基于加權(quán)平均法的金屬礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)

卓志榮?高?春

（中化地質(zhì)礦山總局河南地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000）

基于加權(quán)平均法的金屬礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)

卓志榮?高?春

（中化地質(zhì)礦山總局河南地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000）

根據(jù)金屬礦山開采的實(shí)際情況，在前人工作的基礎(chǔ)上，提出了采空區(qū)穩(wěn)定性的評價(jià)方法——加權(quán)平均法，通過建立指標(biāo)體系，構(gòu)建評價(jià)模型，計(jì)算采空區(qū)發(fā)生地面塌陷的概率大小。指標(biāo)體系由5個(gè)評價(jià)指標(biāo)組成，每個(gè)評價(jià)指標(biāo)分為3個(gè)等級。本文應(yīng)用加權(quán)平均對某工程實(shí)例進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)，為合理處理采空區(qū)和礦山安全生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

礦山開采；采空區(qū)；加權(quán)平均法；穩(wěn)定性評價(jià)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，礦山開采也在大規(guī)模推進(jìn)。金屬礦山開采方式大部分為地下開采，形成了大面積的采空區(qū)。由于我國目前的采礦技術(shù)尚未達(dá)到科技領(lǐng)先水平，大部分礦山?jīng)]有嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)及礦產(chǎn)資源開發(fā)利用方案進(jìn)行開采。另外，早期很多民采活動(dòng)，都是依據(jù)淺顯的經(jīng)驗(yàn)而為。因此，地下采空區(qū)隨著時(shí)間的推移，穩(wěn)定性逐漸變差，極易發(fā)生地面塌陷及地裂縫災(zāi)害。本文根據(jù)金屬礦山采空區(qū)穩(wěn)定性的主要影響因素，利用加權(quán)平均法進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)，確定采空區(qū)發(fā)生地面塌陷災(zāi)害的可能性大小。

2 影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素分析

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》及我國礦山采空塌陷的實(shí)際情況， 地表移動(dòng)盆地的范圍要比采空區(qū)面積大得多，其位置和形狀與礦層的傾角大小有關(guān)。礦層傾角平緩時(shí)，地表移動(dòng)盆地位于采空區(qū)的正上方，形狀對稱于采空區(qū)；礦層傾角較大時(shí)，地表移動(dòng)盆地在沿礦層走向方向仍對稱于采空區(qū)，而傾斜向方向移動(dòng)盆地與采空區(qū)的關(guān)系是非對稱的，并隨著傾角的增大，盆地中心越向傾向方向偏移[1]。

采空區(qū)地表變形分為：兩種移動(dòng)和三種變形。兩種移動(dòng)為垂直移動(dòng)（下沉）和水平移動(dòng)。三種變形為傾斜變形、彎曲（曲率）、水平變形（伸張或壓縮）。

采空區(qū)的移動(dòng)變形大小主要取決于以下因素[2]：

2.1 礦層因素

（1）礦層埋深越大（即開采深度越大），變形發(fā)展到地表所需的時(shí)間越長，地表變形值越小，變形比較平緩均勻，但地表移動(dòng)盆地的范圍增大。

（2）礦層厚度大，采空的空間大，會(huì)促使地表的變形值增大。

（3）礦層傾角大時(shí)，使水平移動(dòng)值增大，地表出現(xiàn)裂縫的可能性增大，地表移動(dòng)盆地與采空區(qū)的位置更不對稱。

2.2 巖性因素

（1）上覆巖層強(qiáng)度高、分層厚度大時(shí)，產(chǎn)生地表變形所需采空面積要大，破壞過程時(shí)間長；厚度大的堅(jiān)硬巖層，甚至長期不產(chǎn)生地表變形。強(qiáng)度低、分層薄的巖層，常產(chǎn)生較大的地表變形，且速度快，但變形均勻，地表一般不出現(xiàn)裂縫。脆性巖層地表易產(chǎn)生裂縫。

（2）厚度大、塑性大的軟弱巖層，覆蓋于硬脆的巖層上時(shí)，后者產(chǎn)生破壞會(huì)被前者緩沖或掩蓋，使地表變形平緩；反之，上覆軟弱巖層較薄，則地表變形會(huì)很快，并出現(xiàn)裂縫。巖層軟硬相間，且傾角較陡時(shí)，接觸處常出現(xiàn)層離現(xiàn)象。

（3）地表第四系堆積物越厚，則地表變形值增大，但變形平緩均勻。

2.3 構(gòu)造因素

（1）巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，會(huì)促進(jìn)變形加快，增大變形范圍，擴(kuò)大地表裂縫區(qū)。

（2）斷層會(huì)破壞地表移動(dòng)的正常規(guī)律，改變地表移動(dòng)盆地的位置和大小，斷層帶上的地表變形更加劇烈。

2.4 地下水因素

地下水活動(dòng)（特別是對抗水性弱的軟弱巖層）會(huì)加快變形速度，擴(kuò)大地表變形范圍，增大地表變形值。

2.5 開采條件

礦層開采和頂板處置的方法以及采空區(qū)的大小、形狀、礦柱保留情況、工作面推進(jìn)速度等，均影響著地表變形值、變形速度和變形的形式。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)

3.1 加權(quán)平均法的應(yīng)用

加權(quán)平均法又稱為綜合加權(quán)平均法，利用過去若干個(gè)按照時(shí)間順序排列起來的同一變量的觀測值并以時(shí)間順序數(shù)為權(quán)數(shù)，計(jì)算出觀測值的加權(quán)算術(shù)平均數(shù)，以這一數(shù)字作為預(yù)測未來期間該變量預(yù)測值的一種趨勢預(yù)測法。

加權(quán)平均數(shù)是不同比重?cái)?shù)據(jù)的平均數(shù)，就是把原始數(shù)據(jù)按照合理的比例來計(jì)算，若n個(gè)數(shù)中，x1出現(xiàn)的概率為f1，x2出現(xiàn)的概率為f2，…，xk出現(xiàn)的概率為fk次，那么叫做x1，x2，…，xk的加權(quán)平均數(shù)。f1，f2，…，fk是x1，x2，…，xk的權(quán)[3～4]。

3.2 采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)

由于礦山開采形成的采空區(qū)引發(fā)地面塌陷具有一定的未知性，只能按照過去的一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來推測未來發(fā)生災(zāi)害的趨勢及概率。因此，根據(jù)加權(quán)平均法的原理及影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素，本文結(jié)合一些工程實(shí)例運(yùn)用加權(quán)平均法來評價(jià)金屬礦山采空區(qū)穩(wěn)定性是比較合理和科學(xué)的。

3.2.1 指標(biāo)含義與評價(jià)因子

影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素主要包括礦層因素、巖性因素、構(gòu)造因素、地下水因素和開采條件共5項(xiàng)，這些因素組成了加權(quán)平均法中的不同變量（評價(jià)指標(biāo)），即x1、x2、x3、x4和x5。

影響礦山采空區(qū)穩(wěn)定性的每個(gè)評價(jià)指標(biāo)按照采空區(qū)所處的地質(zhì)環(huán)境條件可分為良好、中等和較差3個(gè)等級，不同條件下，采空區(qū)發(fā)生地面塌陷的概率fni是不一樣的。

3.2.2 評價(jià)模型

根據(jù)地下采空區(qū)形成特點(diǎn)及影響因素，進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)。建立步驟如下[5]：

（1）確定評價(jià)指標(biāo)值

評價(jià)指標(biāo)值是根據(jù)這些因素在采空區(qū)穩(wěn)定性中所起作用程度以及過去采空區(qū)發(fā)生地面塌陷的實(shí)例來確定的。假設(shè)這五個(gè)評價(jià)指標(biāo)總和為1，則：礦層因素x1=0．25；巖性因素x2=0．20；構(gòu)造因素x3=0．25；地下水因素x4=0．15；開采條件x5=0．15。

評價(jià)指標(biāo)按照采空區(qū)所處的礦山地質(zhì)環(huán)境條件可分為良好、中等和較差三個(gè)等級，其中良好條件下采空區(qū)發(fā)生地面塌陷的概率f1i為0．15，為保守起見，影響因素全部為良好的情況下，發(fā)生地面塌陷災(zāi)害的概率為15%；中等條件下f2i為0．5，即影響因素全部為中等的情況下，發(fā)生地面塌陷災(zāi)害的概率為50%；較差條件下f3i為1．0，即影響因素全部為較差的情況下，發(fā)生地面塌陷災(zāi)害的概率為100%（見表1）[6～7]。

表1 采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)分類及分級表[8]

（2）計(jì)算公式

當(dāng)五項(xiàng)影響因素不一致時(shí)，則發(fā)生地面塌陷災(zāi)害的概率公式為：

式中：P—發(fā)生地面塌陷的概率；

xi—各因素在采空區(qū)穩(wěn)定性中所起作用程度值（評價(jià)指標(biāo)）；

fni—各指標(biāo)在不同等級下發(fā)生地面塌陷的概率。

4 實(shí)例分析

4.1 項(xiàng)目概況

洛陽市欒川縣某金礦礦山，由于早期民采活動(dòng)，目前形成了多處采空區(qū)，其中面積最大的一處達(dá)到470m2，其具體特征如下（見表2）：

表2 某金礦礦山特征一覽表

4.2 采空區(qū)穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)本文中介紹的采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)方法，結(jié)合表1和表2可知，由礦層因素引發(fā)地面塌陷的概率f31=1．0，由巖性因素引發(fā)地面塌陷的概率f12=0．15，由構(gòu)造因素引發(fā)地面塌陷的概率f23=0．5，由地下水因素引發(fā)地面塌陷的概率f24=0．5，由開采條件引發(fā)地面塌陷的概率f15=0．15。

根據(jù)公式（1）可計(jì)算本礦山采空區(qū)引發(fā)地面塌陷的綜合概率，

由計(jì)算可以得出，本采空區(qū)發(fā)生地面塌陷災(zāi)害的概率為50．25%。

5 結(jié)論

本文是基于加權(quán)平均法進(jìn)行的采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)，由5個(gè)評價(jià)指標(biāo)，每個(gè)評價(jià)指標(biāo)可分為3個(gè)等級。通過構(gòu)建模型，對采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)，結(jié)果具有直觀性，為采空區(qū)處理和礦山安全生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

然而，這種評價(jià)方法仍然存在著缺點(diǎn)和局限性，隨著以后的深入調(diào)查研究和采空區(qū)所需的研究分析，對其進(jìn)行進(jìn)一步的完善、修改，為金屬礦山采空區(qū)的防治工作提供服務(wù)。同時(shí)，也希望同行們能批評指正。

[1] 工程地質(zhì)手冊編委會(huì)． 工程地質(zhì)手冊（第四版）[S]． 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007．

[2] 張建，張遠(yuǎn)芳，袁鐵柱，陳小強(qiáng)． 采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評價(jià)[J]． 水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2010，8（2）：145-146．

[3] 李焱． 基于加權(quán)平均法和均勻設(shè)計(jì)的多目標(biāo)進(jìn)化算法[D]． 西安：西安電子科技大學(xué)，2011．

[4] 高超． 淺析加權(quán)平均法在多目標(biāo)決策中的應(yīng)用[J]． 電腦與知識，2010，16（6）：4495-4496．

[5] 崔亮，雷學(xué)峰，趙飛虎，等． 基于加權(quán)平均法的圍巖穩(wěn)定性評價(jià)研究[J]． 煤炭工程，2011（6）：77-78．

[6] 馬云龍． 采空區(qū)穩(wěn)定性分析及影響因子研究[D]． 長沙：中南大學(xué)，2010．

[7] 李媛，曲雪妍，房浩，等． 地質(zhì)災(zāi)害綜合評價(jià)指標(biāo)體系和評價(jià)方法研究[J]． 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，40（5）：129-132．

[8] 中華人民共和國國土資源部． DZ/T 0223-2011 礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案編制規(guī)范[S]． 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011．

2016-07-18