某采空區穩定性評價指標體系構建及定量分析

閻曉榮　柯　波　羅黎明　李　爽

(1.葛洲壩易普力新疆爆破工程有限公司；2.中南大學資源與安全工程學院；3.湖北永業行評估咨詢有限公司)

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某采空區穩定性評價指標體系構建及定量分析

閻曉榮1柯波2羅黎明2李爽3

(1.葛洲壩易普力新疆爆破工程有限公司；2.中南大學資源與安全工程學院；3.湖北永業行評估咨詢有限公司)

采空區是礦山最大的安全隱患之一，其穩定與否直接影響礦山的安全生產。采空區穩定性影響因素具有復雜性與不確定性，通過分析采空區穩定性的主要影響因素，建立了多層次的采空區穩定性評價模型。以云南某礦山工程為例，利用層次分析法，從地質水文條件、采空區特征參數、其他因素等方面對該礦采空區穩定性的影響因素進行了定量分析，并進行了采空區穩定性評價，為有效進行采空區穩定性評價提供了有效途徑。

采空區穩定性評價層次分析法定量分析

由于礦產資源的大量開采，遺留了許多安全隱患，嚴重威脅了人類生命安全和生態環境[1-3]。在該類安全隱患中，采空區是最大的安全隱患之一，采空區圍巖在地下施工的爆炸沖擊作用下易發生垮落，能量累積效應易引起大面積空區坍塌等[4-7]，在很大程度上影響了礦山的安全生產，因此，對采空區進行穩定性評價對于確保礦山安全生產具有重要意義。近年來，國內外大量學者對采空區探測方法、采空區穩定性評價、采空區處理技術等方面進行了深入研究，成果豐碩[8-11]。在進行采空區穩定性評價的前提下，采取適當的工程措施對采空區進行有效治理，是采礦生產作業中時常面臨的問題，但由于采礦條件和礦山地質條件的不確定性和復雜性，導致難以對采空區的危害進行定量評價。為此，本研究以云南某礦為例，擬用層次分析法對該礦采空區穩定性的影響因素進行分析，為合理設計礦房尺寸以及進行安全回采提供理論依據。

1　工程背景

云南某礦為大型錫銅多金屬礦床，賦存于花崗巖內蝕變帶中，蝕變帶SN走向，傾向W，走向長1 200 m，寬350～690 m，賦存標高1 450～1 900 m。礦種以錫銅礦化為主，局部具鎢礦化。礦體產于花崗巖與大理巖接觸界面以內厚15～60 m的花崗巖內蝕變帶中，主要形態為脈狀，礦脈呈近EW向產出，大多傾向N，傾角70°～80°，礦脈寬0.4～1.5 m。礦區地層巖性總體較單一，以堅硬厚大的碳酸鹽巖及花崗巖為主，巖體穩較固，礦體頂底板巖層抗壓強度高，穩固性較好。礦體受花崗巖表面形態的控制，多產于花崗巖接觸帶產狀陡緩變化部位，呈似層狀、透鏡狀產出，以錫銅礦化為主，礦石類型主要有矽卡巖硫化礦、致密塊狀硫化礦。

2　采空區穩定性評價指標體系構建

2.1層次分析法原理

用層次分析法對采空區進行穩定性評價時通過選取一定的指標利用層次分析得出指標權重，在此基礎上對各采空區進行統一的量化評價。層次分析法通過對各評價指標進行兩兩比較相對重要性，得到一個判斷矩陣，求解得到該矩陣的最大特征值對應的特征向量的各個分量即為各指標的權重[12]。

(1)構造判斷矩陣。用ki、kj表示方案的指標因素，kij表示指標ki相對于指標kj的重要程度，并且kij與kji互為倒數。利用方案的各因素進行兩兩比較，得到判斷矩陣。采用基于Satty提出的1～9標度法進行判斷矩陣取值，取值范圍為1～9，見表1。

表1　層次分析法判斷矩陣取值

(2)指標權重計算。對于判斷矩陣Dij，計算方程Db=λmaxb，求解特征向量b，特征向量b即為相應指標的權重。

(3)一致性檢驗。由于各指標的重要程度由專家打分，存在隨意性，為確定權重分配是否合理，需對判斷矩陣進行一致性檢驗。當指標數值小于0.1時，認為判斷矩陣滿足一致性檢驗，否則需重新構造判斷矩陣，直至滿足一致性檢驗要求為止。

2.2評價指標體系

基于層次分析法的基本原理，建立了一套完整的采空區穩定性影響因素評價指標體系(圖1)。

3　定量分析

根據層次分析法的計算步驟，確定準則層各指標權重并進行一致性檢驗。根據專家調查統計結果，得到關于地質水文、采空區參數、其他因素等方面的準則層判斷矩陣，如表2所示。

圖1　采空區穩定性評價指標層次結構表2　準則層判斷矩陣

采空區穩定性地質水文條件采空區特征參數其他因素地質水文條件1.00001.00004.0000采空區特征參數1.00001.00003.0000其他因素0.25000.33331.0000

由準則層T判斷矩陣可得準則層各指標重要程度排序向量，即準則層權重矩陣W=[0.457 7，0.416 0，0.126 3]，此時計算得到CR值為0.008 9(小于0.1)，表明一致性檢驗結果符合要求，故準則層權重向量W合理可靠。

根據專家調查統計結果，地質水文條件各指標判斷矩陣如表3所示。

表3　地質水文條件各指標判斷矩陣

由地質水文條件各指標判斷矩陣得到地質水文條件各指標權重矩陣W1=[0.496 4，0.211 1，0.060 3，0.232 2]T，此時計算得到CR值為0.011 1(小于0.1)，表明一致性檢驗結果符合要求，故地質水文條件指標層權重向量W1合理可靠。

根據專家調查統計結果，采空區特征參數各指標判斷矩陣如表4所示。

表4　采空區特征參數各指標判斷矩陣

由采空區特征參數指標判斷矩陣得到采空區特征參數各指標權重矩陣W2=[0.326 8，0.386 4，0.040 8，0.097 7，0.148 2]T。此時計算得到的CR值為0.046 5(小于0.1)，表明一致性檢驗結果符合要求，故采空區特征參數指標層權重向量W2合理可靠。

根據專家調查統計結果，有關采空區穩定性其他各因素指標的判斷矩陣如表5所示。

根據其他因素指標判斷矩陣得到其他因素各指標權重矩陣W3=[0.054 3，0.113 7，0.326 0，0.505 9]T。此時計算得到的CR值為0.0378(小于0.1)，表明一致性檢驗結果符合要求，故其他因素指標層權重向量W3合理可靠。

表5　其他因素指標判斷矩陣

根據上述計算，可得各層各指標總權重，如圖2所示。

圖2　各指標總權重分布

4　結　論

(1)根據德爾菲法構建了采空區穩定性的層次分析模型，得到斷層、RQD值、單軸抗壓強度、地下水涌水量、最大暴露面積、采空區體積、埋藏深度、高度、跨度、空間跌置層數、相鄰采區情況、頂板狀況、礦柱狀況13個綜合評價指標。

(2)目標層影響因素中，地質水文條件所占權重最大，為0.457 7；次為采空區特征參數，權重為0.416 0；其他因素所占權重最小，僅為0.126 3。由準則層整體重要性排序分析可知，斷層、采空區體積、最大暴露面積、地下水涌水量、巖石RQD值等為主要評價指標。因此，在進行采空區穩定性分析時，應主要考慮該類因素的影響。

(3)基于層次分析法的采空區穩定性評價可滿足評價設計的可行性、客觀性和多指標性的基本設計原則，該方法合理可靠，適用于進行采空區穩定性綜合評價。

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Quantitative Analysis and Construction of the Stability Evaluation Index System of the Goaf in a Mine

Yan Xiaorong1Ke Bo2Luo Liming2Li Shuang3

(1.Gezhouba Yipuli Xinjiang Blasting Engineering Co.,Ltd.;2.School of Resources and Safety Engineering,Central South University;3.Hubei Realhom Appraisal & Consulting Co.,Ltd.)

Goaf is one of the biggest security risks in mines,the safety production of mine is affected directly by the stable or not of goaf.The influence factors of the stability of goaf with the characteristics of complexity and uncertainty.The multi-level stability evaluation model of goaf is established by analyzing the main influence factors of goaf.Taking the mine engineering inYunnan province as the research example,the stability influence factors of goaf of the mine are conducted quantitative analysis from the three aspects of geological and hydrological conditions,characteristics parameters of goaf and other factors by adopting the analytic hierarchy process,besides that,the stability evaluation of the goaf is also done to provide a effective way for the stability evaluation of goaf.

Goaf,Stability evaluation,Analytic hierarchy process,Quantitative analysis

2016-06-07)

閻曉榮(1981—)，男，工程師，830004 新疆維吾爾自治區烏魯木齊市新市區經濟技術開發區陽澄湖路98號。