基于模糊综合评价的尾矿库安全评价研究

2015-12-21王醒，马斌，纪琨

水利与建筑工程学报 2015年3期

王醒，马斌，纪琨

（1.金钼股份有限责任公司，河南洛阳471200；2.西安理工大学土木建筑工程学院，陕西西安710048）

尾矿库通常由尾矿坝和库区、排水设施及回水设施等构成，是尾矿系统的主体部分［1］。尾矿库是全国工业安全生产领域的重大危险源之一；与此同时，尾矿库的安全是金属与非金属矿山生产安全、环境友好、资源节约的关键因素。尾矿库安全问题是事关库区下游人民生命财产安全的重要问题，对下游的经济发展以及社会的稳定具有重要的作用。当前，全球范围内统计的尾矿库数量高达二十万个，以我国为例，每年新形成的尾矿高达3×108t，各类矿山历年尾矿堆存量已达127×108t［2］，已建和在建的尾矿库约有12 600多座，堆存各类尾矿约70×108t［3］。由于尾矿库属于具有高势能的人造泥石流危险源，一旦发生安全事故，后果不堪设想。随着经济飞速发展，近十余年来我国发生的尾矿库安全事故呈现逐渐增加的趋势，典型的有2008年山西襄汾县发生的“9.8”特大尾矿库溃坝事故，该事故造成了重大人员伤亡，给当地经济发展造成极其严重的负面影响；2010年6月发生在陕西省丹凤县的尾矿库泄露事件，使得库区内河流水质受到严重污染，相关责任人受到严重处罚；同年9月，受局部大暴雨影响，广东省紫金矿业尾矿库发生溃坝事件，同样造成严重人员伤亡；2014年发生在浙江丽水市矿石废渣尾矿库溃坝安全事件给下游河段的饮用水水质造成影响［4］。虽然安全文明生产与施工得到逐步施行，但近年尾矿库安全事故仍有出现。可见，尾矿库安全问题迫在眉睫。

由于尾矿库的高危性和突发性，日益受到各级部门的重视，相关部门在全国范围开展尾矿库专项整治行动，根据2010年初统计资料显示：全国范围内存在安全问题的尾矿库已由2009年初降低近一半，一般隐患的排查率和整改率接近100%，重大安全隐患的排查率和整改率相对较低，可见，尾矿库安全隐患的排查和整改仍存在一些问题［4］。尾矿库坝体稳定性、事故原因等各方面的研究日益受到关注，例如，杨丽红等［5］通过建立尾矿库危险性评价指标体系，采用模糊综合评价方法对尾矿库安全进行评价，并通过实际工程案例的研究验证评价方法的适用性和科学性；丁军明等［6］对尾矿库危险源及安全评价导则建议方案进行研究，对尾矿库库容和堆积坝的筑坝工艺进行分析，并通过实例校验，采用事故树、安全评价单元划分编制出“尾矿库安全评价导则”建议方案；吕庭刚等［7］综合评价了尾矿库安全现状，将尾矿库划分为5个评价单元，并确定了危险性预先分析法（PHA）、事故树分析法（TFA）、安全检查表法（SCL）和现场检查法等4种评价方法。本文综合多种评价方法建立了尾矿库安全评价模型，并结合陕西金堆城汝阳泉水沟尾矿库工程对模型进行应用，具有重要的实际意义和应用推广价值，可为相关部门实施尾矿库安全生产管理提供借鉴和指导。

1 基于模糊综合的尾矿库安全评价模型

首先对尾矿库安全影响因素进行辨识，在此基础上建立了尾矿库安全性指标体系，采用层次分析和BP神经网络的组合评价方法确定安全性指标体系的权重，最后通过改进的模糊综合评价模型对尾矿库进行评价。

1.1 安全性指标体系建立

要对尾矿库进行安全评价，指标的确定尤为关键，参考现在关于尾矿库危险源的研究成果［8］，论文中安全性指标的选择根据尾矿库灾害性事故的危险因素集合确定范围，结合安全检查表法划分的尾矿库评价单元，论文将尾矿库划分为：堆存系统、排洪回水系统、水力输送系统、管理运行系统。通过对尾矿库危险源分析，以及作者对大量尾矿库事故及安全性的相关资料学习，并结合尾矿库专家意见确定尾矿系统的安全性初始指标。

在此基础上，采用SPSS数据统计分析软件中相关分析功能，对所有初始指标进行相关分析，应用非参数统计量Kendall的Tau-b或Spearman度量秩之间的相关性来度量两个变量之间联系的强弱［9］。通过剔除相关性较大的指标，并结合专家意见，最终确定尾矿库15个安全性指标，其中定量指标8个（设计地震烈度，防洪标准，堆积密度，堆积坝高，尾矿平均粒度，堆积平均坡比，浸润线高度，摊顶标高与库水位高差），坝体质量等定性指标7个，详见表1。

最终确立各项指标的解释与说明如下［4］：

（1）堆存系统。① 设计地震烈度：即地震设防烈度。抗震设防烈度为小于8度地区尾矿库宜采用上游式筑坝，8度～9度地区宜采用下游式或中线式筑坝。② 防洪标准：对水工建筑物自身要求防洪安全所达到的防御能力。按照尾矿库等别分为初期和中后期进行划分，初期指尾矿库启用后的头3a～5 a。③堆积密度：尾矿坝上尾矿砂或者尾矿废渣单位体积的重量。④ 堆积坝高：主要指尾矿库堆积矿渣的高度。⑤ 尾矿平均粒径：常用平均粒径来表示。⑥ 堆积平均坡比：对于筑坝方式为上游式的尾矿坝来说，堆积平均坡比为堆积坝下游坡比的平局值。⑦ 浸润线高度：通常指尾矿库内部积水以及渗流所形成的水面线，浸润线的高度对于尾矿库的安全具有至关重要的作用。⑧ 坝顶标高与库水位高差：表示为尾矿库坝顶高程与尾矿库积水区域库水位的差值。⑨ 坝体质量：由于施工或设计方面的原因使坝体产生裂缝、滑坡、沉陷等质量问题。

（2）排洪回水系统。排洪设施完好程度反映运行期排洪设施除设计功能外，能够正常发挥排洪功能的程度。分为设施严重损坏0～0.24；设施部分损坏0.25～0.49；设施一般耗损0.50～0.74；设施运行良好0.75～1.00。

（3）水力输送系统。输送设施完好程度，即尾矿输送管道、浓缩设备、输送系统泵站的功能正常发挥的程度。分为设施严重损坏0～0.24；设施部分损坏0.25～0.49；设施一般耗损0.50～0.74；设施运行良好0.75～1.00。

（4）管理运行系统。① 日常管理权重系数：该系数主要用于表征尾矿库企业在实际管理过程中的管理质量及管理效果等，这与尾矿库的安全直接相关，通常日常管理权重系数越高表示该尾矿库企业管理水平越好，反之，该系数数值越低表示该尾矿库企业管理水平越差，文中将该权重系数划分为：管理严重混乱0～0.24；管理较为混乱0.25～0.49；管理基本合格0.50～0.74；日常管理良好0.75～1.00。②教育培训权重系数：针对矿山企业的管理人员及技术人员进行安全教育培训的完备性。分为无教育培训制度0～0.24；教育培训制度混乱0.25～0.49；教育培训基本落实0.50～0.74；教育培训良好0.75～1.00。③监测设施完好系数：即尾矿库安全监测设施的全面性、可用性以及发挥功用性，文中将其分为：无监测设施0～0.24；监测设施不齐全0.25～0.49；监测设施基本正常0.50～0.74；监测设施完备0.75～1.00。④ 事故应急权重系数：该系数主要用于衡量一旦发生尾矿库安全事件之后，相关部门及企业针对事件的应急响应能力与应对水平，该系数越高表示尾矿库安全事件应急响应能力越快，应对水平越高，本文将其划分为4个层次：无应急救援预案0～0.24；应急管理不完备0.25～0.49；应急管理基本合格0.50～0.74；应急管理完备0.75～1.00。

表1 尾矿库安全性指标

1.2 安全性指标权重确定

权重是以某种数量形式对比、权衡被评价事物总体中诸因素相对重要程度的量值，不同的权重系数，会导致截然不同的甚至相反的评价结论［10］。目前，权重确定方法可分为主观赋权法和客观赋权法两大类，前者是采用专家咨询的经验判断法得到计算权重的初始数据，后者通过计算各指标在被评价单位中的实际数据得到［11］，论文中采用层次分析法和BP神经网络相结合的方法确定尾矿库安全指标的权重。

（1）层次分析法

层次分析方法（AHP）实现了传统定性分析和定量分析的有机融合，在研究复杂问题和考虑诸多影响因素问题中具有优势［12］，该方法先对研究问题进行目标分析，确定其影响因素，通过比对不同影响因素对最终目标的影响得出影响因素的重要程序，结合各个影响因素之间具有的内在关联最终给出不同因素影响目标的重要程度排序。

① 建立安全指标体系的层次结构

针对尾矿库安全问题，结合上述建立的尾矿库安全性指标体系，建立目标层、若干准则层和方案层的三层结构体系［13］。针对尾矿库安全性评价的需要，建立的层次结构为：目标层、准则层、方案层，如图1所示。

图1 尾矿库安全指标体系

② 构造安全评价指标的判断矩阵

对各影响因素的定量分析是开展AHP的基础，将传统的定性描述定量化，采用定量的标度确定不同影响因素的重要程序，标度用数值来表示（见表2中判断矩阵标度及其含义），并用判断矩阵表示。

表2 判断矩阵标度及其含义

③ 安全评价指标的重要性排序（最大特征根对应特征向量的计算）

根据所得判断矩阵，采用方根法计算，判断矩阵最大特征根的特征向量经标准化处理之后便可得到尾矿库安全评价指标的排序。计算得出判断矩阵最大特征根所对应的特征向量w：w=（w1，w2，…wn）T，表3所示为准则层B3各指标权重排序即w=（0.4865，0.1009，0.2736，0.1390）。

表3 准则层B3各指标权重值

本文采用了 MCE（Modern Comprehensive E-valuation）现代综合评价软件包中的AHP（层次分析法）程序块进行权重计算及一致性检验。

④ 评价指标判断矩阵的一致性检验

计算得到尾矿库安全评价指标的判断矩阵之后需要对判断矩阵一致性进行检验，先计算λmax标和一致性指标Ci，Ci值的大小表征判断矩阵一致性的好坏，值越大表示一致性越差，反之，值越小则一致性越好。

（2）人工神经网络ANN

论文中才采用Matlab7.0软件的神经网络工具箱进行BP神经网络编程，采用改进BP算法的函数。传递函数：‘logsig’，‘purelin’。训练函数：‘trainbfg’。学习函数：‘learnsomb’，选用的隐含层节点数为25个［4］。

1.3 改进的模糊综合评价模型

由于尾矿系统本身的复杂性，为了尽量得到更为合理、科学的评价结果，本论文采用了以模糊综合评价为基础，结合AHP层次分析法及BP神经网络指标权重分析的组合评价思想对其安全性进行评价。其步骤如下［14］：

① 将指标集进行分组；② 根据实际情况建立评语集；③ 构造单因素评判矩阵；④ 确定各个指标的权重向量；⑤ 两层综合评断；⑥ 得出最终评价结果。

2 应用实例

将建立的尾矿库安全评价模型应用到陕西金堆城汝阳泉水沟尾矿库工程安全评价中，验证上文中建立的尾矿库安全评价指标体系及模拟综合评价模型的可行性。

2.1 研究区概况

泉水沟尾矿库工程是金堆城钼业汝阳有限责任公司万吨钼矿选矿的附属项目，该尾矿库初期坝为84m，最大坝高为214m，库容为7252×104m3，依据《尾矿设施设计规范》［15］（GB50863—2013），应为二等库，其洪水标准初期坝以百年一遇设计，中后期以1 000a一遇设计。该工程地处秦岭山脉东段中低山侵蚀谷地，高程介于636.4m～805.7m之间，地形起伏较大，尾矿库库区内沟谷呈“V”字型，区内岩层由于受构造应力的多次作用，节理裂隙发育，节理成组，多呈微张，宽度一般为1m～4m，宽大节理一般宽20m～100m，最宽可达330m，贯通性良好，部分节理被风化碎屑和黏性土充填。

尾矿库库区水文地质较简单，勘探深度内均遇见地下水，属潜水，由地表径流补充，工程地质条件，建设场地为硬场地，无影响稳定性的不良地质作用，适宜建设尾矿库。坝体周边的强风化安山岩完整性程度属破碎岩体，岩体基本质量等级为Ⅳ级；中风化安山岩，岩体完整性程度属较破碎岩体，岩体基本质量等级为Ⅲ级。依据泉水沟尾矿库岩土工程初勘报告，坝址及库区有11条非活动性正断层，但所有断层均末进入地表第四系坡洪积碎石土，场地坝肩北侧有一处小规模滑塌，但不严重。从地层看，建设场地上部主要为第四系坡、洪积土，覆盖层不厚，下部为上元古界安山岩，岩石强度高，为非软化岩，可见该尾矿库存在安全隐患，因此本文重点对其安全进行研究［4］。

2.2 结果与分析

根据论文建立的尾矿系统安全性指标体系，采用模糊多层综合评断为基础，层次分析与神经网络综合赋权的组合评价方法对上述尾矿库进行安全性评价。

（1）指标体系的划分

将建立的指标集分为3组：

（2）建立评语集

上述建立的评语集采用量化的形式表现出等级区分，采用百分制形式表述。本文根据《尾矿库安全技术规程》［16］（AQ2006-2005）采用的定性标度是“正常库”“病库”“险库”“危库”，论文中量化区间参照已有量化区间值及专家建议得到［5］，陕西金堆城汝阳泉水沟尾矿库工程的安全级别量化情况如表4所示。

（3）构造单因素评判矩阵

表4 尾矿库安全级别量化表

论文建立的尾矿系统安全性指标共15个，其中8个定量指标，7个定性指标。根据工程实例资料中尾矿系统运行的安全检查表打分结果，得出各个指标相对于评语集的隶属度，构造出评判矩阵。由于本文应用的是多层模糊评价，故下一层的评判矩阵是由上一层各个系统的评判结果构成的。

（4）确定各个指标的权重向量

采用上述AHP和BP相结合的组合评价法，计算各指标的权重，通过计算可得泉水沟尾矿库各项安全性指标权重如表5。

表5 尾矿库安全性指标权重

（5）两层综合评断

根据尾矿系统安全性指标的划分，分为一级综合评判和二级综合评判，一级综合评判结果构成了二级综合评判的总单因素评判矩阵。将各个指标权重与单因素评判矩阵进行合成运算，算子为改进后的加权平均型模型，得出综合评判。

①一级综合评判。采用模糊综合评价软件计算评判矩阵，在此基础上得出评判结果为

② 二级综合评判。同上可计算达到二级综合评判结果为

（6）得出最终评价结果

根据二级模糊综合评判结果和尾矿库安全级别量化值，得出最终评价结果。计算得出汝阳泉水沟尾矿库系统的安全评分为85.69，属于正常库。通过对汝阳泉水沟尾矿库的现场调研，在对该尾矿库安全运行中危险、有害因素识别分析的基础上，依据国家相关法律、法规和技术标准要求，进行了安全现状定性、定量化评价，认为该尾矿库安全运行方面已达到国家有关法规、标准、规范的要求，具备安全运行条件的要求。

3 结语

针对当前尾矿库存在的潜在安全问题以及频发的尾矿库事故，本文综合采用包括BP神经网络、层次分析AHP法和模糊综合评价多种评价方法建立了尾矿库安全评价模型。通过对尾矿库安全影响因素的识别，尾矿库安全指标体系的建立，不同安全性指标权重的计算以及改进的模糊综合评价模型等步骤最终对尾矿库安全模型进行求解。通过陕西省金堆城汝阳泉水沟尾矿库工程安全评价应用实例对论文中建立的基于模糊综合评价方法的尾矿库安全评价模型进行验证，结果表明：该模型可对尾矿库进行定量的安全评价，可为尾矿库安全提供参考，在同类工程中具有重要的应用推广价值。

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