鄭相悅

(廣東省冶金建筑設(shè)計研究院)

巖體工程質(zhì)量會直接影響工程穩(wěn)定性，地下工程設(shè)計與施工首先要進行巖體質(zhì)量評價[1-2]。由于巖體質(zhì)量影響因素較多，具有隨機性與模糊性特點，傳統(tǒng)的巖體質(zhì)量分級方法存在一定不足，易導致評價結(jié)果可靠性不強[3]。云模型能夠?qū)崿F(xiàn)定量描述與定性分析之間相互轉(zhuǎn)化，已經(jīng)顯示出了巨大優(yōu)勢[4-5]。在指標權(quán)重確定時，層次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)和熵權(quán)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(jié)果不可靠。因此，本研究通過構(gòu)建基于變權(quán)重-云模型的巖體質(zhì)量綜合評價模型，并將其應用于山東焦家金礦的巖體質(zhì)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(quán)重，采用變權(quán)重理論確定；m為評價指標數(shù)量。

1.3 巖體質(zhì)量分級評價模型實現(xiàn)流程

基于變權(quán)重-云模型的巖體質(zhì)量評價流程見圖1。

2 巖體質(zhì)量分級評價模型構(gòu)建

2.1 巖體質(zhì)量評價指標體系建立

本研究構(gòu)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(zhì)特征(滲水量、地應力影響因子)和巖體結(jié)構(gòu)特征(結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù))的綜合評價指標體系。將巖體質(zhì)量劃分為5個等級，分別為穩(wěn)定(Ⅰ)、較穩(wěn)定(Ⅱ)、基本穩(wěn)定(Ⅲ)、不穩(wěn)定(Ⅳ)、極不穩(wěn)定(Ⅴ)，具體等級劃分標準見表1。

圖1 巖體質(zhì)量評價流程

2.2 云模型指標云圖生成

根據(jù)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(shù)字特征見表2，典型單指標云圖如圖2所示。

表1 巖體質(zhì)量分級指標評分標準

表2 正態(tài)云模型的數(shù)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(wěn)固性變差，時常會發(fā)生冒頂和片幫現(xiàn)象，采場圍巖穩(wěn)固性較差。通過對不同階段的采場、巷道進行地質(zhì)調(diào)查(節(jié)理裂隙、斷層、結(jié)構(gòu)面)和力學性質(zhì)參數(shù)測定，得到的具體指標值見表3。

表3 巖體質(zhì)量評價指標原始數(shù)據(jù)

3.1 基于變權(quán)重理論的指標權(quán)值確定

3.1.1 指標常權(quán)計算

本研究采用層次分析法[6]確定的指標權(quán)值為

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

3.1.2 變權(quán)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(shù)進行歸一化處理，經(jīng)過歸一化處理后的標準評價矩陣B為

(2)確定狀態(tài)變權(quán)向量。采用指數(shù)型狀態(tài)變權(quán)向量形式，公式為

式中，S為狀態(tài)變權(quán)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(shù)，根據(jù)實際情況取值，α≥0，0<β≤1。

(3)確定變權(quán)向量矩陣[7]。取α=0.5，β=0.3，則變權(quán)向量矩陣為

3.2 計算綜合確定度

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

表4 巖體質(zhì)量分級評估結(jié)果

4 結(jié) 語

構(gòu)建了基于變權(quán)重-云模型的巖體質(zhì)量評價模型，以焦家金礦采場為例進行了巖體質(zhì)量分級評價，評價結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查相一致，并與修正RMR法評價結(jié)果完全相同，表明該模型對于評價采場巖體質(zhì)量有一定的效果。