程潮鐵礦基于系統層次分析法的巖爆防治措施優化

程 勃,許夢國,張 勇,凌申懷

(武漢科技大學冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室, 湖北武漢 430081)

程潮鐵礦基于系統層次分析法的巖爆防治措施優化

程 勃,許夢國,張 勇,凌申懷

(武漢科技大學冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室, 湖北武漢 430081)

遵守巖爆防治的基本原則,結合程潮鐵礦的礦床地質條件、巖體力學性質和地應力分布規律,對巖爆發生機理、預測理論進行探討,提出相關的防治措施后,利用系統層次分析方法對這些措施進行定量的分析,優選出最佳的防爆措施,從而為決策者提供參選依據。

巖爆;防治措施;層次分析法;判斷矩陣;方案優選

建國以來,隨著采礦技術的突飛猛進,我國許多金屬礦山都已進入深部開采階段。當采礦達到一定的深度時,周圍巖石蘊藏的能量會迅速增大,特別是較硬的巖體自身積聚的能量比一般巖體更多。在地下礦山深部采礦過程中,開挖新的巷道和爆破會破壞原有巖體的能量平衡,當巖體中積聚的能量在很短的時間釋放時便形成巖爆[1]。巖爆會摧毀較大范圍內的采礦設備和巷道硐室,嚴重威脅到采礦人員的人身安全和礦山的安全生產。因此,對防巖爆措施的優化具有很大的現實意義。

本文考慮巖爆防治的基本準則,提出了 5種巖爆防治的基本措施,并用層次分析法優選出各防爆措施,從而為決策者提供參選依據。

1 巖爆防治的基本原則和預防措施

程潮鐵礦經過近半個世紀的開采,開拓工程已經深入地下近千米,采礦深度也已經達到 -500多m。采礦深度越來越深,采區的地應力也就越來越大,巖體越來越堅固,已經初步形成了產生巖爆的條件,給該礦安全生產工作帶來了一系列的問題。因此,有必要在巖爆發生前提出相關的巖爆防治措施,并對這些措施進行優化。

從巖爆發生的機理可以知道,巖爆產生主要有3大要素:

(1)巖性條件。比較硬的巖體相對來說容易發生巖爆。

(2)能量條件。巖體中應儲存足夠多的能量。

(3)時間條件。能量需在短時間急劇釋放。

只有在這 3種條件都具備的情況下,巖爆才可能發生。根據這 3大要素,可以提出巖爆防治的 3大原則:

(1)避免巖體擾動原則。

(2)能量釋放原則。

(3)時間控制原則。

根據這 3大原則,本文提出了 5種相應的巖爆預防措施:巷道的合理設計、巷道周邊應力的調節、圍巖性質的改變、施工方法的選取和支護系統的強化。

2 巖爆防治層次分析體系及分析

對以上 5個方案進行層次分析[3],根據環境分析、目標分析和結構分析建立層次分析模型。總目標作為目標層,各子目標作為準則層,5個可行性方案作為措施層。AHP模型見圖1。

圖1 AHP模型

2.1 構造目標層對應于準則層 A—C因素的判斷矩陣

相對于巖爆防治技術的總目標,比較各準則之間的相對重要性,構造 A—C的判斷矩陣見表1。

表1 A—C的判斷矩陣

2.2 構造準則層對應于措施層 C—P的判斷矩陣

(1)對于避免巖體擾動原則,根據各防爆措施之間的相對重要性比較,其 C1—P判斷矩陣見表2。

表2 C1—P判斷矩陣

(2)對于能量釋放原則以及防爆措施之間的相對重要性比較,其 C2—P判斷矩陣見表3。

表3 C2—P判斷矩陣

(3)相對于時間控制原則,根據各防爆措施之間的相對重要性比較,其 C3—P判斷矩陣見表4。

表4 C3—P判斷矩陣

2.3 判斷矩陣分析

2.3.1 求特征向量和最大特征值λmax

針對判斷矩陣 A=(δij)n×n,設λmax是矩陣 A的最大特征值,在這里先按行將各元素連乘并開 n次方,即求各元素的幾何平均值[4]:

再把 bi(i=1,2,3,...,n)歸一化,即求得最大特征值對應的特征向量:

由W =(w1,w2,....wn)T,則判斷矩陣 A的最大特征值滿足:

計算判斷矩陣的最大特征值λmax。

2.3.2 對各判斷矩陣進行具體的分析

對于判斷矩陣A-C,按照上面 4個公式的計算方法,可得:

因此該矩陣有可接受的不一致性;否則,就認為初步建立的判斷矩陣是不能令人滿意的,需要重新賦值,仔細修正,直至一致性檢驗通過為止。同理可知其它幾個判斷矩陣都有可接受的不一致性。

2.3.3 層次總排序及其一致性檢驗

根據上述各判斷矩陣所計算的各因素權重結果,各防巖爆措施方案層次總排序計算結果見表5。

對于 3階正互反矩陣,平均一致性指標R.I.=0.5,那么有:

表5 層次總排序

層次總排序一致性檢驗如下:

通過一致性檢驗,矩陣在合理的范圍之內。

2.3.4 巖爆防治方案優選

對于該礦采礦巖爆防治這個目標,所考慮的 5種巖爆防治方案的相對優先排序為:

(1)巷道的合理設計 P1為 0.29。合理布置開拓采準巷道可以有效地避免高應力區,在很大程度上可以避免采礦過程中發生巖爆。

(2)施工方法的選取 P4為 0.27。在一些特殊情況下,不合理的施工方法往往會誘發巖爆,因此,改進施工方法在一定的程度上也可以預防巖爆。

(3)巷道周邊應力的調節 P2為 0.22。當掘進的巷道已經處于巖爆的區域內時,則需要改善巷道、硐室的應力狀態,如改變其形狀,大小等,總之不給巖爆的發生創造條件,這種措施屬于間接預防,因此,改善巷道、硐室的應力狀態也對巖爆的發生有不錯的預防效果。

(4)支護系統的強化 P5為 0.14。這種防治方案的機理和改善巷道、硐室的應力狀態基本相同,不過巷道支護系統只在很小的范圍內 (支護可以起作用)對巖爆的預防有一定的效果。大量工程實踐表明,很多巖體工程的破壞往往不是因為圍巖的強度不夠,而是因材料蠕變產生過大的后期變形。因此,強化巷道支護系統對于巖爆的發生也有一定的的預防效果。

(5)圍巖性質的改變 P3為 0.08。圍巖的力學性質雖然和巖爆的發生有很直接的關系,但要改善圍巖的力學性質工程量很大,投資也很大,所以,改善圍巖的力學性質只是理論上的一種預防方法,不過在特殊的情況下也可以采用,因此,改善圍巖的力學性質也屬于巖爆防治措施中的一種方案。

決策者可根據上述分析結果,決定考慮實施巖石防巖爆方案。

3 結 論

(1)巷道的合理設計是巖爆防治的最優方案,改善圍巖的力學性質由于其工程很復雜,也很難實現,因此很少用于巖爆的防治,為最次方案。

(2)判斷矩陣的建立直接關系到各防巖爆措施的權重計算,進而影響防巖爆措施的優選排序,由于判斷矩陣的建立帶有一定的經驗性,所以,對較特殊的巖性條件,巖爆防治措施排序可能有變化。

(3)該礦的深部開采雖暫時沒有出現巖爆,但礦山深部巷道的布置較合理,在巷道的設計中已經考慮到避免高應力區,由此可見,優選出的方案 A具有一定的可靠性,分析結果和實際情況是比較吻合的。

[1]馮夏庭,王泳嘉.深部開采誘發的巖爆及其防治策略的研究進展[J].中國礦業,1998,(7):42-45.

[2]徐 穎,劉永勝,傅菊根,等.軟巖層帶爆炸注漿理論與實踐[M].合肥:中國科技大學出版社,2008.

[3]葉義成,柯麗華,黃德育.系統綜合評價技術及其應用[M].北京:冶金工業出版社,2006.

[4]黃貫虹,方 剛.系統工程方法與應用[M].廣州:暨南大學出版社,2005.

2010-09-14)

程 勃 (1985-),男,湖北孝感人,碩士,助教,主要研究方向為金屬礦床開采工藝,Email:chengbo19851103@163.com。