級指標權重，表明礦石自身特性是影響硫化礦石自燃的決定性要素，管理則是深層次要素.

硫化礦石； 自燃； 解釋結構模型； 層次分析法

0 引言

高硫礦山開采過程中，爆破堆積的硫化礦石若未及時運出，其將與空氣接觸后會發(fā)生氧化反應并釋放大量熱，可能引發(fā)硫化礦石自燃災害[1-2]. 國內東鄉(xiāng)銅礦、銅官山銅礦、大廠銅坑礦，國外日本下川銅礦、西班牙呼爾瓦黃鐵礦、美國克羅克礦等礦山都曾因硫化礦石自燃引發(fā)重大安全事故，嚴重威脅礦工生命安全,并造成重大的經濟損失[3]. 目前有關硫化礦石自燃的機理還未形成一致的認識[4]，需進一步分析引起礦石自燃的因素及各因素間的聯(lián)系，從而有效指導實驗研究,并構建可靠的安全評價體系.

解釋結構模型(interpretative structure model,ISM)作為系統(tǒng)工程的分析方法，已成功應用于公路突發(fā)地質災害應急機制的構建[5]、特種設備安全監(jiān)管體系構建[6]、公路隧道火災事故致因研究[7]、煤礦安全政策控災作用分析[8]等領域. 該方法將系統(tǒng)分為若干子系統(tǒng)，分步構成一個多級遞階結構模型，使得復雜問題簡單化，進而通過模型結構找出最重要的影響因素，可應用于分析具有較多影響因素的體系[9-11].

本研究擬應用系統(tǒng)工程中的ISM方法，分析影響礦石自燃的各個因素之間的相互聯(lián)系，建立硫化礦石自燃的ISM模型，找出影響礦石自燃的直接原因、間接原因以及深層次原因； 進一步利用層次分析方法(analytic hierarchy process,AHP)計算出各級指標的權重，這對構建硫化礦石自燃危險性評價模型，制定安全對策有著重要的指導意義.

1 ISM建模方法概述

ISM模型是通過系統(tǒng)元素間相互影響的分析，將復雜的系統(tǒng)問題分解成為具有層次性的階梯結構，該方法是美國沃菲爾德于1973年提出的一種分析復雜社會經濟系統(tǒng)的方法[11]. 基于ISM理論的思想[10]，構建硫化礦石自燃的ISM模型，即找出影響硫化礦石自燃的因子，并根據(jù)各因子間關系建立鄰接矩陣、可達矩陣，最后得出多級遞階ISM模型并提出合理的解決措施.

2 硫化礦石自燃的ISM模型分析

2.1 因素選取

基于硫化礦石的自燃特性，參閱相關資料文獻[3-4,12]，從人-物-環(huán)-管四個角度選取18個硫化礦石自燃的影響因子，構建相應的ISM模型，18個影響因素如表1所示.

表1 硫化礦石自燃F1的因素集體系

2.2 鄰接矩陣生成

根據(jù)各個元素之間的相互影響關系，對18個影響因子進行兩兩比較，若因素間有直接關系用1表示； 若各要素之間沒有直接關系用則0來表示，鄰接矩陣元素如式(1)所示. 硫化礦石自燃的鄰接矩陣為R.

2.3 可達矩陣構建

可達矩陣是指有向連接圖節(jié)點間的可達程度，將相鄰矩陣R與單位矩陣I相加后驗算求得，如式(2)所示.

R1=R+I；R2=[R+I]2； …；

運用布爾代數(shù)運算規(guī)則(0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=1； 0×0=0，0×1=0，1×0=0，1×1=1)進行計算，直到滿足：

經計算，得到：M=R6=R7.

2.4 可達矩陣分解

在分解可達矩陣的計算過程中，要先找出各要素的可達集M(Fi)，即從要素Fi出發(fā)可以到達的全部要素的集合； 先行集N(Fi)，即可以到達要素Fi的全部元素的集合； 當M(Fi)∩N(Fi)=M(Fi)時，所有滿足條件要素Fi屬于1級. 從初始矩陣M去除含有元素Fi的各行各列后得到新矩陣M1，對矩陣M1進行相同的計算操作，得出所有滿足條件的2級要素和新的矩陣M2. 其他幾級的操作也基本相同，求出各級要素后分到相應的級別上.

2.5 結構模型分析

縮減并層次化處理M矩陣，得出多級遞階的ISM模型，如圖1所示. 影響硫化礦石自燃的因素體系是一個復雜系統(tǒng)，具有多層遞階結構，包括硫化礦自燃在內的19個要素分成6層. 硫化礦石自燃是第一層要素，它是所有要素的匯點，但受第二層表層初級原因，如礦石塊度F9、環(huán)境pH(F13)、微生物作用F15、水溶性鐵離子含量F8、含水率F7、痕量元素F10和環(huán)境濕度F14等因素影響. 這表明硫化礦山開采過程中礦石自燃與其自身的物理化學性質緊密相連.

圖1 硫化礦石自燃的ISM模型

第三層包括化學組成F6、晶體結構F5、環(huán)境氧氣濃度F11和環(huán)境溫度F12. 其中,晶體結構和環(huán)境氧氣濃度、環(huán)境溫度對于礦石氧化有顯著影響. 晶體結構影響礦石的破碎程度，環(huán)境氧氣濃度影響礦石氧化速率和微生物的活性，環(huán)境溫度影響礦石氧化后的散熱量. 環(huán)境濕度對于礦石自燃影響表現(xiàn)出兩面性，一方面可以促進氧化反應的正向進行，另一方面高水分也有利于熱量的散發(fā). 第四層和第五層分別為通風控制F4、地質條件F16和采礦方法F3，屬于中層影響因素,良好的通風效果可以極大降低礦石的自燃隱患，但通風同時又為礦石氧化提供了新鮮空氣[3].

最后一層是深層根本影響因素，涉及管理制度F17、安全監(jiān)管F18、安全教育及技能培訓F19以及安全意識F2，它們是影響礦井開采過程中礦石自燃的基礎性條件. 硫化礦石自燃由人、物、環(huán)境、管理等因素綜合作用引起. 要防治礦石開采過程中的自燃災害，必須提高采礦技術條件，提升工作人員的安全意識，加強開采規(guī)劃和開采現(xiàn)場的監(jiān)督管理工作，完善安全責任機制.

3 AHP方法分析

ISM分析方法只能定性分析硫化礦石自燃影響要素之間的關系，采用AHP分析法對硫化礦石自燃的影響因子進行量化處理，明確各個影響因子的權重. AHP法[13-14]是美國運籌學家薩蒂(T L Satty)提出的一種定性與定量分析相結合的多目標決策分析方法. 運用AHP中 的標度法(見表2)對表層直接影響因素進行成對比較，以相對重要性為參照給出因素間的標度值，構造出對應的判斷矩陣，并據(jù)此計算出權向量，最后將對所得權向量進行一致性的檢驗. 由圖1確定出表層直接影響因素指標體系，如圖2所示.

圖2 表層直接影響因素的指標體系

表2 1～9標度法的意義

對于判斷矩陣一致性檢驗通常由來式(4)判定.

(4)式中參數(shù)CI為層次總排序一致性指標，參數(shù)RI平均隨機一次性指標，參數(shù)CR為層次分析法的一致性比例. CI的計算公式如式(5)：

式中：λmax為判斷矩陣最大特征值；n為階數(shù)； RI為可查常數(shù).

當n=18時，RI值通過MATLAB數(shù)學建模程序驗算取值1.610 3，二級指標的CR=0.066 8，CI=0.059 4； 三級指標的CR=0.098 6，CI=0.158 7，皆通過一致性檢驗. 硫化礦礦石自燃的各級指標權重見表3.

表3 影響因素的指標權重

從表3可見，硫化礦石自燃影響體系中物和環(huán)境因素占主要方面，其中礦石自身因素的權重達到了0.569 7，在二級指標中占據(jù)最重要地位； 其次是環(huán)境影響因素，而人的影響因素最弱，權重為0.052 9. 在三級指標權重分析中，晶體結構、化學組成、地質條件、水溶性鐵離子含量、礦石塊度、環(huán)境溫度與其他各因素相比也顯得尤為重要.

4 結語

針對硫化礦石自燃的研究現(xiàn)狀和特點，從人、物、環(huán)境、管理四個方面分析硫化礦石自燃的影響因素，總結出18個要素. 采用ISM對各自燃影響因素之間的關系進行推理和計算，得到了ISM的多層遞階模型. 18個影響因子可以分為6個層級，導致礦石自燃的因素既有礦石本身的物理、化學性質，也有人的因素和管理問題，但管理培訓、安全意識、安全監(jiān)管才是其深層次原因.

通過AHP法確定出各級因素權重，表明硫化礦石自身特性和環(huán)境因素是誘導其自燃的關鍵因子，僅硫化礦石自身的影響權重達到了0.569 7. 因此，在硫化礦床開采前必須對礦石的自燃傾向性進行評價，制定相應的防火等級和安全避險措施，以實現(xiàn)礦山安全生產.

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(編輯： 蔣培玉)

Analysis of spontaneous combustion hazard of sulfide ores based on ISM and AHP

YANG Fuqiang,LIU Guangning,HUANG Xianyu

(College of Environment and Resources,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350116,China)

In order to fully understand the impact factors of spontaneous combustion of sulfide ores,eighteen factors which affect the spontaneous combustion of sulfide ores were identified from the aspects of human,machine,environment,and management. By the theory of system engineering,the six-layer multi-hierarchical interpretative structure model (ISM) was established for spontaneous combustion of sulfide ores. The analytic hierarchy process (AHP) was used to determine the weight of each index. The research results show that the affecting factors of spontaneous combustion of sulfide ores can be established effectively by multi-echelon ISM,and eighteen factors can be divided into six levels; meanwhile the hierarchical and interrelation relationships among various factors can be reflected directly. Also,the weight of each index can be determined by AHP method; the physical and chemical properties of sulfide ores are the key factors that affect the spontaneous combustion of sulfide ores,and mining management is a deep-seated factor.

sulfide ores; spontaneous combustion; interpretative structure model; analytic hierarchy process

2014-09-12

陽富強(1982-)，副教授，主要從事礦山安全領域的研究，ouyangfq@163.com

國家自然科學基金資助項目(51304051)； 福建省自然科學基金資助項目(2012J05088)； 福州大學科技發(fā)展基金資助項目(2013-XQ-18)

10.7631/issn.1000-2243.2015.05.0702

1000-2243(2015)05-0702-06

X923

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