巖爆成因機(jī)理與AHP-FUZZY的淺析

王英豪,康國(guó)強(qiáng),鄭 超

(河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,天津 300250)

巖爆成因機(jī)理與AHP-FUZZY的淺析

王英豪,康國(guó)強(qiáng),鄭 超

(河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,天津 300250)

巖爆是一種巖體中聚集的彈性變形勢(shì)能在一定條件下的突然猛烈釋放,導(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來(lái)的現(xiàn)象。在適宜的地應(yīng)力條件下,巖性條件和埋深等因素的單獨(dú)作用或綜合作用,可發(fā)生巖爆現(xiàn)象。淺析AHPFUZZY法的評(píng)判和預(yù)測(cè)及形狀控制法。在AHP-FUZZY法中,關(guān)鍵是評(píng)判因子的確定和對(duì)其統(tǒng)計(jì)分析的合理性。在形狀控制法中,諧洞是最理想的選擇。

巖爆;地應(yīng)力;臨界埋深;評(píng)判因子;形狀控制;諧洞

1 巖爆成因機(jī)理

1.1 地應(yīng)力條件

當(dāng)巖體的自重應(yīng)力大,原巖應(yīng)力高,并出現(xiàn)局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象,此時(shí),從能量守恒的角度考慮,當(dāng)外界的誘發(fā)因素觸及并參與了這個(gè)守恒模式,勢(shì)必發(fā)生能量守恒外泄的現(xiàn)象,即巖爆。20世紀(jì)80年代,A.Kidybinski[1]提出彈性能量指數(shù)Wet,即沖擊傾向指數(shù),它是彈性巖石試件在受力變形過(guò)程中,達(dá)到峰值強(qiáng)度以前積累的彈性應(yīng)變能與卸載所得的耗損應(yīng)變能之比。Wet能較好的反映巖爆的存在及其強(qiáng)度,一般的判別:Wet<2.0(無(wú)沖擊傾向),2.0≤Wet≤5.0(中等沖擊傾向),Wet>5.0(強(qiáng)烈沖擊傾向)。另一種巖爆的判別準(zhǔn)則[2]σθ/σc≥(0.30+0.20σL/σθ)(發(fā)生巖爆),Wet≥5(發(fā)生巖爆)。

1.2 巖性條件

巖爆一般發(fā)生在致密高強(qiáng)度和完整的巖體中[3]。影響巖爆最主要的的兩個(gè)巖性是:σθ和σc,即巖石的單軸抗拉強(qiáng)度和巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。據(jù)陸家佑的判別,其準(zhǔn)則為:當(dāng)σθ/σc≥Ks時(shí),發(fā)生巖爆。當(dāng)σt/σc=0.25、0.50、0.75、1.00時(shí),Ks分別為0.30、0.40、0.45、0.50。

1.3 臨界埋深

在分析巖爆發(fā)生的高地應(yīng)力條件和圍巖儲(chǔ)存高應(yīng)變能的條件后,可通過(guò)工程類比法并結(jié)合巖爆的臨界深度對(duì)埋深進(jìn)行定量的分析[4]。

式中:Rb——巖石單軸抗壓強(qiáng)度;μ——巖石泊松比;γ——巖石容重。

2 層次分析——模糊數(shù)學(xué)評(píng)判法(AHPFUZZY)

2.1 評(píng)判因子的確定

與巖性條件有關(guān)的強(qiáng)度脆性系數(shù)、巖爆傾向指數(shù)、線彈性能;與應(yīng)力條件有關(guān)的應(yīng)力系數(shù)、T準(zhǔn)則和應(yīng)力指數(shù);與巖體結(jié)構(gòu)條件有關(guān)的圍巖類別和RQD指標(biāo)。

2.2 評(píng)判因子的層次分析

(1)建立巖爆發(fā)生的梯階層次結(jié)構(gòu)模型,如圖1所示。

圖1 巖爆發(fā)生烈度梯階層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Stucture model of intensity hierarchy in rock burst

(2)采用1～9標(biāo)度方法(A.LSatty),建立各層次中各指標(biāo)的相關(guān)因素的兩兩比較判別矩陣,即:A-Bi判別矩陣,Bi-Ci判別矩陣。

(3)因素單排序:采用“特征根法”分別求出A-Bi判別矩陣、Bi-Ci判別矩陣的特征根及對(duì)應(yīng)的權(quán)值向量,最后分別進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

(4)層次總排序:由各層次單因素排序結(jié)果自上而下將其權(quán)重進(jìn)行合成,最終求得各因素對(duì)于總目標(biāo)的相對(duì)權(quán)重,特別是最低層中各因素對(duì)于總目標(biāo)的排序權(quán)重(表1)。各因素對(duì)巖爆發(fā)生的影響程度由重到輕的排列為:應(yīng)力系數(shù)C2、傾向指數(shù)C3、T準(zhǔn)則值C6、應(yīng)力指數(shù)C8、RQD指標(biāo)C7、圍巖類別C5、脆性指數(shù)C1、線彈性能C4。

表1 巖爆AHP-FUZZY預(yù)測(cè)法層次總排序結(jié)果Table 1 Hierachy general ranking result in AHP-FUZZY

2.3 巖爆AHP-FUZZY預(yù)測(cè)

(1)在模糊評(píng)判集中,按照工程習(xí)慣將巖爆分為4個(gè)等級(jí):無(wú)巖爆、弱巖爆、中等巖爆和強(qiáng)巖爆。參考國(guó)內(nèi)外已有的成果和李天賦教授的研究所確定的單因子分級(jí)界限,得到的巖爆評(píng)判等級(jí)及單因素判別標(biāo)準(zhǔn)如下:

表2 巖爆評(píng)判等級(jí)及單因素判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Criterion standard of evaluation grade and single factor

(2)AHP-FUZZY綜合評(píng)價(jià)。對(duì)以上評(píng)判因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用2次拋物線型模糊分布模型,得到的標(biāo)準(zhǔn)方程如下:

式中:u1(xi)為2次拋物線型分布隸屬度偏小型;u2(xi)、u3(xi)為2次拋物線型分布隸屬度中間型;u4(xi)為2次拋物線型分布隸屬度偏大型。xi為第i個(gè)因子的指標(biāo)值;ai,bi,ci均為第i個(gè)因子的分界值。

在實(shí)際應(yīng)用中,先進(jìn)行單因素評(píng)價(jià),將8個(gè)評(píng)判因子的指標(biāo)值xi代入隸屬函數(shù)式①～③中,求得單因素的模糊關(guān)系矩陣U。然后將U與通過(guò)上述層次分析得到的全矩陣W按照加權(quán)平均法進(jìn)行合成,得到綜合評(píng)判矩陣集B,其中B=W×U(B1,B2,B3,B4)。

(3)最后按照最大隸屬度原則,即可對(duì)巖爆發(fā)生集巖爆的烈度進(jìn)行綜合評(píng)判。

2.4 AHP-FUZZY法的優(yōu)化

在AHP-FUZZY評(píng)判因子確定時(shí),應(yīng)盡可能多的找出與巖爆內(nèi)外因有關(guān)的因素,以適應(yīng)數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析的規(guī)律性。而在評(píng)判因子的層次分析中,應(yīng)將權(quán)值數(shù)較大的因子放在重要的位置上。對(duì)評(píng)判因子進(jìn)行模糊曲線擬合時(shí),可以嘗試除2次拋物線以外的其他曲線擬合。

2.5 洞室尺寸即形狀控制法

巖爆存在洞室效應(yīng)[5],同一洞室形狀下,巖爆都隨洞室開(kāi)挖尺寸的增大而增強(qiáng);同一尺寸下,諧洞(橢圓)是減少巖爆最有利的洞形,半圓直墻形和圓形次之,半圓形最差。

故可在地應(yīng)力及地質(zhì)構(gòu)造等外界因素已確定的條件下,盡可能減少洞室的開(kāi)挖尺寸和選擇橢圓形的洞形。

3 結(jié)語(yǔ)

由于巖爆的復(fù)雜性,本文僅僅從有限的角度去考慮并分析巖爆的成因及防治措施,隨著對(duì)巖爆的進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和研究,一些較好的科學(xué)的方法勢(shì)必會(huì)逐步的出現(xiàn),解決巖爆這一工程界的難題。

[1] K IDYB INSKI A..Bursting liability indices of coal[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts,1981,18(4):295-304.

[2] 楊濤,李國(guó)維.基于先驗(yàn)知識(shí)的巖爆預(yù)測(cè)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000,19(4):429-431.

[3] 王元漢,李臥東,李啟光等.巖爆預(yù)測(cè)的模糊數(shù)學(xué)總和評(píng)判法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1998,17(5):493-501.

[4] 許東俊,章光,李廷芥等.巖爆應(yīng)力狀態(tài)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000,19(2):169-172.

[5] 孟陸波,趙建壯.巖爆的洞室效應(yīng)[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2008,19(2):157-160.

(責(zé)任編輯:李 雯)

Formation Mechan ism of Rock Burst and AHP-FUZZY

WANG Yinghao,KANG Guoqiang,ZHENG Chao
(Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservacy&Hydropower,Tianjin300250)

Rockburst is a phenomenon,which is a release allof a sudden in potential energy according to accumulation of elastic defor mation of rock mass under certain con-ditions.There will be a explosion of rock mass under the conditions of appropriate geost-aticstress,lithological conditions and certain depth and so on with the effects of factors solely or synthetically.This papermakes a analysis of AHP-FUZZY,a forecast and Shape Control Law.In AHP-FUZZY,the Key factor is the determination of the evaluation factor and the rationality of rtatistical analysis.Harmonic hole is the best choice of all the holes in Shape ControlLaw.

rockburst;geostatic stress;critical depth;evaluation factor;Shape ControlLaw;har monic hole

TD23

A

1671-1211(2010)05-0612-03

2010-08-10;改回日期:2010-09-06

王英豪(1982-),男,助理工程師,地質(zhì)工程專業(yè),從事工程地質(zhì)與水文地質(zhì)工作。E-mail:2002wangyinghao@163.com