模糊綜合評判法在蝕變巖型金礦床巖體質量評價中的應用

劉 震

(1.山東黃金集團有限公司深井開采實驗室，山東 萊州 261400；2.山東省深海深地金屬礦智能開采重點實驗室，山東 濟南 250000)

0 引言

模糊綜合評判法是一種利用較為模糊的已知條件，通過評價矩陣進行合理的歸一化處理，擇優(yōu)選擇隸屬度最高的計算結果，從而得到一個更真實、更科學的計算結果。目前，該方法被廣發(fā)應用于諸多行業(yè)領域，在礦業(yè)領域常見的應用主要集中在：研究礦井水質分類及涌水來源[1-2]；研究礦山巖體和采空區(qū)的穩(wěn)定性[3-4]；選擇更為合理的采場的結構參數(shù)[5]；對礦山生產過程中的安全隱患進行風險評估[6-7]；研究采礦活動對環(huán)境污染的風險評價[8-9]。

在巖體質量分級領域，往往得到的信息是十分有限的，如何利用好這些已知信息，前人已進行了諸多分類方法的研究。不論是Q系統(tǒng)分類法、還是地質力學RMR分類法又或者是國標BQ分類法，這些分類方法多來源于地表邊坡、隧洞橋梁以及水利水電等工程實例的總結歸納，在實際應用中與礦山井下巖體質量的評價存在一定的差距[10-12]。上述分類方法所側重的影響因素是不同的，所以所得的分類結果并不一定完全一致。并且，分類結果受主觀性影響太強，部分賦分值的選擇是一種定性分析。例如在結構面粗糙程度考量時，具體是粗糙還是非常粗糙根本無法用準確的數(shù)值精確確定。因此需要進行綜合考慮，可以采用模糊綜合評判的方法對不同巖性的巖體質量等級進行最終分類更為合理。

1 模糊綜合評判公式的構建

1.1 確定著眼因素集和決策評語集

將影響巖體質量等級的各類因素集合起來設為U，子集u即代表不同的指標，公式如下：

U=(u1，u2，u3，u4，u5)

(1)

式中：u1—Q分類值；u2—RMR分類值；u3—BQ分類值；u4—抗拉穩(wěn)定系數(shù)η1；u5—抗壓穩(wěn)定系數(shù)η2。

根據特征指標將巖體質量等級分為5個等級，決策評語集可寫為：

V={Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級，Ⅴ級}

={良好，較好，一般，較差，很差}

1.2 構造評價矩陣

1.2.1 單因素評價值

在進行最終分類結果計算時，需要先對各個子集進行賦值。不同的子集代表不同的影響因素，綜合考慮常用的巖體質量分級方法后，將5個子集選擇為Q系統(tǒng)分類值、RMR分類值、BQ分類值、穩(wěn)定性系數(shù)(抗拉穩(wěn)定系數(shù)η1；抗壓穩(wěn)定系數(shù)η2)。各因素在不同等級中的隸屬程度采用隸屬函數(shù)來刻畫，確定隸屬函數(shù)可根據各因素總體值域跨度進行評分，跨度較小分差較小，跨度較大分差較大，且分數(shù)越高，穩(wěn)定性越好。詳細評分標準見表1。

表1 單因素評價值評分標準

1.2.2 構造評價矩陣

將表1中的單因素評分值進行聯(lián)合，得到評價矩陣：

(2)

(3)

(4)

2 焦家金礦不同蝕變巖巖體綜合分類

2.1 焦家金礦蝕變巖分類

焦家金礦床位于焦家主干斷裂破碎蝕變巖帶內，主裂面上盤為黃鐵絹英巖化斜長角閃巖帶，主裂面下盤各蝕變巖類型依次為黃鐵絹英巖質碎裂巖帶、黃鐵絹英巖化花崗巖帶和鉀化、硅化花崗巖帶，其蝕變礦化特征見表2。本文主要研究對礦體開采影響較大的下盤各蝕變巖巖體質量等級。

表2 焦家礦區(qū)圍巖蝕變礦化特征表

2.2 評價值來源

各個單因素子集的分類方法得到不同蝕變巖巖體質量的評價結果，見表3。從表中不難看出，不同分類方法的結果并不完全一致。主要是因為不同的分類方法有不同的因素值，當部分分類結果的分值與不同級別界限分值十分接近，就會造成分類結果不一致的現(xiàn)象。這是常用的Q方法、RMR法和BQ法所得的結果。而單因素中抗拉穩(wěn)定系數(shù)η1和抗壓穩(wěn)定系數(shù)η2結果的獲得需要借助ANSYS大型有限元非線性分析軟件，對不同巖性頂板開挖后穩(wěn)定性進行模擬。通過模擬蝕變巖采場不同巖性開挖后的頂板應力和位移分布規(guī)律，獲得頂板穩(wěn)定性可用承載層的穩(wěn)定系數(shù)η=[σt]/σtmax表示。通過數(shù)值模擬得到抗拉穩(wěn)定系數(shù)η1和抗壓穩(wěn)定系數(shù)η2結果，見表3。

表3 焦家金礦不同中段各巖性單因素實際值

2.3 結果計算

對不同值域的因素集進行模糊綜合評判需要對其做“歸一化”處理，使其擁有相同的值域區(qū)間并根據采區(qū)的工程地質條件按表3確定各巖性巖體的單因素等級。采用“主因素突出型”模型M(∧，⊕)計算來進行綜合評判[14]。

(5)

(6)

=(0.2，0.2，0.2，0.25，0.15)×

=(0，0.0435，0.112，0.0275，0)

從計算結果可知，焦家礦區(qū)-190中段黃鐵絹英巖化花崗巖對II級、III級和IV級三個級別都存在一定的隸屬關系，但隸屬度Ⅲ級=0.112為最高，按擇優(yōu)原則，應評定為Ⅲ級。同理，對其它-190至-330中段其它幾種蝕變巖進行模糊綜合評判，均采用“主因素突出型”模型M(∧，⊕)進行計算得出各巖性的綜合評判式，按擇選擇隸屬度最高的巖體質量等級記錄于表4。

表4 焦家金礦各蝕變巖最終分類結果

3 結語

1)Q系統(tǒng)分類法、RMR分類法、BQ分類法不同分級結果存在一定的差異性，而模糊綜合評判法進行巖體穩(wěn)定性評價是綜合考慮以上結果以及頂板穩(wěn)定系數(shù)η從而得到的分級結果，這一結果相比單一方法更準確。但抗拉穩(wěn)定系數(shù)η1和抗壓穩(wěn)定系數(shù)η2結果的獲得需要借助ANSYS大型有限元非線性分析軟件，實際在大部分礦山應用中不是很容易獲取，這是該方法的缺點。

2)分級結果顯示：焦家礦區(qū)巖體總體穩(wěn)定性較差。具體而言，焦家礦區(qū)調查區(qū)域為-190中段至-330中段之間，除-270以上黃鐵絹英巖化花崗巖為Ⅲ類穩(wěn)定性一般的巖體外，其余蝕變花崗巖的巖體質量均為IV類較差和V類很差的巖體。實際生產過程中，黃鐵絹英巖化花崗巖的穩(wěn)定性較好，其他礦體和圍巖的節(jié)理裂隙更加發(fā)育。

3)在埋深相同的前提下，黃體絹英巖化花崗巖的穩(wěn)定性是最好的，其次是黃鐵絹英巖和鉀化、硅化花崗巖，黃鐵絹英巖化碎裂巖的穩(wěn)定性最差。

4)蝕變巖型金礦床中，蝕變的不同類型與金品位存在一定的關系，品位越高的蝕變巖巖體穩(wěn)定性越差。要求礦山企業(yè)在生產過程中，在施工到相應巖性的采場時特別要注意做好采場的相關支護工作。