基于未确知测度模型的尾矿库溃坝风险评价.pdf
第 4 3 卷第 4 期 2 0 1 2 年 4月 中南大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f Ce n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 、 ,0 1 . 4 3 NO . 4 Ap r , 2 0 1 2 基于未确知测度模型的尾矿库溃坝风险评价 彭康 ,李夕兵 ,王世鸣,赵 国彦 ,刘志祥 中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙,4 1 0 0 8 3 摘要针对尾矿库溃坝风险分级预测评价中诸多因素不确定性问题,应用未确知测度理论与尾矿库溃坝风险评 价标准并结合工程实际,根据尾矿库溃坝的特点及成因,选取防洪设计标准等 1 6项未确知测度函数评价指标, 建立尾矿库渍坝风险分级预测的未确知测度评价模型。根据广东省大宝山矿业有限公司槽对坑尾矿库的实际情 况建立各评价因子的未确知测度函数,对其进行定量分析,并利用信息熵计算各评价指标的权重,依照置信度 识别准则进行等级判定,最后得出尾矿库溃坝风险评价分级预测的评价结果。研究结果表明该方法不仅能给 出尾矿库运行期的安全等级,并且能够更客观地反映尾矿库工程运行危险源的情况,为尾矿库溃坝危险性的评 价提供了一种新的评价方法。 关键词尾矿库;溃坝风险评价;未确知测度;信息熵 中图分类号T D 8 5 3 . 3 4 文献标志码A 文章编号1 6 7 2 7 2 0 7 2 0 1 2 0 4 1 4 4 7 0 6 Op t i m i z a t i o n mo d e l o f un a s c e r t a i n e d m e a s ur e me n t f o r d a m - b r e a k r i s k e v a l u a t i o n i n t a i l i ng s d a ms PE NG Ka ng , LI Xi b i n g , WANG S hi mi n g , ZHAO Guo y a n , LI U Zh i x i a ng S c h o o l o f R e s o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g , C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i ty , C h ang s h a 4 1 0 0 8 3 , C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e v a rio u s u n c e r t a i n ty p r o b l e ms o f t a i l i n g s r e s e r v o i r d a m b r e a k r i s k i n g r a d e p r e d i c t i n g e v a l u a t i o n , t h e c h a r a c t e r i s t i c a n d c a u s e o f r a i l i n g s r e s e rv o i r d a m- b r e a k , the i d e a t o e s t a b l i s h t h e u n a s c e r t a i n e d me a s u r e e v a l u a t i o n mo d e l wa s p r e s e n t e d f o r t a i l i n g s r e s e r v o i r d a m- b r e ak r i s k gra d e p r e d i c t i n g . T h e mo d e l wa s b a s e d o n the un a s c e r t a i n e d me a s ure me n t t h e o r y , d am - b r e a k ri s k a s s e s s me n t o f t a i l i n g s r e s e r v o i r a n d e n g i n e e ri n g p r a c t i c e . I n v i e w o f the c h a r a c t e ris t i c an d t h e c a u s e o f t a i l i n g s r e s e r v o i r d am - b r e a k , s t a n d a r d o f fl o o d c o n tro l a n d o the r 1 6 un a s c e r t a i n e d me a s ur e f u n c t i o n e v a l u a t i o n i n d e x e s we r e s e l e c t e d . Ba s e d o n t h e a c t u a l s i tua t i o n o f Ca o d u i k e n g t a i l i n g s r e s e rv o i r o f Gu a n g d o n g Da b a o s h a n M i n i n g L i mi t e d c o mp an y , the un a s c e r t a i n e d m e a s ur e f u nc t i o n o f e a c h e v a l u a t i o n f a c t o r wa s b u i l t , t h e q u ant i t a t i v e a n a l y s i s a n d t h e c a l c u l a t i o n o f i n f o r ma t i o n e n tro p y i n we i g h t o f e a c h i n d e x wa s c o n d u c t e d , an d the e v a l u a t i o n r e s u l t s o f r a i l i n g s r e s e rvo i r d a m b r e ak ris k a s s e s s me n t i n g r a d e p r e dic t i n g we r e o b t a i n e d . T h e r e s u l t s s h o w tha t i t C an n o t o n l y p r o p o s e s a f e ty gra d e o f t a i l i n g s r e s e rvo i r o p e r a t i o n p e ri o d , b u t a l s o i s mo r e o b j e c t i v e o n the t r u t h o f e n g i n e e ri n g o p e r a t i o n d a n g e r o u s s o ur c e o f t a i l i n g s r e s e rvo i r .I t p r o v i d e s a n e w wa y fo r ris k e v a l u a t i o n i n t a i l i n g s r e s e rvo i r d a m- b r e a k . Ke y wo r d s r a i l i n g s d a ms ; d a m b r e ak r i s k e v a l u a t i o n ; u n c e rta i n ty me a s ure me n t ; i n f o rm a t i o n e n tro p y 我国是矿业大国,冶金、有色、化工、核工业、 尾矿库 1 2 6 5 5座,尾矿堆积量达 8 0 亿 t [ ” 。尾矿除一 建材和轻工业等行业的矿山都有尾矿设施。我国现有 部分可作为建筑材料、充填矿山采空区以及用于海岸 收稿 日期 基金项 目 通信作者 2 0 1 1 0 4 0 7 ;修回1 3 期2 0 1 l 一 0 7 一 O 5 国家 自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项 目 5 1 0 7 4 1 7 7 ;国家 自然科学基金项目资助 5 0 9 3 4 o 0 6 ;“ 小榄智造” 创业奖励金项 目 1 l XL 1 2 ;米塔尔学生创新创业项 目 1 l M X2 1 ;湖南省研究生学位论文创新工程项目 1 1 3 2 7 1 3 3 6 0 0 1 0 彭康 1 9 8 6 一 ,男,湖南岳阳人,博士研究生,从事岩石动力学与采矿工程研究;电话 1 5 9 7 4 2 6 9 9 6 5 ;E - ma i l ..p e n g k a n g 8 6 1 2 1 1 2 6 . c o m 1 4 4 8 中南大学学报 自然科学版 第 4 3卷 造地等外,绝大部分需要妥善储存在尾矿库内。筑坝 拦截谷口或围地构成的、用以贮存金属和非金属矿山 进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所称为 尾矿库 。尾矿 库是一个具有 高势能 的人造泥石流危险 源,各种天然的和人为的不利因素威胁着它的安全。 据统计【 2 】 ,在世界上的各种重大灾害中,尾矿库灾害 仅次于发生地震、霍乱、洪水和氢弹爆炸等,居第 1 8 位 。它一旦发生事故,必将对下游地 区居 民的生命和 财产造成巨大灾害,并对环境造成严重污染。并且尾 矿设施的基建投资大,一般约 占矿山建设总投资的 1 0 %以上,占选矿厂投资的 2 0 %左右,有的几乎与选 矿厂投资一样多,甚至超过选矿厂投资。尾矿设施的 运行成本也较高 ,有些矿 山尾矿设施运行成本 占选矿 厂生产成本的 3 0 %以上。为此,国内外学者对尾矿库 的安全运行与管理进行了许多研究,引入了许多新理 论、新方法,主要有层次分析法、模糊数学、模糊层 次综合分析法 、 集对分析法 、神经 网络 、可靠度 理论 、 非线性系统混沌理论以及灰色关联分析法等L 3 】 。 然而, 尾矿库溃坝风险评价的难点在于许多内外因素中的不 确 定性和 隐蔽 性 。王 光远提 出的未确知数 学理论【 4 _ 8 】 在军事、环境、投资、采矿工程与岩土工程等领域得 到了广泛应用,取得了较好的效果。为此,本文作者 借鉴未确 知测度评价预测模型 的理论和思想 ,根据尾 矿库溃坝风险评价模型[ 9 - 1 o ] ,将未确知数学理论运用 到评估 尾矿 库运行期 的安全等级分级预测 中,首先计 算各评价指标 的未确 知测度 ;然后 ,利用信 息熵【 1 U J 理 论客观地确定各影响因素的权重,较好地消除了人为 因素带来的偏差,使评价结果更符合实际;最后,建 立置信度识别准则代替最大隶属度识别准则进行判别 评价,减少误判并利用该模型对广东省大宝山槽对坑 尾矿库运行期的安全等级进行评价。 1 未确知测度计算理论 设 , ,⋯, 为待优化的 n个对象,则优 化对象空间 { l , 2 ,⋯, } 。对于每个对象 f f 1 ,2 ,⋯, 有 m个单项评价指标,则评价指标 空 间为 , ,⋯, } 。置 可表示为 m 维 向量 嘭 , x, ⋯, m } 。其中 表示研究对象 关于 评 价指标 的测量值 。 对于不 同的 , 对其优化结果 的贡献各不相同, 越大,对优越度 Q 的贡献越 大; 越小, 对优越度 Q的贡献越大。 对每个子项 f 卢1 ,2 ,⋯,n ;, 1 ,2 ,⋯, ,假设有 P 个评价 等级 C 1 , ,⋯, 。评价空 间记为 ,则 U C 1 , C 2 ,⋯, 。设 C k k - l ,2 ,⋯, p 为第 k级评 价等级 , 且 k 级高于 胁1 级,记作 1 。若{ C 1 ,C 2 ,⋯, } 满 足 C 1 C 2 C 3 ⋯ 或 C 1 ,令 r k ] k o m in { k ∑ 朋 l ≥ , l, 2 ,⋯ ,p } 8 L i 1 J 则认为优化对象 属于第 %个评价类 C l加 。 2 尾矿库溃坝风险评价指标体系 根据有关研 究的尾矿库溃坝风 险指标 的相关性分 析,删除具有较大相关性的风险指标,最终形成了具 有相互独立性的风险指标体系,如图 1 所示。指标共 分为 5大类,即漫顶溃决、失稳溃决、渗流破坏、结 构破坏和管理因素。 图 1 尾矿库溃坝风险指标体系 Fi g . 1 Ri s k i n d e x s y s t e m o f t a i l i n g s r e s e r v o i r d a m - b r e a k 5大类选取 1 6 项 因素作 为评价影 响因子 , 即防洪 设计标准、排洪设施能力系数、滩顶与库水位高差、 平均粒径、下游坡比、现状坝高、设计地震烈度、堆 积容重、浸润线高度、横向裂隙衡量标准、纵向裂隙 衡量标准、水平裂隙衡量标准、排洪设备完好系数、 日常管理衡量系数、事故应急衡量系数、监测设备完 备系数 分别用 , ,⋯, 6 表示 。该指标体系可 为尾矿坝溃坝风险评判模型及评判方法的研究提供前 提条件。其分级标准及赋值情况见表 1 。针对我国现 行尾矿库的运行期,对各评价指标进行分级及取值, 评判集为{ C 1 ,C 2 ,C 3 ,c 4 ,即I ,Ⅱ,Ⅱ I 和 Ⅳ 级, 分别表示正常库、病库、险库和危库。 表 1 尾矿库渍坝风险评判分级标准评定表 T a b l e 1 Cr i t e ri o n t a b l e o f t a i l i n g s r e s e r v o i r d am b r e a k ris k j u d g me n t g r a d e 评 价指 标 坌 堡 堡 I N c 1 I I级 I I I 级 C 3 Ⅳ级 c 4 3 工程实例应用 广东省大宝山矿业有限公司位于广东省韶关市 曲 江 区沙溪镇境 内,库区地貌类型为低 山谷地 ,地形地 貌条件中等。槽对坑尾矿坝[ 1 1 ] 利用已有的沟谷地形建 设,地形地貌条件有利于尾矿坝工程的建设。尾矿库 主要用于铁、 铜两系统选矿废水 的处理和尾 砂的贮存 ; 汇聚采选区地表水, 澄清后外排并作为采选工业用水, 有利于资源的进一步开发利用和环境保护。槽对坑尾 矿库平面上呈南北长轴的不规则状,总面积约为 5 6 万 r n 2 ,长约 9 0 0 m,宽2 0 0 ~ 3 0 0 m;槽对坑尾矿库坝 体为黏土斜墙堆石坝, I 期坝高为 3 9 . 9 m,坝顶宽为 5 11 1 ,上游坡坡度为 1 . 0 2 . 5 ,下游坡度为 1 . 0 1 . 5 ; I I 期加高 1 3 . 9 m,总坝高为 5 3 . 8 m,总库容为 l 2 3 4万 1 4 5 0 中南大学学报 自然科学版 第 4 3卷 m j ,有效库容 为 1 0 5 0万 m ,坝顶长为 3 3 0 m,坝项 宽为 4 m,上游坡坡度为1 . 0 2 . 0 ,下游坡坡度为 1 . 0 1 . 4 - 1 . 5 i斜墙上盘坡度为 1 . 0 1 . 6 ,下盘坡坡度为 1 . 0 1 . 5 ,底 宽为 1 1 . 3 2 2 1T I ,顶部标高为 5 6 6 . 5 m。坝体 I 和 I I 期坝轴线相距 2 7 . 3 m。 I I 期斜墙与 I 期的连接, I I 期斜墙上下游坡度与 I 期斜墙的坡度相同。I I 期施 工 时即按此坡度 向上延伸 ,但首先应将 I 期坝堆石掀 掉 然后将 I 期 斜墙与 I I 期连 接部位松 动 ,厚度 为 3 0 c m,继 而洒水 并铺上并按要求予 以碾压好 ,使 I 和 I I 期能紧密结合,不致形成薄弱层面。堆石级配大于 2 0 的含量 占 8 0 %以上I 1 , 堆石孔隙率≤3 5 o/ 0 , 干容重 ≥1 . 7 2 t . m- , 抗压强度大于 3 5 MP a 。I I 期排洪设施 由 溢洪道、导流涵管与结合井及排水斜槽组成,前者主 要用来泄洪,后者用来调节库内水位。溢洪道底板标 高 5 6 4 . 2 m,底宽 5 m,边坡坡度为 1 . 0 1 . 0的梯形断 面 ,设计过水深度 1 . 4 2 m,设计最高洪水位 5 0 0年 一 遇 至坝项 黏土斜墙项 的安全超高 0 . 8 8 m 黏土斜墙 顶标高 5 6 6 . 5 m 。导流管为直径 1 _ 3 m 的钢筋 混凝土 管 ,排水斜槽是长 宽为 0 . 8 m0 . 8 I T I 的矩形混凝土 斜槽 。 3 . 1 危险 目标对周边 的影晌预测 根据安监总协 关于征求对 金属非金属矿 山重 大危险源辨识和 尾矿库重大危险源辨识 征求意 见稿1 修改意见的函有关条款,满足下列 3个条件之 一 者 , 即为金属非金属矿 山尾矿库重大危 险源 1 全 库容 1 0 0 0万 m 以上或坝高 6 0 m 以上的尾矿库,即 一 、二、三等尾矿库 ; 2 1一 旦发生最大程度 的溃坝 事故,可能造成下游居民死亡; 3 一旦失事,将会 对下游的城镇、工矿企业、交通运输及其他重要设施 造成严重危害 ,或有毒有害物质会大面积扩散的尾矿 库 。槽对坑尾矿库在大宝 山矿生产 中具有十分重要的 作用 ,是重大危 险源 ,其危险形式表现 为 1 超 正 常降雨引发特大山洪; 2 尾矿库会发生管涌、渗漏 的现象,危及大坝安全; 3 尾矿坝坝体在洪水作用 下产生裂 隙,降低大坝 的稳定系数 ,危及大坝安全; f 4 1溢洪道 发生堵塞 、渗 露、断裂等险情 ,在 汛期可 能诱发尾矿库坝坡 、 山体滑坡等事故 ; 5 尾 矿库垮 坝 、溃坝破坏 时,矿泥浆往往立 即液化 ,扩大坝 的缺 口,沿山谷往下游倾泄,其危害程度比水坝溃坝严重 得多。对此,根据图 1 中尾矿库溃坝风险评价指标体 系以及槽对坑尾矿库的现状得到 1 6个溃坝指标参数, 分别对 各影响因子进行取值 ,如表 2所示 。 3 . 2 构建单指标测度函数 根据单指标测度函数的定义以及表 1 和表 2 ,构 建单指标测度函数 以便求 得槽对坑尾矿库各评价指标 的测度,结果如图 2 所示。 表 2 尾矿库溃坝危险性指标调查统计表 T a b l e 2 S t a t i s t i c a l g r a p h o f t a i l i n g s r e s e r v o i r d a m b r e a k r i s k i n d i c a t o r s 将表 2中影响因素 的取值分别代 入图 2中的单指 标测度函数中, 计算槽对坑尾矿库的单指标评价矩阵, 见式 9 。 1 . 0 0 1 . 0 0 1 . 0 0 0 0 O 0 0 1 . 0 0 1 . 0 0 0 . 6 0 1 . 0 0 1 . 0 0 0 . 6 0 1 . 0 0 1 . 0 0 0 0 0 0 0 0- 3 7 0. 8 3 0 . 5 7 0 0 0.40 0 0 0.40 0 0 0 0 0 0 0 0 - 3 2 0 . 5 0 0 . 6 3 0 . 1 7 0 . 43 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 O 5 O 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 0 0 第 4期 彭康,等基于未确知测度模型的尾矿库溃坝风险评价 1 4 51 防洪设 计标准时间/ a a 防洪设计标准; b 平均粒径; c 堆积容重; d 横向裂缝衡量系数; e 日常管理衡量系数 图2 评价指标的未确知测度函数 F i g . 2 Un a s c e r t a i n e d me a s u r e me n t f u n c t i o n o f e v a l u a t i o n i n d i c e s 3 . 3 计算多指标测度评价矩阵 用式 1 ~ 6 确定各评价指标权重,大宝山尾矿库 渍坝危险性评价指标权重为{ W 1 ,w 2 ,⋯, f 0 . 07 3 91 , 0 . 0 7 3 91 , 0 . 0 7 3 91 , 0 . 0 4 0 51 , 0 . 0 3 6 9 5, 0. 0 3 8 7 7, 0. 0 6 6 0 9, 0 . 0 3 7 4 7, 0 . 0 7 3 91 , 0 . 0 7 3 9l , 0. 0 7 3 9l ,0 . 0 7 3 9 1 ,0 . 0 5 7 51 , 0. 0 7 3 9l ,0 . 0 7 3 9 1, 0.05 7 5 1 , 0 . 0 7 3 9 1 , 0 . 0 7 3 9 1 } ,根据 单指标测度矩 阵和式 6 求得 大宝山尾矿库溃坝危 险性 的多指标综合测度评价 向量 为{ 0 . 7 3 4 2 0 ,0 . 1 3 6 5 7 ,0 . 0 8 3 2 1 ,0 . 0 4 6 0 2 } 。 3 . 4 判别结果识别 由于评价等级{ C 1 ,C 2 ,⋯, } 的有序性,建立 置信度识别准则代替最大隶属度识别准则 ,减少了 误判 。 取置信度 2 0 . 7 ,由多指标综合测度评价向量式 7 和置信度评价准则式 8 ,且 %0 . 7 3 ,即尾矿 库溃坝危险性等级为 I 级; / c o 1 ,尾矿库溃坝危险 性等级为 I 级。由此可见2次判别的结果一致,尾 矿库溃坝危险性等级为 I 级,槽对坑尾矿库溃坝现状 风险评价等 级为安全 。 虽然槽对坑尾矿库总体评价等级为安全,但是, 从该尾矿库的测度函数的评价矩阵可知,影响尾矿库 安全运行的指标主要是平均粒径、下游坡比评价以及 现状坝高这几项硬性指标的评价等级不够高,因此, 即使尾矿库其他指标评价等级高,尾矿库的依然存在 安全隐患,这对该 尾矿库 及其他尾矿库 的安全运行提 出以下 2点要求 1 尾矿库能否安全运行是一个综 合 问题, 可以通过 多种渠道 改善尾矿库的条件; 2 尾 矿库的一些硬性指标如平均粒径等,在设计时及运行 管理时要更加合理化,这样可以进一步确保尾矿库的 安全 。 4 结论 1 尾矿库溃坝风险评价等级的判定受多种因素 的影响。针对尾矿库溃坝风险分类中许多因素的不确 定性和隐蔽性,将未确知数学理论应用到尾矿库溃坝 问题分析中,并建立了尾矿库溃坝风险分级预测的未 确知测度模型。 2 利用信息熵理论和未测度理论耦合到 1 个评 价模型中,客观地确定了各影响因素的权重,较好地 消除了人为因素带来的偏差, 使评价结果更符合实际; 最后 建立置信度识别准则代替最大隶属度识别准则进 行判 别评价 ,减少 了误判 。 3 该方法较 为理想和实用 ,不仅能给 出尾矿 库 1 4 5 2 中南大学学报 自然科学版 第 4 3 卷 运行期的安全等级,而且能够客观地反映尾矿库工程 运行危险源的情况,为尾矿库溃坝危险性的评价提供 一 种 新的思路。但 是,评价 结果 的好坏依赖于评价指 标分级的合 理与否 , 目前 ,尾矿库溃坝风险评价分级 标准还没有一个统一的标准,仍有待于进一步研究。 参考文献 何 衍兴,梅 甫定,申志兵.我 国尾矿库 安全现状 及管理 措施 探讨 [ J ] .安全与环境 工程, 2 0 0 9 , l 6 3 7 9 8 3 . 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