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      基于優(yōu)勢關(guān)系粗糙集與灰靶決策的礦石自燃管理應(yīng)對體系

      2014-11-30 05:00:38羅凱吳超陽富強(qiáng)
      關(guān)鍵詞:含硫量化劑約簡

      羅凱 ,吳超,陽富強(qiáng)

      (1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,湖南 長沙,410083;2. 江西理工大學(xué) 建筑與測繪學(xué)院,江西 贛州,341000;3. 福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,福建 福州,350108)

      礦石自燃是礦山災(zāi)害中比較常見的一種,硫化礦石自燃過程中的氧化會腐蝕井下各種設(shè)備和材料,礦石自燃所產(chǎn)生的高溫和有毒有害氣體會惡化井下和地表環(huán)境,影響工人的健康和生命安全,降低工人的勞動生產(chǎn)率,嚴(yán)重時還會引起炸藥自爆,對礦山安全生產(chǎn)造成極大威脅,而且礦石自燃會使部分礦石燒毀,給礦山造成巨大的資源損失和經(jīng)濟(jì)損失。近年來,國外的捷克利鉛鋅礦、烏拉爾銅礦以及我國國內(nèi)的武山銅礦、新橋硫鐵礦等礦山都發(fā)生礦石自燃事故,這些事故都給礦山造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1?2]。如果能夠?qū)ΦV石自燃影響因素進(jìn)行科學(xué)分析,對礦山礦石自燃時間進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測,不僅可以做到提早防范,同時也對指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)及提高礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。但是,由于礦石自燃的影響因素繁多復(fù)雜,且迄今沒有學(xué)者或理論明確闡明這些影響因素之間的相互關(guān)系和對礦石自燃的量化影響程度。傳統(tǒng)的以確定性理論或經(jīng)驗(yàn)分析為主的硫化礦石自燃分析方法并沒有科學(xué)精準(zhǔn)的判斷依據(jù),從而造成了礦石自燃規(guī)律分析結(jié)果的偏差,同時,對礦山自燃的應(yīng)對方案也多以主觀臆斷或相關(guān)人員主觀決策為主,缺乏決策的理論依據(jù),無法保證礦石自燃應(yīng)對方案的有效性及合理性。而基于優(yōu)勢關(guān)系粗糙集理論與灰靶決策理論則可以很好地處理這種情況。基于優(yōu)勢關(guān)系的粗糙集理論[3?5]是在傳統(tǒng)粗糙集理論[6?8]的基礎(chǔ)上,用優(yōu)勢關(guān)系來代替不可分辨關(guān)系的粗糙集理論,它不僅綜合全面地考慮了礦石自燃時的影響因素,而且對影響因素中的偏好信息也加以考慮,考慮更加細(xì)致、全面。而且在粗糙集進(jìn)行礦石自燃規(guī)律分析時進(jìn)行了屬性約簡,簡化了進(jìn)行礦石自燃判定時所考慮的因素,同時,優(yōu)勢關(guān)系粗糙集理論所產(chǎn)生的規(guī)則集為最少偏好規(guī)則集,相對于傳統(tǒng)的基于不可分辨關(guān)系的粗糙集理論所產(chǎn)生的規(guī)則集,能夠處理如礦石自燃規(guī)律這類偏好多屬性決策系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的不相容性,其覆蓋程度更加廣泛,生成規(guī)則也更加準(zhǔn)確,建立的偏好模型也更接近決策問題的自然推理過程。而灰靶決策[9?13]可以在沒有標(biāo)準(zhǔn)模式的條件下,對各指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一變換,得到歐氏幾何空間里的一個最優(yōu)決策點(diǎn)即靶心,然后,將灰靶中各決策點(diǎn)與靶心的距離進(jìn)行比較,離靶心距離最近的決策點(diǎn)即為最優(yōu)方案。在進(jìn)行礦石自燃應(yīng)對方案選擇時,可以利用灰靶決策理論得到一個礦石自燃應(yīng)對理論最優(yōu)方案,然后,通過比較各方案與理論最優(yōu)方案的距離,得到實(shí)際最優(yōu)方案。由于灰靶決策過程的理論化,因此,相對于傳統(tǒng)的對礦石自燃應(yīng)對方案進(jìn)行定性比較或主觀決斷,其科學(xué)性和可靠性都大大提高。

      1 系統(tǒng)模型的建立

      1.1 礦石自燃影響因素

      造成礦石氧化自燃的因素是多方面的,但歸納起來有3個必要條件:熱量集聚、初始燃燒物以及氧的供給。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果及國內(nèi)外礦山多年的生產(chǎn)實(shí)踐,聯(lián)系到礦山的具體實(shí)際,本文綜合選取對礦石自燃影響較大的礦石含硫量、礦堆溫度、礦石堆放時間以礦石及含碳量作為礦石自燃影響因素進(jìn)行分析。

      (1) 礦石含硫量。根據(jù)礦山生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),含硫量越高,礦石越有可能自燃。礦石硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%~20%時就有發(fā)火的可能,在 40%~50%時,發(fā)火危險性最大。

      (2) 礦堆溫度。在其他條件相同的情況下,礦石溫度升高一倍,氧化反應(yīng)速度亦成倍增加,從而加劇硫化礦石氧化自熱,最終引起礦石自燃。

      (3) 礦石堆放時間。堆放時間越長,硫化礦石氧化所散發(fā)的熱量越多,越容易引起硫化礦石的自燃。

      (4) 礦石含碳量。根據(jù)一些礦山開采實(shí)踐,硫化礦石自燃與含碳量存在密切關(guān)系。含碳量越高,自燃可能性也就越高。

      圖1 礦石自燃主要成因Fig. 1 Major causes to ores spontaneous combustion

      1.2 評價決策表的建立

      利用礦山的礦堆作為樣本對象U,對各礦堆的礦石含硫量,礦堆溫度,礦石含碳量、礦石堆放時間以及礦堆最終發(fā)生自燃與否等相關(guān)情況進(jìn)行統(tǒng)計,以礦石含硫量、礦堆溫度、礦石含碳量以及礦石堆放時間作為條件屬性C,以礦堆最終發(fā)生自燃與否作為決策屬性D,建立礦石自燃規(guī)律分析的評價決策表,得到礦山礦石自燃規(guī)律分析的知識系統(tǒng)S=(U,A,V,f)。其中V為Va的并集,Va為屬性a的值域。

      1.3 數(shù)據(jù)離散

      數(shù)據(jù)離散化處理的方法很多,常用于粗糙集理論計算的數(shù)據(jù)離散化方法有專家離散法、等寬度區(qū)間法、等頻率區(qū)間法、最小類熵法以及Chimerge法等。這些數(shù)據(jù)離散的方法各有其適用的領(lǐng)域,根據(jù)礦石自燃規(guī)律分析評價決策表中的數(shù)據(jù)特征,最適合礦石自燃規(guī)律分析決策的數(shù)據(jù)離散方法為等寬度區(qū)間法,將各條件屬性的最小值和最大值間的屬性值劃分為N個相等大小的區(qū)間,即

      其中:W為區(qū)間寬度;H為屬性的最大值;L為屬性的最小值。

      對礦石自燃規(guī)律分析的評價決策表中的條件屬性進(jìn)行離散化處理,對礦石含硫量、礦堆溫度以及礦石含碳量按高、中、低分為3個級別,對礦石堆放時間分為長、中、短3個級別。對于評價決策表中的決策屬性,按自燃,嚴(yán)重氧化與輕微氧化分為3個級別。根據(jù)條件屬性與決策屬性的分類級別,對巷道支護(hù)方案過程評價決策表進(jìn)行數(shù)據(jù)離散,生成礦石自燃規(guī)律的偏好決策表。

      1.4 約簡的搜尋

      對于偏好決策表中的條件屬性和決策屬性,這些屬性包含偏好信息,即對礦石自燃而言,礦石含硫量、礦堆溫度以及礦石含碳量越高越易自燃;對礦石堆放時間而言,礦石堆放時間越長越易自燃。按照決策屬性,綜合評價可分為3個偏好順序類:Cl1={輕微氧化},Cl2={嚴(yán)重氧化},Cl3={自燃}。根據(jù)偏好決策類對論域進(jìn)行劃分,可得如下決策類的并集:

      應(yīng)用適當(dāng)?shù)募s簡算法,可搜尋到一定數(shù)量的約簡,將包含條件屬性最少且屬性出現(xiàn)頻率最多的約簡視為最滿意的約簡,在對礦石自燃規(guī)律進(jìn)行分析時,就可以直接利用這些條件屬性來進(jìn)行分析和規(guī)則生成,而忽略其他影響因素,簡化規(guī)律分析的復(fù)雜性。

      1.5 偏好規(guī)則的生成

      根據(jù)選定的約簡屬性生成礦石自燃規(guī)律的最少偏好決策規(guī)則集D≥與D≤。

      至少決策規(guī)則D≥如下:

      D≤決策規(guī)則如下:

      1.6 對策擬定

      由于對礦石自燃進(jìn)行防范時,需要謹(jǐn)慎應(yīng)對,對于礦石嚴(yán)重氧化情況也要加強(qiáng)防范,防止其在某些條件下轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀?。因此采用D≥偏好決策規(guī)則集進(jìn)行對策擬定,對于判定礦石自燃的規(guī)則、判定礦石至少自燃的規(guī)則以及判定礦石不自燃的規(guī)則,采取相應(yīng)的對策進(jìn)行分級應(yīng)對。

      1.7 灰靶方案分析

      對于礦石自燃規(guī)律擬定分級應(yīng)對決策時,有時候也有若干執(zhí)行方案可供選擇,對于這些執(zhí)行方案,可以利用灰靶決策理論進(jìn)行優(yōu)化選擇。

      對于決策的若干應(yīng)對方案,可將評價各方案優(yōu)劣的經(jīng)濟(jì)型、科學(xué)性、效能等各個指標(biāo)通過二級比例轉(zhuǎn)化等方法轉(zhuǎn)化為局勢sij在k指標(biāo)下的具體效果值(k=1, 2, …,s),得到各個方案在局勢sij的效果向量:

      其中:Ss為s維超平面區(qū)域的決策灰靶:

      決策灰靶一般情況下都為球形灰靶,球形灰靶的一般模型為

      靶心距Dsi反映了方案ri與理論最優(yōu)方案r0的偏離程度。對于實(shí)際最優(yōu)方案,其靶心距Ds*滿足條件:

      在特殊情況下,實(shí)際最優(yōu)方案等同于理論最優(yōu)方案,在一般情況下,實(shí)際最優(yōu)方案總是不如理論最優(yōu)方案。灰靶決策理論示意圖如圖2所示。系統(tǒng)建模流程圖如圖3所示。

      圖2 灰靶決策模型Fig. 2 Grey target decision model

      圖3 系統(tǒng)建模流程Fig. 3 System modeling process

      2 實(shí)例分析

      2.1 礦石基本情況

      某主產(chǎn)礦石類型為磁黃鐵礦的鐵礦山,由于礦石含硫量較高,在堆放礦石過程中經(jīng)常發(fā)生礦石自燃,造成大量礦石損失,同時也給礦山安全生產(chǎn)帶來了重大安全隱患,因此,礦山擬采用科學(xué)方法對礦石自燃現(xiàn)象進(jìn)行分析預(yù)測,以提前應(yīng)對,減少資源損失與經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)礦山多年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),該礦山礦石硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12.47%~42.31%之間變化,礦堆溫度(此處為礦堆表面平均溫度)在 1.4~37.4 ℃之間變化,礦堆從開始堆放到最終運(yùn)走一般要經(jīng)過的時間為 22~57 d,該礦山的礦石碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為4.92%~15.63%。選取的進(jìn)行礦石自燃規(guī)律分析預(yù)測的樣本礦堆的基本情況統(tǒng)計如表1所示。

      表1 樣品礦堆礦石自燃情況統(tǒng)計Table 1 Statistics of ores spontaneous combustion to sample ore heap

      由表1可知:將礦石含硫量、礦堆表面溫度、礦石堆放時間以及礦石含碳量分別作為礦石自燃規(guī)律分析知識系統(tǒng)S的條件屬性C1,C2,C3和C4,將各樣本礦堆的礦石自燃情況作為決策屬性D,表1即變?yōu)榈V石自燃規(guī)律分析的評價決策表。

      2.2 數(shù)據(jù)離散

      以等距離離散化方法對礦石自燃規(guī)律分析評價決策表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理,對礦石含硫量,將礦石含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為[12.47%,22.42%)評定為“低”,將礦石含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為[22.42%,32.36 %)評定為“中”,將礦石含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為[32.36%,42.31%]評定為“高”;對礦堆表面溫度,將礦堆表面溫度為[1.4 ℃,13.4 ℃)評定為“低”,將礦堆表面溫度為[13.4 ℃,25.4 ℃)評定為“中”,將礦堆表面溫度為[25.4 ℃,37.4 ℃]評定為“高”;對礦石堆放時間,將礦石堆放時間為[22 d,34 d)評定為“短”,將礦石堆放時間為[34 d,45 d)評定為“中”,將礦石堆放時間為[45 d,57 d]評定為“長”;對礦石含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù),將礦石含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為[4.92%,8.49%)評定為“低”,將礦石含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為[8.49%,12.06%)評定為“中”,將礦石含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為[12.06%,15.63%]評定為“高”。據(jù)此,得到礦石自燃規(guī)律分析的偏好評價決策表如表2所示。

      2.3 屬性約簡

      為簡化礦石自燃規(guī)律分析決策過程,現(xiàn)利用遺傳算法對《礦石自燃規(guī)律分析的偏好決策規(guī)則表》進(jìn)行屬性約簡搜尋,得到唯一的最優(yōu)約簡為:{礦石含硫量C1,礦石堆放時間C3,礦石含碳量C4}。該約簡條件屬性長度,決策規(guī)則支持率為 100%,即利用該約簡即可對礦石自燃規(guī)律進(jìn)行全面的規(guī)則分析。

      2.4 生成偏好決策規(guī)則集

      根據(jù)約簡后的屬性,對于礦石自燃規(guī)律分析的條件屬性而言,礦石含硫量與礦石含碳量越高礦石越易自燃,礦石堆放時間越長越容易自燃。對應(yīng)于決策屬性的 3個偏好順序類:Cl1={輕微氧化},Cl2={嚴(yán)重氧化},Cl3={自燃}。根據(jù)偏好決策類對論域進(jìn)行劃分,可得如下決策類的并集:

      根據(jù)最優(yōu)約簡屬性{礦石含硫量C1,礦石堆放時間C3,礦石含碳量C4},生成最少偏好決策規(guī)則集D≥與D≤如表3和表4所示。

      表2 礦石自燃規(guī)律的偏好決策規(guī)則表Table 2 Preference decision-making table of laws to ores spontaneous combustion

      根據(jù)約簡后生成的偏好規(guī)則,34個樣本礦堆全部被正確分類,分類質(zhì)量為 100%,分類精度極高。而根據(jù)傳統(tǒng)的不可分辨關(guān)系粗糙集生成規(guī)則,其規(guī)則數(shù)有14條,規(guī)則最大支持?jǐn)?shù)為8,有7條規(guī)則,其支持?jǐn)?shù)為 1。由此可見:基于優(yōu)勢關(guān)系粗糙集相對于傳統(tǒng)粗糙集理論,在分析礦石自燃規(guī)律時,不僅降低了規(guī)則的復(fù)雜性,也提高了規(guī)則的可靠性。

      表3 D≥概率決策規(guī)則集Table 3 D≥ probability decision rules

      表4 D≤概率決策規(guī)則集Table 4 D≤ probability decision rules

      2.5 對策擬定

      考慮到礦石自燃對于礦山生產(chǎn)的巨大負(fù)面影響,礦山?jīng)Q策層擬采用保守的態(tài)度應(yīng)對礦石自燃現(xiàn)象,不僅對礦石自燃狀況判定為自燃的礦堆進(jìn)行嚴(yán)格應(yīng)對,同時對礦石自燃狀況判定為至少嚴(yán)重氧化的礦堆進(jìn)行嚴(yán)格應(yīng)對,防止礦堆礦石在嚴(yán)重氧化時因?yàn)槟承┡既灰蛩囟l(fā)自燃,給礦山造成資源損失和安全事故。鑒于此種考慮,礦山?jīng)Q策層采用“至少”決策規(guī)則集進(jìn)行礦石自燃分級對策擬定。

      對于礦堆礦石最終判定為自燃的情況,即礦石含硫量高、礦石堆放時間長、礦石含碳量中的礦堆,礦石含硫量高、礦石堆放時間中、礦石含碳量高的礦堆,礦石含硫量中、礦石堆放時間長、礦石含碳量高的礦堆,采用專用的阻化劑進(jìn)行防火;對于礦堆礦石最終判定為至少嚴(yán)重氧化的情況,即礦石含硫量至少為中、礦石堆放時間至少為中、礦石含碳量至少為低的礦堆,礦石含硫量至少為高、礦石堆放時間至少為短、礦石含碳量至少為低的礦堆,礦石含硫量至少為低、礦石堆放時間至少為長、礦石含碳量至少為高的礦堆,采用通風(fēng)、灑水降溫等物理方式進(jìn)行應(yīng)對,對于礦石輕微氧化的礦堆,考慮其自燃可能性極低,暫不采取措施進(jìn)行應(yīng)對。

      2.6 灰靶決策方案選擇

      對于礦石自燃情況分析為自燃的礦堆采用阻化劑進(jìn)行自燃預(yù)防,阻化劑是能夠抑制或延緩硫化礦石自燃氧化的化學(xué)藥劑,用于進(jìn)行礦石自燃防止的阻化劑應(yīng)具備性能高、成本低、負(fù)面影響小、流動性差、作用時間長、原料來源廣以及制作方便等特點(diǎn)[14?17]。針對市面上眾多的阻化劑產(chǎn)品,礦山初步選定了5種阻化劑作為礦山防止礦石自燃備用阻化劑,為了進(jìn)一步科學(xué)選定阻化劑產(chǎn)品,采用灰靶決策對各阻化劑進(jìn)行綜合分析。各阻化劑基本情況如表5所示。

      將性能、成本、副作用、流動性、作用時間、制作過程按對阻化劑綜合效能從差到好的影響分為 3級,原料來源按較為廣泛與廣泛分為1和2兩級。阻化劑各性能指標(biāo)分級如表6所示。

      根據(jù)阻化劑性能指標(biāo)分級表,得到各項(xiàng)性能均為最佳的理想阻化劑,其各項(xiàng)指標(biāo)向量為r0=[3,3,3,3,3,2,3]。各阻化劑的指標(biāo)向量為rA=[2,1,1,3,3,2,2],rB=[3,1,2,2,1,2,1],rC=[2,3,2,3,2,1,2],rD=[1,2,3,1,2,1,3],rE=[3,2,2,2,3,2,3]。根據(jù)式(7)得到各阻化劑與理想阻化劑之間的距離為:

      表5 阻化劑基本情況表Table 5 Basic information of inhibitors

      表6 阻化劑性能指標(biāo)分級表Table 6 Performance index classification table of inhibitors

      DA=3.16;DB=3.74;DC=2.24;DD=3.32;DE=1.73

      由于DE<DC<DA<DD<DB,因此,阻化劑E為實(shí)際最優(yōu)阻化劑。礦山采用阻化劑E進(jìn)行礦石自燃防治。

      2.7 結(jié)果分析

      根據(jù)“至少”決策規(guī)則集擬定的礦石自燃規(guī)律分析以及灰靶決策進(jìn)行阻化劑的選擇后,礦山礦石自燃事故比往年減少了70%,每年而給礦山挽回的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)千萬,因礦石自燃而造成的人員傷亡也大為降低,礦山生產(chǎn)也極少因礦石自燃而受到影響,收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益和綜合效益。

      3 結(jié)論

      (1) 利用基于優(yōu)勢關(guān)系的粗糙集對礦石自燃規(guī)律進(jìn)行了決策分析,對于礦石自燃規(guī)律分析這種帶有偏好信息的情況,基于優(yōu)勢關(guān)系粗糙集理論在進(jìn)行分析時,將偏好信息對于知識系統(tǒng)的影響進(jìn)行充分考慮,不僅更加貼近于客觀實(shí)際,同時簡化了規(guī)律分析時的復(fù)雜性,增加了生成規(guī)律的可靠性,相對于傳統(tǒng)粗糙集理論更加合理科學(xué)。

      (2) 利用灰靶決策理論進(jìn)行阻燃劑選擇時,利用各阻燃劑自身所提供的信息構(gòu)建出理論最佳阻化劑,通過靶心距的比較確定實(shí)際最優(yōu)阻化劑。該決策方法利用各備選阻化劑自身信息進(jìn)行優(yōu)選,無需借助外部信息,方法科學(xué)、簡便。

      (3) 基于優(yōu)勢關(guān)系粗糙集理論與灰靶決策的理論體系,可以很好地分析帶偏好信息的知識系統(tǒng)分析,同時也可以科學(xué)地選擇方案,值得在相關(guān)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

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