基于模糊綜合評價的深部巷道破壞定量風險評估

劉建坡, 武 峰, 王 人, 張俊杰

(東北大學 深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室, 遼寧 沈陽 110819)

我國未來十年將有超過30%的金屬礦山進入千米采深,深部開采已成為金屬礦山資源開發(fā)的新常態(tài).隨著開采深度的增加,在高應力條件下,頻繁的開采擾動所導致的巷道片幫、冒落、坍塌等巖體破壞問題日益突出.

由于開采系統(tǒng)復雜、開采規(guī)模大、爆破擾動強,深部金屬礦山巷道圍巖破壞在時間、空間、頻度和強度等方面具有復雜性和不確定性.因此,在深部金屬礦山圍巖破壞風險評估過程中需要考慮與圍巖破壞相關的多種指標,并采用能夠評估巷道圍巖發(fā)生破壞概率和風險等級不確定性的數(shù)學方法.

深部金屬礦山巷道破壞的誘發(fā)因素和評價指標眾多,合理的指標體系是保證巷道破壞風險評估準確性的前提條件.巖性、地應力分布規(guī)律等地質賦存條件是巷道破壞的內(nèi)在因素[1-2],開采過程的卸荷效應和爆破擾動是誘發(fā)金屬礦巷道破壞的外在條件[3-5].此外,巷道破壞過程中的巖體響應信息,例如變形、波速和微震等信息,也是評估巷道穩(wěn)定性的重要指標.微震監(jiān)測技術利用巖體受力變形和破壞過程中釋放出的彈性波來監(jiān)測工程巖體穩(wěn)定性,相對于傳統(tǒng)的應力、變形等局部“點、線、面”觀測范圍來說,微震監(jiān)測技術可以為巖體力學工作者提供更為全面的三維實時“體”數(shù)據(jù),在深部金屬礦山地壓災害監(jiān)測與發(fā)生風險評估方面發(fā)揮越來越重要的作用[6-11].

目前,地下工程巷道圍巖破壞評估方法可分為兩類:基于有監(jiān)督或無監(jiān)督模型的機器學習綜合評估方法和基于圍巖破壞評價指標判據(jù)的綜合評估方法.基于機器學習綜合評估方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機、Bayes判別分析等;基于圍巖破壞評價指標判據(jù)方法包括Delphi法、主成分分析法、灰色關聯(lián)分析、理想解法、模糊綜合評價法、功效系數(shù)法、未確知測度理論、集對分析法、云模型、D-S證據(jù)理論等.巷道圍巖破壞的形成條件十分復雜,受采場回采導致的巖體應力重分布、爆破擾動造成巖體內(nèi)部裂紋萌生、擴展、貫通等影響,誘發(fā)巷道發(fā)生破壞的因素多且具有很大的不確定性,考慮單一因素影響不能對巷道破壞做出準確評估.模糊綜合評價法是以向量的形式反映各個評估等級的可能性,按照最大隸屬度原則選取最優(yōu)評估結果,具有一定的科學性,所計算的評價結果蘊含豐富信息,可更好地了解目標問題的本質.

本文針對阿舍勒銅礦深部開采系統(tǒng)復雜性、巷道破壞呈現(xiàn)大范圍開采區(qū)域內(nèi)的空間分散性和時間隨機性的問題,綜合考慮巷道圍巖破壞影響因素,選取微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、地質賦存條件、開采擾動三方面的評價指標,基于熵權法確定巷道圍巖破壞風險評價指標權重,采用模糊綜合評價方法建立了巷道破壞評估方法,并在阿舍勒銅礦進行了應用研究,為礦山針對性的支護措施和系統(tǒng)性的開采過程調控提供依據(jù).

1 模糊綜合評價方法

模糊綜合評價法是從模糊數(shù)學發(fā)展而來,將一些邊界模糊、難以劃分明顯界限的定量數(shù)據(jù)或描述不清晰的自然語言以定量化集合表示,根據(jù)各種因素的影響程度大小對評價對象的隸屬等級進行模糊關系合成,最后通過最大隸屬原則或者加權平均等方法進行綜合評判.

本文基于模糊數(shù)學理論[12],將巷道破壞風險的評價問題作為一個復雜系統(tǒng),利用模糊綜合評價法,對影響破壞的多種指標進行隸屬關系轉化并根據(jù)指標權重進行綜合評價,確定巷道圍巖破壞等級,進而判斷巷道破壞的發(fā)生風險.具體步驟[13]為:①確定因素集U與評價集V;②計算各評價指標權重向量A;③構造模糊評判矩陣R;④進行綜合評判,并得出綜合評價集B={b1,b2, …,bl}(bi為綜合隸屬度,i=1, …,l).

在評估過程中,為避免受決策人主觀影響,使計算的指標權重值更具客觀性,本文采用熵權法[14]計算各項評價指標權重值;參考了中心極限定理[15-16],應用中間型正態(tài)模糊分布隸屬函數(shù)確定評價指標隸屬度.

(1)

2 巷道破壞風險評估指標體系

阿舍勒銅礦位于新疆阿勒泰地區(qū),銅工業(yè)儲量近92萬噸,為我國第2大銅礦,采深近千米.在頻繁爆破擾動下,深部巷道變形破壞嚴重,支護困難,返修率高.本文在阿舍勒銅礦深部巷道破壞調查基礎上,綜合考慮巷道圍巖破壞等級分級標準,確定適用于阿舍勒銅礦巷道破壞發(fā)生風險的評價指標,并系統(tǒng)分析了相關評價指標的可靠性、權重值和特征值.

2.1 巷道圍巖破壞等級

在系統(tǒng)分析關于金屬礦山巷道圍巖破壞判別標準[17-18]基礎上,考慮阿舍勒銅礦深部巷道破壞實際,本文將巷道的破壞程度劃分為四個等級,詳見表1.

通過阿舍勒銅礦巷道圍巖破壞系統(tǒng)性調研(圖1),發(fā)現(xiàn):350 m中段(采深565 m)至0 m中段(采深915 m)巷道均出現(xiàn)不同程度圍巖破壞,包括支護體脫落、墻角開裂、幫壁鼓出等;破壞等級以輕微破壞和中等破壞為主,且輕微破壞占比最高.巷道破壞特征主要體現(xiàn)以下四個方面:①埋深越大,巷道破壞區(qū)域、破壞等級整體呈現(xiàn)增大的趨勢,其中50 m中段沿脈巷道發(fā)生大面積連續(xù)破壞;②巷道破壞與最大主應力方向密切相關,大部分破壞出現(xiàn)在與最大主應力垂直的沿脈巷道,與最大主應力平行的穿脈巷道中圍巖的穩(wěn)定性較好;③巷道破壞受開采擾動影響較大,部分穿脈巷道距離采場較近的區(qū)域,出現(xiàn)不同程度的破壞;④巖性條件和節(jié)理裂隙的發(fā)育程度對巷道破壞具有重要影響,例如節(jié)理裂隙較為發(fā)育的上盤黃鐵礦中,巷道內(nèi)出現(xiàn)中等破壞的比例較高.

表1 巷道破壞等級分級特征描述

圖1 阿舍勒銅礦巷道不同等級破壞分布圖

2.2 評價指標選擇

綜合考慮工程布置條件、監(jiān)測信息完整性和巷道的破壞特征,確定阿舍勒銅礦大范圍巷道破壞風險的評估指標體系包括地質賦存條件、開采影響和微震數(shù)據(jù)(圖2)三個方面9個指標,其中:地質賦存條件包括巷道與最大主應力夾角(以下簡稱夾角)、埋深和巖性條件;開采影響條件主要為巷道與最近采場的距離(以下簡稱距離);微震參數(shù)包括累積微震事件數(shù)、累積釋放能量、微震事件密度、位移和視應力.

阿舍勒銅礦巷道破壞風險評估方法建立采用100個樣本數(shù)據(jù)(2017年4月至2018年6月),其中:無破壞樣本數(shù)據(jù)24個,輕微破壞樣本數(shù)據(jù)48個,中等破壞樣本數(shù)據(jù)28個.隨機選擇90個樣本數(shù)據(jù)進行建模,其余10個數(shù)據(jù)進行模型泛化能力測試.

2.3 評價指標與破壞等級的相關性

指標選取是否可靠直接影響評估結果的準確性.本文采用定性和定量分析方法對9個評價指標與巷道破壞發(fā)生等級的相關性進行了研究.

圖2 阿舍勒銅礦深部采區(qū)微震事件分布圖

由于夾角(0°和90°)和巖性條件(黃鐵礦和凝灰?guī)r)兩個指標的細化分類較少,因此只做定性分析.表2為不同破壞樣本數(shù)據(jù)的夾角和巖性兩個評價指標的統(tǒng)計結果,從中可知:凝灰?guī)r中的輕微破壞數(shù)量稍高于黃鐵礦,與之相反的是黃鐵礦中的中等破壞樣本數(shù)量略高于凝灰?guī)r; 對于三

表2 不同夾角和巖性條件的破壞統(tǒng)計結果

種破壞等級來說,巷道與最大主應力夾角為90°時的破壞樣本數(shù)目顯著高于夾角為0°的情況,表明巷道破壞等級與“巷道-最大主應力”夾角呈現(xiàn)較強的相關性.

巷道埋深、巷道與最近采場的距離、累積微震事件數(shù)、累積釋放能量、微震事件密度、位移和視應力7個評價指標量值分布較廣,可以與不同破壞等級樣本數(shù)據(jù)進行定量分析.圖3所示的箱線圖直觀展示了這7個評價指標的分布范圍與分布形態(tài).為了便于在一張圖中顯示7個指標,將埋深、視應力、位移三項指標數(shù)據(jù)進行了數(shù)量級調整.由圖3可以看出:累積能量和累積事件數(shù)在箱體線上部存在較多離群點,說明這兩項指標中的部分數(shù)據(jù)顯著偏離整體數(shù)據(jù)形態(tài),這些數(shù)據(jù)在用于巷道破壞風險評估過程中會影響計算結果.為減少評價指標中離群點對于最終評估結果的影響,本文以5%的比例將各評價指標的最大和最小數(shù)據(jù)樣本剔除.表3為不同破壞等級條件下7個評價指標的統(tǒng)計分布參數(shù)表,其中5%修整均值為剔除評價指標量值兩端各5%數(shù)據(jù)后的平均值.由表可以看出:各評價指標在三種破壞風險等級間邊界模糊.由于評價指標的屬性不同,各指標均方差具有很大差異,評價指標的量值范圍相互交叉,不存在明顯界限.

圖3 7個評價指標量值分布范圍和分布形態(tài)箱線圖

表3 不同破壞等級的評價指標統(tǒng)計分布參數(shù)表

不同破壞等級與評價指標關系散點圖見圖4.累積事件數(shù)、累積能量和事件密度三項指標在不同破壞等級中也存在一定的重疊現(xiàn)象,但是整體呈現(xiàn)相對明顯的分級聚集狀態(tài),說明這三項指標與破壞等級的相關性較強,用于巷道破壞風險等級評估效果較好.埋深與采場距離兩項評價指標數(shù)據(jù)分布相對離散,各破壞等級條件下的分布特征相差不大,理論上應用于破壞風險等級評估效果較差.總體來說,各項指標的數(shù)據(jù)分布與破壞等級之間具有一定的相關關系,但在各破壞等級間存在部分數(shù)據(jù)重疊.采用單一指標對巷道圍巖破壞等級進行評估存在不確定性.綜合考慮不同評價指標,可以改善由單一指標進行巷道圍巖破壞等級評估的局限性,提高評估結果的準確性.

2.4 評價指標權重分析

在綜合考慮多指標的巷道破壞風險評估過程中,需要將各項評價指標賦予一定的權重值.根據(jù)熵權法[14]計算所得的評價指標賦權結果(圖5)可知:各指標權重分配較為平均,單一指標不具備主導性作用,僅靠單一指標并不能滿足巷道圍巖破壞風險評估的需要.在所有的評價指標中,累積能量和累積事件數(shù)的權重最高,分別為0.211和0.21,在巷道破壞風險評估過程中對于結果的影響最大.權重最小的指標為巷道埋深,僅為0.002.該指標在不同破壞風險等級中相對分散且存在較為明顯的重疊現(xiàn)象.值得注意的是,權重占比前五的評價指標均為微震參數(shù),其權重占比和達83.8%,表明微震參數(shù)在巷道破壞風險評估中占主導作用.

圖4 不同破壞等級與評價指標關系圖

圖5 9個評價指標權重值

3 巷道破壞風險評估方法

在計算評價指標隸屬度過程中,巷道埋深、巷道與最近采場的距離、累積微震事件數(shù)、累積能量、事件密度、位移和視應力等7個指標依據(jù)式(1)采用中間型正態(tài)模糊分布隸屬函數(shù)進行計算,各指標隸屬函數(shù)的期望和方差見表4,進而獲得樣本數(shù)據(jù)對于7個指標的隸屬度.對于巖性和夾角兩項指標,則通過統(tǒng)計實例樣本數(shù)據(jù)獲得對應的隸屬度(表5).

表4 不同評價指標相對于不同破壞等級隸屬函數(shù)的方差和期望

表5 巖性和夾角指標的隸屬度

在樣本數(shù)據(jù)隸屬度確定的基礎上,以9個評價指標作為因素集U={累積微震事件數(shù),累積能量,距采場距離,視應力,位移,微震事件密度,埋深,主應力與巷道夾角,巖性},以巷道破壞等級作為評價集V={無破壞,輕微破壞,中等破壞},根據(jù)模糊綜合評價法[12]可以獲得100個數(shù)據(jù)樣本的綜合隸屬度b,依據(jù)最大隸屬原則可以確定破壞等級(表6和表7).經(jīng)與實際破壞等級對比發(fā)現(xiàn),90個建模數(shù)據(jù)的評估準確率為88.9%,其中:輕微破壞樣本準確率最低,44個樣本中有6個結果為中等破壞;中等破壞樣本準確率較高,僅1個樣本被誤分為輕微破壞.對于10個測試數(shù)據(jù),評估準確率為90%.

為保證礦山人員的安全與開采過程的順利進行,建立定量的巷道破壞風險評估方法是必要的.在前述研究基礎上,本文在開展巷道破壞風險評估應用實踐時,將計算獲得的無破壞、輕微破壞和中等破壞三種破壞等級分別定義為無風險、低風險和中風險三種巷道破壞風險等級.

表6 阿舍勒銅礦巷道破壞數(shù)據(jù)樣本的評估結果

表7 基于模糊綜合評價法的評估結果統(tǒng)計

4 工程應用

基于以上研究方法,在阿舍勒銅礦開展了定期(每6個月)的巷道破壞風險評估研究.巷道破壞風險評估結果通過插值計算方法在三維地質模型上實現(xiàn)可視化展示,以期為阿舍勒銅礦深部回采過程調控和區(qū)域地壓災害防控提供支撐.

圖6為2018年12月阿舍勒銅礦深部巷道破壞風險評估結果,從中可以看出:中風險區(qū)域主要集中在150 m中段下盤巷道左側區(qū)域、100 m中段下盤巷道中部區(qū)域、50 m中段下盤巷道右側區(qū)域,該區(qū)域約占總長度的2%, 這是目前巷道應重點監(jiān)測與防護的區(qū)域.低風險區(qū)域主要集中在150 m中段上盤巷道左側區(qū)域與下盤大部分區(qū)域、100 m中段下盤巷道左側區(qū)域、50 m中段上盤巷道左側區(qū)域、0 m中段下盤巷道中間區(qū)域,該區(qū)域約占總長度的9%.現(xiàn)場部分位置的破壞調查也驗證了評估結果的準確性.基于深部巷道破壞風險評估結果,對于中風險發(fā)生區(qū)域加強支護,有效降低了阿舍勒銅礦深部開采地壓災害發(fā)生風險,保證了開采工作的正常運行.

圖6 阿舍勒銅礦深部巷道圍巖破壞風險等級評估結果

5 結 論

1) 地質賦存條件、開采影響和微震數(shù)據(jù)三方面的評價指標在巷道破壞風險評估中的貢獻度不同.基于熵權法的評價指標權重值結果表明僅靠單一指標并不能滿足巷道圍巖破壞風險評估的需要.在本文考慮阿舍勒工程實際情況所確定評價指標中,累積能量和累積事件數(shù)的權重占比最高,巷道埋深的權重占比最低.權重占比前五的評價指標均為微震參數(shù),其權重占比和達83.8%,表明微震參數(shù)在巷道破壞風險評估中占主導作用.

2) 經(jīng)與實際破壞情況對比發(fā)現(xiàn),基于模糊綜合評價方法的巷道破壞樣本數(shù)據(jù)的評估準確率近90%,且輕微破壞的評估準確率較低,中等破壞的評估準確率較高.

3) 阿舍勒銅礦工程應用結果表明巷道破壞風險預測方法能夠實現(xiàn)深部金屬礦山大范圍區(qū)域性的巷道破壞風險定量評估,對于深部金屬礦區(qū)域地壓分布及演化規(guī)律研究具有重要意義.