充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性的SPA-AHP綜合評價

趙麗軍

(甘肅廠壩有色金屬有限責(zé)任公司廠壩鉛鋅礦， 甘肅 隴南市 742504)

充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性的SPA-AHP綜合評價

趙麗軍

(甘肅廠壩有色金屬有限責(zé)任公司廠壩鉛鋅礦， 甘肅 隴南市 742504)

為了預(yù)測充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性大小，建立充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性的評價系統(tǒng)和評價等級標(biāo)準(zhǔn)?；趯哟畏治龇?AHP)，對各評價指標(biāo)賦予不同的權(quán)重，引入集對分析法(SPA)，對充填管道風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行定量分析。運(yùn)用該評價模型對金川龍首礦、貢北金礦、河?xùn)|金礦、開陽磷礦4個代表性礦山的充填管道輸送系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，貢北金礦、河?xùn)|金礦充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性等級為2級“風(fēng)險(xiǎn)一般”，金川龍首礦、開陽磷礦的風(fēng)險(xiǎn)性等級為3級“風(fēng)險(xiǎn)較大”，評價結(jié)果符合礦山實(shí)際情況，表明該模型具有較高的評價精度，且合理、科學(xué)，可推廣至同類礦山應(yīng)用。

充填系統(tǒng)；管道輸送；管道堵塞；評價模型；集對分析

0 引 言

隨著淺部資源的消耗殆盡，礦山開采向深部邁進(jìn)的趨勢勢不可擋，然而深部開采面臨的“三高一擾動”問題日益嚴(yán)峻，尤其是高地壓的控制，因此為了更好的控制深部的高地壓，充填采礦法被金屬礦山廣泛的使用[1]。充填系統(tǒng)的順暢運(yùn)轉(zhuǎn)是充填充填采礦法成功實(shí)施的基本保障，而其子系統(tǒng)管道運(yùn)輸系統(tǒng)作為薄弱環(huán)節(jié)之一經(jīng)常面臨磨損、堵塞、爆裂等失效事故，其中以堵塞事故對充填管道的威脅最大。所以，對充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行評價，有助于礦山提前采取防范措施，為此，國內(nèi)外學(xué)者提出很多評價模型對其進(jìn)行評價。王新民等建立了基于未確知理論的充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測模型[2]；張欽禮等利用熵權(quán)和模糊數(shù)學(xué)理論建立了充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)評價模型[3]。

1989年，趙克勤提出了集對分析(SPA)數(shù)學(xué)理論。SPA理論主要用于分析系統(tǒng)內(nèi)確定和不確定性之間的相互作用[4]，尤其是在不確定問題分析方面優(yōu)點(diǎn)突出。目前，礦山系統(tǒng)安全評價[5]、水文地質(zhì)情況評估[6￣8]、人工智能操作[9￣10]、自然災(zāi)害誘因分類[11]、工程圍巖質(zhì)量分級[12￣13]、邊坡穩(wěn)定性分析[14￣15]和采場頂?shù)装?、兩幫穩(wěn)定性評價[16￣17]、可爆性分級[18]等領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用了該理論。充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性動態(tài)分析和評價是一項(xiàng)涉及多指標(biāo)的研究領(lǐng)域，SPA理論在確定復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)多指標(biāo)對結(jié)果影響的權(quán)重方面顯得辦法不多，缺陷明顯。層次分析 (AHP)是一種將系統(tǒng)指標(biāo)條理層次化并對指標(biāo)賦予不同權(quán)重的數(shù)學(xué)方法[19￣21]。通過分析，可以將SPA和AHP兩種方法相結(jié)合建立AHP-SPA綜合評價模型，并利用上述模型評價不同礦山充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)[22]，為礦山提供防范充填堵塞措施等級。

1 SPA-AHP模型

1.1 SPA-AHP原理

SPA理論的核心是把研究對象當(dāng)作一個確定-不確定系統(tǒng) (NY系統(tǒng))。 NY系統(tǒng)是由集合A、集合B組成的集對H(A,B)，而對集對H(A,B)從特性、關(guān)系、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、趨勢，以及相互聯(lián)系模式進(jìn)行分析并可定量表達(dá)NY系統(tǒng)，得到集合A和B的聯(lián)系度表達(dá)式：

(1)

式中：N——集對H(A,B)的所有特性；

S——集合A、B共有的特性；

P——集合A、B對立的特性；

F——集合A、B既不共有也不對立的特性；

i——差異度系數(shù)，取值范圍為[-1,1]；

j——對立度系數(shù)，一般取值-1。

基于SPA理論分析具體問題時，集對的特性多且復(fù)雜，難以考慮特性之間的關(guān)系及特性導(dǎo)致問題發(fā)生的概率大小，即權(quán)重。因此，借助AHP確定特性權(quán)重是一種合理的簡化方式。假設(shè)，特性為S的權(quán)重為wn(n=1,2,...，s)，特性為F的權(quán)重為wm(m=1,2,...，f)，特性為P的權(quán)重為wl(l=1,2,...，p)，則考慮特性權(quán)重后的聯(lián)系度表達(dá)式為：

(2)

1.2 SPA-AHP步驟

(1) 建立充填管道堵塞指標(biāo)系統(tǒng)。導(dǎo)致礦山充填管道堵塞的因素很多，根據(jù)礦山充填實(shí)際和前人研究成果確定了以下主要評價指標(biāo)：充填料漿體積分?jǐn)?shù)(I1)、充填料漿的密度(I2)、充填管道的絕對粗糙度(I3)、管道內(nèi)徑(I4)、充填倍線(I5)、偏斜率(I6)、料漿流速與臨界流速之比(I7)、加權(quán)平均粒徑(I8)、充填骨料形狀(I9)及充填料漿的腐蝕性(I10)。

(2) 利用AHP法確定指標(biāo)權(quán)重。兩兩比較指標(biāo)的重要性，建立判斷矩陣A=(aij)，即當(dāng)前指標(biāo)與相鄰上一層指標(biāo)的重要性判斷矩陣，計(jì)算判斷矩陣A=(aij)的最大特征根λ和特征向量W，計(jì)算得到的特征向量W經(jīng)歸一化處理后，可以作為充填管道堵塞指標(biāo)的權(quán)重Wa。

(3) 充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性等級標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)類比，根據(jù)導(dǎo)致充填管道堵塞指標(biāo)的含義與作用，建立了以下四類管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性評價等級：1級 (堵塞風(fēng)險(xiǎn)性很小)、2級 (堵塞風(fēng)險(xiǎn)性一般)、3級 (堵塞風(fēng)險(xiǎn)性較大)和4級 (堵塞風(fēng)險(xiǎn)性很大)，具體評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

(4) 基于SPA理論對充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性評價。根據(jù)式(2),計(jì)算充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性的聯(lián)系度μ，μ∈[-1,1]。首先利用“均分原則”確定差異度系數(shù)i，假設(shè)μ為d元聯(lián)系數(shù)，則將區(qū)間[-1,1]劃分為d-1等份，其等份點(diǎn)值從左至右記為：J,Id-2，Id-3，...,I1。再根據(jù)“均分原則”將區(qū)間[-1,1]劃分為d等份，從左至右各子區(qū)間對應(yīng)評價等級1,2,...,d，從而μ值位于某個區(qū)間，其評價等級即為該區(qū)間所對應(yīng)的評價等級。

2 工程實(shí)例評價

以金川龍首礦、貢北金礦、河?xùn)|金礦、開陽磷礦為充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性的評價對象，各礦山導(dǎo)致充填管道堵塞的指標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)見表2，建立SPA-AHP綜合評價模型，對各礦山充填管道系統(tǒng)的堵塞風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行評價。

表1 評價等級標(biāo)準(zhǔn)取值范圍

表2 礦山指標(biāo)實(shí)值

2.1 確定指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)層次分析法原理建立判斷矩陣A，如下式所示，以此確定指標(biāo)權(quán)重。

根據(jù)A，可得權(quán)重向量W1=(0.1500，0.1500，0.0345，0.1500，0.0460，0.0193，0.1500，0.0750，0.0750，0.1500)。經(jīng)一致性檢驗(yàn)公式計(jì)算得CR=0.004<0.100，滿足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 計(jì)算聯(lián)系度

根據(jù)指標(biāo)實(shí)值和權(quán)重，得金川龍首礦的聯(lián)系度μ1=0+0.4403i1+0.1845i2+0.375j。根據(jù)“均分原則”和μ為四元聯(lián)系數(shù)，區(qū)間[-1,1]的等份點(diǎn)值從左至右為：-1，-0.333，0.333，1。確定i2=-0.333，i1=0.333，從而計(jì)算出μ1=-0.2898，同理可得貢北金礦、河?xùn)|金礦、開陽磷礦的聯(lián)系數(shù)分別為μ2=0.1388,μ3=0.1026,μ4=-0.1668。

2.3 評價結(jié)果

根據(jù)“均分原則”，將區(qū)間[-1,1]劃分為4等份(-1，-0.5)，(-0.5，0)，(0，0.5)，(0.5,1)，分別對應(yīng)評價等級的4級“風(fēng)險(xiǎn)很大”、3級“風(fēng)險(xiǎn)較大”、2級“風(fēng)險(xiǎn)一般”、1級“風(fēng)險(xiǎn)很小”，可知μ1∈(-0.5,0)，因此，可知貢北金礦、河?xùn)|金礦充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性等級為2級“風(fēng)險(xiǎn)一般”，金川龍首礦、開陽磷礦充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性等級為3級“風(fēng)險(xiǎn)較大”。

3 結(jié) 論

基于SPA-AHP可以有效進(jìn)行充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性評價，在確定10項(xiàng)導(dǎo)致主要充填管道堵塞因素指標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立了充填管道堵塞的評價等級標(biāo)準(zhǔn)，選取充填系統(tǒng)較為成熟的金川龍首礦、貢北金礦、河?xùn)|金礦、開陽磷礦4個代表性礦山對評價模型進(jìn)行驗(yàn)證，通過層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，進(jìn)而基于集對分析理論得到各礦山的評價等級：金川龍首礦、開陽磷礦為3級“風(fēng)險(xiǎn)較大”，貢北金礦、河?xùn)|金礦為2級“風(fēng)險(xiǎn)一般”，評價結(jié)果較為符合礦山實(shí)際，從而充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性評價提供了一個新的途徑。

[1]王新民,古德生,張欽禮.深井礦山充填理論與管道輸送技術(shù)[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2010:1￣6.

[2]王新民,高瑞文,胡 威,等.充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測模型[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013，44(11):4604￣4610.

[3]張欽禮,曹瑞峰,王 石，等.基于熵權(quán)和模糊數(shù)學(xué)的充填管道堵塞堵塞風(fēng)險(xiǎn)評價[J].科技導(dǎo)報(bào),2013，31(28):30￣34.

[4]趙克勤.集對分析及其初步應(yīng)用[M].杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[5]鄭賢斌,陳國明.基于SPA安全綜合評價方法及其應(yīng)用[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006，38(2):290￣293.

[6]王宏偉,張 鑫,邱俊楠.模糊集對分析法在水資源安全評價中的應(yīng)用[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011，39(10):209￣214.

[7]何菡丹,王 棟.基于小波消噪與秩次集對分析的水文時間序列預(yù)測[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012，48(6):736￣745.

[8]劉銀迪,張小壯,張澤中.序位集對分析在遼河流域年降雨預(yù)測中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011，39(28):17534￣17536.

[9]趙克勤.SPA的同反異系統(tǒng)理論在人工智能研究中的應(yīng)用[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào),2007，2(5):20￣35.

[10]趙克勤.集對分析的不確定性系統(tǒng)理論在AI中的應(yīng)用[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào),2006，1(2):16￣25.

[11]王文圣,金菊良,李躍清.基于集對分析的自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度綜合評價研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2009，41(6):6￣12.

[12]王迎超,徐興華,劉永莉,等.公路隧道圍巖分級的集對分析模型[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011，43(4):114￣119.

[13]申艷軍,徐光黎,張亞飛,等.基于集對分析的可拓學(xué)方法在地下硐室圍巖分類中的應(yīng)用[J].地質(zhì)科技情報(bào),2010，29(5):125￣130.

[14]秦植海,秦 鵬.高邊坡穩(wěn)定性評價的模糊層次與集對分析耦合模型[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(5):706￣711.

[15]劉 曉,唐輝明,劉 瑜.基于集對分析的滑坡變形動態(tài)建模研究[J].巖土力學(xué),2009,30(8):2371￣2378.

[16]李同鎖,何啟林.基于集對分析的采煤工作面頂板穩(wěn)定性評價[J].煤炭工程,2010,32(5):706￣711.

[17]鄭海力,童陽春.基于模糊集對與優(yōu)勢關(guān)系粗糙集的巷道穩(wěn)定性系統(tǒng)化分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(07):86￣92.

[18]錢 立,王文杰,潘春艷,等.基于綜合賦權(quán)集對分析方法的巖體可爆性分級研究與應(yīng)用[J].化工礦物與加工,2015(11):37￣40.

[19]王新民,趙 彬,張欽禮.基于層次分析和模糊數(shù)學(xué)的采礦方法選擇[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,39(5):875￣880.

[20]宋霞飛,王志勇.基于集對分析同一度的采礦方法最優(yōu)選擇[J].采礦技術(shù),2014,14(03):12￣15.

[21]王新民,劉賤剛,張欽禮.基于信息熵層次集評價方法的采礦方案選擇[J].化工礦物與加工,2011(07):18￣21，25.

[22]王新民,王 石,鄢德波,等.基于未確知測度理論的充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性評價[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2012(04):151￣156.

2016￣10￣27)