基于FSE-ANP的普朗銅礦自然崩落法采礦工藝風(fēng)險(xiǎn)評估*

郭林寧 侯克鵬 馮興隆 劉華武 周宗紅

(1.昆明理工大學(xué)云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 昆明 650000；2.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司 云南香格里拉 674400)

0 引言

普朗銅礦首采區(qū)運(yùn)用自然崩落法進(jìn)行開采。自然崩落法與傳統(tǒng)崩落采礦法最大的不同是其在完成簡單的拉底或切割工程后，主要依靠構(gòu)造對礦體的切割，礦巖在重力作用下實(shí)現(xiàn)自主垮落，基本不需要鑿巖爆破，是一種高效率、低成本、易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開采的采礦方法[1]。自然崩落法是一種技術(shù)含量很高的采礦方法，因?yàn)槠湟坏╅_始實(shí)施，將極難變更開采方案[2]，其在國內(nèi)礦山應(yīng)用成功的案例屈指可數(shù)，對普朗銅礦來說是一種新的采礦方法[3]。因此本文對普朗銅礦開采工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。

國內(nèi)學(xué)者基于礦山風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的復(fù)雜性，對礦山的不同方面進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。如田森等[4]利用灰色區(qū)間關(guān)聯(lián)聚類理論構(gòu)建模型對礦山的安全績效進(jìn)行聚類分析與評價(jià)。尹土兵等[5]應(yīng)用層次分析法模糊綜合評價(jià)確定礦山安全狀況等級。薛振林等[6]運(yùn)用層次分析法分析某礦山運(yùn)輸提升運(yùn)行限制因素。張萬紅等[7]利用確定型和不確定型層次分析法構(gòu)建和諧礦區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系。龔劍等[8]通過AHP法客觀確定各評判指標(biāo)的權(quán)重向量，進(jìn)而結(jié)合TOPSIS法分析貼近度并計(jì)算得出巖爆預(yù)測等級。李東等[9]首次將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與SVM算法引入到礦山環(huán)境評價(jià)中。李孜軍等[10]提出了基于AGA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法評價(jià)采空區(qū)危險(xiǎn)性。

1 風(fēng)險(xiǎn)因素辨識

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)以及實(shí)地調(diào)查，針對普朗銅礦自然崩落法開采工藝環(huán)節(jié)歸納出6種風(fēng)險(xiǎn)類型，分別為：拉底、底部結(jié)構(gòu)、出礦、放礦、通風(fēng)、運(yùn)輸。 在拉底過程中，可能由于拉底方式、拉底推進(jìn)速度、拉底高度、拉底形狀、拉底巷道的施工與支護(hù)方面的問題影響礦山生產(chǎn)；對于底部結(jié)構(gòu)，一旦其失穩(wěn)，將會影響整個(gè)礦山的正常運(yùn)營；出礦過程中，可能面臨出礦水平布置方式、崩落塊度、崩落速度、出礦層施工與支護(hù)方面的問題； 放礦過程中，可能由于管理不當(dāng)或放礦速率控制不當(dāng)導(dǎo)致出礦效率低下，出現(xiàn)懸頂、堵塞等災(zāi)害，甚至爆破事故；通風(fēng)過程中，可能會出現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)、通風(fēng)設(shè)備選取不合理以及除塵措施不到位等情況導(dǎo)致礦山通風(fēng)效果差；運(yùn)輸過程中，可能會出現(xiàn)溜井磨損堵塞以及鏟運(yùn)效率低等情況，影響生產(chǎn)效率。具體見表1。

表1 普朗銅礦自然崩落法開采工藝風(fēng)險(xiǎn)因素

2 FSE-AHP評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)因素

2.1 確定評語集

FSE是一種以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)的綜合評價(jià)方法[11-12]，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論，整體評價(jià)受到多種因素制約的事物或?qū)ο骩13]。

設(shè)定基本準(zhǔn)則集合為

π={f1,f2,…，fm} (1)

在前人研究的基礎(chǔ)上[14]，經(jīng)過風(fēng)險(xiǎn)評估小組的討論，提出了4個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，π={f1=事件發(fā)生概率，f2=事后影響嚴(yán)重性，f3=事件不可預(yù)知性，f4=評估的不確定性}。

2.2 建立評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

對風(fēng)險(xiǎn)因素確定一個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)E，設(shè)定評語集的n個(gè)等級方案E={e1,e2,…,en}，普朗銅礦風(fēng)險(xiǎn)因素評語標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 風(fēng)險(xiǎn)因素語標(biāo)準(zhǔn)

2.3 確定每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重

使用層次分析法(AHP)為每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置權(quán)重，將4個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的層次結(jié)構(gòu)

設(shè)定每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)/因子的權(quán)重用W來表示，W的集合為

W={W1,W2，…,Wn} (2)

對評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)的不同準(zhǔn)則進(jìn)行打分，以確定風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則的權(quán)重。在這里利用1～9打分法，計(jì)算得出每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重為(0.10,0.36,0.18,0.36)。

2.4 建立模糊評價(jià)矩陣

根據(jù)專家打分結(jié)果構(gòu)建模糊評價(jià)矩陣。統(tǒng)計(jì)不同專家對風(fēng)險(xiǎn)因素的不同標(biāo)準(zhǔn)的描述結(jié)果，構(gòu)成每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)評估的隸屬度函數(shù)。所有風(fēng)險(xiǎn)因素的評估形成一個(gè)模糊評價(jià)矩陣R=(rij)m×n，rij是滿足fi評價(jià)準(zhǔn)則的ej評價(jià)等級。

2.5 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

使用模糊復(fù)合算子對每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。由于評估準(zhǔn)則有多種標(biāo)準(zhǔn)，且每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重差異不是很大，考慮使用公式(3)。

(3)

應(yīng)用模糊評價(jià)向量的正交化依據(jù)公式(4)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

(4)

表3中列出每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的隸屬度函數(shù)、得到的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、最終風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行的排序。

表3 隸屬度函數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)排序

3 ISM-ANP評價(jià)整體風(fēng)險(xiǎn)

3.1 各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素相互依賴程度計(jì)算

(1)構(gòu)建關(guān)系矩陣。利用ISM方法構(gòu)建關(guān)系矩陣，反映的是各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互作用關(guān)系。通常情況下，關(guān)系矩陣的一般表達(dá)式由如下的形式表示為

(2)構(gòu)建可達(dá)矩陣。關(guān)系矩陣通過布爾矩陣運(yùn)算得出可達(dá)矩陣?？蛇_(dá)矩陣表示各種風(fēng)險(xiǎn)因素的相互依賴關(guān)系。M為A的可達(dá)矩陣。

(A+I)k-1≠(A+I)k+1=(A+I)k=M

(6)

3.2 構(gòu)建ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在可達(dá)矩陣的基礎(chǔ)上構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過Super Decision構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)關(guān)系A(chǔ)NP模型如圖2所示。

圖2 普朗銅礦自然崩落法采礦工藝ANP模型

對風(fēng)險(xiǎn)因素集中的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行兩兩比較，比較計(jì)算過程如圖3所示，計(jì)算出極限超矩陣為

圖3 在放礦因素集中與放礦管理因素有關(guān)因素的兩兩比較結(jié)果

3.3 計(jì)算整體風(fēng)險(xiǎn)

對于每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模糊評價(jià)形成的模糊評價(jià)矩陣，利用表3和模糊評價(jià)法算式(1)，用復(fù)合權(quán)重向量和模糊評價(jià)矩陣以獲取整體風(fēng)險(xiǎn)的模糊評價(jià)。

由表3可得出模糊評價(jià)矩陣為

由表4可得出權(quán)重：WA=(0 0.133 1 0.001 0 0 0 0.021 8 0.081 6 0.165 2 0.000 1 0 0.002 1 0.057 9 0.091 3 0.186 0 0.049 1 0.120 2 0.037 3 0.006 2 0.002 8 0 0 0.013 0 0.031 3)。

根據(jù)整體風(fēng)險(xiǎn)隸屬度函數(shù)計(jì)算公式為

DA=WA·RA

(7)

可得出DA=(0.154 8 0.230 6 0.309 0 0.200 7 0.104 9)。

根據(jù)公式(4)計(jì)算得出整體風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為

RI=0.154 8×1+0.230 6×2+0.309 0×3+0.200 7×4+0.104 9×5=2.870 3。

通過以上結(jié)果表明，普朗銅礦自然崩落法采礦工藝最終評價(jià)出的整體風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為2.870 3，可視為中等風(fēng)險(xiǎn)。在23項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素中，特高風(fēng)險(xiǎn)1項(xiàng)，為懸頂、堵塞，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為4.409 5；高風(fēng)險(xiǎn)4項(xiàng)，分別為底部結(jié)構(gòu)施工與支護(hù)、崩落塊度、底部結(jié)構(gòu)時(shí)效性、鏟裝及運(yùn)輸；中等風(fēng)險(xiǎn)12項(xiàng)；低風(fēng)險(xiǎn)6項(xiàng)。

4 結(jié)論

通過實(shí)地調(diào)查以及資料分析，辨識出普朗銅礦自然崩落法采礦工藝中共有23項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素。采用模糊綜合分析法(FSE)以及專家打分法(FCE)并結(jié)合層次分析法(AHP)確定了23項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)并進(jìn)行排序。應(yīng)用ISM方法分析風(fēng)險(xiǎn)因素之間關(guān)系，并建立ANP模型，計(jì)算得出普朗銅礦自然崩落法采礦工藝整體風(fēng)險(xiǎn)為“中等”風(fēng)險(xiǎn)。

(1)辨識出的23項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)中，有1項(xiàng)特高風(fēng)險(xiǎn)，為懸頂、堵塞。

懸頂、堵塞分為兩個(gè)方面：一是由于底部結(jié)構(gòu)卡斗造成的懸頂，二是溜井堵塞。若出現(xiàn)這兩種情況將嚴(yán)重影響生產(chǎn)，且目前的技術(shù)處理起來比較危險(xiǎn)。

(2)辨識出的23項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)中，有4項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)，按照風(fēng)險(xiǎn)的高低進(jìn)行排序分別為：底部結(jié)構(gòu)施工與支護(hù)、崩落塊度、底部結(jié)構(gòu)的時(shí)效性以及鏟裝及運(yùn)輸。

①在高風(fēng)險(xiǎn)因素中，排名第一的為底部結(jié)構(gòu)施工與支護(hù)。底部結(jié)構(gòu)是自然崩落法礦山的咽喉部位，一旦底部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，礦山則無法正常出礦，進(jìn)而無法順利運(yùn)行。保證底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定最關(guān)鍵的工作就是做好底部結(jié)構(gòu)的施工與支護(hù)。

②針對“崩落塊度”因素，目前礦山大塊率問題比較突出，高于預(yù)測的大塊率，影響每天的生產(chǎn)進(jìn)度；大塊的增加導(dǎo)致卡斗的幾率增大，處理大塊會影響生產(chǎn)效率；為了滿足生產(chǎn)任務(wù)，有可能會進(jìn)行不均勻出礦，造成礦石損失貧化，嚴(yán)重的會影響底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，甚至是崩落形態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)的變化。

③普朗銅礦的底部結(jié)構(gòu)需要一直服務(wù)到礦山閉坑為止，在服務(wù)年限內(nèi)，需保證底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性才能確保礦山的順利運(yùn)行。底部結(jié)構(gòu)的時(shí)效性關(guān)系到底部結(jié)構(gòu)是否可以在服務(wù)年限內(nèi)一直保持穩(wěn)定。

④鏟裝及運(yùn)輸工作關(guān)系到礦山的運(yùn)行是否順利，影響到整個(gè)礦山的生產(chǎn)效率，是整個(gè)礦山的咽喉，需引起足夠重視。