基于變權重-云模型的巖體質量評價方法

鄭相悅

(廣東省冶金建筑設計研究院)

巖體工程質量會直接影響工程穩定性，地下工程設計與施工首先要進行巖體質量評價[1-2]。由于巖體質量影響因素較多，具有隨機性與模糊性特點，傳統的巖體質量分級方法存在一定不足，易導致評價結果可靠性不強[3]。云模型能夠實現定量描述與定性分析之間相互轉化，已經顯示出了巨大優勢[4-5]。在指標權重確定時，層次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)和熵權理論評價方法存在偏主觀或偏客觀的不足，易導致最終評價結果不可靠。因此，本研究通過構建基于變權重-云模型的巖體質量綜合評價模型，并將其應用于山東焦家金礦的巖體質量評價中，并與改進的RMR法進行對比分析。

1 云模型理論

1.1 云模型

1.2 綜合確定度

通過計算綜合確定度，基于最大隸屬度原則判斷評估等級。綜合確定度計算公式為

式中，μ(x)為單指標確定度；wj為指標權重，采用變權重理論確定；m為評價指標數量。

1.3 巖體質量分級評價模型實現流程

基于變權重-云模型的巖體質量評價流程見圖1。

2 巖體質量分級評價模型構建

2.1 巖體質量評價指標體系建立

本研究構建了包括巖體強度特征(巖石單軸抗壓強度、RQD、巖體鉆進速度)、巖體剛度特征(巖體聲波速度)、水文地質特征(滲水量、地應力影響因子)和巖體結構特征(結構面間距、結構面摩擦系數)的綜合評價指標體系。將巖體質量劃分為5個等級，分別為穩定(Ⅰ)、較穩定(Ⅱ)、基本穩定(Ⅲ)、不穩定(Ⅳ)、極不穩定(Ⅴ)，具體等級劃分標準見表1。

圖1 巖體質量評價流程

2.2 云模型指標云圖生成

根據云圖即可計算某個評價指標在不同等級下的確定度。云的數字特征見表2，典型單指標云圖如圖2所示。

表1 巖體質量分級指標評分標準

表2 正態云模型的數字特征

圖2 評價指標云圖

3 應用實例

焦家金礦采用上向水平分層充填采礦法回采金礦石，但由于礦床開采深度的增大，礦體所受的地應力也越來越大，礦巖的破壞程度也越來越嚴重，在開采過程中由于頂板穩固性變差，時常會發生冒頂和片幫現象，采場圍巖穩固性較差。通過對不同階段的采場、巷道進行地質調查(節理裂隙、斷層、結構面)和力學性質參數測定，得到的具體指標值見表3。

表3 巖體質量評價指標原始數據

3.1 基于變權重理論的指標權值確定

3.1.1 指標常權計算

本研究采用層次分析法[6]確定的指標權值為

w=[0.042 0.059 0.031 0.081 0.217 0.301 0.113 0.156] .

3.1.2 變權計算

(1)指標歸一化處理。為了便于指標之間比較，需要對各參數進行歸一化處理，經過歸一化處理后的標準評價矩陣B為

(2)確定狀態變權向量。采用指數型狀態變權向量形式，公式為

式中，S為狀態變權向量；xij為標準決策矩陣(Xij)的元素，i=1,2,3,…,n，j=1,2,3，…,n；α、β為常數，根據實際情況取值，α≥0，0<β≤1。

(3)確定變權向量矩陣[7]。取α=0.5，β=0.3，則變權向量矩陣為

3.2 計算綜合確定度

根據建立的巖體質量分級標準計算云的數字特征，并采用MATLAB軟件生成單指標云圖，根據云圖可以得到單指標確定度，最后根據式2計算各采場和巷道巖體質量分級的綜合確定度，基于最大隸屬度原則，對巖體質量進行評價，結果見表4。由表4可知：該礦山巖體質量屬于Ⅲ 級和Ⅳ級，即基本穩定和不穩定，與現場調查情況一致，與修正RMR法的評價結果完全一致。

表4 巖體質量分級評估結果

4 結 語

構建了基于變權重-云模型的巖體質量評價模型，以焦家金礦采場為例進行了巖體質量分級評價，評價結果與現場調查相一致，并與修正RMR法評價結果完全相同，表明該模型對于評價采場巖體質量有一定的效果。