三山島金礦西嶺礦區(qū)深部巖體巖爆傾向性熵權(quán)法綜合預(yù)測

王 璽，王劍波，趙 杰，劉興全，劉煥新，吳欽正

(山東黃金集團(tuán)有限公司深井開采實驗室，山東 萊州 261400)

隨著淺部資源日漸枯竭，我國許多金屬礦山已逐漸轉(zhuǎn)入深部開采階段，伴隨著采深增加，地應(yīng)力不斷增大，巖爆問題也越來越突出[1-4]。深部開采中的巖爆災(zāi)害，危及施工人員和設(shè)備安全，破壞巷道和采場，影響施工進(jìn)度，給礦山安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅[5]。巖爆傾向性預(yù)測是巖爆防治工作的基礎(chǔ)[6]，業(yè)內(nèi)專家、學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，取得了一定進(jìn)展，目前巖爆預(yù)測方法主要包括理論分析和現(xiàn)場實測兩個方面?，F(xiàn)場實測法主要應(yīng)用于礦山工程施工階段，通過聲發(fā)射、微震監(jiān)測及各種應(yīng)力、位移監(jiān)測等現(xiàn)場監(jiān)測手段進(jìn)行巖爆的預(yù)警預(yù)報[7]；理論分析法適用于礦山建設(shè)初期或工程設(shè)計階段，運用一系列巖爆傾向性評價指標(biāo)、判據(jù)[8]，結(jié)合巖石力學(xué)試驗進(jìn)行巖爆傾向性分析，預(yù)測可能發(fā)生巖爆的等級[9]，提出相應(yīng)的對策。對于深部開采礦山，尤其是礦體埋深大的待采礦區(qū)，運用理論分析法開展巖爆傾向性研究，對巖爆防治和指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

山東黃金集團(tuán)三山島金礦是我國最大的黃金礦山之一，其生產(chǎn)能力和黃金產(chǎn)量均位居國內(nèi)前列。近年來，三山島金礦西嶺礦區(qū)探獲世界級巨型單體金礦床，礦體主要賦存于地下1 000～2 000 m之間，現(xiàn)已備案黃金金屬量382.58 t，平均品位4.52 g/t，預(yù)計勘探結(jié)束后，可提交黃金金屬量550 t以上，將成為國內(nèi)有史以來最大的單體金礦床。目前，西嶺礦區(qū)尚未開采，但其相鄰的西山礦區(qū)-555 m中段南翼、-960 m中段斜坡道施工時，出現(xiàn)了巖響、小石塊彈射等巖爆現(xiàn)象，影響井下安全生產(chǎn)。為盡早掌握西嶺礦區(qū)深部巖體巖爆傾向性，服務(wù)于礦區(qū)后期深井建設(shè)和深部開采，在分析礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造情況和勘查鉆孔分布情況基礎(chǔ)上，選取了代表性的3個深孔巖芯進(jìn)行巖爆傾向性的各項試驗，獲得巖石本身力學(xué)性質(zhì)條件、圍巖應(yīng)力狀態(tài)、圍巖地質(zhì)條件3個方面8項巖爆傾向性指數(shù)，并采用熵權(quán)-TOPSIS法綜合預(yù)測了鉆孔所在區(qū)域巖體的巖爆傾向性，為礦區(qū)深部開采巖爆防治提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 巖爆傾向性指標(biāo)的選擇

巖爆的發(fā)生有內(nèi)部和外部兩方面的原因。內(nèi)因是指巖石本身的物理力學(xué)性質(zhì)，堅硬、脆性的巖石更容易發(fā)生巖爆，其變形破壞過程中所儲的彈性應(yīng)變能不僅可以滿足巖體變形和破裂消耗的能量，還有足夠的剩余能量轉(zhuǎn)換為動能，使剝離的巖塊彈射出去，形成巖爆；外因在于高應(yīng)力的存在，巖體中的開挖活動，改變了巖體的賦存環(huán)境，導(dǎo)致硐室周圍巖體應(yīng)力重新分布和應(yīng)力集中，從而誘發(fā)巖爆[3]。因此，開展巖爆傾向性預(yù)測，應(yīng)綜合考慮巖爆發(fā)生的內(nèi)因和外因，選取巖石本身力學(xué)性質(zhì)的評價指標(biāo)(沖擊能量指數(shù)、變形脆性指數(shù)、彈性應(yīng)變能指數(shù)和線彈性能準(zhǔn)則)、圍巖應(yīng)力狀態(tài)條件指標(biāo)(切向應(yīng)力準(zhǔn)則和地應(yīng)力指數(shù))和圍巖條件指標(biāo)(巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD值和巖體完整性系數(shù))三個方面8項指標(biāo)(表1)，進(jìn)行巖爆傾向性分析。

2 巖爆傾向性單指標(biāo)評價

為了進(jìn)行巖爆傾向性試驗研究，巖樣取自西嶺礦區(qū)ZK76-2鉆孔、ZK94-2鉆孔、ZK88-18鉆孔的典型巖石，均為花崗巖類。 為使取芯樣本覆蓋鉆孔，對鉆孔不同深度巖芯進(jìn)行取樣。 ZK76-2鉆孔在300 m、600 m、850 m、1 200 m深度，ZK94-2鉆孔在300 m、600 m、900 m、1 200 m、1 600 m深度，ZK88-18鉆孔在300 m、600 m、900 m、1 200 m、1 500 m、1 900 m、2 300 m深度各取樣一組，每組16～20個樣品。

為分析3個方面8項巖爆傾向性指標(biāo)，本文統(tǒng)計了巖芯RQD值，選取了大長度巖芯進(jìn)行了聲波波速測試，利用巖芯試件進(jìn)行了單軸壓縮、加卸載等試驗， 獲得抗壓強(qiáng)度及應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖1)。將鉆

表1 巖爆傾向性指標(biāo)Table 1 Rock burst tendency index

孔巖芯地表重定向后，基于Kaiser效應(yīng)進(jìn)行室內(nèi)聲發(fā)射測試，獲取地應(yīng)力大小和方向(ZK76-2鉆孔地應(yīng)力測試結(jié)果見表2)。

根據(jù)各巖爆傾向性指標(biāo)計算公式及鉆孔巖芯實驗測試結(jié)果，得出3個鉆孔不同深度巖爆傾向性單指標(biāo)評價結(jié)果，見表3～5。

圖1 ZK88-18鉆孔在1 500 m深度巖芯應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 The stress strain curve of core at depth of 1 500 m of ZK88-18 drills

表2 ZK76-2鉆孔各測點的主應(yīng)力大小和方向Table 2 The magnitude and direction of crustal stress of each measuring points in ZK76-2 drill

表3 ZK76-2鉆孔各測點巖爆傾向性指標(biāo)計算及評價結(jié)果Table 3 Calculation and evaluation results of rock burst tendency index of each measuring points in ZK76-2 drill

表4 ZK94-2鉆孔各測點巖爆傾向性指標(biāo)計算及評價結(jié)果Table 4 Calculation and evaluation results of rock burst tendency index of each measuring points in ZK94-2 drill

表5 ZK88-18鉆孔各測點巖爆傾向性指標(biāo)計算及評價結(jié)果Table 5 Calculation and evaluation results of rock burst tendency index of each measuring points in ZK88-18 drill

續(xù)表5

3 巖爆傾向性多指標(biāo)綜合評價

上節(jié)采用沖擊能量指數(shù)、切向應(yīng)力準(zhǔn)則、地應(yīng)力指數(shù)等8種評價方法分別進(jìn)行了巖爆傾向性評價，由于各評價方法僅考慮單一指標(biāo)，不同的評價方法獲得的結(jié)果差別較大，因此，傳統(tǒng)的單指標(biāo)評價方法存在一定的片面性和局限性[14]。為獲得更加準(zhǔn)確可靠的巖爆傾向性預(yù)測結(jié)果，需研究采用更合理的多指標(biāo)綜合評價方法。為此，本文引用熵權(quán)-TOPSIS方法進(jìn)行巖爆傾向性綜合評價。

3.1 熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重主要計算步驟如下所述。

1) 建立標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣[15]。選取巖爆指標(biāo)分類區(qū)間下限值與樣本指標(biāo)值構(gòu)成決策矩陣Amn=(aij)mn，見式(1)。

(1)

式中，k為類別總數(shù)，矩陣中前k行為各分類區(qū)間下限值，其他為各樣本指標(biāo)實測值，共(n-k)個樣本。

對矩陣Amn=(aij)mn進(jìn)行無量綱處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣Bmn=(bij)mn。

對于越大越優(yōu)型指標(biāo)[16]，bij計算見式(2)。

(2)

對于越小越優(yōu)型指標(biāo)，bij計算見式(3)。

(3)

2) 計算信息熵。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣，計算其信息熵見式(4)。

(4)

3) 計算熵權(quán)。根據(jù)式(4)得出信息熵之后，可計算出對應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重，見式(5)。

(5)

3.2 TOPSIS法確定方案排序

TOPSIS法計算步驟如下所述。

1) 構(gòu)建加權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣。 將標(biāo)準(zhǔn)化矩陣B與權(quán)重Wj相乘，得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣Cmn=(cij)mn，計算見式(6)。

cij=bij×Wj

(6)

2) 確定加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣正理想解、負(fù)理想解。

對于越大越優(yōu)型指標(biāo)，正理想解計算為見式(7)。

(7)

對于越大越優(yōu)型指標(biāo)，負(fù)理想解計算見式(8)。

(8)

對于越小越優(yōu)型指標(biāo)，計算公式相反。

3) 計算決策對象與正理想解、負(fù)理想解的Euclidean距離[15]見式(9)。

(9)

4) 計算決策對象與正理想解貼近度見式(10)。

(10)

5) 確定各樣本隸屬等級。通過比較樣本與各等級貼近度大小確定樣本所屬級別。

3.3 基于熵權(quán)-TOPSIS法的巖爆傾向性綜合評價

以ZK94-2鉆孔為例，采用熵權(quán)-TOPSIS法進(jìn)行巖爆傾向性綜合評價。首先對ZK94-2鉆孔巖爆各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，見表6；其次計算各指標(biāo)信息熵及權(quán)重，見表7；然后計算巖爆傾向性各指標(biāo)加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣，見表8;最后確定加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣正理想解、負(fù)理想解，見表9。

表6 ZK94-2鉆孔巖爆傾向性各指標(biāo)數(shù)據(jù)歸一化結(jié)果Table 6 Normalization results of each rock burst tendency index data of ZK94-2 drill

表7 ZK94-2鉆孔巖爆傾向性各指標(biāo)信息熵及權(quán)重Table 7 Information entropy and weight of each rock burst tendency index of ZK94-2 drill

表8 ZK94-2鉆孔巖爆傾向性各指標(biāo)加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣Table 8 The weighted standardized decision matrix of each rock burst tendency index of ZK94-2 drill

表9 ZK94-2鉆孔巖爆傾向性各指標(biāo)正理想解、負(fù)理想解Table 9 Positive and negative ideal solutions of each rock burst tendency index of ZK94-2 drill

由表10可知，ZK94-2鉆孔300 m、600 m、900 m、1 200 m、1 600 m巖爆傾向性分別為弱巖爆、中等巖爆、弱巖爆、中等巖爆、中等巖爆。利用同樣方法獲得ZK76-2鉆孔、ZK88-18鉆孔巖爆傾向性綜合評價結(jié)果，ZK76-2鉆孔300 m、600 m、850 m、1 200 m巖爆傾向性依次為弱巖爆、 弱巖爆、中等巖爆、 弱巖爆；ZK88-18鉆孔300 m、600 m、900 m、1 200 m、1 500 m、1 900 m、2 300 m巖爆傾向性依次為弱巖爆、中等巖爆、中等巖爆、強(qiáng)巖爆、強(qiáng)巖爆，中等巖爆、強(qiáng)巖爆?？傮w上看，鉆孔各測點巖爆傾向性并不是隨著深度增加而增大，它是受巖石本身力學(xué)性質(zhì)、圍巖應(yīng)力狀態(tài)和巖體完整性等因素綜合影響的結(jié)果。

表10 ZK94-2鉆孔正理想解、負(fù)理想解Euclidean距離、貼近度及巖爆等級Table 10 Positive and negative ideal solutions Euclideandistance,closeness and rock burst grade of ZK94-2 drill

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)沖擊能量指數(shù)、變形脆性指數(shù)、地應(yīng)力指數(shù)等8個單指標(biāo)分別進(jìn)行了巖爆性評價，結(jié)果表明，同一測點各指標(biāo)評價結(jié)果之間差異性較大，傳統(tǒng)單指標(biāo)巖爆傾向性評價方法存在一定的片面性和局限性。

2) 基于熵權(quán)-TOPSIS法巖爆傾向性綜合評價結(jié)果表明，3個鉆孔各測點深度巖體均具有一定巖爆傾向性，尤其是ZK88-18鉆孔1 200 m、1 500 m和2 300 m深度巖爆傾向性為強(qiáng)巖爆。

3) 鉆孔區(qū)域巖爆傾向性并非隨深度呈線性增長的關(guān)系，其是受巖石自身力學(xué)性質(zhì)、圍巖應(yīng)力環(huán)境、巖體完整性等多因素共同影響的結(jié)果；對于礦區(qū)深部完整性較好的巖層，需重點加強(qiáng)巖爆災(zāi)害防控工作。