基于FSE-ANP的普朗铜矿自然崩落法采矿工艺风险评估*

郭林宁 侯克鹏 冯兴隆 刘华武 周宗红

(1.昆明理工大学云南省中-德蓝色矿山与特殊地下空间开发利用重点实验室 昆明 650000；2.云南迪庆有色金属有限责任公司 云南香格里拉 674400)

0 引言

普朗铜矿首采区运用自然崩落法进行开采。自然崩落法与传统崩落采矿法最大的不同是其在完成简单的拉底或切割工程后，主要依靠构造对矿体的切割，矿岩在重力作用下实现自主垮落，基本不需要凿岩爆破，是一种高效率、低成本、易实现大规模开采的采矿方法[1]。自然崩落法是一种技术含量很高的采矿方法，因为其一旦开始实施，将极难变更开采方案[2]，其在国内矿山应用成功的案例屈指可数，对普朗铜矿来说是一种新的采矿方法[3]。因此本文对普朗铜矿开采工艺环节进行风险评估。

国内学者基于矿山风险评价的复杂性，对矿山的不同方面进行风险评估。如田森等[4]利用灰色区间关联聚类理论构建模型对矿山的安全绩效进行聚类分析与评价。尹土兵等[5]应用层次分析法模糊综合评价确定矿山安全状况等级。薛振林等[6]运用层次分析法分析某矿山运输提升运行限制因素。张万红等[7]利用确定型和不确定型层次分析法构建和谐矿区评价指标体系。龚剑等[8]通过AHP法客观确定各评判指标的权重向量，进而结合TOPSIS法分析贴近度并计算得出岩爆预测等级。李东等[9]首次将BP神经网络与SVM算法引入到矿山环境评价中。李孜军等[10]提出了基于AGA-BP神经网络算法评价采空区危险性。

1 风险因素辨识

通过查阅相关文献以及实地调查，针对普朗铜矿自然崩落法开采工艺环节归纳出6种风险类型，分别为：拉底、底部结构、出矿、放矿、通风、运输。 在拉底过程中，可能由于拉底方式、拉底推进速度、拉底高度、拉底形状、拉底巷道的施工与支护方面的问题影响矿山生产；对于底部结构，一旦其失稳，将会影响整个矿山的正常运营；出矿过程中，可能面临出矿水平布置方式、崩落块度、崩落速度、出矿层施工与支护方面的问题； 放矿过程中，可能由于管理不当或放矿速率控制不当导致出矿效率低下，出现悬顶、堵塞等灾害，甚至爆破事故；通风过程中，可能会出现通风系统设计不当、通风设备选取不合理以及除尘措施不到位等情况导致矿山通风效果差；运输过程中，可能会出现溜井磨损堵塞以及铲运效率低等情况，影响生产效率。具体见表1。

表1 普朗铜矿自然崩落法开采工艺风险因素

2 FSE-AHP评价风险因素

2.1 确定评语集

FSE是一种以模糊数学为理论基础的综合评价方法[11-12]，根据模糊数学的隶属度理论，整体评价受到多种因素制约的事物或对象[13]。

设定基本准则集合为

π={f1,f2,…，fm} (1)

在前人研究的基础上[14]，经过风险评估小组的讨论，提出了4个评价标准，π={f1=事件发生概率，f2=事后影响严重性，f3=事件不可预知性，f4=评估的不确定性}。

2.2 建立评价标准

对风险因素确定一个评价标准E，设定评语集的n个等级方案E={e1,e2,…,en}，普朗铜矿风险因素评语标准见表2。

表2 风险因素语标准

2.3 确定每个风险指标的权重

使用层次分析法(AHP)为每一个标准设置权重，将4个评价标准建立一个层次结构，如图1所示。

图1 评价标准的层次结构

设定每个标准/因子的权重用W来表示，W的集合为

W={W1,W2，…,Wn} (2)

对评价风险的不同准则进行打分，以确定风险准则的权重。在这里利用1～9打分法，计算得出每个标准的权重为(0.10,0.36,0.18,0.36)。

2.4 建立模糊评价矩阵

根据专家打分结果构建模糊评价矩阵。统计不同专家对风险因素的不同标准的描述结果，构成每个标准评估的隶属度函数。所有风险因素的评估形成一个模糊评价矩阵R=(rij)m×n，rij是满足fi评价准则的ej评价等级。

2.5 计算风险指数

使用模糊复合算子对每个风险进行评估。由于评估准则有多种标准，且每个标准的权重差异不是很大，考虑使用公式(3)。

(3)

应用模糊评价向量的正交化依据公式(4)计算风险指数。

(4)

表3中列出每个风险因素的隶属度函数、得到的风险指数、最终风险指数进行的排序。

表3 隶属度函数和风险排序

3 ISM-ANP评价整体风险

3.1 各个风险因素相互依赖程度计算

(1)构建关系矩阵。利用ISM方法构建关系矩阵，反映的是各个风险因素之间的相互作用关系。通常情况下，关系矩阵的一般表达式由如下的形式表示为

(2)构建可达矩阵。关系矩阵通过布尔矩阵运算得出可达矩阵。可达矩阵表示各种风险因素的相互依赖关系。M为A的可达矩阵。

(A+I)k-1≠(A+I)k+1=(A+I)k=M

(6)

3.2 构建ANP网络结构

在可达矩阵的基础上构建网络结构，通过Super Decision构建网络关系ANP模型如图2所示。

图2 普朗铜矿自然崩落法采矿工艺ANP模型

对风险因素集中的风险因素进行两两比较，比较计算过程如图3所示，计算出极限超矩阵为

图3 在放矿因素集中与放矿管理因素有关因素的两两比较结果

3.3 计算整体风险

对于每个风险进行模糊评价形成的模糊评价矩阵，利用表3和模糊评价法算式(1)，用复合权重向量和模糊评价矩阵以获取整体风险的模糊评价。

由表3可得出模糊评价矩阵为

由表4可得出权重：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)。

根据整体风险隶属度函数计算公式为

DA=WA·RA

(7)

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

根据公式(4)计算得出整体风险指数为

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

通过以上结果表明，普朗铜矿自然崩落法采矿工艺最终评价出的整体风险指数为2.870 3，可视为中等风险。在23项风险因素中，特高风险1项，为悬顶、堵塞，风险指数为4.409 5；高风险4项，分别为底部结构施工与支护、崩落块度、底部结构时效性、铲装及运输；中等风险12项；低风险6项。

4 结论

通过实地调查以及资料分析，辨识出普朗铜矿自然崩落法采矿工艺中共有23项风险因素。采用模糊综合分析法(FSE)以及专家打分法(FCE)并结合层次分析法(AHP)确定了23项风险因素的风险指数并进行排序。应用ISM方法分析风险因素之间关系，并建立ANP模型，计算得出普朗铜矿自然崩落法采矿工艺整体风险为“中等”风险。

(1)辨识出的23项风险中，有1项特高风险，为悬顶、堵塞。

悬顶、堵塞分为两个方面：一是由于底部结构卡斗造成的悬顶，二是溜井堵塞。若出现这两种情况将严重影响生产，且目前的技术处理起来比较危险。

(2)辨识出的23项风险中，有4项高风险，按照风险的高低进行排序分别为：底部结构施工与支护、崩落块度、底部结构的时效性以及铲装及运输。

①在高风险因素中，排名第一的为底部结构施工与支护。底部结构是自然崩落法矿山的咽喉部位，一旦底部结构失稳，矿山则无法正常出矿，进而无法顺利运行。保证底部结构稳定最关键的工作就是做好底部结构的施工与支护。

②针对“崩落块度”因素，目前矿山大块率问题比较突出，高于预测的大块率，影响每天的生产进度；大块的增加导致卡斗的几率增大，处理大块会影响生产效率；为了满足生产任务，有可能会进行不均匀出矿，造成矿石损失贫化，严重的会影响底部结构稳定性，甚至是崩落形态等关键参数的变化。

③普朗铜矿的底部结构需要一直服务到矿山闭坑为止，在服务年限内，需保证底部结构的稳定性才能确保矿山的顺利运行。底部结构的时效性关系到底部结构是否可以在服务年限内一直保持稳定。

④铲装及运输工作关系到矿山的运行是否顺利，影响到整个矿山的生产效率，是整个矿山的咽喉，需引起足够重视。