高温度及高湿度场叠加的地下铝土矿山全尾砂充填强度规律

郑彦涛,刘德锋,姜贵川,龙 波,高玉宝,马广举

(1.贵州息烽磷矿有限责任公司,贵州 贵阳 551108;2.武汉工程大学 资源与安全工程学院,湖北 武汉 430073;3.贵州云峰矿业公司,贵州 贵阳 550001;4.保利新联爆破工程集团有限公司,贵州 贵阳 550001)

近年来,相关学者通过科研工作,已对全尾砂充填体强度和变化规律研究取得了一定成果[1-3]:吴祥辉等采用正交试验数据对全尾砂充填体强度与水灰比进行了回归分析,确定了水灰比与全尾砂充填体强度之间的解析关系[4];付自国通过充填体强度试验,对水灰比、龄期和固体填隙率与全尾砂充填体强度之间的关系进行了多元回归分析[5]。但在南方地区部分采深大涌水多的高温高湿矿山,井下高温度场和高湿度场叠加下,全尾砂充填体强度及其变化与其他环境下相比呈现出一定的特异性,充填体强度及其变化规律复杂难测,给矿山生产带来安全隐患[6-7]。

地下铝土矿因围岩强度较低,因此全尾砂充填体强度及其随时间变化的规律对于地下铝土矿的安全生产尤为重要。为了对高温度场和高湿度场叠加环境下的地下铝土矿全尾砂充填体强度及其变化进行真实准确的分析,对井下充填体强度和其包括温度湿度在内的影响指标进行原位测试和现场实测是必要的。统计收集相关数据建立温湿环境下的全尾砂充填体强度及其变化分析的知识系统。考虑到温度湿度及其他影响因素对全尾砂充填体强度及变化的影响具有优势性或偏好性,又因为井下充填实际环境复杂及潜在未知因素影响等原因,井下全尾砂充填体强度及变化的结果具有一定的不确定性即模糊性[8]。因而将优势关系和精度分析联合,以变精度优势关系粗糙集充分分析各影响因素对充填体强度及变化的优势关系和概率不确定性,分析得到的规律结果也具有明显的优势涵盖关系和模糊性特征[9-10]。以变精度优势关系粗糙集分析的温湿环境下的充填体强度及其变化规律,分析维度全面立体,分析过程紧贴实际,其分析结果也更加科学并更具备实践指导意义。

1 温湿环境下充填体强度规律分析模型

1.1 温湿环境下充填体强度变化影响指标体系构建

充填体强度变化的影响因素众多,以往全尾砂充填体强度相关分析时,考虑的影响因素主要有骨料性质(主要是骨料强度)、水灰比及灰砂比等[11-13]。但高温高湿能够对充填体内胶凝材料的水化反应程度和速度产生影响,宏观上会对充填体强度及其随时间的发展变化产生较大的影响[14-15]。得到全尾砂充填体强度及其变化规律分析的指标体系构建见图1。

图1 高温度湿度叠加环境下充填体强度及其变化主要影响指标体系

1.2 分析理论和创新

传统的充填体强度及其变化分析一般以全面试验或正交试验方法进行试验分析,通过构建包含各主要影响指标在内的全面试验方案或正交试验方案进行试验,获取充填体强度分析结果。进而进行单因素指标的对比分析各指标因素标对充填体强度变化的影响[16-17]。但实际上井下充填环境复杂多变,充填体强度及其变化的试验分析结果与实际情况一般均有所差异[18]。

此外,在充填体的各影响指标中,部分指标对充填体强度及变化规律的影响带有明显的偏好性。又由于井下环境的复杂多变以及潜在未知因素的影响,充填体强度和变化趋势也带有一定的偶然性,带有明显的概率性特征。因此,为了对指标的偏好性特征和结果的概率不确定性进行分析,将优势关系粗糙集和变精度粗糙集联合构建变精度优势关系粗糙集模型,以对充填体强度和变化趋势规律进行全面完整的分析。

变精度优势关系粗糙集模型演变见图2。

图2 粗糙集模型演变过程

1.3 变精度优势关系粗糙集分析

1.3.1 知识系统构建

粗糙集的知识系统S包括三个部分:对象集U、条件属性C和决策属性D。故充填体强度变化规律分析的知识系统为S=(U,C∪D),条件属性C为规律分析的影响指标,包括骨料强度c1、水灰比c2、灰砂比c3、环境温度c4及环境湿度c5;决策属性D为规律分析的结果,由于充填时,充填体终了强度(28d时强度,关系空区充填安全)及充填体达到可利用强度的时间(充填体强度达到终了强度的95%时,可以利用其来进行生产活动)对矿山生产意义重大,故决策属性D包括充填体最终强度d1以及充填体达到可利用强度的时间d2。

1.3.2 数据离散与等价类划分

对条件属性和决策属性的指标数值可根据实际灵活选用等宽度、等区间、等频率或参照相关规范或惯例以及人为灵活确定等方法进行离散。

对于对象集U,由条件属性集合C生成不可分辨关系I(x)(I(y,z)的定义为:I(x,y)={(y,z)∈U×U:f(y,a)=f(z,a),∀q∈C})。由条件属性的不可分辨关系I(x)可以生成多个等价类X。

由决策属性集合D,生成决策类F。决策类F的定义为:

(1)

其中xi为决策类集合F中的元素,μF是元素对决策类集合F的隶属度。μF的定义为:

(2)

对于∀λ∈[0,1],计算决策类集合F的λ-截集,形成模糊等价类Fλ,模糊等价类Fλ的定义为:

(3)

1.3.3 模糊等价类中的优势关系提取

条件属性和决策属性中可能有向上或向下的优势关系,即偏好性。如对于充填体强度的决策类而言,如将充填体强度分为F1={高}、F2={较高}、F3={一般}、F4={较低}四个决策子类,可得到充填体强度优势关系决策子类的并集如下:

1.3.4 约简搜寻

(4)

(5)

1.3.5 规则生成和规律分析

根据搜寻到的β-约简,生成温湿环境下的充填体强度及其变化的偏好规则并计算出各规则相应的概率,即可得到规律分析的概率性偏好规则。提取规则支持数较高的规则作为规律。

2 实证分析

2.1 项目背景

西南某地下铝土矿山有多个开采区,采用上向水平分层充填法和空场嗣后充填法作为矿山主要采矿方法,全尾砂胶结充填,有多套充填系统。井下不同区段的温差变化较大,部分区段潮湿多水,造成井下全尾砂充填体的强度及其发展趋势难以预测,给矿山安全生产带来了隐患。企业拟对充填体的强度及其变化规律进行分析掌握。通过环境监测、原位取样及数据统计等手段获取了多个区段多组充填体的骨料强度、水灰比、灰砂比、环境温度、环境湿度及充填体强度和充填体达到可利用强度的时间等指标数据,得到充填体强度和变化规律分析的基础数据见表1。

表1 各类指标统计数据

2.2 数据离散和知识系统构建

目前对于充填体强度影响因素指标尚无统一的离散标准,考虑到充填体影响指标数多,样本数少,故离散等级不宜过多。综合考虑各影响指标数据的分布范围和分布特征、以及该矿山企业的对充填体强度分析的相关要求,采用贴近现实的灵活离散方法确定的各指标的离散原则如下:

骨料强度(单位:MPa):[0,20)为低、[20,40)为中、[40,60]为高;

水灰比(单位:无):[0,1.8)为小、[1.8,2.0)为中、[2.0,+∞]为大;

灰砂比(单位:无):[0,0.2)为小、[0.2,0.3)为中、[0.3,+∞]为大;

环境温度(单位:℃):[0,20)为低、[20,30)为中、[30,+∞]为高;

环境湿度(单位:%):[0,60)为低、[60,80)为中、[80,+∞]为高;

充填体终了强度(单位:MPa):[0,3.5)为不合格、[3.5,+∞)为高;

充填体达到可利用强度的时间(单位:d):[0,18]为短、[19,22]为中、[23,+∞]为长。

对各指标数据离散后,得到充填体强度及其变化规律分析的知识系统见表2。

表2 充填体强度及其变化规律分析知识系统

2.3 等价类划分与约简搜寻

根据条件属性C,对对象集U进行划分,得到等价类U/C={X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8,X9,X10,X11,X12,X13},其中X1={n1,n9},X2={n2,n14,n18},X3={n3,n13},X4={n4,n19},X5={n5,n20},X6={n6},X7={n7},X8={n8,n10},X9={n11},X10={n12},X11={n15},X12={n16},X13={n17}。

根据条件属性D,对对象集U进行划分。以充填体终了强度d1划分决策类,得到决策类U/d1={F1,F2},其中不合格类F1={n1,n2,n5,n6,n7,n9,n14,n15,n18,n20},合格类F2={n3,n4,n8,n10,n11,n12,n13,n16,n17,n19};以达到可利用强度的时间d2划分决策类,得到决策类U/d2={f1,f2,f3},其中短类f1={n1,n2,n5,n9,n15,n18,n20},中类f2={n3,n6,n7,n11,n13,n14,n16},长类f3={n4,n8,n10,n12,n17,n19}。

各等价类相对于决策类U/d1和U/d2的粗糙隶属度见表3。

表3 各等价类相对于决策类的粗糙隶属度

由表3可知,各等价类对于各决策类的分类质量都非常高,除等价类X2对于决策类U/d2外,其余等价类对于决策类的分类质量均达到了100%。

取置信阈值β=60%,得到条件属性集C对决策属性充填体终了强度d1和达到可利用强度的时间d2的分类质量见式(6)、式(7):

(6)

(7)

按照缩减后的条件属性集的分类质量不低于原条件属性集分类质量原则搜寻β-约简,得到最小约简为C-{c4},即搜寻得到的约简为{c1,c2,c3,c5}。

2.4 概率性偏好规则提取和规律分析

基于现有经验,可以明确:骨料强度越大、水灰比越小以及灰砂比越小时,充填体终了强度趋向越大。而环境温度对于充填体终了强度的影响则不明确。观察环境湿度与充填体终了强度的关系可判断:环境湿度越低时,充填体终了强度越大。而通过观察各条件属性与充填体达到可利用强度的时间关系可判定:当骨料强度越低、水灰比越大、灰砂比越大以及环境湿度越高时,充填体达到可利用强度的时间越短。由此确定各条件属性对于充填体终了强度及充填体达到可利用强度的时间的相对优势关系。

根据各条件属性对充填体终了强度的偏好关系,提取得到充填体终了强度的概率性偏好规则见表4。

表4 充填体终了强度的概率性偏好规则

根据各条件属性对充填体达到可利用强度的时间的偏好关系,提取得到其概率性偏好规则见表5。

表5 充填体达到可利用强度的时间的概率性偏好规则

由表4及表5可知:对于充填体终了强度,共提取了4条概率性偏好规则,其中两条规则的支持数超过了5条,且置信度均为100%,规律性强且可靠性高,不存在二义性;而对于充填体达到可利用强度的时间,共提取了6条概率性偏好规则,其中有3条支持数超过了5条,且置信度分别为90%、90%及100%,规则的规律性强,可靠性较高。而根据经验,规则支持数在5之上时,可以称为规律,故提取出5条规律。

而采用传统的不可分辨关系的粗糙集得到的规则最大支持数仅为3,普遍规则支持数太少,无法提取出可靠的规律。

2.5 规律挖掘与应用

通过以上分析,可知对于矿山井下空区的充填体强度及其随时间变化规律而言,矿山井下环境的湿度对充填体强度及其随时间变化有较为显著的影响,但温度则对其影响有限。而根据相关学者研究,温度对于充填体强度及其变化有影响,产生此种差异的原因,可能是井下环境减弱了温度对充填体强度及其变化的影响,也有可能是井下温度变化范围还不足以改变充填体强度及其变化所致,后续需作进一步分析研究。

分析各条件属性对充填体终了强度及充填体达到可利用强度的时间的优势关系,其中部分优势关系特征与通常情况有一定差异,如一般情况下,充填配比的水灰比越大,充填体凝结时间越长,达到可利用强度的时间也就越长。而本次研究发现,在高温高湿环境下,充填体的水灰比越大,充填体达到可利用强度的时间反而越短。产生这种差异的可能在于全尾砂充填体的细部微观结构或充填体内的不同物料之间的相互反应在高温高湿环境下发生了大的变化,从而在宏观上表现为充填体强度及其变化与某些影响因素之间关系的改变。

根据提取的规律解译,得到地下铝土矿充填体终了强度为合格时的规律两条,充填体达到可利用强度时间为中或短、为长或中及达到为长的规律各1条。将这些规律应用于该矿山生产后,当年因充填体强度不足而造成的安全事故数为3次,且均为一般事故,所造成的经济损失为13.6万元。而前三年因充填体强度不足而造成的平均安全事故数为6次,平均经济损失为34.1万元。因充填体强度不足产生的安全事故和经济损失分别降低了50%和60%。

3 结 论

1)通过对井下高温和高湿叠加环境下的充填体强度变化趋势及其影响因素实测值统计分析发现:湿度对地下铝土矿充填体强度及其变化有较强的影响,而温度对充填体强度及其变化的影响并不明显。这可能是由于井下环境减弱温度影响或井下温度变化还不足以影响充填体强度及其变化所致,未来可进一步深入研究。

2)在井下高温高湿的影响下,地下铝土矿井下充填体强度及其变化呈现与一般环境下有差异的特征。如在高温高湿环境下,充填体的水灰比越大,充填体达到可利用强度的时间反而越短,这与常规井下环境下呈现明显差异,未来可进行更加全面系统的分析。

3)通过变精度优势关系粗糙集对地下铝土矿充填体强度的变化规律分析,提取出了地下铝土矿充填体强度及其变化的若干概率性偏好规律,这些规律支持数和置信度均较大,且包含了对影响因素的偏好信息和决策结果的模糊概率性分析,分析全面。而将得到的分析规律应用指导矿山生产后,由全尾砂充填体强度而引发的安全事故和经济损失都大为减少,说明了该方法对充填体强度及其变化规律分析的可靠性及有效性。