赤峰中色白音諾爾礦業復雜采空區穩定性分級研究

張平發　廖聲銀++李鵬飛++劉浩++張亮

摘 要：關系矩陣能夠反映出系統整體性，是基于系統整體論發展而來，利用關系矩陣的多因素綜合評價，從礦山通常遇到的影響采空區穩定性的因素角度出發，采用模糊數學理論描繪出各因素隸屬度曲線圖，得出對應隸屬度值，并結合其活動性指數最終得出評價結果，從而科學、快捷的確定赤峰中色白音諾爾礦業有限公司北礦區復雜采空區穩定性級別。

關鍵詞：采空區 關系矩陣 隸屬度 穩定性分級

中圖分類號：TF065 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（a）-0034-04

Study on Stability Classification of The Complicated Goaf of Chifeng NFC Baiyinnuoer Mine

ZHANG Ping-fa1 LIAO Sheng-yin2 LI Peng-fei1 LIU Hao2 ZHANG Liang2

（1.Chifeng NFC Baiyinnuoer Mining Co.， Ltd.，Neimeng gu Chifeng，024000 ，China；2. School of Resource and Environment Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Jiangxi Ganzhou，341000， China）

Abstract：The relationship matrix system theory reflects the overall system behavior based on，using the multi factor comprehensive evaluation matrix， the angle stability of mined out area from the effects of Mines commonly encountered starting；By using the fuzzy mathematics theory to depicts a major factor curves of membership degree， the membership degree of each factor of product activity indexcorresponding to the accumulation of the evaluation results， and the scientific，fast determine Chifeng NFC Baiyinnuoer Mining Co. Ltd in North Mining Area complex goaf stability level.

Key words：goaf relation matrix membership grade stability classification

白音諾爾鉛鋅礦經過30多年的開采，井下遺留大量采空區。礦山現階段未經處理的大采空區有北區4-8#、19-4#等礦體空區，其中直通地表的較小采空區面積在2000～3000 m2之間，另外一個空區面積在6000 m2左右，大型隱伏空區體積大約有60多萬m3。

遺留的大量采空區給礦山開采帶來以下問題：遺留的未經處理的采空區引起地壓產生，使井下作業存在較大的安全隱患；已采用“強制崩落”處理的空區，回采收柱時造成礦巖混合，貧化嚴重。同時，雨水流入空區及空區內圍巖的塌落，致使采場泥化、貧化現象嚴重；采空區的存在導致礦山地表塌陷，致使礦山通風系統混亂。

大量采空區未進行合理的處治，為礦山現階段的生產以及后續的各項工作造成了嚴重影響。由于采空區情況較為復雜，難以直接對采空區穩定性進行分級，考慮到采空區穩定性分級是采空區治理的基礎依據，為此，利用模糊數學理論方法[1]對影響采空區穩定因素進行分析[2]，并對采空區穩定性進行分級，可準確科學、操作簡易地對采空區進行穩定性分級。

1 多因素關系矩陣綜合分析

1.1 確定影響采空區穩定性因素

頂、底板暴露面積以及礦柱穩定性等構成要素組成[3]采空區穩定性，各因素的實際情況將直接反映出采空區的穩定性；圍巖巖體特性不相同；采空區空間形態、傾角等為影響采空區穩定性的特定因素。各構成要素對采空區穩定性影響作用程度和作用機理也不相同，如圖1反映出各構成要素之間的相互關系。

根據圖1得出以下主要因素作用于采空區穩定性：

（1）巖石單軸抗壓強度；

（2）頂板暴露面積；

（3）原巖應力狀態；

（4）結構面狀態；

（5）地下水；

（6）礦柱狀況。

1.2 建立因素集

首先確定影響采空區穩定性的主要影響因素集，V=（v1，v2，v3，…，vn），其中V表示因素集，vn表示影響因素，對其中的vn（n-1，2，3，…，n）再劃分為vn=（vi1，vi2，vi3 ，…，vim）。

1.3 建立穩定性評價集

根據穩定性系數計算結果分析，再結合國內其它空場法開采礦山多年積累穩定性分級經驗參考分析，可劃分為五個等級，即U=（A級、B級、C級、D級、E級），見表1。

1.4 各因素的隸屬度

據現場測量數據資料表明，通常當巖石單軸抗壓強度除以最大初始應力得出的值在時就會發生巖爆和巖心餅化，據此確定該因素的隸屬度值特征點為3、6、10、200；最大初始應力與頂板暴露面夾角考慮兩個極端條件，即最大初始應力與頂板垂直時隸屬度為0，與頂板平行時，隸屬度1，中間值取0.5。有關節理間隸屬度由RMR分類表來確定；參考Potvin Y和Hudyma M.Miller提出的巖體缺陷方位修正系數確定出主節理與暴露面方位關系隸屬度值 [4]；確定礦柱對采空區穩定性影響隸屬度，由于目前并沒有合適的定量參考資料，所以特征點只能取最大值、最小值或中間值，即采場礦柱破壞或未留礦柱對應的隸屬度值為0，在礦柱完整性較好時對應的隸屬度則為1，而在礦柱部分破壞的情況下（包括采場本身未留全礦柱的情況）隸屬度為0.5[5]。最后得到各主要因素隸屬度曲見圖2。endprint

1.5 建立關系矩陣

在系統整體論發展基礎之上，創建了關系矩陣，它為分析多因素影響的系統提供了一種可行性研究方法，根據J.A.Hudson列出的矩陣圖，用以說明巖石力學問題的繁雜性并運用指導研究巖石力學理論。

關系矩陣的構成，將主要因素放置在矩陣中的對角線上，其它點為其他影響因素。具體關系矩陣R的表達式見式（1）。

（1）

式中：表示n個主要影響因素；表示因素對因素影響作用程度。

活動性指數是指各因素在系統中所占權重，其指數越高表明作用越大。活動性指數計算公式如下：

（2）

式中：為的活動性指數。

1.6 采空區穩定性系數

根據上述建立起的因素關系矩陣圖，得出各評價因素的權重；同時，根據各因素隸屬度曲線圖，并結合兩者，即將單因素隸屬度值置于放關系矩陣中從而計算出采空區穩定性系數[6]，記作OSI，即：

（3）

式中：為隸屬度值。根據公式3中計算結果就可以比較各采空區穩定性，再與表1比較，從而確定采空區穩定性等級。

2 分析計算

根據各因素之間的相互作用程度，給矩陣中的各元素進行賦值，最終得到的因素關系矩陣圖如下：

由（1）、（2）式計算得出各主要因素的活動性指數，其結果見圖3。

根據采空區穩定性系數公式，結合圖2隸屬度曲線圖以及各因素活動性指數，最終計算得出結果。

以4-8#礦體采空區為例，根據地質等資料可知空區圍巖為閃長玢巖、角巖、大理巖等，巖石單軸抗壓強度為32～226 MPa不等，取為平均100 MPa，頂板暴露面積為1004 m2，空區巷道在現場調查中發現有滴水，采空區的穩定性主要靠圍巖自身的強度及回采時保留的部分礦柱來維持，絕大部分保護礦柱完整性較好。再根據節理調查和其他資料，由此根據圖2可得各評價因素的隸屬度值（i=1，2，…，8）分別為：0.6，0.6，0.3，0.5，0.3，0.3，0.2，0.5，結合采空區穩定性因素活動性指數，代入式（3）即可得到該采空區穩定性系數為0.825，查表1，屬極穩定狀態。

同理，其他各采空區穩定性系數計算過程及結果見表2。

通過井下調查與測量等資料，利用模糊數學的方法對空區穩定性進行評判，北區采空區穩定性系數在0.715～0.825之間，整體空區穩定性級別為穩定。

在赤峰中色白音諾爾礦業有限公司北礦區950 m、900 m和850 m共3個中段建立由光彈應力計和鉆孔應力計組成的應力監測系統，經過半年多的現場監測，監測結果表明北礦區應力基本處于穩定狀態且數值不大，表明采空區穩定性分級合理。

3 結論

（1）通過井下調查與測量等現場資料，利用基于關系矩陣的模糊數學方法對復雜采空區穩定性進行分級評判，北區采空區穩定性系數在0.715～0.825之間，整體空區穩定性級別為穩定。

（2）經過半年多的現場監測，監測結果表明北礦區應力基本處于穩定狀態且數值不大，表明采空區穩定性分級合理。

參考文獻

[1] 林方域.根據可能性理論探討幾種常用模糊數學方法的實質[J].北京農業工程大學學報，1993（1）：1-4.

[2] 鐘春暉，趙奎，郭秋根，等.基于關系矩陣和模糊理論的采空區穩定性綜合評價[J].礦業研究與開發，2006，26（11）：44-46.

[3] 解世俊.金屬礦床地下開采[M].2版.北京：冶金工業出版社，1986：137-171.

[4] 董國慶.Mathew法在某礦采場結構參數中的應用[J].新疆有色金屬，2011（S1）：34-36.

[5] 張東煒，熊雪強，趙奎，等.復雜采空區處理方案的模糊推理系統[J].有色金屬科學與工程，2012，3（1）：90-94.

[6] 馬尚權，王立兵.基于關系矩陣和模糊集合的煤與瓦斯突出綜合評價[J].現代礦業，2001，15（10）：49-51.endprint

1.5 建立關系矩陣

在系統整體論發展基礎之上，創建了關系矩陣，它為分析多因素影響的系統提供了一種可行性研究方法，根據J.A.Hudson列出的矩陣圖，用以說明巖石力學問題的繁雜性并運用指導研究巖石力學理論。

關系矩陣的構成，將主要因素放置在矩陣中的對角線上，其它點為其他影響因素。具體關系矩陣R的表達式見式（1）。

（1）

式中：表示n個主要影響因素；表示因素對因素影響作用程度。

活動性指數是指各因素在系統中所占權重，其指數越高表明作用越大。活動性指數計算公式如下：

（2）

式中：為的活動性指數。

1.6 采空區穩定性系數

根據上述建立起的因素關系矩陣圖，得出各評價因素的權重；同時，根據各因素隸屬度曲線圖，并結合兩者，即將單因素隸屬度值置于放關系矩陣中從而計算出采空區穩定性系數[6]，記作OSI，即：

（3）

式中：為隸屬度值。根據公式3中計算結果就可以比較各采空區穩定性，再與表1比較，從而確定采空區穩定性等級。

2 分析計算

根據各因素之間的相互作用程度，給矩陣中的各元素進行賦值，最終得到的因素關系矩陣圖如下：

由（1）、（2）式計算得出各主要因素的活動性指數，其結果見圖3。

根據采空區穩定性系數公式，結合圖2隸屬度曲線圖以及各因素活動性指數，最終計算得出結果。

以4-8#礦體采空區為例，根據地質等資料可知空區圍巖為閃長玢巖、角巖、大理巖等，巖石單軸抗壓強度為32～226 MPa不等，取為平均100 MPa，頂板暴露面積為1004 m2，空區巷道在現場調查中發現有滴水，采空區的穩定性主要靠圍巖自身的強度及回采時保留的部分礦柱來維持，絕大部分保護礦柱完整性較好。再根據節理調查和其他資料，由此根據圖2可得各評價因素的隸屬度值（i=1，2，…，8）分別為：0.6，0.6，0.3，0.5，0.3，0.3，0.2，0.5，結合采空區穩定性因素活動性指數，代入式（3）即可得到該采空區穩定性系數為0.825，查表1，屬極穩定狀態。

同理，其他各采空區穩定性系數計算過程及結果見表2。

通過井下調查與測量等資料，利用模糊數學的方法對空區穩定性進行評判，北區采空區穩定性系數在0.715～0.825之間，整體空區穩定性級別為穩定。

在赤峰中色白音諾爾礦業有限公司北礦區950 m、900 m和850 m共3個中段建立由光彈應力計和鉆孔應力計組成的應力監測系統，經過半年多的現場監測，監測結果表明北礦區應力基本處于穩定狀態且數值不大，表明采空區穩定性分級合理。

3 結論

（1）通過井下調查與測量等現場資料，利用基于關系矩陣的模糊數學方法對復雜采空區穩定性進行分級評判，北區采空區穩定性系數在0.715～0.825之間，整體空區穩定性級別為穩定。

（2）經過半年多的現場監測，監測結果表明北礦區應力基本處于穩定狀態且數值不大，表明采空區穩定性分級合理。

參考文獻

[1] 林方域.根據可能性理論探討幾種常用模糊數學方法的實質[J].北京農業工程大學學報，1993（1）：1-4.

[2] 鐘春暉，趙奎，郭秋根，等.基于關系矩陣和模糊理論的采空區穩定性綜合評價[J].礦業研究與開發，2006，26（11）：44-46.

[3] 解世俊.金屬礦床地下開采[M].2版.北京：冶金工業出版社，1986：137-171.

[4] 董國慶.Mathew法在某礦采場結構參數中的應用[J].新疆有色金屬，2011（S1）：34-36.

[5] 張東煒，熊雪強，趙奎，等.復雜采空區處理方案的模糊推理系統[J].有色金屬科學與工程，2012，3（1）：90-94.

[6] 馬尚權，王立兵.基于關系矩陣和模糊集合的煤與瓦斯突出綜合評價[J].現代礦業，2001，15（10）：49-51.endprint

1.5 建立關系矩陣

在系統整體論發展基礎之上，創建了關系矩陣，它為分析多因素影響的系統提供了一種可行性研究方法，根據J.A.Hudson列出的矩陣圖，用以說明巖石力學問題的繁雜性并運用指導研究巖石力學理論。

關系矩陣的構成，將主要因素放置在矩陣中的對角線上，其它點為其他影響因素。具體關系矩陣R的表達式見式（1）。

（1）

式中：表示n個主要影響因素；表示因素對因素影響作用程度。

活動性指數是指各因素在系統中所占權重，其指數越高表明作用越大。活動性指數計算公式如下：

（2）

式中：為的活動性指數。

1.6 采空區穩定性系數

根據上述建立起的因素關系矩陣圖，得出各評價因素的權重；同時，根據各因素隸屬度曲線圖，并結合兩者，即將單因素隸屬度值置于放關系矩陣中從而計算出采空區穩定性系數[6]，記作OSI，即：

（3）

式中：為隸屬度值。根據公式3中計算結果就可以比較各采空區穩定性，再與表1比較，從而確定采空區穩定性等級。

2 分析計算

根據各因素之間的相互作用程度，給矩陣中的各元素進行賦值，最終得到的因素關系矩陣圖如下：

由（1）、（2）式計算得出各主要因素的活動性指數，其結果見圖3。

根據采空區穩定性系數公式，結合圖2隸屬度曲線圖以及各因素活動性指數，最終計算得出結果。

以4-8#礦體采空區為例，根據地質等資料可知空區圍巖為閃長玢巖、角巖、大理巖等，巖石單軸抗壓強度為32～226 MPa不等，取為平均100 MPa，頂板暴露面積為1004 m2，空區巷道在現場調查中發現有滴水，采空區的穩定性主要靠圍巖自身的強度及回采時保留的部分礦柱來維持，絕大部分保護礦柱完整性較好。再根據節理調查和其他資料，由此根據圖2可得各評價因素的隸屬度值（i=1，2，…，8）分別為：0.6，0.6，0.3，0.5，0.3，0.3，0.2，0.5，結合采空區穩定性因素活動性指數，代入式（3）即可得到該采空區穩定性系數為0.825，查表1，屬極穩定狀態。

同理，其他各采空區穩定性系數計算過程及結果見表2。

通過井下調查與測量等資料，利用模糊數學的方法對空區穩定性進行評判，北區采空區穩定性系數在0.715～0.825之間，整體空區穩定性級別為穩定。

在赤峰中色白音諾爾礦業有限公司北礦區950 m、900 m和850 m共3個中段建立由光彈應力計和鉆孔應力計組成的應力監測系統，經過半年多的現場監測，監測結果表明北礦區應力基本處于穩定狀態且數值不大，表明采空區穩定性分級合理。

3 結論

（1）通過井下調查與測量等現場資料，利用基于關系矩陣的模糊數學方法對復雜采空區穩定性進行分級評判，北區采空區穩定性系數在0.715～0.825之間，整體空區穩定性級別為穩定。

（2）經過半年多的現場監測，監測結果表明北礦區應力基本處于穩定狀態且數值不大，表明采空區穩定性分級合理。

參考文獻

[1] 林方域.根據可能性理論探討幾種常用模糊數學方法的實質[J].北京農業工程大學學報，1993（1）：1-4.

[2] 鐘春暉，趙奎，郭秋根，等.基于關系矩陣和模糊理論的采空區穩定性綜合評價[J].礦業研究與開發，2006，26（11）：44-46.

[3] 解世俊.金屬礦床地下開采[M].2版.北京：冶金工業出版社，1986：137-171.

[4] 董國慶.Mathew法在某礦采場結構參數中的應用[J].新疆有色金屬，2011（S1）：34-36.

[5] 張東煒，熊雪強，趙奎，等.復雜采空區處理方案的模糊推理系統[J].有色金屬科學與工程，2012，3（1）：90-94.

[6] 馬尚權，王立兵.基于關系矩陣和模糊集合的煤與瓦斯突出綜合評價[J].現代礦業，2001，15（10）：49-51.endprint