基于多因素模糊綜合評價的某鐵礦采空區危險度評定

朱為民，李 想，陳國梁，朱 明，劉曉軍

（江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000）

基于多因素模糊綜合評價的某鐵礦采空區危險度評定

朱為民，李 想，陳國梁，朱 明，劉曉軍

（江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000）

根據模糊數學的原理，以影響采空區穩定性的地質和水文條件、采空區特征參數及其他等3種因素共16項因子為指標集，同時以我國礦山采空區穩定性的5個評價等級為評價集，對各因素之間權重按多因素兩兩對比法來確定，在此基礎上建立了采空區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中段的采空區進行了危險度評定，評定結果為該采空區處于危險度較高的第Ⅱ級.

模糊數學；采空區；穩定性；分級；多因素；綜合評價

0 前 言

隨著我國對地下礦產資源的大量開采，未及時處理的采空區也隨之越來越多，尤其是部分大型礦山周邊的歷史遺留采空區和偷采形成的采空區，是影響礦山安全生產的危害源之一；違反了我國礦山開采的各項法律法規，非法開采形成的采空區，由于其采礦空間以及規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的處理及控制難度加大，對主采礦山的安全回采構成了較大的威脅[1].目前，由地下開采形成的采空區所導致的片幫、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害[2]造成重大人員傷亡、設備損壞以及部分礦體無法繼續回采等事故，已成為地下礦山的主要災害之一，引起了政府、企業的高度重視[3].

采空區穩定性的分析[4-5]對礦山治理采空區能起到相當大的指導意義.采空區的及時、有效治理是保證工人生命和國家或企業的財產安全，礦山能否持續性開采的重要條件之一.采空區的治理必須了解各個采空區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生災害的危險性程度.只有綜合考慮各種信息，才能得到準確有效的采空區治理方案，從而盡可能的做到優先治理那些危險性程度大的采空區，保證礦山安全生產.

文中運用多因素模糊綜合評價方法[6-7]，根據國內外的研究經驗，分析和優選出對采空區穩定性有很大影響的因素，以此建立二級模糊綜合評價的數學模型，經過詳細的綜合評價過程，評定出某鐵礦采空區的危險度等級，從而為該鐵礦空區穩定性監測的布置及正確實施、有效治理等提供理論支持.

1 某鐵礦采空區概況及特征

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

根據該鐵礦的現場空區調查和礦山提供的最新采場實測圖，經測算得到420、440、460三個中段各采空區產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個采空區都已與上、下分段礦房相通.

表1 420～460中段采空區產狀及其暴露面積、體積

采空區頂板以大理巖、大理巖化灰巖為主，矽卡巖次之；底板以石英巖、石英砂巖為主，矽卡巖和變質砂泥巖次之.礦巖致密堅硬，節理裂隙不太發育，完整性好，屬穩固至極穩固礦體.從現場調查情況看，圍巖基本穩定，礦柱支撐作用良好，頂板無明顯塌落、冒頂現象，采空區的整體狀況較好，但個別礦柱因應力集中有壓裂、剝落、片幫現象.礦巖物理力學性質見表2.

表2 礦巖物理力學性質

2 多因素模糊綜合評價模型的建立及評判

2.1 指標集的建立

地下礦產資源回采后留下了大小不一、形態各異的諸多采空區.在回采礦石的過程中，破壞了巖體原有的應力平衡狀態，采空區周圍圍巖將出現塑性變形區及松動區，進而達到新的應力平衡狀態或失穩.在構造應力場影響下，當采空區長軸線與最大主應力方向垂直時，對采空區側壁的穩定性極為不利，當采空區長軸線與最大主應力平行時，對采空區穩定性的影響最小.采空區形狀的不同對圍巖的穩定性影響也不同，矩形或其他多邊形采空區在拱角處常呈高應力集中區，尤其在頂板的上下角隅處，以致拱角出現破壞.空區形態較為圓滑時，將大大減少高應力集中區的出現，空區更加穩定.經驗表明，當空區暴露面長度小于2倍寬時，穩定性由暴露面積大小決定；當暴露面長度遠遠大于其寬度時，其穩定性就取決于寬度的大小.

同時，由國內大量礦山的生產實踐表明，影響采空區穩定性的因素有很多，主要取決于巖石性質、節理的分布與產狀、巖石結構、地質構造、水文地質、埋藏深度、礦體產狀、采礦方法、回采順序、空區形狀及規模和礦柱尺寸及布置等，此外還與空區暴露時間、臨近礦體的開采和相鄰采空區的分布等有關[8-9].

這些影響采空區穩定性的因素都隨著不同的礦山、不同的作業環境、不同的經濟技術條件而有所不同.影響顯著、代表性強、易于得到、便于量化是指標的選擇原則[10]，根據該原則經綜合考慮后，同時結合礦山采空區的實際情形，選擇地質水文條件、采空區特征參數和其他等3個方面共包含16項因子作為評價指標集，見表3.

表3 指標集

2.2 評價集的建立

評價集用V表示，根據國內多數礦山對采空區穩定性評價的結論，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

根據模糊數學理論，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，因素隸屬于對應等級的Vi就賦值1，否則賦值0，大多數情況下是根據經驗或實際情況取{0,1}之間某一個數來較為準確的地描述該模糊事物.

根據該礦的空區調查結果，參考相關的資料，對3類因素的16項因子按照其影響程度用5等級進行評價，可以得到 U11～U16的模糊評價矩陣 r11～r16，進而得到地質水文條件因素U1的模糊評價矩陣R1；同理可以得到采空區特征參數的模糊評價矩陣R2以及其他因素的模糊矩陣R3.

模糊矩陣R1～R3如下：

2.4 各指標因素權重的確定

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

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

本文中各指標因素權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重矩陣A1、A2、A3及3個因素之間的權重矩陣A.

即：

2.5 綜合評價

根據模糊數學二次綜合評價的原理，利用因素評判矩陣R和各因素的權數A，作出二次綜合性評判，其數學表達式為：

表4 地質和水文因子的權重系數

表5 采空區特征參數的因子權重系數

表6 其他因素的因子權重系數

表7 3類因素之間的權重系數

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

根據模糊綜合評價的公式(1)，首先第一層次的綜合評價，結果如下：

進而，得到第二次綜合評價的結果：

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

3 結 論

該鐵礦采空區多因素模糊綜合評價結果顯示該采空區處于危險度較高的第Ⅱ級，這與該鐵礦的相關采空區穩定性監測情況相符.所以，建議該鐵礦及時對采空區采取治理措施，如做好采空區的支護，封閉孤立的采空區，同時加強采空區的穩定性監測，受影響范圍內的人員及設備要根據現場情況做好及時撤離的準備.

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穩定性進行了正確的分析，評價過程能綜合考慮多因素及其相互關系，為該礦采空區處理及預防采空區失穩災害的發生提供一定的指導意義；同時說明了該評價方法在采空區穩定性的評價上是科學的、可行的，也可為國內同類礦山的采空區穩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穩定性分析及處理技術研究，E-mail：binghua1017@126.com.