深井充填管道磨损风险评估模型研究(

深井充填管道磨损风险评估模型研究王新民，高翔，荣帅（中南大学资源与安全工程学院湖南长沙 410083）摘要：针对充填管道磨损影响因素多且具有不确定性的特点，将突变理论和模糊数学相结合的突变级数综合评估法引入到管道磨损风险评估中。

首先，通过分析管道磨损影响因素，选取了包括骨料平均粒径等12个指标，建立了充填管道磨损风险评估模型；其次，收集了20个矿山充填系统信息作为学习样本，确定了管道磨损风险等级对应的突变级数分级标准，并验证了该评估模型精度高达90%；最后，将该模型应用到5个矿山的充填管道风险评估中，并与其他评估模型进行对比，结果表明，突变级数综合评估法计算简便，结果准确，为充填管道磨损风险评估提供了一个科学、合理的方法。

关键词：充填系统；管道磨损；突变理论；突变级数中图分类号：TD853文献标志码：AStudy on risk assessment model of deep well filling pipeline wearWANG Xinmin, GAO Xiang,RONG Shuai(School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China)Abstract: In view of the large number of uncertainties and uncertainties in the wear of the filling pipeline, the catastrophe progression method combined with catastrophe theory and fuzzy mathematics is introduced into the risk assessment of pipeline wear.First of all, through the analysis of the average size of aggregate 12 influence factors, established a risk assessment model of filling pipeline wear; secondly, the collection of20 mine filling system information as learning samples to determine the mutation seriesclassification standard corresponding to the level of risk, and verify the accuracy of the evaluation model of up to 90%; finally, the the model is applied to the filling pipeline risk assessment of 5 mines, compared with other evaluation model. The results show that the mutation comprehensive evaluation model has accuracy evaluation results, high precision, and provides a scientific and reasonable risk assessment for filling pipe wear.Keywords:Filling system; pipe wear; catastrophe theory; catastrophe progression资源开采深部化和地表尾废灾害化是目前矿业生产面临的主要问题，将尾矿以充填骨料回填至采空区，能使深井“三高一扰动”特殊开采环境得到控制，同时提高尾矿利用率，减少对地表环境的破坏[1]。

充填料浆是通过管输系统以自流或泵送形式达到采空区，在管输系统中，垂直管道最易受到输送料浆的冲击磨损而出现漏浆、跑浆等事故，导致整个充填管道输送系统失效，对矿山的安全生产造成严重影响[2~3]。

因此，进行管道磨损风险评估工作，及时提出相应的防护措施对避免生产事故和降低经济损失意义重大[4]。

目前，不少学者在充填系统评价方面做了相关研究。

张德明等[5]研究了充填管道磨损机理，收稿日期：基金项目(Foundation item)：中南大学研究生自主探索创新项目“超细全尾砂胶结充填体早期强度微观影响机理及超声特性研究”（编号：2017zzts580）和国家“十二五”科技支撑计划课题“多空区厚大矿体安全高效开采及工程化技术研究”（编号：2015BAB14B01）联合资助。

作者简介：王新民（1957-），男，安徽安庆人，教授，从事采矿与充填技术研究工作。

270625399@并利用事故数分析法对充填管道可靠性进行评价；薛希龙[6]、张钦礼[7]、过江[8]、冯巨恩等[9]分别建立了不同的综合评价模型，并应用到充填系统稳定性评价中，获得了较为满意的评价结果。

上述成果多以整个充填系统作为研究对象，针对充填管道磨损评估研究甚少。

充填管道磨损评价影响因素众多，具有不确定和不相容性，传统的数学方法很难定量分析，且常规的评价模型对指标权值具有很强的依赖性。

目前，指标权值的确定方式主要有层次分析法[10]、变权重理论[11]和熵权理论等，这些理论在权值计算过程中易受主、客观因素影响，造成指标权值计算不合理，可能导致充填管道风险评估结果的失效。

鉴于此，本文将突变理论与模糊数学相结合的突变级数综合评估模型引入到充填管道磨损风险评估中：首先以定量与定性相结合的方式确定充填管道磨损风险评估指标，建立基于突变级数法的评估模型；通过收集矿山充填资料，确定风险性等级的突变级数分级标准，并验证该评估模型的精确度；最后将该模型应用到具体矿山充填管道磨损风险评估以验证模型的可行性。

1 突变级数综合评估法原理与步骤1.1 突变级数法基本原理1968年法国数学家雷内托姆（Rene.Thom ）在微积分、拓扑学、奇点理论和结构稳定性等数学理论基础之上提出了突变理论，旨在揭示自然界突变不连续现象[12]。

突变理论主要阐述非线性系统如何从连续渐变状态走向系统性质的突变，亦即参数的连续改变如何导致不连续现象的产生。

由于应用模型简单，可操作性性强，越来越多的学者将该理论应用到工程领域的边坡[13]、采空区[14]、地下围岩硐室稳定性分析[15]，以及冲击地压[16]和突水风险等级预测[17]等方面。

传统的数学评价模型是基于指标权重来确定最终的评估结果，突变级数综合评估法只考虑指标之间相对重要性，最大限度的降低了主观性和盲目性所导致的评估失败现象，而又不失科学性与合理性。

突变理论虽然数学基础较深，但评价过程计算相对简单。

为了更好的分析突变现象，托姆总结了7种突变模型，常用的有尖点型突变(Cusp catastrophe)燕尾型突变(Swallowtail catastrophe)、蝴蝶型突变(Butterfly catastrophe)三种典型突变模型。

3种突变模型示意图如图1所示，其中图1(a)为尖点型突变模型，图1(b)为燕尾型突变模型，图1(c)为蝴蝶型突变模型。

(a) (b) (c)图1 常见突变模型示意图Fig. 1 Schematic diagram of common mutation model1.2 突变级数法评价步骤1)建立逐层结构模型。

对评价目标进行多层次矛盾分解，逐层分解至指标可以定量表示为止，最终将评价指标排列成倒立树状的层次结构；根据各状态变量下的控制变量数量确定突变模型，一般控制变量个数不超过4个；2)根据评价目标，收集并处理指标数据。

由于最底层定量数据的取值范围和量纲不同，为了便于数据间比较，首先进行无量纲化处理，将数据变化限定在0~1，在处理过程中需要区分成本型（越小越好）和效益型（越大越好）数据类型；对变量进行归一化处理，获得最底层指标的突变模糊隶属度函数。

式(4)~(6)分别为尖点型、燕尾型和蝴蝶型突变模型归一化公式。

u x = v x =(1) u x =v x = w x =(2) u x =v x =w x = t x = (3)3)突变级数的计算。

根据控制变量的数量确定突变模型后，对同一对象最底层控制变量的x 值采用大中取小的原则（非互补型变量）获得各个层次控制变量的突变级数值，若控制变量之间存在互补性，则取平均数作为突变级数值。

逐层向上计算突变级数值，最终获得总突变级数值确定风险的评估等级。

本文基于突变级数评估法进行充填管道磨损风险评估的流程见图2所示。

图2 充填管道风险评估模型流程图Fig. 2 Flow chart of backfill pipeline wear evaluation2 基于突变级数法的充填管道磨损风险评估模型2.1 充填管路磨损风险评估指标突变级数综合评估法是根据评价目的进行多层次矛盾分解得到最终的定量评价指标。

在听取了矿业相关专家的意见、矿山工作人员的实践经验和参考了大量文献的基础上，分析认为充填管道磨损主要与料浆特性、管路属性、料浆流态和管道施工质量有关，将4个因素进一步分解，可以得到充填管路磨损风险综合评估的定量指标如图3所示。

充填管道磨损风险性综合评价指标A充填料浆特性B1输送管道属性B2充填料浆流态B3管道施工质量B4充填骨料加权平均粒径C1骨料颗粒形状C2浆体腐蚀性C3浆体密度C4管道耐磨性C5管壁厚度C6钻孔内管道内径C7充填背线C8浆体流速与临界流速比值C9钻孔偏斜率C10管线变化程度C11管道安装质量C12图3充填管道磨损风险性综合评价指标体系Fig. 3 The assessment indicator system for the rock burst2.2 基于突变级数法的管道磨损风险等级分级标准的确定将充填管道磨损风险程度分为4个等级，依次是磨损风险极大(I级)、磨损风险较大(Ⅱ级)、磨损风险一般(Ⅲ级)和磨损风险较小(Ⅳ级)。

为了确定管道磨损风险等级，首先确定风险等级对应的突变级数值分级标准。

选取20个矿山充填系统资料以及现场勘查得到的管道风险等级结果作为样本，确定相应等级的突变级数分级值。

样本参数见表1。

表1 样本矿山充填系统指标值Table1index values of filling system in sample mines样本C1/mm C2C3C4/(t/m3)C5C6/mmC7/mmC8C9C10/%C11C121 0.58 2.3 2.8 1.98 2.2 16 199 3.8 1.3 2.72 3.1 2.82 0.05 4.5 5.5 1.69 6.5 22 160 9.6 3.0 0.98 5.2 5.23 0.21 6.8 7.2 1.68 7.8 26 82 5.2 1.60 0.56 7.2 6.54 0.11 4.8 4.5 1.94 5.5 20 107 5.8 3.50 1.27 5.4 5.15 0.05 5.6 5.1 1.92 5.8 22 104 3.5 3.20 1.01 5.5 5.66 0.05 7.6 6.1 1.76 7.7 28 69 3.2 1.50 2.65 6.8 7.27 0.25 5.8 5.4 1.68 5.2 20 69 5.0 1.57 1.03 5.5 5.68 0.13 4.2 4.9 1.77 4.8 22 120 3.0 1.60 0.69 4.8 4.89 0.50 7.4 7.9 1.86 7.2 28 65 6.8 1.62 1.65 7.8 6.810 0.05 4.4 5.0 1.78 5.6 20 148 4.7 1.66 1.58 5.2 5.211 0.62 2.1 3.2 1.78 3.1 18 168 4.2 1.8 1.5 3.2 2.812 0.08 3.5 4.8 1.69 6.2 22 145 9.6 3.2 0.91 4.2 5.113 0.12 5.7 6.9 1.57 6.5 26 82 5.3 1.5 0.46 6.8 6.514 0.11 4.8 4.4 1.92 4.8 24 98 5.8 3.5 1.19 5.5 5.4 15 0.06 4.9 4.2 1.92 5.6 26 104 3.8 3.3 1.01 4.7 5.6 16 0.05 5.8 6.1 1.71 7.2 28 72 3.5 1.7 2.67 6.8 7.5 17 0.28 5.8 4.6 1.68 5.5 20 78 5.2 1.6 1.18 5.5 5.9 18 0.13 5.5 5.4 1.79 4.8 24 128 3.1 1.6 0.69 4.9 4.7 19 0.52 7.4 6.3 1.83 7.7 28 69 6.7 1.5 1.65 7.5 4.9 200.054.14.11.755.2201414.91.71.585.55.4定性指标量化标准如下：1)骨料颗粒形状C 2：风险等级I 级，赋值[0,2)，颗粒表面极不规则；风险等级Ⅱ级，赋值[2,4)，颗粒表面有菱角；风险等级Ⅲ级，赋值[4,6)，颗粒表面基本光滑；风险等级Ⅳ级，赋值[6,8)，颗粒表面较光滑；2)浆体腐蚀性C 3：风险等级I 级，赋值[0,2)，偏酸性或者碱性，极易腐蚀管道；风险等级Ⅱ级，赋值[2,4)，弱酸或弱碱性，轻微腐蚀管道；风险等级Ⅲ级，赋值[4,6)，存在腐蚀风险可能；风险等级Ⅳ级，赋值[6,8)，呈中性，很难发生腐蚀作用；3)管道耐磨性C 5：风险等级I 级，赋值[0,2)，极差；风险等级Ⅱ级，赋值[2,4)，差；风险等级Ⅲ级，赋值[4,6)，好；风险等级Ⅳ级，赋值[6,8)，极好；4)管线变化程度C 11：风险等级I 级，赋值[0,2)，管路较长、布置较复杂、弯管较多；风险等级Ⅱ级，赋值[2,4)，管路长，布置复杂，弯管多；风险等级Ⅲ级，赋值[4,6)，管路布置简单，弯管少；风险等级Ⅳ级，赋值[6,8)，管路布置较简单，弯管极少；5)管道安装质量C 12：风险等级I 级，赋值[0,2)，极差；风险等级Ⅱ级，赋值[2,4)，差；风险等级Ⅲ级，赋值[4,6)，好；风险等级Ⅳ级，赋值[6,8)，很好；选取前10个充填系统资料为评估模型学习样本，后10个样本作为评估模型精度检验样本。