充填管道堵塞风险性的SPA-AHP综合评价

2017-04-13赵丽军

采矿技术 2017年2期

关键词：风险性金矿学报

赵丽军

(甘肃厂坝有色金属有限责任公司厂坝铅锌矿，甘肃陇南市 742504)

充填管道堵塞风险性的SPA-AHP综合评价

赵丽军

(甘肃厂坝有色金属有限责任公司厂坝铅锌矿，甘肃陇南市 742504)

为了预测充填管道堵塞风险性大小，建立充填管道堵塞风险性的评价系统和评价等级标准。基于层次分析法(AHP)，对各评价指标赋予不同的权重，引入集对分析法(SPA)，对充填管道风险性进行定量分析。运用该评价模型对金川龙首矿、贡北金矿、河东金矿、开阳磷矿4个代表性矿山的充填管道输送系统进行验证，贡北金矿、河东金矿充填管道堵塞风险性等级为2级“风险一般”，金川龙首矿、开阳磷矿的风险性等级为3级“风险较大”，评价结果符合矿山实际情况，表明该模型具有较高的评价精度，且合理、科学，可推广至同类矿山应用。

充填系统；管道输送；管道堵塞；评价模型；集对分析

0 引言

随着浅部资源的消耗殆尽，矿山开采向深部迈进的趋势势不可挡，然而深部开采面临的“三高一扰动”问题日益严峻，尤其是高地压的控制，因此为了更好的控制深部的高地压，充填采矿法被金属矿山广泛的使用[1]。充填系统的顺畅运转是充填充填采矿法成功实施的基本保障，而其子系统管道运输系统作为薄弱环节之一经常面临磨损、堵塞、爆裂等失效事故，其中以堵塞事故对充填管道的威胁最大。所以，对充填管道堵塞风险性进行评价，有助于矿山提前采取防范措施，为此，国内外学者提出很多评价模型对其进行评价。王新民等建立了基于未确知理论的充填管道堵塞风险预测模型[2]；张钦礼等利用熵权和模糊数学理论建立了充填管道堵塞风险评价模型[3]。

1989年，赵克勤提出了集对分析(SPA)数学理论。SPA理论主要用于分析系统内确定和不确定性之间的相互作用[4]，尤其是在不确定问题分析方面优点突出。目前，矿山系统安全评价[5]、水文地质情况评估[6￣8]、人工智能操作[9￣10]、自然灾害诱因分类[11]、工程围岩质量分级[12￣13]、边坡稳定性分析[14￣15]和采场顶底板、两帮稳定性评价[16￣17]、可爆性分级[18]等领域都广泛应用了该理论。充填管道堵塞风险性动态分析和评价是一项涉及多指标的研究领域，SPA理论在确定复杂系统内多指标对结果影响的权重方面显得办法不多，缺陷明显。层次分析 (AHP)是一种将系统指标条理层次化并对指标赋予不同权重的数学方法[19￣21]。通过分析，可以将SPA和AHP两种方法相结合建立AHP-SPA综合评价模型，并利用上述模型评价不同矿山充填管道堵塞风险[22]，为矿山提供防范充填堵塞措施等级。

1 SPA-AHP模型

1.1 SPA-AHP原理

SPA理论的核心是把研究对象当作一个确定-不确定系统 (NY系统)。 NY系统是由集合A、集合B组成的集对H(A,B)，而对集对H(A,B)从特性、关系、结构、状态、趋势，以及相互联系模式进行分析并可定量表达NY系统，得到集合A和B的联系度表达式：

(1)

式中：N——集对H(A,B)的所有特性；

S——集合A、B共有的特性；

P——集合A、B对立的特性；

F——集合A、B既不共有也不对立的特性；

i——差异度系数，取值范围为[-1,1]；

j——对立度系数，一般取值-1。

基于SPA理论分析具体问题时，集对的特性多且复杂，难以考虑特性之间的关系及特性导致问题发生的概率大小，即权重。因此，借助AHP确定特性权重是一种合理的简化方式。假设，特性为S的权重为wn(n=1,2,...，s)，特性为F的权重为wm(m=1,2,...，f)，特性为P的权重为wl(l=1,2,...，p)，则考虑特性权重后的联系度表达式为：

(2)

1.2 SPA-AHP步骤

(1) 建立充填管道堵塞指标系统。导致矿山充填管道堵塞的因素很多，根据矿山充填实际和前人研究成果确定了以下主要评价指标：充填料浆体积分数(I1)、充填料浆的密度(I2)、充填管道的绝对粗糙度(I3)、管道内径(I4)、充填倍线(I5)、偏斜率(I6)、料浆流速与临界流速之比(I7)、加权平均粒径(I8)、充填骨料形状(I9)及充填料浆的腐蚀性(I10)。

(2) 利用AHP法确定指标权重。两两比较指标的重要性，建立判断矩阵A=(aij)，即当前指标与相邻上一层指标的重要性判断矩阵，计算判断矩阵A=(aij)的最大特征根λ和特征向量W，计算得到的特征向量W经归一化处理后，可以作为充填管道堵塞指标的权重Wa。

(3) 充填管道堵塞风险性等级标准。结合工程经验类比，根据导致充填管道堵塞指标的含义与作用，建立了以下四类管道堵塞风险性评价等级：1级 (堵塞风险性很小)、2级 (堵塞风险性一般)、3级 (堵塞风险性较大)和4级 (堵塞风险性很大)，具体评价标准见表1。

(4) 基于SPA理论对充填管道堵塞风险性评价。根据式(2),计算充填管道堵塞风险性的联系度μ，μ∈[-1,1]。首先利用“均分原则”确定差异度系数i，假设μ为d元联系数，则将区间[-1,1]划分为d-1等份，其等份点值从左至右记为：J,Id-2，Id-3，...,I1。再根据“均分原则”将区间[-1,1]划分为d等份，从左至右各子区间对应评价等级1,2,...,d，从而μ值位于某个区间，其评价等级即为该区间所对应的评价等级。

2 工程实例评价

以金川龙首矿、贡北金矿、河东金矿、开阳磷矿为充填管道堵塞风险性的评价对象，各矿山导致充填管道堵塞的指标实测数据见表2，建立SPA-AHP综合评价模型，对各矿山充填管道系统的堵塞风险性进行评价。

表1 评价等级标准取值范围

表2 矿山指标实值

2.1 确定指标权重

根据层次分析法原理建立判断矩阵A，如下式所示，以此确定指标权重。

根据A，可得权重向量W1=(0.1500，0.1500，0.0345，0.1500，0.0460，0.0193，0.1500，0.0750，0.0750，0.1500)。经一致性检验公式计算得CR=0.004<0.100，满足检验标准。

2.2 计算联系度

根据指标实值和权重，得金川龙首矿的联系度μ1=0+0.4403i1+0.1845i2+0.375j。根据“均分原则”和μ为四元联系数，区间[-1,1]的等份点值从左至右为：-1，-0.333，0.333，1。确定i2=-0.333，i1=0.333，从而计算出μ1=-0.2898，同理可得贡北金矿、河东金矿、开阳磷矿的联系数分别为μ2=0.1388,μ3=0.1026,μ4=-0.1668。

2.3 评价结果

根据“均分原则”，将区间[-1,1]划分为4等份(-1，-0.5)，(-0.5，0)，(0，0.5)，(0.5,1)，分别对应评价等级的4级“风险很大”、3级“风险较大”、2级“风险一般”、1级“风险很小”，可知μ1∈(-0.5,0)，因此，可知贡北金矿、河东金矿充填管道堵塞风险性等级为2级“风险一般”，金川龙首矿、开阳磷矿充填管道堵塞风险性等级为3级“风险较大”。

3 结论

基于SPA-AHP可以有效进行充填管道堵塞风险性评价，在确定10项导致主要充填管道堵塞因素指标的基础上，建立了充填管道堵塞的评价等级标准，选取充填系统较为成熟的金川龙首矿、贡北金矿、河东金矿、开阳磷矿4个代表性矿山对评价模型进行验证，通过层次分析法确定指标权重，进而基于集对分析理论得到各矿山的评价等级：金川龙首矿、开阳磷矿为3级“风险较大”，贡北金矿、河东金矿为2级“风险一般”，评价结果较为符合矿山实际，从而充填管道堵塞风险性评价提供了一个新的途径。

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