模糊綜合評(píng)判法在蝕變巖型金礦床巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

劉 震

(1.山東黃金集團(tuán)有限公司深井開采實(shí)驗(yàn)室，山東 萊州 261400；2.山東省深海深地金屬礦智能開采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

模糊綜合評(píng)判法是一種利用較為模糊的已知條件，通過(guò)評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行合理的歸一化處理，擇優(yōu)選擇隸屬度最高的計(jì)算結(jié)果，從而得到一個(gè)更真實(shí)、更科學(xué)的計(jì)算結(jié)果。目前，該方法被廣發(fā)應(yīng)用于諸多行業(yè)領(lǐng)域，在礦業(yè)領(lǐng)域常見(jiàn)的應(yīng)用主要集中在：研究礦井水質(zhì)分類及涌水來(lái)源[1-2]；研究礦山巖體和采空區(qū)的穩(wěn)定性[3-4]；選擇更為合理的采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)[5]；對(duì)礦山生產(chǎn)過(guò)程中的安全隱患進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[6-7]；研究采礦活動(dòng)對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[8-9]。

在巖體質(zhì)量分級(jí)領(lǐng)域，往往得到的信息是十分有限的，如何利用好這些已知信息，前人已進(jìn)行了諸多分類方法的研究。不論是Q系統(tǒng)分類法、還是地質(zhì)力學(xué)RMR分類法又或者是國(guó)標(biāo)BQ分類法，這些分類方法多來(lái)源于地表邊坡、隧洞橋梁以及水利水電等工程實(shí)例的總結(jié)歸納，在實(shí)際應(yīng)用中與礦山井下巖體質(zhì)量的評(píng)價(jià)存在一定的差距[10-12]。上述分類方法所側(cè)重的影響因素是不同的，所以所得的分類結(jié)果并不一定完全一致。并且，分類結(jié)果受主觀性影響太強(qiáng)，部分賦分值的選擇是一種定性分析。例如在結(jié)構(gòu)面粗糙程度考量時(shí)，具體是粗糙還是非常粗糙根本無(wú)法用準(zhǔn)確的數(shù)值精確確定。因此需要進(jìn)行綜合考慮，可以采用模糊綜合評(píng)判的方法對(duì)不同巖性的巖體質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行最終分類更為合理。

1 模糊綜合評(píng)判公式的構(gòu)建

1.1 確定著眼因素集和決策評(píng)語(yǔ)集

將影響巖體質(zhì)量等級(jí)的各類因素集合起來(lái)設(shè)為U，子集u即代表不同的指標(biāo)，公式如下：

U=(u1，u2，u3，u4，u5)

(1)

式中：u1—Q分類值；u2—RMR分類值；u3—BQ分類值；u4—抗拉穩(wěn)定系數(shù)η1；u5—抗壓穩(wěn)定系數(shù)η2。

根據(jù)特征指標(biāo)將巖體質(zhì)量等級(jí)分為5個(gè)等級(jí)，決策評(píng)語(yǔ)集可寫為：

V={Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí)，Ⅴ級(jí)}

={良好，較好，一般，較差，很差}

1.2 構(gòu)造評(píng)價(jià)矩陣

1.2.1 單因素評(píng)價(jià)值

在進(jìn)行最終分類結(jié)果計(jì)算時(shí)，需要先對(duì)各個(gè)子集進(jìn)行賦值。不同的子集代表不同的影響因素，綜合考慮常用的巖體質(zhì)量分級(jí)方法后，將5個(gè)子集選擇為Q系統(tǒng)分類值、RMR分類值、BQ分類值、穩(wěn)定性系數(shù)(抗拉穩(wěn)定系數(shù)η1；抗壓穩(wěn)定系數(shù)η2)。各因素在不同等級(jí)中的隸屬程度采用隸屬函數(shù)來(lái)刻畫，確定隸屬函數(shù)可根據(jù)各因素總體值域跨度進(jìn)行評(píng)分，跨度較小分差較小，跨度較大分差較大，且分?jǐn)?shù)越高，穩(wěn)定性越好。詳細(xì)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 單因素評(píng)價(jià)值評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2 構(gòu)造評(píng)價(jià)矩陣

將表1中的單因素評(píng)分值進(jìn)行聯(lián)合，得到評(píng)價(jià)矩陣：

(2)

(3)

(4)

2 焦家金礦不同蝕變巖巖體綜合分類

2.1 焦家金礦蝕變巖分類

焦家金礦床位于焦家主干斷裂破碎蝕變巖帶內(nèi)，主裂面上盤為黃鐵絹英巖化斜長(zhǎng)角閃巖帶，主裂面下盤各蝕變巖類型依次為黃鐵絹英巖質(zhì)碎裂巖帶、黃鐵絹英巖化花崗巖帶和鉀化、硅化花崗巖帶，其蝕變礦化特征見(jiàn)表2。本文主要研究對(duì)礦體開采影響較大的下盤各蝕變巖巖體質(zhì)量等級(jí)。

表2 焦家礦區(qū)圍巖蝕變礦化特征表

2.2 評(píng)價(jià)值來(lái)源

各個(gè)單因素子集的分類方法得到不同蝕變巖巖體質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果，見(jiàn)表3。從表中不難看出，不同分類方法的結(jié)果并不完全一致。主要是因?yàn)椴煌姆诸惙椒ㄓ胁煌囊蛩刂担?dāng)部分分類結(jié)果的分值與不同級(jí)別界限分值十分接近，就會(huì)造成分類結(jié)果不一致的現(xiàn)象。這是常用的Q方法、RMR法和BQ法所得的結(jié)果。而單因素中抗拉穩(wěn)定系數(shù)η1和抗壓穩(wěn)定系數(shù)η2結(jié)果的獲得需要借助ANSYS大型有限元非線性分析軟件，對(duì)不同巖性頂板開挖后穩(wěn)定性進(jìn)行模擬。通過(guò)模擬蝕變巖采場(chǎng)不同巖性開挖后的頂板應(yīng)力和位移分布規(guī)律，獲得頂板穩(wěn)定性可用承載層的穩(wěn)定系數(shù)η=[σt]/σtmax表示。通過(guò)數(shù)值模擬得到抗拉穩(wěn)定系數(shù)η1和抗壓穩(wěn)定系數(shù)η2結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 焦家金礦不同中段各巖性單因素實(shí)際值

2.3 結(jié)果計(jì)算

對(duì)不同值域的因素集進(jìn)行模糊綜合評(píng)判需要對(duì)其做“歸一化”處理，使其擁有相同的值域區(qū)間并根據(jù)采區(qū)的工程地質(zhì)條件按表3確定各巖性巖體的單因素等級(jí)。采用“主因素突出型”模型M(∧，⊕)計(jì)算來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)判[14]。

(5)

(6)

=(0.2，0.2，0.2，0.25，0.15)×

=(0，0.0435，0.112，0.0275，0)

從計(jì)算結(jié)果可知，焦家礦區(qū)-190中段黃鐵絹英巖化花崗巖對(duì)II級(jí)、III級(jí)和IV級(jí)三個(gè)級(jí)別都存在一定的隸屬關(guān)系，但隸屬度Ⅲ級(jí)=0.112為最高，按擇優(yōu)原則，應(yīng)評(píng)定為Ⅲ級(jí)。同理，對(duì)其它-190至-330中段其它幾種蝕變巖進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，均采用“主因素突出型”模型M(∧，⊕)進(jìn)行計(jì)算得出各巖性的綜合評(píng)判式，按擇選擇隸屬度最高的巖體質(zhì)量等級(jí)記錄于表4。

表4 焦家金礦各蝕變巖最終分類結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

1)Q系統(tǒng)分類法、RMR分類法、BQ分類法不同分級(jí)結(jié)果存在一定的差異性，而模糊綜合評(píng)判法進(jìn)行巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是綜合考慮以上結(jié)果以及頂板穩(wěn)定系數(shù)η從而得到的分級(jí)結(jié)果，這一結(jié)果相比單一方法更準(zhǔn)確。但抗拉穩(wěn)定系數(shù)η1和抗壓穩(wěn)定系數(shù)η2結(jié)果的獲得需要借助ANSYS大型有限元非線性分析軟件，實(shí)際在大部分礦山應(yīng)用中不是很容易獲取，這是該方法的缺點(diǎn)。

2)分級(jí)結(jié)果顯示：焦家礦區(qū)巖體總體穩(wěn)定性較差。具體而言，焦家礦區(qū)調(diào)查區(qū)域?yàn)?190中段至-330中段之間，除-270以上黃鐵絹英巖化花崗巖為Ⅲ類穩(wěn)定性一般的巖體外，其余蝕變花崗巖的巖體質(zhì)量均為IV類較差和V類很差的巖體。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，黃鐵絹英巖化花崗巖的穩(wěn)定性較好，其他礦體和圍巖的節(jié)理裂隙更加發(fā)育。

3)在埋深相同的前提下，黃體絹英巖化花崗巖的穩(wěn)定性是最好的，其次是黃鐵絹英巖和鉀化、硅化花崗巖，黃鐵絹英巖化碎裂巖的穩(wěn)定性最差。

4)蝕變巖型金礦床中，蝕變的不同類型與金品位存在一定的關(guān)系，品位越高的蝕變巖巖體穩(wěn)定性越差。要求礦山企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，在施工到相應(yīng)巖性的采場(chǎng)時(shí)特別要注意做好采場(chǎng)的相關(guān)支護(hù)工作。