基于層次分析法采場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及FLAC3D模擬驗(yàn)證

肖 超， 鄭懷昌， 王 棟， 武文治， 張曉君， 李 明

(山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 山東 淄博255091)

采場(chǎng)穩(wěn)定性是地下開采的穩(wěn)定性問題，地下工程的基礎(chǔ)是巖體，因此對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的研究很大程度上就是對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究，能否正確分出采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性級(jí)別決定著采礦方法和地壓控制方法.采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性的研究方法有工程類比法、RQD分類法、解析分析法、RMR分類法等，在地下采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定分析中也有應(yīng)用其他理論和方法的,例如有學(xué)者采用突變理論、系統(tǒng)觀點(diǎn)、關(guān)鍵塊體理論以及斷裂和損傷力學(xué)來分析采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性[1].文獻(xiàn)[2]利用模糊物元分析原理，建立了地下采場(chǎng)穩(wěn)定性的復(fù)合模糊物元評(píng)價(jià)模型，來幫助決策礦山開采工藝與采場(chǎng)地壓控制方法；文獻(xiàn)[3]利用模糊物元理論，構(gòu)造采空區(qū)穩(wěn)定性模糊物元評(píng)價(jià)模型來較準(zhǔn)確評(píng)價(jià)采空區(qū)穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[4]通過可靠度對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[5-6]運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法綜合考慮多種因素建立了評(píng)價(jià)采空區(qū)危險(xiǎn)度的評(píng)價(jià)模型；文獻(xiàn)[7]依據(jù)石膏礦開采特點(diǎn)，研究使用護(hù)頂層厚度﹑頂板厚度﹑采空比等相應(yīng)技術(shù)參數(shù)綜合評(píng)價(jià)石膏礦采空區(qū)危險(xiǎn)度.本文基于層次分析綜合評(píng)價(jià)方法,分析和優(yōu)選對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性程度有重大影響的因素,建立評(píng)價(jià)模型,預(yù)測(cè)采場(chǎng)的穩(wěn)定性情況.

1 篩選指標(biāo)集

影響采場(chǎng)穩(wěn)定性的因素是復(fù)雜多方面的,我們選取表1所示的3方面因素所包含的11項(xiàng)影響因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)集.

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)集

2 確定指標(biāo)權(quán)重

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)圖，構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)模型

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)由美國運(yùn)籌學(xué)家、匹茨堡大學(xué)教授薩蒂于20世紀(jì)70年代初提出，該方法將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析.利用層次分析法需要確定指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)造的層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示.

圖 1 采場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)

2.2 構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣

對(duì)于采場(chǎng)穩(wěn)定性(A)而言，判斷采場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征因素C1﹑巖體本身因素C2﹑外界干擾因素C3三者的重要性，根據(jù)層次分析法的1～9標(biāo)度(表2),構(gòu)造出中間層C對(duì)于目標(biāo)層A的判斷矩陣(表3).同理,分別構(gòu)造出指標(biāo)層A對(duì)于中間層C1～C3的判斷矩陣 (表4～表6).

表 2 層次分析法的判斷矩陣標(biāo)度

表3 判斷矩陣A-C

注：λmax=3.003 7,CI=0.001 8,RI=0.58,CR=0.003 2<0.1

表4 判斷矩陣C1-A

注：λmax=3.038 7,CI=0.019 4,RI=0.58,CR=0.033 4<0.1

表5判斷矩陣C2-A

注：λmax=3.038 7,CI=0.019 4,RI=0.58,CR=0.033 4<0.1

表6 判斷矩陣C3-A

注：λmax=4.987 65，CI=0.017 3，RI=1.33,CR=0.013 4<0.1.

2.3 進(jìn)行層次單排序，并實(shí)施一致性檢驗(yàn)方法

根據(jù)判斷矩陣，對(duì)于上一層某元素而言，本層次與之聯(lián)系的元素重要性次序的權(quán)重值的計(jì)算過程，稱為層次單排序.對(duì)于判斷矩陣B,計(jì)算滿足B·W=λmax·W的特征根λmax和特征向量W,W在水平方向上的分量即為相應(yīng)元素單排序的權(quán)重值.一致性檢驗(yàn)公式為

CI=(λmax-n)/(n-1);CR=CI/RI

式中:CI為一致性指標(biāo);CR為一致性比例;RI為隨機(jī)性質(zhì)的指標(biāo).當(dāng)CR< 0.11,視為判斷矩陣擁有滿意一致性;不然就應(yīng)該調(diào)整判斷矩陣,一直到其擁有滿意的一致性為止.通過一致性的檢驗(yàn)方法可知,表3～表6的判斷矩陣均滿足CR< 0.11 (部分示例計(jì)算得到的結(jié)果參見判斷矩陣后面注釋),擁有令人滿意的一致性規(guī)律.

2.4 層次總排序及一致性檢驗(yàn)

利用獲得的每一個(gè)因素相對(duì)于上一層次對(duì)應(yīng)因素的權(quán)重值,統(tǒng)計(jì)計(jì)算各層次每一元素相對(duì)總目標(biāo)重要作用的排序權(quán)值,成為層次總排序，并通過層次總排序計(jì)算得到各指標(biāo)組合權(quán)重值 (表7) ,最后利用單排序指標(biāo)加權(quán)求和的方法進(jìn)行總排序的一致性檢驗(yàn).

表7 基于層次分析得到的結(jié)果

3 數(shù)值模擬

巖土工程軟件FLAC3D能較好模擬出采場(chǎng)開挖及受到流變擾動(dòng)引起巖石力學(xué)性質(zhì)劣化導(dǎo)致采場(chǎng)穩(wěn)定性降低情況，以往的層次分析、模糊數(shù)學(xué)等只結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了相關(guān)探究驗(yàn)證，本文借助FLAC3D軟件將數(shù)值模擬情況與層次分析理論進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，探究以上層次分析評(píng)價(jià)模型是否合理、確定的采場(chǎng)指標(biāo)權(quán)重是否準(zhǔn)確.

棗莊市底閣石膏礦區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上屬于魯西南隆起區(qū)南部、韓莊-四戶斷陷盆地的東部，該地塹呈東西向分布，長達(dá)70km左右，寬5～10km，最寬處達(dá)15km.礦區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造不發(fā)育，斷裂構(gòu)造發(fā)育.嶧城-邵埠大斷裂，韓莊-張莊大斷裂控制著韓莊-四戶地塹的南北邊界，地塹內(nèi)鐵佛溝大斷裂橫貫中部，將該地塹分為兩部分，區(qū)內(nèi)地層構(gòu)成向北傾斜的單斜構(gòu)造.

根據(jù)研究情況，建立的三維計(jì)算模型的長、寬、高分別為150m、80m、100m，傾角為8°的石膏層，應(yīng)用采5留5的方法布置采場(chǎng)，間斷礦柱構(gòu)成房間礦柱，矩形為礦柱的表面積形狀，尺寸為5m×5m.每次間隔5個(gè)礦房留有隔離礦柱，隔離礦柱尺寸大約為15m左右.計(jì)算的模型劃分為1 234 891六面體單元網(wǎng)格，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目為1 378 273.建立的模型如圖2所示.約束水平位移被模型側(cè)面邊界約束，豎直方向位移被模型底面邊界約束，以均布載荷代替采場(chǎng)上覆巖層的重量.考慮石膏的流變特性，采用按比例降低礦柱及其周圍巖體強(qiáng)度的方法.

圖2 初始采場(chǎng)數(shù)值模擬

3.1 采場(chǎng)開挖影響

圖3 2個(gè)礦房連通時(shí)szz分布

石膏層的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為長期強(qiáng)度時(shí)，由圖3可知，連通礦房附近的礦柱承受的壓力明顯增大(由正常強(qiáng)度時(shí)的4MPa增至14.96MPa)，主要是在尺寸較小非連續(xù)礦柱區(qū)域；此外，連通部位護(hù)頂層局部和護(hù)頂層大部分區(qū)域受力狀態(tài)發(fā)生改變，即由受壓轉(zhuǎn)化為受拉.

由圖4可以看出，當(dāng)連通空間擴(kuò)至3個(gè)礦房時(shí)，附近礦柱的受力狀態(tài)及大小與2個(gè)礦房連通時(shí)沒有發(fā)生明顯變化,而護(hù)底層與護(hù)頂層受拉應(yīng)力的范圍明顯擴(kuò)大.

圖4 3個(gè)礦房連通時(shí)szz分布

圖5 4個(gè)礦房連通時(shí)受剪應(yīng)力影響區(qū)域

由圖5可以得知，4個(gè)礦房連通時(shí)有兩個(gè)方面發(fā)生明顯變化，一是連通礦房附近礦柱承受的壓力值達(dá)24.3MPa，接近其強(qiáng)度極限值；二是連通區(qū)域附近的礦柱由兩側(cè)受剪轉(zhuǎn)為全部受剪，而且邊緣應(yīng)力值達(dá)到其抗剪強(qiáng)度值.因此，此時(shí)空頂面積在尺寸較小非連續(xù)礦柱區(qū)域，采空區(qū)穩(wěn)定性達(dá)到臨界狀態(tài)，破壞形式為礦柱失穩(wěn)，護(hù)頂層受到拉剪破壞，最終導(dǎo)致大面積采空區(qū)冒落.

3.2 采場(chǎng)受到開挖及流變擾動(dòng)后影響

由圖6可以看出，經(jīng)過長期流變﹑爆破擾動(dòng)，采場(chǎng)頂板豎向位移變大，頂板及礦柱很多地方處于塑性區(qū)，采場(chǎng)頂板已有明顯掉渣，礦柱劣化明顯，處于比較危險(xiǎn)階段，再繼續(xù)下去有可能發(fā)生大面積冒落，需要進(jìn)行相應(yīng)防范措施.

圖6 受到開挖及流變擾動(dòng)的采場(chǎng)數(shù)值模擬

經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證，觀察圖2與圖3～圖6應(yīng)力大小變化、頂板位移大小變化及塑性區(qū)擴(kuò)大范圍，發(fā)現(xiàn)巖石強(qiáng)度降低明顯，采空區(qū)穩(wěn)定性受到不斷破壞，影響采場(chǎng)穩(wěn)定性的11項(xiàng)影響因素所起作用大小與基于層次分析方法確定的采場(chǎng)穩(wěn)定指標(biāo)權(quán)重基本吻合.

4 結(jié)束語

運(yùn)用層次分析法 (AHP)確定了采場(chǎng)指標(biāo)權(quán)重，對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，然后運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬在采空區(qū)受到開挖及長期流變、爆破擾動(dòng)后巖石強(qiáng)度降低情況及采場(chǎng)穩(wěn)定性降低情況，在分析影響采場(chǎng)穩(wěn)定性因素所起作用大小時(shí)，數(shù)值模擬與層次分析結(jié)果基本吻合.

[1] 蘇龍.基于巖體質(zhì)量分級(jí)的采場(chǎng)穩(wěn)定性分析與安全對(duì)策研究[D].長沙：中南大學(xué), 2012.

[2] 高峰,周科平,胡建華.采場(chǎng)穩(wěn)定性的模糊物元評(píng)價(jià)模型及應(yīng)用研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2006，23(2)：164-168.

[3] 唐碩,羅周全,徐海.基于模糊物元的采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 22(7): 24-30.

[4] 張曉君.影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素敏感性分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā), 2006, 26(1): 14-16.

[5] 慎乃齊,楊建偉,鄭惜平.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的采空塌陷預(yù)測(cè)[J].煤田地質(zhì)與勘探, 2001, 29(3): 42-43.

[6] 王新民,段瑜,彭欣.采空區(qū)災(zāi)害危險(xiǎn)度的模糊綜合評(píng)價(jià) [J].礦業(yè)研究與開發(fā), 2005, 25(2): 83-85.

[7] 王新民,丁德強(qiáng),段瑜.灰色關(guān)聯(lián)分析在地下采空區(qū)危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2006, 2(4): 35-39.