基于變權(quán)重-云模型的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

鄭相悅

(廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院)

巖體工程質(zhì)量會(huì)直接影響工程穩(wěn)定性，地下工程設(shè)計(jì)與施工首先要進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)[1-2]。由于巖體質(zhì)量影響因素較多，具有隨機(jī)性與模糊性特點(diǎn)，傳統(tǒng)的巖體質(zhì)量分級(jí)方法存在一定不足，易導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性不強(qiáng)[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(shì)[4-5]。在指標(biāo)權(quán)重確定時(shí)，層次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)和熵權(quán)理論評(píng)價(jià)方法存在偏主觀或偏客觀的不足，易導(dǎo)致最終評(píng)價(jià)結(jié)果不可靠。因此，本研究通過(guò)構(gòu)建基于變權(quán)重-云模型的巖體質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)模型，并將其應(yīng)用于山東焦家金礦的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)中，并與改進(jìn)的RMR法進(jìn)行對(duì)比分析。

1 云模型理論

1.1 云模型

1.2 綜合確定度

通過(guò)計(jì)算綜合確定度，基于最大隸屬度原則判斷評(píng)估等級(jí)。綜合確定度計(jì)算公式為

式中，μ(x)為單指標(biāo)確定度；wj為指標(biāo)權(quán)重，采用變權(quán)重理論確定；m為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量。

1.3 巖體質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)模型實(shí)現(xiàn)流程

基于變權(quán)重-云模型的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)流程見(jiàn)圖1。

2 巖體質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

2.1 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

本研究構(gòu)建了包括巖體強(qiáng)度特征(巖石單軸抗壓強(qiáng)度、RQD、巖體鉆進(jìn)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(yīng)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系。將巖體質(zhì)量劃分為5個(gè)等級(jí)，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(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

圖1 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)流程

2.2 云模型指標(biāo)云圖生成

根據(jù)云圖即可計(jì)算某個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同等級(jí)下的確定度。云的數(shù)字特征見(jiàn)表2，典型單指標(biāo)云圖如圖2所示。

表1 巖體質(zhì)量分級(jí)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表2 正態(tài)云模型的數(shù)字特征

圖2 評(píng)價(jià)指標(biāo)云圖

3 應(yīng)用實(shí)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(kāi)采深度的增大，礦體所受的地應(yīng)力也越來(lái)越大，礦巖的破壞程度也越來(lái)越嚴(yán)重，在開(kāi)采過(guò)程中由于頂板穩(wěn)固性變差，時(shí)常會(huì)發(fā)生冒頂和片幫現(xiàn)象，采場(chǎng)圍巖穩(wěn)固性較差。通過(guò)對(duì)不同階段的采場(chǎng)、巷道進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查(節(jié)理裂隙、斷層、結(jié)構(gòu)面)和力學(xué)性質(zhì)參數(shù)測(cè)定，得到的具體指標(biāo)值見(jiàn)表3。

表3 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)

3.1 基于變權(quán)重理論的指標(biāo)權(quán)值確定

3.1.1 指標(biāo)常權(quán)計(jì)算

本研究采用層次分析法[6]確定的指標(biāo)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(jì)算

(1)指標(biāo)歸一化處理。為了便于指標(biāo)之間比較，需要對(duì)各參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，經(jīng)過(guò)歸一化處理后的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(jì)算綜合確定度

根據(jù)建立的巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算云的數(shù)字特征，并采用MATLAB軟件生成單指標(biāo)云圖，根據(jù)云圖可以得到單指標(biāo)確定度，最后根據(jù)式2計(jì)算各采場(chǎng)和巷道巖體質(zhì)量分級(jí)的綜合確定度，基于最大隸屬度原則，對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知：該礦山巖體質(zhì)量屬于Ⅲ 級(jí)和Ⅳ級(jí)，即基本穩(wěn)定和不穩(wěn)定，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況一致，與修正RMR法的評(píng)價(jià)結(jié)果完全一致。

表4 巖體質(zhì)量分級(jí)評(píng)估結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

構(gòu)建了基于變權(quán)重-云模型的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，以焦家金礦采場(chǎng)為例進(jìn)行了巖體質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相一致，并與修正RMR法評(píng)價(jià)結(jié)果完全相同，表明該模型對(duì)于評(píng)價(jià)采場(chǎng)巖體質(zhì)量有一定的效果。