基于加權(quán)平均法的金屬礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價

卓志榮?高?春

（中化地質(zhì)礦山總局河南地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000）

基于加權(quán)平均法的金屬礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價

卓志榮?高?春

（中化地質(zhì)礦山總局河南地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000）

根據(jù)金屬礦山開采的實際情況，在前人工作的基礎(chǔ)上，提出了采空區(qū)穩(wěn)定性的評價方法——加權(quán)平均法，通過建立指標(biāo)體系，構(gòu)建評價模型，計算采空區(qū)發(fā)生地面塌陷的概率大小。指標(biāo)體系由5個評價指標(biāo)組成，每個評價指標(biāo)分為3個等級。本文應(yīng)用加權(quán)平均對某工程實例進(jìn)行穩(wěn)定性評價，為合理處理采空區(qū)和礦山安全生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

礦山開采；采空區(qū)；加權(quán)平均法；穩(wěn)定性評價

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，礦山開采也在大規(guī)模推進(jìn)。金屬礦山開采方式大部分為地下開采，形成了大面積的采空區(qū)。由于我國目前的采礦技術(shù)尚未達(dá)到科技領(lǐng)先水平，大部分礦山?jīng)]有嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)及礦產(chǎn)資源開發(fā)利用方案進(jìn)行開采。另外，早期很多民采活動，都是依據(jù)淺顯的經(jīng)驗而為。因此，地下采空區(qū)隨著時間的推移，穩(wěn)定性逐漸變差，極易發(fā)生地面塌陷及地裂縫災(zāi)害。本文根據(jù)金屬礦山采空區(qū)穩(wěn)定性的主要影響因素，利用加權(quán)平均法進(jìn)行穩(wěn)定性評價，確定采空區(qū)發(fā)生地面塌陷災(zāi)害的可能性大小。

2 影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素分析

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》及我國礦山采空塌陷的實際情況， 地表移動盆地的范圍要比采空區(qū)面積大得多，其位置和形狀與礦層的傾角大小有關(guān)。礦層傾角平緩時，地表移動盆地位于采空區(qū)的正上方，形狀對稱于采空區(qū)；礦層傾角較大時，地表移動盆地在沿礦層走向方向仍對稱于采空區(qū)，而傾斜向方向移動盆地與采空區(qū)的關(guān)系是非對稱的，并隨著傾角的增大，盆地中心越向傾向方向偏移[1]。

采空區(qū)地表變形分為：兩種移動和三種變形。兩種移動為垂直移動（下沉）和水平移動。三種變形為傾斜變形、彎曲（曲率）、水平變形（伸張或壓縮）。

采空區(qū)的移動變形大小主要取決于以下因素[2]：

2.1 礦層因素

（1）礦層埋深越大（即開采深度越大），變形發(fā)展到地表所需的時間越長，地表變形值越小，變形比較平緩均勻，但地表移動盆地的范圍增大。

（2）礦層厚度大，采空的空間大，會促使地表的變形值增大。

（3）礦層傾角大時，使水平移動值增大，地表出現(xiàn)裂縫的可能性增大，地表移動盆地與采空區(qū)的位置更不對稱。

2.2 巖性因素

（1）上覆巖層強(qiáng)度高、分層厚度大時，產(chǎn)生地表變形所需采空面積要大，破壞過程時間長；厚度大的堅硬巖層，甚至長期不產(chǎn)生地表變形。強(qiáng)度低、分層薄的巖層，常產(chǎn)生較大的地表變形，且速度快，但變形均勻，地表一般不出現(xiàn)裂縫。脆性巖層地表易產(chǎn)生裂縫。

（2）厚度大、塑性大的軟弱巖層，覆蓋于硬脆的巖層上時，后者產(chǎn)生破壞會被前者緩沖或掩蓋，使地表變形平緩；反之，上覆軟弱巖層較薄，則地表變形會很快，并出現(xiàn)裂縫。巖層軟硬相間，且傾角較陡時，接觸處常出現(xiàn)層離現(xiàn)象。

（3）地表第四系堆積物越厚，則地表變形值增大，但變形平緩均勻。

2.3 構(gòu)造因素

（1）巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，會促進(jìn)變形加快，增大變形范圍，擴(kuò)大地表裂縫區(qū)。

（2）斷層會破壞地表移動的正常規(guī)律，改變地表移動盆地的位置和大小，斷層帶上的地表變形更加劇烈。

2.4 地下水因素

地下水活動（特別是對抗水性弱的軟弱巖層）會加快變形速度，擴(kuò)大地表變形范圍，增大地表變形值。

2.5 開采條件

礦層開采和頂板處置的方法以及采空區(qū)的大小、形狀、礦柱保留情況、工作面推進(jìn)速度等，均影響著地表變形值、變形速度和變形的形式。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

3.1 加權(quán)平均法的應(yīng)用

加權(quán)平均法又稱為綜合加權(quán)平均法，利用過去若干個按照時間順序排列起來的同一變量的觀測值并以時間順序數(shù)為權(quán)數(shù)，計算出觀測值的加權(quán)算術(shù)平均數(shù)，以這一數(shù)字作為預(yù)測未來期間該變量預(yù)測值的一種趨勢預(yù)測法。

加權(quán)平均數(shù)是不同比重數(shù)據(jù)的平均數(shù)，就是把原始數(shù)據(jù)按照合理的比例來計算，若n個數(shù)中，x1出現(xiàn)的概率為f1，x2出現(xiàn)的概率為f2，…，xk出現(xiàn)的概率為fk次，那么叫做x1，x2，…，xk的加權(quán)平均數(shù)。f1，f2，…，fk是x1，x2，…，xk的權(quán)[3～4]。

3.2 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

由于礦山開采形成的采空區(qū)引發(fā)地面塌陷具有一定的未知性，只能按照過去的一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)來推測未來發(fā)生災(zāi)害的趨勢及概率。因此，根據(jù)加權(quán)平均法的原理及影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素，本文結(jié)合一些工程實例運(yùn)用加權(quán)平均法來評價金屬礦山采空區(qū)穩(wěn)定性是比較合理和科學(xué)的。

3.2.1 指標(biāo)含義與評價因子

影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素主要包括礦層因素、巖性因素、構(gòu)造因素、地下水因素和開采條件共5項，這些因素組成了加權(quán)平均法中的不同變量（評價指標(biāo)），即x1、x2、x3、x4和x5。

影響礦山采空區(qū)穩(wěn)定性的每個評價指標(biāo)按照采空區(qū)所處的地質(zhì)環(huán)境條件可分為良好、中等和較差3個等級，不同條件下，采空區(qū)發(fā)生地面塌陷的概率fni是不一樣的。

3.2.2 評價模型

根據(jù)地下采空區(qū)形成特點及影響因素，進(jìn)行穩(wěn)定性評價。建立步驟如下[5]：

（1）確定評價指標(biāo)值

評價指標(biāo)值是根據(jù)這些因素在采空區(qū)穩(wěn)定性中所起作用程度以及過去采空區(qū)發(fā)生地面塌陷的實例來確定的。假設(shè)這五個評價指標(biāo)總和為1，則：礦層因素x1=0．25；巖性因素x2=0．20；構(gòu)造因素x3=0．25；地下水因素x4=0．15；開采條件x5=0．15。

評價指標(biāo)按照采空區(qū)所處的礦山地質(zhì)環(huán)境條件可分為良好、中等和較差三個等級，其中良好條件下采空區(qū)發(fā)生地面塌陷的概率f1i為0．15，為保守起見，影響因素全部為良好的情況下，發(fā)生地面塌陷災(zāi)害的概率為15%；中等條件下f2i為0．5，即影響因素全部為中等的情況下，發(fā)生地面塌陷災(zāi)害的概率為50%；較差條件下f3i為1．0，即影響因素全部為較差的情況下，發(fā)生地面塌陷災(zāi)害的概率為100%（見表1）[6～7]。

表1 采空區(qū)穩(wěn)定性評價指標(biāo)分類及分級表[8]

（2）計算公式

當(dāng)五項影響因素不一致時，則發(fā)生地面塌陷災(zāi)害的概率公式為：

式中：P—發(fā)生地面塌陷的概率；

xi—各因素在采空區(qū)穩(wěn)定性中所起作用程度值（評價指標(biāo)）；

fni—各指標(biāo)在不同等級下發(fā)生地面塌陷的概率。

4 實例分析

4.1 項目概況

洛陽市欒川縣某金礦礦山，由于早期民采活動，目前形成了多處采空區(qū)，其中面積最大的一處達(dá)到470m2，其具體特征如下（見表2）：

表2 某金礦礦山特征一覽表

4.2 采空區(qū)穩(wěn)定性計算

根據(jù)本文中介紹的采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法，結(jié)合表1和表2可知，由礦層因素引發(fā)地面塌陷的概率f31=1．0，由巖性因素引發(fā)地面塌陷的概率f12=0．15，由構(gòu)造因素引發(fā)地面塌陷的概率f23=0．5，由地下水因素引發(fā)地面塌陷的概率f24=0．5，由開采條件引發(fā)地面塌陷的概率f15=0．15。

根據(jù)公式（1）可計算本礦山采空區(qū)引發(fā)地面塌陷的綜合概率，

由計算可以得出，本采空區(qū)發(fā)生地面塌陷災(zāi)害的概率為50．25%。

5 結(jié)論

本文是基于加權(quán)平均法進(jìn)行的采空區(qū)穩(wěn)定性評價，由5個評價指標(biāo)，每個評價指標(biāo)可分為3個等級。通過構(gòu)建模型，對采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評價，結(jié)果具有直觀性，為采空區(qū)處理和礦山安全生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

然而，這種評價方法仍然存在著缺點和局限性，隨著以后的深入調(diào)查研究和采空區(qū)所需的研究分析，對其進(jìn)行進(jìn)一步的完善、修改，為金屬礦山采空區(qū)的防治工作提供服務(wù)。同時，也希望同行們能批評指正。

[1] 工程地質(zhì)手冊編委會． 工程地質(zhì)手冊（第四版）[S]． 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007．

[2] 張建，張遠(yuǎn)芳，袁鐵柱，陳小強(qiáng)． 采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評價[J]． 水利與建筑工程學(xué)報，2010，8（2）：145-146．

[3] 李焱． 基于加權(quán)平均法和均勻設(shè)計的多目標(biāo)進(jìn)化算法[D]． 西安：西安電子科技大學(xué)，2011．

[4] 高超． 淺析加權(quán)平均法在多目標(biāo)決策中的應(yīng)用[J]． 電腦與知識，2010，16（6）：4495-4496．

[5] 崔亮，雷學(xué)峰，趙飛虎，等． 基于加權(quán)平均法的圍巖穩(wěn)定性評價研究[J]． 煤炭工程，2011（6）：77-78．

[6] 馬云龍． 采空區(qū)穩(wěn)定性分析及影響因子研究[D]． 長沙：中南大學(xué)，2010．

[7] 李媛，曲雪妍，房浩，等． 地質(zhì)災(zāi)害綜合評價指標(biāo)體系和評價方法研究[J]． 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，40（5）：129-132．

[8] 中華人民共和國國土資源部． DZ/T 0223-2011 礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案編制規(guī)范[S]． 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011．

2016-07-18