劉建坡, 武 峰, 王 人, 張俊杰

(東北大學(xué) 深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽 110819)

我國(guó)未來十年將有超過30%的金屬礦山進(jìn)入千米采深,深部開采已成為金屬礦山資源開發(fā)的新常態(tài).隨著開采深度的增加,在高應(yīng)力條件下,頻繁的開采擾動(dòng)所導(dǎo)致的巷道片幫、冒落、坍塌等巖體破壞問題日益突出.

由于開采系統(tǒng)復(fù)雜、開采規(guī)模大、爆破擾動(dòng)強(qiáng),深部金屬礦山巷道圍巖破壞在時(shí)間、空間、頻度和強(qiáng)度等方面具有復(fù)雜性和不確定性.因此,在深部金屬礦山圍巖破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中需要考慮與圍巖破壞相關(guān)的多種指標(biāo),并采用能夠評(píng)估巷道圍巖發(fā)生破壞概率和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不確定性的數(shù)學(xué)方法.

深部金屬礦山巷道破壞的誘發(fā)因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)眾多,合理的指標(biāo)體系是保證巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)確性的前提條件.巖性、地應(yīng)力分布規(guī)律等地質(zhì)賦存條件是巷道破壞的內(nèi)在因素[1-2],開采過程的卸荷效應(yīng)和爆破擾動(dòng)是誘發(fā)金屬礦巷道破壞的外在條件[3-5].此外,巷道破壞過程中的巖體響應(yīng)信息,例如變形、波速和微震等信息,也是評(píng)估巷道穩(wěn)定性的重要指標(biāo).微震監(jiān)測(cè)技術(shù)利用巖體受力變形和破壞過程中釋放出的彈性波來監(jiān)測(cè)工程巖體穩(wěn)定性,相對(duì)于傳統(tǒng)的應(yīng)力、變形等局部“點(diǎn)、線、面”觀測(cè)范圍來說,微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以為巖體力學(xué)工作者提供更為全面的三維實(shí)時(shí)“體”數(shù)據(jù),在深部金屬礦山地壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)與發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面發(fā)揮越來越重要的作用[6-11].

目前,地下工程巷道圍巖破壞評(píng)估方法可分為兩類:基于有監(jiān)督或無監(jiān)督模型的機(jī)器學(xué)習(xí)綜合評(píng)估方法和基于圍巖破壞評(píng)價(jià)指標(biāo)判據(jù)的綜合評(píng)估方法.基于機(jī)器學(xué)習(xí)綜合評(píng)估方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、Bayes判別分析等;基于圍巖破壞評(píng)價(jià)指標(biāo)判據(jù)方法包括Delphi法、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析、理想解法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、功效系數(shù)法、未確知測(cè)度理論、集對(duì)分析法、云模型、D-S證據(jù)理論等.巷道圍巖破壞的形成條件十分復(fù)雜,受采場(chǎng)回采導(dǎo)致的巖體應(yīng)力重分布、爆破擾動(dòng)造成巖體內(nèi)部裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通等影響,誘發(fā)巷道發(fā)生破壞的因素多且具有很大的不確定性,考慮單一因素影響不能對(duì)巷道破壞做出準(zhǔn)確評(píng)估.模糊綜合評(píng)價(jià)法是以向量的形式反映各個(gè)評(píng)估等級(jí)的可能性,按照最大隸屬度原則選取最優(yōu)評(píng)估結(jié)果,具有一定的科學(xué)性,所計(jì)算的評(píng)價(jià)結(jié)果蘊(yùn)含豐富信息,可更好地了解目標(biāo)問題的本質(zhì).

本文針對(duì)阿舍勒銅礦深部開采系統(tǒng)復(fù)雜性、巷道破壞呈現(xiàn)大范圍開采區(qū)域內(nèi)的空間分散性和時(shí)間隨機(jī)性的問題,綜合考慮巷道圍巖破壞影響因素,選取微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地質(zhì)賦存條件、開采擾動(dòng)三方面的評(píng)價(jià)指標(biāo),基于熵權(quán)法確定巷道圍巖破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法建立了巷道破壞評(píng)估方法,并在阿舍勒銅礦進(jìn)行了應(yīng)用研究,為礦山針對(duì)性的支護(hù)措施和系統(tǒng)性的開采過程調(diào)控提供依據(jù).

1 模糊綜合評(píng)價(jià)方法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是從模糊數(shù)學(xué)發(fā)展而來,將一些邊界模糊、難以劃分明顯界限的定量數(shù)據(jù)或描述不清晰的自然語言以定量化集合表示,根據(jù)各種因素的影響程度大小對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬等級(jí)進(jìn)行模糊關(guān)系合成,最后通過最大隸屬原則或者加權(quán)平均等方法進(jìn)行綜合評(píng)判.

本文基于模糊數(shù)學(xué)理論[12],將巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)問題作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),利用模糊綜合評(píng)價(jià)法,對(duì)影響破壞的多種指標(biāo)進(jìn)行隸屬關(guān)系轉(zhuǎn)化并根據(jù)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),確定巷道圍巖破壞等級(jí),進(jìn)而判斷巷道破壞的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn).具體步驟[13]為:①確定因素集U與評(píng)價(jià)集V;②計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量A;③構(gòu)造模糊評(píng)判矩陣R;④進(jìn)行綜合評(píng)判,并得出綜合評(píng)價(jià)集B={b1,b2, …,bl}(bi為綜合隸屬度,i=1, …,l).

在評(píng)估過程中,為避免受決策人主觀影響,使計(jì)算的指標(biāo)權(quán)重值更具客觀性,本文采用熵權(quán)法[14]計(jì)算各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值;參考了中心極限定理[15-16],應(yīng)用中間型正態(tài)模糊分布隸屬函數(shù)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度.

(1)

2 巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

阿舍勒銅礦位于新疆阿勒泰地區(qū),銅工業(yè)儲(chǔ)量近92萬噸,為我國(guó)第2大銅礦,采深近千米.在頻繁爆破擾動(dòng)下,深部巷道變形破壞嚴(yán)重,支護(hù)困難,返修率高.本文在阿舍勒銅礦深部巷道破壞調(diào)查基礎(chǔ)上,綜合考慮巷道圍巖破壞等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),確定適用于阿舍勒銅礦巷道破壞發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo),并系統(tǒng)分析了相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的可靠性、權(quán)重值和特征值.

2.1 巷道圍巖破壞等級(jí)

在系統(tǒng)分析關(guān)于金屬礦山巷道圍巖破壞判別標(biāo)準(zhǔn)[17-18]基礎(chǔ)上,考慮阿舍勒銅礦深部巷道破壞實(shí)際,本文將巷道的破壞程度劃分為四個(gè)等級(jí),詳見表1.

通過阿舍勒銅礦巷道圍巖破壞系統(tǒng)性調(diào)研(圖1),發(fā)現(xiàn):350 m中段(采深565 m)至0 m中段(采深915 m)巷道均出現(xiàn)不同程度圍巖破壞,包括支護(hù)體脫落、墻角開裂、幫壁鼓出等;破壞等級(jí)以輕微破壞和中等破壞為主,且輕微破壞占比最高.巷道破壞特征主要體現(xiàn)以下四個(gè)方面:①埋深越大,巷道破壞區(qū)域、破壞等級(jí)整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),其中50 m中段沿脈巷道發(fā)生大面積連續(xù)破壞;②巷道破壞與最大主應(yīng)力方向密切相關(guān),大部分破壞出現(xiàn)在與最大主應(yīng)力垂直的沿脈巷道,與最大主應(yīng)力平行的穿脈巷道中圍巖的穩(wěn)定性較好;③巷道破壞受開采擾動(dòng)影響較大,部分穿脈巷道距離采場(chǎng)較近的區(qū)域,出現(xiàn)不同程度的破壞;④巖性條件和節(jié)理裂隙的發(fā)育程度對(duì)巷道破壞具有重要影響,例如節(jié)理裂隙較為發(fā)育的上盤黃鐵礦中,巷道內(nèi)出現(xiàn)中等破壞的比例較高.

表1 巷道破壞等級(jí)分級(jí)特征描述

圖1 阿舍勒銅礦巷道不同等級(jí)破壞分布圖

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

綜合考慮工程布置條件、監(jiān)測(cè)信息完整性和巷道的破壞特征,確定阿舍勒銅礦大范圍巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估指標(biāo)體系包括地質(zhì)賦存條件、開采影響和微震數(shù)據(jù)(圖2)三個(gè)方面9個(gè)指標(biāo),其中:地質(zhì)賦存條件包括巷道與最大主應(yīng)力夾角(以下簡(jiǎn)稱夾角)、埋深和巖性條件;開采影響條件主要為巷道與最近采場(chǎng)的距離(以下簡(jiǎn)稱距離);微震參數(shù)包括累積微震事件數(shù)、累積釋放能量、微震事件密度、位移和視應(yīng)力.

阿舍勒銅礦巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法建立采用100個(gè)樣本數(shù)據(jù)(2017年4月至2018年6月),其中:無破壞樣本數(shù)據(jù)24個(gè),輕微破壞樣本數(shù)據(jù)48個(gè),中等破壞樣本數(shù)據(jù)28個(gè).隨機(jī)選擇90個(gè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,其余10個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型泛化能力測(cè)試.

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)與破壞等級(jí)的相關(guān)性

指標(biāo)選取是否可靠直接影響評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性.本文采用定性和定量分析方法對(duì)9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與巷道破壞發(fā)生等級(jí)的相關(guān)性進(jìn)行了研究.

圖2 阿舍勒銅礦深部采區(qū)微震事件分布圖

由于夾角(0°和90°)和巖性條件(黃鐵礦和凝灰?guī)r)兩個(gè)指標(biāo)的細(xì)化分類較少,因此只做定性分析.表2為不同破壞樣本數(shù)據(jù)的夾角和巖性兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,從中可知:凝灰?guī)r中的輕微破壞數(shù)量稍高于黃鐵礦,與之相反的是黃鐵礦中的中等破壞樣本數(shù)量略高于凝灰?guī)r; 對(duì)于三

表2 不同夾角和巖性條件的破壞統(tǒng)計(jì)結(jié)果

種破壞等級(jí)來說,巷道與最大主應(yīng)力夾角為90°時(shí)的破壞樣本數(shù)目顯著高于夾角為0°的情況,表明巷道破壞等級(jí)與“巷道-最大主應(yīng)力”夾角呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性.

巷道埋深、巷道與最近采場(chǎng)的距離、累積微震事件數(shù)、累積釋放能量、微震事件密度、位移和視應(yīng)力7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)量值分布較廣,可以與不同破壞等級(jí)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析.圖3所示的箱線圖直觀展示了這7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分布范圍與分布形態(tài).為了便于在一張圖中顯示7個(gè)指標(biāo),將埋深、視應(yīng)力、位移三項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)量級(jí)調(diào)整.由圖3可以看出:累積能量和累積事件數(shù)在箱體線上部存在較多離群點(diǎn),說明這兩項(xiàng)指標(biāo)中的部分?jǐn)?shù)據(jù)顯著偏離整體數(shù)據(jù)形態(tài),這些數(shù)據(jù)在用于巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中會(huì)影響計(jì)算結(jié)果.為減少評(píng)價(jià)指標(biāo)中離群點(diǎn)對(duì)于最終評(píng)估結(jié)果的影響,本文以5%的比例將各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最大和最小數(shù)據(jù)樣本剔除.表3為不同破壞等級(jí)條件下7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分布參數(shù)表,其中5%修整均值為剔除評(píng)價(jià)指標(biāo)量值兩端各5%數(shù)據(jù)后的平均值.由表可以看出:各評(píng)價(jià)指標(biāo)在三種破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)間邊界模糊.由于評(píng)價(jià)指標(biāo)的屬性不同,各指標(biāo)均方差具有很大差異,評(píng)價(jià)指標(biāo)的量值范圍相互交叉,不存在明顯界限.

圖3 7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)量值分布范圍和分布形態(tài)箱線圖

表3 不同破壞等級(jí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分布參數(shù)表

不同破壞等級(jí)與評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)系散點(diǎn)圖見圖4.累積事件數(shù)、累積能量和事件密度三項(xiàng)指標(biāo)在不同破壞等級(jí)中也存在一定的重疊現(xiàn)象,但是整體呈現(xiàn)相對(duì)明顯的分級(jí)聚集狀態(tài),說明這三項(xiàng)指標(biāo)與破壞等級(jí)的相關(guān)性較強(qiáng),用于巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估效果較好.埋深與采場(chǎng)距離兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)分布相對(duì)離散,各破壞等級(jí)條件下的分布特征相差不大,理論上應(yīng)用于破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估效果較差.總體來說,各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)分布與破壞等級(jí)之間具有一定的相關(guān)關(guān)系,但在各破壞等級(jí)間存在部分?jǐn)?shù)據(jù)重疊.采用單一指標(biāo)對(duì)巷道圍巖破壞等級(jí)進(jìn)行評(píng)估存在不確定性.綜合考慮不同評(píng)價(jià)指標(biāo),可以改善由單一指標(biāo)進(jìn)行巷道圍巖破壞等級(jí)評(píng)估的局限性,提高評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性.

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分析

在綜合考慮多指標(biāo)的巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中,需要將各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦予一定的權(quán)重值.根據(jù)熵權(quán)法[14]計(jì)算所得的評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)結(jié)果(圖5)可知:各指標(biāo)權(quán)重分配較為平均,單一指標(biāo)不具備主導(dǎo)性作用,僅靠單一指標(biāo)并不能滿足巷道圍巖破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的需要.在所有的評(píng)價(jià)指標(biāo)中,累積能量和累積事件數(shù)的權(quán)重最高,分別為0.211和0.21,在巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中對(duì)于結(jié)果的影響最大.權(quán)重最小的指標(biāo)為巷道埋深,僅為0.002.該指標(biāo)在不同破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中相對(duì)分散且存在較為明顯的重疊現(xiàn)象.值得注意的是,權(quán)重占比前五的評(píng)價(jià)指標(biāo)均為微震參數(shù),其權(quán)重占比和達(dá)83.8%,表明微震參數(shù)在巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中占主導(dǎo)作用.

圖4 不同破壞等級(jí)與評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)系圖

圖5 9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

3 巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

在計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度過程中,巷道埋深、巷道與最近采場(chǎng)的距離、累積微震事件數(shù)、累積能量、事件密度、位移和視應(yīng)力等7個(gè)指標(biāo)依據(jù)式(1)采用中間型正態(tài)模糊分布隸屬函數(shù)進(jìn)行計(jì)算,各指標(biāo)隸屬函數(shù)的期望和方差見表4,進(jìn)而獲得樣本數(shù)據(jù)對(duì)于7個(gè)指標(biāo)的隸屬度.對(duì)于巖性和夾角兩項(xiàng)指標(biāo),則通過統(tǒng)計(jì)實(shí)例樣本數(shù)據(jù)獲得對(duì)應(yīng)的隸屬度(表5).

表4 不同評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于不同破壞等級(jí)隸屬函數(shù)的方差和期望

表5 巖性和夾角指標(biāo)的隸屬度

在樣本數(shù)據(jù)隸屬度確定的基礎(chǔ)上,以9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為因素集U={累積微震事件數(shù),累積能量,距采場(chǎng)距離,視應(yīng)力,位移,微震事件密度,埋深,主應(yīng)力與巷道夾角,巖性},以巷道破壞等級(jí)作為評(píng)價(jià)集V={無破壞,輕微破壞,中等破壞},根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法[12]可以獲得100個(gè)數(shù)據(jù)樣本的綜合隸屬度b,依據(jù)最大隸屬原則可以確定破壞等級(jí)(表6和表7).經(jīng)與實(shí)際破壞等級(jí)對(duì)比發(fā)現(xiàn),90個(gè)建模數(shù)據(jù)的評(píng)估準(zhǔn)確率為88.9%,其中:輕微破壞樣本準(zhǔn)確率最低,44個(gè)樣本中有6個(gè)結(jié)果為中等破壞;中等破壞樣本準(zhǔn)確率較高,僅1個(gè)樣本被誤分為輕微破壞.對(duì)于10個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù),評(píng)估準(zhǔn)確率為90%.

為保證礦山人員的安全與開采過程的順利進(jìn)行,建立定量的巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法是必要的.在前述研究基礎(chǔ)上,本文在開展巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)用實(shí)踐時(shí),將計(jì)算獲得的無破壞、輕微破壞和中等破壞三種破壞等級(jí)分別定義為無風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)和中風(fēng)險(xiǎn)三種巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).

表6 阿舍勒銅礦巷道破壞數(shù)據(jù)樣本的評(píng)估結(jié)果

表7 基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)估結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 工程應(yīng)用

基于以上研究方法,在阿舍勒銅礦開展了定期(每6個(gè)月)的巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究.巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果通過插值計(jì)算方法在三維地質(zhì)模型上實(shí)現(xiàn)可視化展示,以期為阿舍勒銅礦深部回采過程調(diào)控和區(qū)域地壓災(zāi)害防控提供支撐.

圖6為2018年12月阿舍勒銅礦深部巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果,從中可以看出:中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要集中在150 m中段下盤巷道左側(cè)區(qū)域、100 m中段下盤巷道中部區(qū)域、50 m中段下盤巷道右側(cè)區(qū)域,該區(qū)域約占總長(zhǎng)度的2%, 這是目前巷道應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與防護(hù)的區(qū)域.低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要集中在150 m中段上盤巷道左側(cè)區(qū)域與下盤大部分區(qū)域、100 m中段下盤巷道左側(cè)區(qū)域、50 m中段上盤巷道左側(cè)區(qū)域、0 m中段下盤巷道中間區(qū)域,該區(qū)域約占總長(zhǎng)度的9%.現(xiàn)場(chǎng)部分位置的破壞調(diào)查也驗(yàn)證了評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性.基于深部巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果,對(duì)于中風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生區(qū)域加強(qiáng)支護(hù),有效降低了阿舍勒銅礦深部開采地壓災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn),保證了開采工作的正常運(yùn)行.

圖6 阿舍勒銅礦深部巷道圍巖破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估結(jié)果

5 結(jié) 論

1) 地質(zhì)賦存條件、開采影響和微震數(shù)據(jù)三方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)在巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的貢獻(xiàn)度不同.基于熵權(quán)法的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值結(jié)果表明僅靠單一指標(biāo)并不能滿足巷道圍巖破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的需要.在本文考慮阿舍勒工程實(shí)際情況所確定評(píng)價(jià)指標(biāo)中,累積能量和累積事件數(shù)的權(quán)重占比最高,巷道埋深的權(quán)重占比最低.權(quán)重占比前五的評(píng)價(jià)指標(biāo)均為微震參數(shù),其權(quán)重占比和達(dá)83.8%,表明微震參數(shù)在巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中占主導(dǎo)作用.

2) 經(jīng)與實(shí)際破壞情況對(duì)比發(fā)現(xiàn),基于模糊綜合評(píng)價(jià)方法的巷道破壞樣本數(shù)據(jù)的評(píng)估準(zhǔn)確率近90%,且輕微破壞的評(píng)估準(zhǔn)確率較低,中等破壞的評(píng)估準(zhǔn)確率較高.

3) 阿舍勒銅礦工程應(yīng)用結(jié)果表明巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)深部金屬礦山大范圍區(qū)域性的巷道破壞風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估,對(duì)于深部金屬礦區(qū)域地壓分布及演化規(guī)律研究具有重要意義.