朱為民，李 想，陳國梁，朱 明，劉曉軍

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

基于多因素模糊綜合評價的某鐵礦采空區(qū)危險度評定

朱為民，李 想，陳國梁，朱 明，劉曉軍

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的原理，以影響采空區(qū)穩(wěn)定性的地質(zhì)和水文條件、采空區(qū)特征參數(shù)及其他等3種因素共16項因子為指標(biāo)集，同時以我國礦山采空區(qū)穩(wěn)定性的5個評價等級為評價集，對各因素之間權(quán)重按多因素兩兩對比法來確定，在此基礎(chǔ)上建立了采空區(qū)危險度評定的多因素模糊綜合評價模型.并以該評定模型對某鐵礦420中段至460中段的采空區(qū)進(jìn)行了危險度評定，評定結(jié)果為該采空區(qū)處于危險度較高的第Ⅱ級.

模糊數(shù)學(xué)；采空區(qū)；穩(wěn)定性；分級；多因素；綜合評價

0 前 言

隨著我國對地下礦產(chǎn)資源的大量開采，未及時處理的采空區(qū)也隨之越來越多，尤其是部分大型礦山周邊的歷史遺留采空區(qū)和偷采形成的采空區(qū)，是影響礦山安全生產(chǎn)的危害源之一；違反了我國礦山開采的各項法律法規(guī)，非法開采形成的采空區(qū)，由于其采礦空間以及規(guī)模的不確定性和信息的不完整性等特點，從而使礦山對采空區(qū)的處理及控制難度加大，對主采礦山的安全回采構(gòu)成了較大的威脅[1].目前，由地下開采形成的采空區(qū)所導(dǎo)致的片幫、冒頂、突水、地震、巖爆、沖擊地壓、地面塌陷、地面沉降、地裂縫以及多種形式的災(zāi)害[2]造成重大人員傷亡、設(shè)備損壞以及部分礦體無法繼續(xù)回采等事故，已成為地下礦山的主要災(zāi)害之一，引起了政府、企業(yè)的高度重視[3].

采空區(qū)穩(wěn)定性的分析[4-5]對礦山治理采空區(qū)能起到相當(dāng)大的指導(dǎo)意義.采空區(qū)的及時、有效治理是保證工人生命和國家或企業(yè)的財產(chǎn)安全，礦山能否持續(xù)性開采的重要條件之一.采空區(qū)的治理必須了解各個采空區(qū)存在的具體情況差異性，通過一種或者多種方法判斷其可能產(chǎn)生災(zāi)害的危險性程度.只有綜合考慮各種信息，才能得到準(zhǔn)確有效的采空區(qū)治理方案，從而盡可能的做到優(yōu)先治理那些危險性程度大的采空區(qū)，保證礦山安全生產(chǎn).

文中運用多因素模糊綜合評價方法[6-7]，根據(jù)國內(nèi)外的研究經(jīng)驗，分析和優(yōu)選出對采空區(qū)穩(wěn)定性有很大影響的因素，以此建立二級模糊綜合評價的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過詳細(xì)的綜合評價過程，評定出某鐵礦采空區(qū)的危險度等級，從而為該鐵礦空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測的布置及正確實施、有效治理等提供理論支持.

1 某鐵礦采空區(qū)概況及特征

某鐵礦主礦體上覆巖層主要是棲霞組灰?guī)r.受成礦后構(gòu)造和巖漿活動影響，灰?guī)r大都為大理巖，并受各期走向、傾向斷層破壞，沿構(gòu)造裂隙有輝綠巖和石英巖侵入，溶洞發(fā)育，礦體直接頂板可溶巖巖溶發(fā)育富含巖水，次生氧化作用比較強(qiáng)烈，雖原巖性質(zhì)已有很大改變，但穩(wěn)定性尚好.主礦體中夾石以輝綠巖類為主，次為矽卡巖與火成巖，除礦體下部斷續(xù)分布的蝕變巖(厚度一般2～10m)巖性較軟、穩(wěn)固性較差外，其它均屬堅硬致密巖石.在背斜軸部與斷層兩側(cè)節(jié)理裂隙較為發(fā)育地段則穩(wěn)固性較差.礦體頂板以大理巖、大理巖化灰?guī)r為主，次為矽卡巖；底板以石英巖、石英砂巖為主，次為矽卡巖和變質(zhì)砂質(zhì)泥巖.礦巖致密堅硬，節(jié)理裂隙不太發(fā)育，完整性好，屬穩(wěn)固至極穩(wěn)固礦體.局部斷層地帶因氧化作用，使礦層及頂?shù)装鍘r層穩(wěn)固性較差.

根據(jù)該鐵礦的現(xiàn)場空區(qū)調(diào)查和礦山提供的最新采場實測圖，經(jīng)測算得到420、440、460三個中段各采空區(qū)產(chǎn)狀及其頂板暴露面積、體積如表1所示.同時了解到在空間位置上，目前僅有4401礦塊未與+420 m和+460 m水平礦房相連通，其它5個采空區(qū)都已與上、下分段礦房相通.

表1 420～460中段采空區(qū)產(chǎn)狀及其暴露面積、體積

采空區(qū)頂板以大理巖、大理巖化灰?guī)r為主，矽卡巖次之；底板以石英巖、石英砂巖為主，矽卡巖和變質(zhì)砂泥巖次之.礦巖致密堅硬，節(jié)理裂隙不太發(fā)育，完整性好，屬穩(wěn)固至極穩(wěn)固礦體.從現(xiàn)場調(diào)查情況看，圍巖基本穩(wěn)定，礦柱支撐作用良好，頂板無明顯塌落、冒頂現(xiàn)象，采空區(qū)的整體狀況較好，但個別礦柱因應(yīng)力集中有壓裂、剝落、片幫現(xiàn)象.礦巖物理力學(xué)性質(zhì)見表2.

表2 礦巖物理力學(xué)性質(zhì)

2 多因素模糊綜合評價模型的建立及評判

2.1 指標(biāo)集的建立

地下礦產(chǎn)資源回采后留下了大小不一、形態(tài)各異的諸多采空區(qū).在回采礦石的過程中，破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，采空區(qū)周圍圍巖將出現(xiàn)塑性變形區(qū)及松動區(qū)，進(jìn)而達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)或失穩(wěn).在構(gòu)造應(yīng)力場影響下，當(dāng)采空區(qū)長軸線與最大主應(yīng)力方向垂直時，對采空區(qū)側(cè)壁的穩(wěn)定性極為不利，當(dāng)采空區(qū)長軸線與最大主應(yīng)力平行時，對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響最小.采空區(qū)形狀的不同對圍巖的穩(wěn)定性影響也不同，矩形或其他多邊形采空區(qū)在拱角處常呈高應(yīng)力集中區(qū)，尤其在頂板的上下角隅處，以致拱角出現(xiàn)破壞.空區(qū)形態(tài)較為圓滑時，將大大減少高應(yīng)力集中區(qū)的出現(xiàn)，空區(qū)更加穩(wěn)定.經(jīng)驗表明，當(dāng)空區(qū)暴露面長度小于2倍寬時，穩(wěn)定性由暴露面積大小決定；當(dāng)暴露面長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其寬度時，其穩(wěn)定性就取決于寬度的大小.

同時，由國內(nèi)大量礦山的生產(chǎn)實踐表明，影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素有很多，主要取決于巖石性質(zhì)、節(jié)理的分布與產(chǎn)狀、巖石結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、埋藏深度、礦體產(chǎn)狀、采礦方法、回采順序、空區(qū)形狀及規(guī)模和礦柱尺寸及布置等，此外還與空區(qū)暴露時間、臨近礦體的開采和相鄰采空區(qū)的分布等有關(guān)[8-9].

這些影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素都隨著不同的礦山、不同的作業(yè)環(huán)境、不同的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件而有所不同.影響顯著、代表性強(qiáng)、易于得到、便于量化是指標(biāo)的選擇原則[10]，根據(jù)該原則經(jīng)綜合考慮后，同時結(jié)合礦山采空區(qū)的實際情形，選擇地質(zhì)水文條件、采空區(qū)特征參數(shù)和其他等3個方面共包含16項因子作為評價指標(biāo)集，見表3.

表3 指標(biāo)集

2.2 評價集的建立

評價集用V表示，根據(jù)國內(nèi)多數(shù)礦山對采空區(qū)穩(wěn)定性評價的結(jié)論，分為危險度極高(Ⅰ)，危險度較高(Ⅱ)，危險度一般(Ⅲ)，危險度較低(Ⅳ)和安全(Ⅴ)5個評價等級.

即：V={危險度極高，危險度較高，危險度一般，危險度較低，安全}.

2.3 評價模糊矩陣的建立

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，綜合評判的單因素判斷，即對單個因素ui（i=1,…，n）的評判，得到V上的模糊集（ri1,ri2,…,rim），所以它是從U到V的一個模糊映射[11]：

其中 0≤rij≤1；i=1,2,…,n;j=1,2,…,m.

由模糊映射f可確定一個模糊關(guān)系R∈un×m，稱為評判矩陣：

其中：rij是指U中的各個因素隸屬于Vi的程度，因素隸屬于對應(yīng)等級的Vi就賦值1，否則賦值0，大多數(shù)情況下是根據(jù)經(jīng)驗或?qū)嶋H情況取{0,1}之間某一個數(shù)來較為準(zhǔn)確的地描述該模糊事物.

根據(jù)該礦的空區(qū)調(diào)查結(jié)果，參考相關(guān)的資料，對3類因素的16項因子按照其影響程度用5等級進(jìn)行評價，可以得到 U11～U16的模糊評價矩陣 r11～r16，進(jìn)而得到地質(zhì)水文條件因素U1的模糊評價矩陣R1；同理可以得到采空區(qū)特征參數(shù)的模糊評價矩陣R2以及其他因素的模糊矩陣R3.

模糊矩陣R1～R3如下：

2.4 各指標(biāo)因素權(quán)重的確定

在模糊綜合評價中，各指標(biāo)因素權(quán)重的確定顯得尤為重要.評價集的確定直接與權(quán)重集的取值息息相關(guān)[12].綜合評價的結(jié)果由因素集內(nèi)各指標(biāo)權(quán)重的相對大小直接決定.所以，準(zhǔn)確合理地確定各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，客觀實際地反映它在綜合評價中的重要性，得到的最終評價結(jié)果的準(zhǔn)確性將會提高.在因素集中，按其重要程度的不同給予相應(yīng)的權(quán)重數(shù)分配，得到權(quán)重矩陣A：

其中，ai（0＜ai≤1）即第 i個因素 ui的權(quán)重數(shù).綜合評價時各因素權(quán)重數(shù)之和一般取1，所以要對上述ai應(yīng)作歸一化處理，即

本文中各指標(biāo)因素權(quán)重的確定采用多因素兩兩對比法，見表4～表7.從而分別得到了3個因素之間因子的權(quán)重矩陣A1、A2、A3及3個因素之間的權(quán)重矩陣A.

即：

2.5 綜合評價

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)二次綜合評價的原理，利用因素評判矩陣R和各因素的權(quán)數(shù)A，作出二次綜合性評判，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

表4 地質(zhì)和水文因子的權(quán)重系數(shù)

表5 采空區(qū)特征參數(shù)的因子權(quán)重系數(shù)

表6 其他因素的因子權(quán)重系數(shù)

表7 3類因素之間的權(quán)重系數(shù)

其中，模糊算子“·”采用點乘，Bi是第i類因素評價的結(jié)果，而M是因素分類后，各類之間的綜合評價結(jié)果，結(jié)果根據(jù)最大隸屬度原則[13]，從而得到二次綜合評價的結(jié)果.

根據(jù)模糊綜合評價的公式(1)，首先第一層次的綜合評價，結(jié)果如下：

進(jìn)而，得到第二次綜合評價的結(jié)果：

根據(jù)上述計算結(jié)果及模糊數(shù)學(xué)的最大隸屬度原則，選擇0.4332.故綜合評價該鐵礦420～460中段的采空區(qū)的危險度為危險度較高(第Ⅱ級).

3 結(jié) 論

該鐵礦采空區(qū)多因素模糊綜合評價結(jié)果顯示該采空區(qū)處于危險度較高的第Ⅱ級，這與該鐵礦的相關(guān)采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測情況相符.所以，建議該鐵礦及時對采空區(qū)采取治理措施，如做好采空區(qū)的支護(hù)，封閉孤立的采空區(qū)，同時加強(qiáng)采空區(qū)的穩(wěn)定性監(jiān)測，受影響范圍內(nèi)的人員及設(shè)備要根據(jù)現(xiàn)場情況做好及時撤離的準(zhǔn)備.

通過模糊綜合評價方法、多因素兩兩對比法及最大隸屬度原則對采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了正確的分析，評價過程能綜合考慮多因素及其相互關(guān)系，為該礦采空區(qū)處理及預(yù)防采空區(qū)失穩(wěn)災(zāi)害的發(fā)生提供一定的指導(dǎo)意義；同時說明了該評價方法在采空區(qū)穩(wěn)定性的評價上是科學(xué)的、可行的，也可為國內(nèi)同類礦山的采空區(qū)穩(wěn)定性評價提供借鑒和參考價值.

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Risk Assessment on an Iron Goaf Based on Multi-factor Fuzzy Comprehensive Evaluation

ZHU Wei-min,LI Xiang,CHEN Guo-liang,ZHU Ming,LIU Xiao-jun

(Faculty of Resources and Environment Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

This paper studies the risk assessment on an iron goaf by using the geological and hydrological conditions affecting the stability,characteristics parameters of mined-out areas as index set according to the principle of Fuzzy Mathematics.5 rating scales for assessing the mined-out area’s stability in China are applied as evaluation set.The percentage between two factors is determined by comparing the multiple factors.We set up the fuzzy comprehensive evaluation model for the Goaf risk assessment.The stability evaluation between the sublevel 420 to 460 goaf of an iron ore is performed by applying this assessment model.The risk evaluation result is in the relative higher level II.

fuzzy mathematics;goaf;stability;grade;multiple factor;comprehensive evaluation

TD325.3

A

1674-9669（2011）04-0071-05

2011-05-09

朱為民（1986－ ），男，碩士研究生，主要從事金屬礦山地下采空區(qū)穩(wěn)定性分析及處理技術(shù)研究，E-mail：binghua1017@126.com.