CN111091267A - 一种基于因素空间的尾矿坝稳定性综合评价方法 - Google Patents

一种基于因素空间的尾矿坝稳定性综合评价方法 Download PDF

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CN111091267A CN201911104425.6A CN201911104425A CN111091267A CN 111091267 A CN111091267 A CN 111091267A CN 201911104425 A CN201911104425 A CN 201911104425A CN 111091267 A CN111091267 A CN 111091267A
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Abstract

本发明涉及一种基于因素空间的尾矿坝稳定性综合评价方法，其特征在于，充实了定量因素，引入了定性因素，依据因素空间理论构建了稳定性综合评价的因素空间，制定了单因素影响的评价规则，利用未确知数学理论，构造了单因素影响下稳定性评价的测度函数；利用信息熵理论为影响因素赋予变动的客观权重；利用因素合成原理将高维度的测度矩阵降维，生成合因素测度向量；最后依据置信度准则完成尾矿坝稳定性综合评价。本发明的优点是：应用因素空间理论、未确知数学理论和信息熵理论，建立了一种基于因素空间的尾矿坝稳定性综合评价方法，既有定量因素又有定性因素，既全面客观又科学合理，使尾矿坝稳定性评价更为准确可靠；该方法可推广应用。

Description

一种基于因素空间的尾矿坝稳定性综合评价方法
技术领域
本发明属于矿山安全与灾害防治技术领域，具体涉及一种基于因素空间的尾矿坝稳定性 综合评价方法。
背景技术
尾矿设施是金属、非金属矿山选矿厂的必备设施。尾矿坝一旦发生事故，将对下游地区 人民的生命和财产造成极大危害，对环境造成严重污染和破坏，后果往往非常严重。诸多因 素影响着尾矿坝的安全稳定，国内外有许多案例，不一而足，因此，尾矿坝运行稳定性的评 价必不可少。
利用极限平衡法、强度折减法、模型试验和数值试验等定量评价方法对尾矿坝稳定性进 行评价时，均以确定的数学模型、材料参数、边界条件为基础。大量试验和实践证明，在复 杂多变的尾矿坝***中，诸多因素中不可避免地包含着不确定信息。因此，定量评价可能会 带来较大的误差，甚至出现结果失真的情况。采用神经网络法、贝叶斯网络法、模糊综合评 价法、蚁群聚类算法和可拓评价方法等定性评价方法对尾矿坝稳定性进行评价，虽然弥补了 定量评价的缺陷、拓宽了尾矿坝稳定性评价的思路，但仍然存在不足之处。例如：神经网络 法和贝叶斯网络法需要大量样本对网络进行训练；模糊综合评判中隶属函数的选取具有主观 性；蚁群聚类算法计算效率低、适应能力差；可拓评价方法难以确定节域和经典域且重要约 束条件容易遗漏。此外，现有定性评价方法的评价指标体系中，往往只包含少数定量因素， 忽视了定性因素对尾矿坝稳定性的影响。因此，尾矿坝稳定性评价指标体系中应同时包含定 量因素和定性因素，这样对尾矿坝稳定性进行综合评价才会更客观和全面一些，评价结果也 会更接近实际一些。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于因素空间的尾矿坝稳定性综合评价方法，克服现有评价 方法的缺点与不足，对尾矿坝运行期间的稳定性进行综合评价，以确保安全运行。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明首先确定了与尾矿坝稳定性有关的影响因素，将影响因素分为定量因素和定性因 素，制定了单影响因素对尾矿坝稳定性影响程度的评价方法；之后构建了用于尾矿坝稳定性 综合评价的因素空间，构造了单因素影响下尾矿坝稳定性评价的测度函数，得出了单因素影 响下尾矿坝稳定性评价的测度矩阵；然后利用信息熵理论为影响因素赋予变动的客观权重， 再利用因素合成原理将高维度的测度矩阵降维，生成合因素测度向量；最后依据置信度准则 完成尾矿坝稳定性综合评价。
本发明的一种基于因素空间的尾矿坝稳定性综合评价方法，其特征在于,首先将尾矿坝 稳定性作为结果因素，以g代表，然后选取与结果因素相关的因素作为影响因素，以f代表， 第n个影响因素以fn代表，然后依据因素空间理论构建用于尾矿坝稳定性综合评价的因素空 间，最后利用未确知数学理论和信息熵理论及置信度准则完成对尾矿坝稳定性g的综合评价， 具体包括下述步骤：
S1、确定尾矿坝稳定性的等级
依据《尾矿库安全技术规程》，结合生产实践经验，将尾矿坝稳定性划分为k个等级，1 ≤k≤5，gk代表尾矿坝稳定性的第k个等级，其中：g1代表极稳定等级，g2代表稳定等级， g3代表较稳定等级，g4代表不稳定等级，g5代表极不稳定等级；尾矿坝稳定性等级见表3；
S2、确定尾矿坝稳定性的影响因素fn数量
确定尾矿坝稳定性的影响因素fn；依据影响因素fn的性质特征，将其分类归为定量因素 和定性因素，其中：定量因素为i个，定性因素为j个，即共有i+j个影响因素fn：
f1，f2，……，fn，……，fi+j；1≤n≤i+j；
S3、确定单影响因素fn对尾矿坝稳定性影响的量化评价指标ank
量化评价指标ank代表单影响因素fn对尾矿坝稳定性的影响强度，1≤k≤5；依据《尾矿 库安全技术规程》，并结合生产实践经验，定量因素影响的量化评价指标ank通过查阅历史资 料、现场试验和仪器检测数据来确定；定性因素影响的量化评价指标ank根据生产实践经验和 业内专家的评价打分来确定，业内各专家的评价打分结合表4进行，取加权平均值；
通过上述确定量化评价指标ank的方法，获得单影响因素fn对尾矿坝稳定性的影响评价 指标ank，k＝1、2、3、4、5，即an1，an2，an3，an4，an5一组评价指标；
重复i+j次上述确定量化评价指标ank的方法，获得i+j个影响因素的i+j组评价指标；
S4、构建尾矿坝稳定性综合评价的因素空间
将步骤S3中获得的数据代入表1中，得到尾矿坝稳定性评价的单影响因素(fn)空间 如下：
表1尾矿坝稳定性评价的单影响因素(fn)空间
Figure BDA0002270847300000031
依据因素空间理论，将i+j个影响因素的尾矿坝稳定性评价的单影响因素(fn)空间组合 在一起，构建用于尾矿坝稳定性综合评价的影响因素空间，如表2所示；
表2尾矿坝稳定性评价的影响因素空间
Figure BDA0002270847300000032
S5、利用未确知数学理论计算单影响因素下尾矿坝稳定性的测度，构造单影响因素测度 矩阵；
S6、利用信息熵理论，确定各影响因素的客观权重；
S7、利用因素空间的因素合成原理，将高维度的单影响因素测度矩阵降维，生成合因素 测度向量，依据置信度准则完成尾矿坝稳定性的综合评价。
本发明所述的尾矿坝稳定性的影响因素fn包括以下因素：
Figure BDA0002270847300000033
Figure BDA0002270847300000041
在步骤S5中，利用未确知数学理论，依据表1尾矿坝稳定性评价的单影响因素(fn)空间， 得出单因素测度矩阵，具体步骤如下：
S5.1、构造单因素测度向量
采用线性内插法，运用公式(1)，构造直线型未确知函数：
Figure BDA0002270847300000042
式中：n代表第n个影响因素(1≤n≤i+j)；k代表尾矿坝稳定性的第k个等级(1≤k≤5)；xn代表第n个影响因素(fn)在尾矿坝稳定性第k个等级和第k+1个等级之间的赋值，ank和an(k+1)代表只考虑第n个影响因素(fn)对尾矿坝稳定性的影响，尾矿坝稳定性被评价为第k个等级和第k+1个等级时的评价指标；μnk(xn)和μn(k+1)(xn)分别代表只考虑第n个 影响因素(fn)对尾矿坝的影响，尾矿坝被评价为第k个等级和第k+1个等级时的测度，得 到单影响因素测度向量公式(2)，实现了单影响因素下尾矿坝稳定性的评价；
μn＝(μn1,μn2,μn3,μn4,μn5)(1≤n≤i+j) (2)
S5.2、构造单影响因素测度矩阵
将i+j个影响因素的测度向量组合到一起，得出用于尾矿坝稳定性综合评价的单影响因素 测度矩阵μ(i+j)×5，
Figure BDA0002270847300000051
在步骤S6中，以信息熵理论为基础，为各影响因素赋予变动的客观权重；具体步骤如下：
S6.1、采用公式(3)计算影响因素的峰值
Figure BDA0002270847300000052
式中：vn(1≤n≤i+j，0≤vn≤1)代表第n个影响因素(fn)的峰值；k代表尾矿坝稳定性的第k个等级(1≤k≤5)；μnk代表只考虑第n个因素(fn)对尾矿坝的影响，尾矿坝被评 价为第k个等级的测度；
S6.2、采用公式(5)为影响因素赋予归一化的客观权重
Figure BDA0002270847300000053
式中：ωn(1≤n≤i+j)代表第n个因素(fn)的归一化权重；n代表第n个影响因素(1≤n≤i+j)；vn代表第n个影响因素(fn)的峰值；于是，可得出影响因素的归一化客观权重 向量：
ω＝(ω1,ω2,…,ωn,…,ω(i+j)) (6)
在步骤S7中，利用因素合成原理，将高维度的因素空间降维，生成合因素测度向量；再 依据置信度准则完成对尾矿坝稳定性的综合评价，具体步骤如下：
S7.1、利用公式(7)，将单因素测度矩阵μ(i+j)×5与影响因素客观权重向量ω相乘，实现 因素空间降维，生成合因素测度向量。
m＝(m1,m2,m3,m4,m5)＝ω1×(i+j)×μ(i+j)×5 (7)
式中：m代表用于尾矿坝稳定性综合评价的合因素测度向量，其中元素mk(1≤k≤5) 代表综合考虑i+j个因素对尾矿坝稳定性的影响，将尾矿坝稳定性评价为第k个等级的测度； ω1×(i+j)代表i+j个影响因素的归一化客观权重向量；μ(i+j)×5代表单因素测度矩阵。
S7.2、依据置信度准则，预先确定一个置信度阈值λ(λ>0.5)。将合因素测度向量m中 的元素从左至右逐个相加，若合因素测度向量m中前k个元素相加后的结果首次大于等于置 信度阈值λ，则将尾矿坝稳定性综合评价为第k个等级，即为gk等级。
表3尾矿坝稳定性的等级(k＝1、2、3、4、5)
Figure BDA0002270847300000061
表4定性因素的量化评价指标ank
Figure BDA0002270847300000062
Figure BDA0002270847300000071
与现有技术相比，本发明的优点是：
1)本发明充实了尾矿坝稳定性评价的定量因素，引入了尾矿坝稳定性评价的定性因素， 使尾矿坝稳定性评价更全面、客观、准确和可靠。
2)本发明应用因素空间理论、未确知数学理论和信息熵理论，建立了一种基于因素空间 的尾矿坝稳定性综合评价方法，该方法科学合理，可推广应用。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
以某尾矿坝为实施例，采用本发明方法进行尾矿坝稳定性综合评价。
该尾矿坝采用上游式筑坝法，初期坝为堆石坝，初期坝高18m，堆积坝坝高17.6m，总 坝高35.6m，全库容130万m3，尾矿库属于四级库，最小安全超高为0.5m，最小滩长为50m；如图1所示，尾矿坝稳定性综合评价具体包括下述步骤：
S1、确定尾矿坝稳定性的等级k
依据《尾矿库安全技术规程》，结合生产实践经验，将尾矿坝稳定性的等级k划分为5个 等级，其中：g1代表极稳定等级，g2代表稳定等级，g3代表较稳定等级，g4代表不稳定等级， g5代表极不稳定等级；尾矿坝稳定性等级见表3：
S2、确定尾矿坝稳定性的影响因素fn数量
依据《尾矿库安全技术规程》，借鉴尾矿坝运营维护管理的生产实践和业内专家的经验， 将尾矿坝稳定性的影响因素确定为27个，其中16个为定量因素，11个为定性因素，即i＝16， j＝11，具体见表5。
表5尾矿坝稳定性的影响因素
Figure BDA0002270847300000081
Figure BDA0002270847300000091
S3、确定单影响因素fn对尾矿坝稳定性影响的量化评价指标ank
量化评价指标ank代表单影响因素fn对尾矿坝稳定性的影响强度，1≤k≤5；依据《尾矿 库安全技术规程》，并结合生产实践经验，定量因素影响的量化评价指标ank通过查阅历史资 料、现场试验和仪器检测数据来确定；定性因素影响的量化评价指标ank根据生产实践经验和 业内专家的评价打分来确定，业内各专家的评价打分结合表4进行，取加权平均值；
通过上述确定量化评价指标ank的方法，获得单影响因素fn对尾矿坝稳定性的影响评价指 标ank，k＝1、2、3、4、5，即an1，an2，an3，an4，an5一组评价指标；例如，对于n＝5，f5为定性因素水土流失，获得a51＝95，a52＝85，a53＝70，a54＝60，a55＝40；重复i+j＝27次上述确定量 化评价指标ank的方法，获得27个影响因素的27组评价指标；
S4、构建尾矿坝稳定性综合评价的因素空间
将步骤S3中获得的评价指标代入表1，得到影响因素f5的尾矿坝稳定性评价的单因素 空间如下：
表1尾矿坝稳定性评价的单因素(f5)空间
Figure BDA0002270847300000092
依据因素空间理论，将27组评价指标分别代入表1，得到27个影响因素的尾矿坝稳定性评价的单因素空间；将27个单影响因素(fn)空间组合在一起，构建用于尾矿坝稳定性综合评价的影响因素空间，如表2所示；
表2尾矿坝稳定性评价的因素空间
Figure BDA0002270847300000101
注：*代表定性因素。
S5计算单影响因素下尾矿坝稳定性的测度，构造单影响因素测度矩阵；
利用未确知数学理论，依据表1尾矿坝稳定性评价的单影响因素(fn)空间，构造单因 素测度矩阵，具体步骤如下：
S5.1、构造单因素测度向量
采用线性内插法，运用公式(1)，构造直线型未确知函数：
Figure BDA0002270847300000111
式中：n代表第n个影响因素(1≤n≤27)；k代表尾矿坝稳定性的第k个等级(1≤k≤5)；xn代表第n个影响因素(fn)在尾矿坝稳定性第k个等级和第k+1个等级之间的赋值，ank和an(k+1)代表只考虑第n个影响因素(fn)对尾矿坝稳定性的影响，尾矿坝稳定性被评价为第k个等级和第k+1个等级时的评价指标；μnk(xn)和μn(k+1)(xn)分别代表只考虑第n个 影响因素(fn)对尾矿坝的影响，尾矿坝被评价为第k个等级和第k+1个等级时的测度，得 到单影响因素测度向量公式(2)，实现了单影响因素下尾矿坝稳定性的评价；
μn＝(μn1,μn2,μn3,μn4,μn5)(1≤n≤27) (2)
S5.2、构造单影响因素测度矩阵
将27个影响因素的单影响因素测度向量组合到一起，得出用于尾矿坝稳定性综合评价的 单影响因素测度矩阵μ27×5，
Figure BDA0002270847300000121
S6、确定各影响因素的客观权重；
在步骤S6中，以信息熵理论为基础，为各影响因素赋予变动的客观权重；具体步骤如下：
S6.1、采用公式(4)计算影响因素的峰值
Figure BDA0002270847300000122
式中：vn(1≤n≤27，0≤vn≤1)代表第n个影响因素(fn)的峰值；k代表尾矿坝稳定性的第k个等级(1≤k≤5)；μnk代表只考虑第n个因素(fn)对尾矿坝的影响，尾矿坝被评 价为第k个等级的测度；
S6.2、采用公式(5)为影响因素赋予归一化的客观权重
Figure BDA0002270847300000123
式中：ωn(1≤n≤27)代表第n个因素(fn)的归一化权重；n代表第n个影响因素(1≤n≤27)；vn代表第n个影响因素(fn)的峰值；于是，可得出影响因素的归一化客观权重向量：
ω＝(0.047，0.047，0.032，0.044，0.027，0.028，0.047，0.034，0.027，0.047，0.047，0.04， 0.03，0.047，0.027，0.047，0.047，0.032，0.047，0.035，0.027，0.027，0.047，0.035，0.028， 0.027，0.03)(6)
S7、利用因素空间的因素合成原理，将高维度的单影响因素测度矩阵降维，生成合因素 测度向量，依据置信度准则完成尾矿坝稳定性的综合评价。
在步骤S7中，具体步骤如下：
S7.1、利用公式(7)，将单因素测度矩阵μ27×5与影响因素客观权重向量ω相乘，实现因素 空间降维，生成合因素测度向量。
m＝(m1,m2,m3,m4,m5)＝ω1×27×μ27×5 (7)
m＝(0.260，0.428，0.125，0.125，0.062)
式中：m代表用于尾矿坝稳定性综合评价的合因素测度向量，其中元素mk(1≤k≤5) 代表综合考虑27个因素对尾矿坝稳定性的影响，将尾矿坝稳定性评价为第k个等级的测度； ω1×27代表27个影响因素的归一化客观权重向量；μ27×5代表单因素测度矩阵。
S7.2、依据置信度准则，选取置信度阈值λ＝0.6，依据置信度准则，由于m1+ m2＝0.260+0.428＝0.688＞0.6，综合考虑该尾矿坝在27个影响因素共同作用下，将该尾矿坝的稳定性评价为g2，为稳定等级。

Claims (5)

1.一种基于因素空间的尾矿坝稳定性综合评价方法，其特征在于,首先将尾矿坝稳定性作为结果因素，以g代表，然后选取与结果因素相关的因素作为影响因素，以f代表，第n个影响因素以fn代表，然后依据因素空间理论构建用于尾矿坝稳定性综合评价的因素空间，最后利用未确知数学理论和信息熵理论及置信度准则完成对尾矿坝稳定性g的综合评价，具体包括下述步骤：
S1、确定尾矿坝稳定性的等级
依据《尾矿库安全技术规程》，结合生产实践经验，将尾矿坝稳定性划分为k个等级，1≤k≤5，gk代表尾矿坝稳定性的第k个等级，其中：g1代表极稳定等级，g2代表稳定等级，g3代表较稳定等级，g4代表不稳定等级，g5代表极不稳定等级；尾矿坝稳定性等级见表3；
S2、确定尾矿坝稳定性的影响因素fn数量
确定尾矿坝稳定性的影响因素fn；依据影响因素fn的性质特征，将其分类归为定量因素和定性因素，其中：定量因素为i个，定性因素为j个，即共有i+j个影响因素fn：
f1，f2，……，fn，……，fi+j；1≤n≤i+j；
S3、确定单影响因素fn对尾矿坝稳定性影响的量化评价指标ank
量化评价指标ank代表单影响因素fn对尾矿坝稳定性的影响强度，1≤k≤5；依据《尾矿库安全技术规程》，并结合生产实践经验，定量因素影响的量化评价指标ank通过查阅历史资料、现场试验和仪器检测数据来确定；定性因素影响的量化评价指标ank根据生产实践经验和业内专家的评价打分来确定，取加权平均值；
通过上述确定量化评价指标ank的方法，获得单影响因素fn对尾矿坝稳定性的影响评价指标ank，k＝1、2、3、4、5，即an1，an2，an3，an4，an5一组评价指标；
重复i+j次上述确定量化评价指标ank的方法，获得i+j个影响因素的i+j组评价指标；
S4、构建尾矿坝稳定性综合评价的因素空间
将步骤S3中获得的数据代入表1中，得到尾矿坝稳定性评价的单影响因素(fn)空间如下：
表1尾矿坝稳定性评价的单影响因素(fn)空间
Figure FDA0002270847290000011
依据因素空间理论，将i+j个影响因素的尾矿坝稳定性评价的单影响因素(fn)空间组合在一起，构建用于尾矿坝稳定性综合评价的影响因素空间，如表2所示；
表2尾矿坝稳定性评价的影响因素空间
Figure FDA0002270847290000021
S5、利用未确知数学理论计算单影响因素下尾矿坝稳定性的测度，构造单影响因素测度矩阵；
S6、利用信息熵理论，确定各影响因素的客观权重；
S7、利用因素空间的因素合成原理，将高维度的单影响因素测度矩阵降维，生成合因素测度向量，依据置信度准则完成尾矿坝稳定性的综合评价。
2.根据权利要求1所述的一种基于因素空间的尾矿坝稳定性综合评价方法，其特征在于，所述的尾矿坝稳定性的影响因素fn包括如下因素：
Figure FDA0002270847290000022
Figure FDA0002270847290000031
3.根据权利要求1所述的一种基于因素空间的尾矿坝稳定性综合评价方法，其特征在于，在步骤S5中，利用未确知数学理论，依据表3尾矿坝稳定性评价的单影响因素(fn)空间，得出单因素测度矩阵，具体步骤如下：
S5.1、构造单因素测度向量
采用线性内插法，运用公式(1)，构造直线型未确知函数：
Figure FDA0002270847290000032
式中：n代表第n个影响因素(1≤n≤i+j)；k代表尾矿坝稳定性的第k个等级(1≤k≤5)；xn代表第n个影响因素(fn)在尾矿坝稳定性第k个等级和第k+1个等级之间的赋值，ank和an(k+1)代表只考虑第n个影响因素(fn)对尾矿坝稳定性的影响，尾矿坝稳定性被评价为第k个等级和第k+1个等级时的评价指标；μnk(xn)和μn(k+1)(xn)分别代表只考虑第n个影响因素(fn)对尾矿坝的影响，尾矿坝被评价为第k个等级和第k+1个等级时的测度，得到单影响因素测度向量公式(2)，实现了单影响因素下尾矿坝稳定性的评价；
μn＝(μn1,μn2,μn3,μn4,μn5)(1≤n≤i+j) (2)
S5.2、构造单影响因素测度矩阵
将i+j个影响因素的测度向量组合到一起，得出用于尾矿坝稳定性综合评价的单影响因素测度矩阵μ(i+j)×5，
Figure FDA0002270847290000041
。
4.根据权利要求1所述的一种基于因素空间的尾矿坝稳定性综合评价方法，其特征在于，在步骤S6中，以信息熵理论为基础，为各影响因素赋予变动的客观权重；具体步骤如下：
S6.1、采用公式(3)计算影响因素的峰值
Figure FDA0002270847290000042
式中：vn(1≤n≤i+j，0≤vn≤1)代表第n个影响因素(fn)的峰值；k代表尾矿坝稳定性的第k个等级(1≤k≤5)；μnk代表只考虑第n个因素(fn)对尾矿坝的影响，尾矿坝被评价为第k个等级的测度；
S6.2、采用公式(5)为影响因素赋予归一化的客观权重
Figure FDA0002270847290000043
式中：ωn(1≤n≤i+j)代表第n个因素(fn)的归一化权重；n代表第n个影响因素(1≤n≤i+j)；vn代表第n个影响因素(fn)的峰值；于是，可得出影响因素的归一化客观权重向量：
ω＝(ω1,ω2,…,ωn,…,ωi+j) (6) 。
5.根据权利要求1所述的一种基于因素空间的尾矿坝稳定性综合评价方法，其特征在于，在步骤S7中，利用因素合成原理，将高维度的因素空间降维，生成合因素测度向量；再依据置信度准则完成对尾矿坝稳定性的综合评价，具体步骤如下：
S7.1、利用公式(7)，将单因素测度矩阵μ(i+j)×5与影响因素客观权重向量ω相乘，实现因素空间降维，生成合因素测度向量。
m＝(m1,m2,m3,m4,m5)＝ω1×(i+j)×μ(i+j)×5 (7)
式中：m代表用于尾矿坝稳定性综合评价的合因素测度向量，其中元素mk(1≤k≤5)代表综合考虑i+j个因素对尾矿坝稳定性的影响，将尾矿坝稳定性评价为第k个等级的测度；ω1×(i+j)代表i+j个影响因素的归一化客观权重向量；μ(i+j)×5代表单因素测度矩阵。
S7.2、依据置信度准则，预先确定一个置信度阈值λ(λ>0.5)。将合因素测度向量m中的元素从左至右逐个相加，若合因素测度向量m中前k个元素相加后的结果首次大于等于置信度阈值λ，则将尾矿坝稳定性综合评价为第k个等级，即为gk等级。
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