采空區(qū)地表變形的模糊綜合評價

任秀芳，鄭曉軒，龐 磊

（1.陜西天地地質(zhì)有限責(zé)任公司，陜西西安 710054；2.西北有色勘測工程公司，陜西西安 710054）

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和對礦產(chǎn)資源需求的不斷增長，地下資源開發(fā)規(guī)模逐漸擴大，開采深度不斷延深。采空區(qū)所引起的地表變形問題日益突出，這是一個十分復(fù)雜的且難以定量化預(yù)測的問題。

模糊綜合評價法是模糊數(shù)學(xué)中最基本的數(shù)學(xué)方法之一，該方法是以隸屬度來描述模糊界限的。適用于評價標(biāo)準(zhǔn)中存在模糊性以及評價影響因素存在模糊性或不確定性、定性指標(biāo)難以定量化，難以用絕對的“非此即彼”來準(zhǔn)確的描述客觀現(xiàn)實等情況[1-4]。而建立在模糊集合基礎(chǔ)上的模糊綜合評判方法，對多個指標(biāo)從被評價事物隸屬等級狀況進行綜合性評判，把被評判事物的變化區(qū)間做出劃分，一方面可以顧及對象的層次性，使得評價標(biāo)準(zhǔn)、影響因素的模糊性得以體現(xiàn);另一方面在評價中又可以充分發(fā)揮人的經(jīng)驗，使評價結(jié)果更客觀，符合實際情況。

目前該方法已在地面塌陷、地面沉降預(yù)測、采空區(qū)穩(wěn)定性以及采空區(qū)地表建筑地基穩(wěn)定性分析等應(yīng)用中獲得較好的應(yīng)用[5-9]。

1 采礦影響程度的模糊綜合評判模型

1.1 模糊綜合評判的計算公式

式中：B——采礦影響程度模糊綜合評判集；

K——影響因素的權(quán)重矩陣；

R——影響因素的隸屬度矩陣；

ki——第i個影響因素的權(quán)重，取i=1,2,3，…，10；

rij——第i個影響因素對第i個影響程度的隸屬度。若影響因素i隸屬于采礦影響程度j，則rij取1，反之取0；i=1,2,3,…，10；j=1,2,3。

1.2 影響因素的選擇

地下開采引起地表變形的影響因素很多，包括地質(zhì)因素如礦層傾角、地形坡度、斷層系數(shù)等，人為因素如采空區(qū)處理方法、是否重復(fù)采動等多因素影響。影響因素選取過多，評價可能更精確，但有些因素影響很小，不影響評價結(jié)果，選取了反而增加評價難度；影響因素選取過少，評價恐不夠準(zhǔn)確。本文篩選對地表變形影響較大的十個因素進行評價，分別是開采深厚比、充分采動系數(shù)γ1、γ2、采空區(qū)處理方法、重復(fù)采動、礦石產(chǎn)量、礦層傾角、地形坡角、礦井用水量、斷層系數(shù)、土層厚度。

1.3 地表變形等級分級

根據(jù)地表變形影響程度分為三級，即1 為強烈，2為較強烈，3為不強烈，其特征見表1。

表1 地表變形影響程度分級

1.4 地下采礦影響程度的模糊綜合評判參數(shù)

根據(jù)選取影響因素的重要程度對其進行權(quán)重賦值，見表2。

表2 采礦影響程度的模糊綜合評判參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)表

其中：

（1）開采深厚比是指各開采層按埋深加權(quán)平均埋深與各開采層總厚度比；

（2）斷層條數(shù)是指采礦影響范圍內(nèi)地表出露的斷層數(shù)；

（3）n1=ξ·D1/H0；n2=ξ·D2/H0

式中：n1、n2——礦體走向、傾向與充分采動系數(shù)；

D1、D2——礦體走向開采寬度和傾向開采寬度，m；

H0——最上開采層距地表埋深；

ξ——與上覆巖巖性有關(guān)的系數(shù)，堅硬巖取0.7，中硬巖取0.8，軟巖取0.9。

2 評判實例

陜西鉛硐山礦業(yè)有限公司隸屬于陜西有色金屬控股集團有限責(zé)任公司，是一座中型采選聯(lián)合企業(yè)。礦山主要從事鉛鋅礦的開采和選礦生產(chǎn)活動。根據(jù)鉛硐山礦體所處地質(zhì)條件，礦石開采方法、頂板管理、塌落方式等影響因素，按地下采礦影響程度的模糊綜合評判法進行地面變形預(yù)測評估[10-11]。

鉛硐山1380m中段以上礦區(qū)生產(chǎn)技術(shù)條件見表3。

表3 1380m中段以上礦區(qū)生產(chǎn)技術(shù)條件一覽表

2.1 各采礦影響因素權(quán)值及影響隸屬度值

按上述表2“采礦影響程度的模糊綜合評判參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)表”，對Ⅰ、Ⅱ號礦體進行了模糊綜合評判，計算見表4。

表4 Ⅰ、Ⅱ號礦體各采礦影響因素權(quán)值及影響隸屬度值

說明：

①Ⅰ號礦采礦深厚比i=306.98÷11.08=27.7＜120 影響程度為強烈，隸屬度為1；Ⅱ號礦采礦深厚比i=150.6÷20.74=7.26＜120影響程度為強烈，隸屬度為1；

②充分采動系數(shù)（n1）：Ⅰ號礦，n1=ξ×547÷195=2.52＞1；Ⅱ號礦n1=ξ×213÷40=3.72。式中ξ，軟巖取0.9。這表明達充分采動，為強烈，隸屬度均為1；

③采空區(qū)處理方法——全部陷落，隸屬度值為1；

④重復(fù)采動次數(shù)只一次，為較強烈，在較強烈項內(nèi)隸屬度為1；

⑤礦石產(chǎn)量：年產(chǎn)值為45×104t，于較強烈中（30～90）×104t，在該項中隸屬度為1；

⑥礦體傾角65°＞55°，為影響強烈，在該項欄中，隸屬度為1；

⑦地形坡角β約為62°＞30°，屬強烈影響，在該項欄中，隸屬度值取1；

⑧礦井排水量為100m3/h＜300m3/h,屬影響不強烈，在該項欄中，隸屬度值取1；

⑨斷層條數(shù)＞3 條，屬影響強烈，在該項欄中，隸屬度值取1；

⑩土層厚度＜5m，屬影響強烈，在該項欄中，隸屬度值取1。

2.2 礦體開采對地表變形影響程度的模糊綜合評判

根據(jù)公式：

B=K·R

式中：K=(0.2,0.16,0.16,0.12,0.08,0.08,0.08,0.04,0.04,0.04)

對于Ⅰ號礦體，R取值如下R1；對于Ⅱ號礦體，R取值如下R2。

經(jīng)計算：

B1=（b1,b2,b3）=（0.76，0.20，0.04）；

B2=（b1,b2,b3）=（0.68，0.28，0.04）。

綜合判定:Ⅰ、Ⅱ號礦體采礦影響程度隸屬度最大值分別為0.76、0.68，對應(yīng)于采礦影響強烈。通過地面調(diào)查，采空區(qū)地表變形嚴(yán)重，存在多處塌陷坑、滑坡與裂縫，計算結(jié)果與實際的調(diào)查結(jié)果基本相符。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)以上計算結(jié)果可知，采用模糊綜合評價法，選擇合適的影響因素和權(quán)重，預(yù)測結(jié)果與實際相吻合。

（2）模糊綜合評價法可以做到定性和定量因素相結(jié)合，擴大信息量，使評價數(shù)據(jù)的可信度提高，增強說服力。

（3）由于地面變形總是滯后于開采工作，因此通過對地表變形的預(yù)測，可以為礦區(qū)地面變形提供預(yù)警和后期指導(dǎo)工作。