陽(yáng)富強(qiáng)，劉廣寧，黃賢煜

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116)

基于ISM和AHP的硫化礦石自燃危險(xiǎn)性分析

陽(yáng)富強(qiáng)，劉廣寧，黃賢煜

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)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(gè)方面找出18個(gè)硫化礦石自燃的影響因子. 運(yùn)用系統(tǒng)工程理論，建立硫化礦石自燃影響因素的6級(jí)多層遞階解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)，采用層次分析法(AHP)確定各指標(biāo)權(quán)重. 研究表明，多層遞階ISM能有效地表達(dá)硫化礦石自燃影響因素的結(jié)構(gòu)，18個(gè)影響因子可以分為6個(gè)層級(jí)，直觀地反映出各個(gè)影響因素之間的層級(jí)及相互關(guān)系； AHP法求解出影響硫化礦石自燃的各級(jí)指標(biāo)權(quán)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(jié)構(gòu)模型； 層次分析法

0 引言

高硫礦山開(kāi)采過(guò)程中，爆破堆積的硫化礦石若未及時(shí)運(yùn)出，其將與空氣接觸后會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)并釋放大量熱，可能引發(fā)硫化礦石自燃災(zāi)害[1-2]. 國(guó)內(nèi)東鄉(xiāng)銅礦、銅官山銅礦、大廠銅坑礦，國(guó)外日本下川銅礦、西班牙呼爾瓦黃鐵礦、美國(guó)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(yán)重威脅礦工生命安全,并造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[3]. 目前有關(guān)硫化礦石自燃的機(jī)理還未形成一致的認(rèn)識(shí)[4]，需進(jìn)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(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究,并構(gòu)建可靠的安全評(píng)價(jià)體系.

解釋結(jié)構(gòu)模型(interpretative structure model,ISM)作為系統(tǒng)工程的分析方法，已成功應(yīng)用于公路突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急機(jī)制的構(gòu)建[5]、特種設(shè)備安全監(jiān)管體系構(gòu)建[6]、公路隧道火災(zāi)事故致因研究[7]、煤礦安全政策控災(zāi)作用分析[8]等領(lǐng)域. 該方法將系統(tǒng)分為若干子系統(tǒng)，分步構(gòu)成一個(gè)多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型，使得復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，進(jìn)而通過(guò)模型結(jié)構(gòu)找出最重要的影響因素，可應(yīng)用于分析具有較多影響因素的體系[9-11].

本研究擬應(yīng)用系統(tǒng)工程中的ISM方法，分析影響礦石自燃的各個(gè)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(jìn)一步利用層次分析方法(analytic hierarchy process,AHP)計(jì)算出各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，這對(duì)構(gòu)建硫化礦石自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型，制定安全對(duì)策有著重要的指導(dǎo)意義.

1 ISM建模方法概述

ISM模型是通過(guò)系統(tǒng)元素間相互影響的分析，將復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題分解成為具有層次性的階梯結(jié)構(gòu)，該方法是美國(guó)沃菲爾德于1973年提出的一種分析復(fù)雜社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的方法[11]. 基于ISM理論的思想[10]，構(gòu)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(guān)系建立鄰接矩陣、可達(dá)矩陣，最后得出多級(jí)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(guān)資料文獻(xiàn)[3-4,12]，從人-物-環(huán)-管四個(gè)角度選取18個(gè)硫化礦石自燃的影響因子，構(gòu)建相應(yīng)的ISM模型，18個(gè)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(gè)元素之間的相互影響關(guān)系，對(duì)18個(gè)影響因子進(jìn)行兩兩比較，若因素間有直接關(guān)系用1表示； 若各要素之間沒(méi)有直接關(guān)系用則0來(lái)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(dá)矩陣構(gòu)建

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

R1=R+I；R2=[R+I]2； …；

運(yùn)用布爾代數(shù)運(yùn)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(jìn)行計(jì)算，直到滿足：

經(jīng)計(jì)算，得到：M=R6=R7.

2.4 可達(dá)矩陣分解

在分解可達(dá)矩陣的計(jì)算過(guò)程中，要先找出各要素的可達(dá)集M(Fi)，即從要素Fi出發(fā)可以到達(dá)的全部要素的集合； 先行集N(Fi)，即可以到達(dá)要素Fi的全部元素的集合； 當(dāng)M(Fi)∩N(Fi)=M(Fi)時(shí)，所有滿足條件要素Fi屬于1級(jí). 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(duì)矩陣M1進(jìn)行相同的計(jì)算操作，得出所有滿足條件的2級(jí)要素和新的矩陣M2. 其他幾級(jí)的操作也基本相同，求出各級(jí)要素后分到相應(yīng)的級(jí)別上.

2.5 結(jié)構(gòu)模型分析

縮減并層次化處理M矩陣，得出多級(jí)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(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，具有多層遞階結(jié)構(gòu)，包括硫化礦自燃在內(nèi)的19個(gè)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(diǎn)，但受第二層表層初級(jí)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(kāi)采過(guò)程中礦石自燃與其自身的物理化學(xué)性質(zhì)緊密相連.

圖1 硫化礦石自燃的ISM模型

第三層包括化學(xué)組成F6、晶體結(jié)構(gòu)F5、環(huán)境氧氣濃度F11和環(huán)境溫度F12. 其中,晶體結(jié)構(gòu)和環(huán)境氧氣濃度、環(huán)境溫度對(duì)于礦石氧化有顯著影響. 晶體結(jié)構(gòu)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(duì)于礦石自燃影響表現(xiàn)出兩面性，一方面可以促進(jìn)氧化反應(yīng)的正向進(jìn)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(fēng)控制F4、地質(zhì)條件F16和采礦方法F3，屬于中層影響因素,良好的通風(fēng)效果可以極大降低礦石的自燃隱患，但通風(fēng)同時(shí)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(xùn)F19以及安全意識(shí)F2，它們是影響礦井開(kāi)采過(guò)程中礦石自燃的基礎(chǔ)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(kāi)采過(guò)程中的自燃災(zāi)害，必須提高采礦技術(shù)條件，提升工作人員的安全意識(shí)，加強(qiáng)開(kāi)采規(guī)劃和開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)督管理工作，完善安全責(zé)任機(jī)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(guān)系，采用AHP分析法對(duì)硫化礦石自燃的影響因子進(jìn)行量化處理，明確各個(gè)影響因子的權(quán)重. AHP法[13-14]是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家薩蒂(T L Satty)提出的一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法. 運(yùn)用AHP中 的標(biāo)度法(見(jiàn)表2)對(duì)表層直接影響因素進(jìn)行成對(duì)比較，以相對(duì)重要性為參照給出因素間的標(biāo)度值，構(gòu)造出對(duì)應(yīng)的判斷矩陣，并據(jù)此計(jì)算出權(quán)向量，最后將對(duì)所得權(quán)向量進(jìn)行一致性的檢驗(yàn). 由圖1確定出表層直接影響因素指標(biāo)體系，如圖2所示.

圖2 表層直接影響因素的指標(biāo)體系

表2 1～9標(biāo)度法的意義

對(duì)于判斷矩陣一致性檢驗(yàn)通常由來(lái)式(4)判定.

(4)式中參數(shù)CI為層次總排序一致性指標(biāo)，參數(shù)RI平均隨機(jī)一次性指標(biāo)，參數(shù)CR為層次分析法的一致性比例. CI的計(jì)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(dāng)n=18時(shí)，RI值通過(guò)MATLAB數(shù)學(xué)建模程序驗(yàn)算取值1.610 3，二級(jí)指標(biāo)的CR=0.066 8，CI=0.059 4； 三級(jí)指標(biāo)的CR=0.098 6，CI=0.158 7，皆通過(guò)一致性檢驗(yàn). 硫化礦礦石自燃的各級(jí)指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表3.

表3 影響因素的指標(biāo)權(quán)重

從表3可見(jiàn)，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(quán)重達(dá)到了0.569 7，在二級(jí)指標(biāo)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(quán)重為0.052 9. 在三級(jí)指標(biāo)權(quán)重分析中，晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、地質(zhì)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(jié)語(yǔ)

針對(duì)硫化礦石自燃的研究現(xiàn)狀和特點(diǎn)，從人、物、環(huán)境、管理四個(gè)方面分析硫化礦石自燃的影響因素，總結(jié)出18個(gè)要素. 采用ISM對(duì)各自燃影響因素之間的關(guān)系進(jìn)行推理和計(jì)算，得到了ISM的多層遞階模型. 18個(gè)影響因子可以分為6個(gè)層級(jí)，導(dǎo)致礦石自燃的因素既有礦石本身的物理、化學(xué)性質(zhì)，也有人的因素和管理問(wèn)題，但管理培訓(xùn)、安全意識(shí)、安全監(jiān)管才是其深層次原因.

通過(guò)AHP法確定出各級(jí)因素權(quán)重，表明硫化礦石自身特性和環(huán)境因素是誘導(dǎo)其自燃的關(guān)鍵因子，僅硫化礦石自身的影響權(quán)重達(dá)到了0.569 7. 因此，在硫化礦床開(kāi)采前必須對(duì)礦石的自燃傾向性進(jìn)行評(píng)價(jià)，制定相應(yīng)的防火等級(jí)和安全避險(xiǎn)措施，以實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn).

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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304051)； 福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012J05088)； 福州大學(xué)科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目(2013-XQ-18)

10.7631/issn.1000-2243.2015.05.0702

1000-2243(2015)05-0702-06

X923

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