某采空區(qū)穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系構(gòu)建及定量分析

閻曉榮　柯　波　羅黎明　李　爽

(1.葛洲壩易普力新疆爆破工程有限公司；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院；3.湖北永業(yè)行評估咨詢有限公司)

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某采空區(qū)穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系構(gòu)建及定量分析

閻曉榮1柯波2羅黎明2李爽3

(1.葛洲壩易普力新疆爆破工程有限公司；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院；3.湖北永業(yè)行評估咨詢有限公司)

采空區(qū)是礦山最大的安全隱患之一，其穩(wěn)定與否直接影響礦山的安全生產(chǎn)。采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素具有復(fù)雜性與不確定性，通過分析采空區(qū)穩(wěn)定性的主要影響因素，建立了多層次的采空區(qū)穩(wěn)定性評價模型。以云南某礦山工程為例，利用層次分析法，從地質(zhì)水文條件、采空區(qū)特征參數(shù)、其他因素等方面對該礦采空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素進行了定量分析，并進行了采空區(qū)穩(wěn)定性評價，為有效進行采空區(qū)穩(wěn)定性評價提供了有效途徑。

采空區(qū)穩(wěn)定性評價層次分析法定量分析

由于礦產(chǎn)資源的大量開采，遺留了許多安全隱患，嚴(yán)重威脅了人類生命安全和生態(tài)環(huán)境[1-3]。在該類安全隱患中，采空區(qū)是最大的安全隱患之一，采空區(qū)圍巖在地下施工的爆炸沖擊作用下易發(fā)生垮落，能量累積效應(yīng)易引起大面積空區(qū)坍塌等[4-7]，在很大程度上影響了礦山的安全生產(chǎn)，因此，對采空區(qū)進行穩(wěn)定性評價對于確保礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。近年來，國內(nèi)外大量學(xué)者對采空區(qū)探測方法、采空區(qū)穩(wěn)定性評價、采空區(qū)處理技術(shù)等方面進行了深入研究，成果豐碩[8-11]。在進行采空區(qū)穩(wěn)定性評價的前提下，采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧Σ煽諈^(qū)進行有效治理，是采礦生產(chǎn)作業(yè)中時常面臨的問題，但由于采礦條件和礦山地質(zhì)條件的不確定性和復(fù)雜性，導(dǎo)致難以對采空區(qū)的危害進行定量評價。為此，本研究以云南某礦為例，擬用層次分析法對該礦采空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素進行分析，為合理設(shè)計礦房尺寸以及進行安全回采提供理論依據(jù)。

1　工程背景

云南某礦為大型錫銅多金屬礦床，賦存于花崗巖內(nèi)蝕變帶中，蝕變帶SN走向，傾向W，走向長1 200 m，寬350～690 m，賦存標(biāo)高1 450～1 900 m。礦種以錫銅礦化為主，局部具鎢礦化。礦體產(chǎn)于花崗巖與大理巖接觸界面以內(nèi)厚15～60 m的花崗巖內(nèi)蝕變帶中，主要形態(tài)為脈狀，礦脈呈近EW向產(chǎn)出，大多傾向N，傾角70°～80°，礦脈寬0.4～1.5 m。礦區(qū)地層巖性總體較單一，以堅硬厚大的碳酸鹽巖及花崗巖為主，巖體穩(wěn)較固，礦體頂?shù)装鍘r層抗壓強度高，穩(wěn)固性較好。礦體受花崗巖表面形態(tài)的控制，多產(chǎn)于花崗巖接觸帶產(chǎn)狀陡緩變化部位，呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，以錫銅礦化為主，礦石類型主要有矽卡巖硫化礦、致密塊狀硫化礦。

2　采空區(qū)穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1層次分析法原理

用層次分析法對采空區(qū)進行穩(wěn)定性評價時通過選取一定的指標(biāo)利用層次分析得出指標(biāo)權(quán)重，在此基礎(chǔ)上對各采空區(qū)進行統(tǒng)一的量化評價。層次分析法通過對各評價指標(biāo)進行兩兩比較相對重要性，得到一個判斷矩陣，求解得到該矩陣的最大特征值對應(yīng)的特征向量的各個分量即為各指標(biāo)的權(quán)重[12]。

(1)構(gòu)造判斷矩陣。用ki、kj表示方案的指標(biāo)因素，kij表示指標(biāo)ki相對于指標(biāo)kj的重要程度，并且kij與kji互為倒數(shù)。利用方案的各因素進行兩兩比較，得到判斷矩陣。采用基于Satty提出的1～9標(biāo)度法進行判斷矩陣取值，取值范圍為1～9，見表1。

表1　層次分析法判斷矩陣取值

(2)指標(biāo)權(quán)重計算。對于判斷矩陣Dij，計算方程Db=λmaxb，求解特征向量b，特征向量b即為相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重。

(3)一致性檢驗。由于各指標(biāo)的重要程度由專家打分，存在隨意性，為確定權(quán)重分配是否合理，需對判斷矩陣進行一致性檢驗。當(dāng)指標(biāo)數(shù)值小于0.1時，認為判斷矩陣滿足一致性檢驗，否則需重新構(gòu)造判斷矩陣，直至滿足一致性檢驗要求為止。

2.2評價指標(biāo)體系

基于層次分析法的基本原理，建立了一套完整的采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素評價指標(biāo)體系(圖1)。

3　定量分析

根據(jù)層次分析法的計算步驟，確定準(zhǔn)則層各指標(biāo)權(quán)重并進行一致性檢驗。根據(jù)專家調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，得到關(guān)于地質(zhì)水文、采空區(qū)參數(shù)、其他因素等方面的準(zhǔn)則層判斷矩陣，如表2所示。

圖1　采空區(qū)穩(wěn)定性評價指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)表2　準(zhǔn)則層判斷矩陣

采空區(qū)穩(wěn)定性地質(zhì)水文條件采空區(qū)特征參數(shù)其他因素地質(zhì)水文條件1.00001.00004.0000采空區(qū)特征參數(shù)1.00001.00003.0000其他因素0.25000.33331.0000

由準(zhǔn)則層T判斷矩陣可得準(zhǔn)則層各指標(biāo)重要程度排序向量，即準(zhǔn)則層權(quán)重矩陣W=[0.457 7，0.416 0，0.126 3]，此時計算得到CR值為0.008 9(小于0.1)，表明一致性檢驗結(jié)果符合要求，故準(zhǔn)則層權(quán)重向量W合理可靠。

根據(jù)專家調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，地質(zhì)水文條件各指標(biāo)判斷矩陣如表3所示。

表3　地質(zhì)水文條件各指標(biāo)判斷矩陣

由地質(zhì)水文條件各指標(biāo)判斷矩陣得到地質(zhì)水文條件各指標(biāo)權(quán)重矩陣W1=[0.496 4，0.211 1，0.060 3，0.232 2]T，此時計算得到CR值為0.011 1(小于0.1)，表明一致性檢驗結(jié)果符合要求，故地質(zhì)水文條件指標(biāo)層權(quán)重向量W1合理可靠。

根據(jù)專家調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，采空區(qū)特征參數(shù)各指標(biāo)判斷矩陣如表4所示。

表4　采空區(qū)特征參數(shù)各指標(biāo)判斷矩陣

由采空區(qū)特征參數(shù)指標(biāo)判斷矩陣得到采空區(qū)特征參數(shù)各指標(biāo)權(quán)重矩陣W2=[0.326 8，0.386 4，0.040 8，0.097 7，0.148 2]T。此時計算得到的CR值為0.046 5(小于0.1)，表明一致性檢驗結(jié)果符合要求，故采空區(qū)特征參數(shù)指標(biāo)層權(quán)重向量W2合理可靠。

根據(jù)專家調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，有關(guān)采空區(qū)穩(wěn)定性其他各因素指標(biāo)的判斷矩陣如表5所示。

根據(jù)其他因素指標(biāo)判斷矩陣得到其他因素各指標(biāo)權(quán)重矩陣W3=[0.054 3，0.113 7，0.326 0，0.505 9]T。此時計算得到的CR值為0.0378(小于0.1)，表明一致性檢驗結(jié)果符合要求，故其他因素指標(biāo)層權(quán)重向量W3合理可靠。

表5　其他因素指標(biāo)判斷矩陣

根據(jù)上述計算，可得各層各指標(biāo)總權(quán)重，如圖2所示。

圖2　各指標(biāo)總權(quán)重分布

4　結(jié)　論

(1)根據(jù)德爾菲法構(gòu)建了采空區(qū)穩(wěn)定性的層次分析模型，得到斷層、RQD值、單軸抗壓強度、地下水涌水量、最大暴露面積、采空區(qū)體積、埋藏深度、高度、跨度、空間跌置層數(shù)、相鄰采區(qū)情況、頂板狀況、礦柱狀況13個綜合評價指標(biāo)。

(2)目標(biāo)層影響因素中，地質(zhì)水文條件所占權(quán)重最大，為0.457 7；次為采空區(qū)特征參數(shù)，權(quán)重為0.416 0；其他因素所占權(quán)重最小，僅為0.126 3。由準(zhǔn)則層整體重要性排序分析可知，斷層、采空區(qū)體積、最大暴露面積、地下水涌水量、巖石RQD值等為主要評價指標(biāo)。因此，在進行采空區(qū)穩(wěn)定性分析時，應(yīng)主要考慮該類因素的影響。

(3)基于層次分析法的采空區(qū)穩(wěn)定性評價可滿足評價設(shè)計的可行性、客觀性和多指標(biāo)性的基本設(shè)計原則，該方法合理可靠，適用于進行采空區(qū)穩(wěn)定性綜合評價。

[1]劉曉明，羅周全，楊承祥，等.基于實測的采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J].巖土力學(xué)，2007(S)：521-526．

[2]賀昌友，張旭.昭通鉛鋅礦采空區(qū)穩(wěn)定性的FLAC3D數(shù)值模擬研究[J].云南冶金，2009(4)：3-7．

[3]李想，朱為民，謝曉斌.FLAC3D在某鐵礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].中國礦山工程，2012(1)：25-29．

[4]吳啟紅，彭振斌，陳科平，等.礦山采空區(qū)穩(wěn)定性二級模糊綜合評判[J].中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010(2)：661-667．

[5]李孜軍，林武清，陳陽，等.基于AGA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的采空區(qū)危險性評價[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2015(7)：135-141．

[6]Aibing J,Xiaojuan L,Jinhai S.Discussion of goaf critical depth calculation methods under freeway[J].Applied Mechanics and Materials,2012(3):1454-1458．

[7]郭曉強，唐紹輝，文興，等.基于微震的采空區(qū)穩(wěn)定性分級研究[J].礦冶工程，2015(2)：6-11．

[8]馬法成.某鐵礦隱伏采空區(qū)精準(zhǔn)探測方法[J].金屬礦山，2016(5)：196-199.

[9]張德輝，朱帝杰.利用綜合物探法精準(zhǔn)探測弓長嶺露天礦采空區(qū)[J].金屬礦山，2015(10):163-167.

[10]崔曉榮，林謀金，張衛(wèi)民，等.露天多金屬礦山地下采空區(qū)綜合探測分析[J].金屬礦山，2015(1)：128-132．

[11]張剛艷.選煤廠下伏多層傾斜煤層采空區(qū)穩(wěn)定性評價與治理技術(shù)研究[J].金屬礦山，2015(4)：66-70．

[12]姚建，吳愛祥，胡燕康，等.層次分析法在濕潤劑抑塵評價中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(6):87-89.

Quantitative Analysis and Construction of the Stability Evaluation Index System of the Goaf in a Mine

Yan Xiaorong1Ke Bo2Luo Liming2Li Shuang3

(1.Gezhouba Yipuli Xinjiang Blasting Engineering Co.,Ltd.;2.School of Resources and Safety Engineering,Central South University;3.Hubei Realhom Appraisal & Consulting Co.,Ltd.)

Goaf is one of the biggest security risks in mines,the safety production of mine is affected directly by the stable or not of goaf.The influence factors of the stability of goaf with the characteristics of complexity and uncertainty.The multi-level stability evaluation model of goaf is established by analyzing the main influence factors of goaf.Taking the mine engineering inYunnan province as the research example,the stability influence factors of goaf of the mine are conducted quantitative analysis from the three aspects of geological and hydrological conditions,characteristics parameters of goaf and other factors by adopting the analytic hierarchy process,besides that,the stability evaluation of the goaf is also done to provide a effective way for the stability evaluation of goaf.

Goaf,Stability evaluation,Analytic hierarchy process,Quantitative analysis

2016-06-07)

閻曉榮(1981—)，男，工程師，830004 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市新市區(qū)經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)陽澄湖路98號。