考虑采动影响的ACI-RMR法矿山巷道围岩质量分级研究.pdf

第 卷第期 年月有色金属工程 ，犱 狅 犻：犼 犻 狊 狊 狀 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）犉 狌 狀 犱：（）作者简介：葛伟杰（），男，硕士研究生，主要研究方向为矿山岩石力学。通信作者：刘艳章（），男，博士，教授，主要研究方向为矿山岩石力学、采矿工艺、矿山测试技术。引用格式：葛伟杰，刘艳章，秦绍兵，等考虑采动影响的 法矿山巷道围岩质量分级研究有色金属工程，（）：，（）：考虑采动影响的犃 犆 犐 犚犕犚法矿山巷道围岩质量分级研究葛伟杰，刘艳章，秦绍兵，黄诗冰，肖一鸣，单梁（武汉科技大学 资源与环境工程学院，武汉 ；冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，武汉 ；中钢集团 武汉安全环保研究院有限公司，武汉 ）摘要：为了充分反映矿山开采过程中开采扰动对巷道围岩质量的影响，在传统岩体质量分级法的基础上引入巷道埋深、巷道存续时间、巷道高跨比、巷道间柱宽度和分段高度等个采动影响指标，构建采动影响巷道围岩质量分级指标体系。引入拉格朗日乘子法耦合层次分析法（）和 法对各指标进行组合赋权，将该组合权重导入理想点法（）构建考虑采动影响的 改进法（法），将 法应用于某金属矿山进路巷道围岩质量分级并与法分级结果进行对比。结果表明：部分测点的 法分级结果较法分级结果出现等级降低或相同等级评分值下降的情况，结合工程实际证明 法较法更能反映开采扰动对巷道围岩质量的影响，为矿山安全生产与设计提供参考。关键词：采动影响；法；层次分析法；组合赋权；理想点法中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犙 狌 犪 犾 犻 狋 狔犆 犾 犪 狊 狊 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犳 狅 狉犚 狅 犪 犱 狑 犪 狔犛 狌 狉 狉 狅 狌 狀 犱 犻 狀 犵犚 狅 犮 犽犫 狔犃 犆 犐 犚犕犚 犕 犲 狋 犺 狅 犱犆 狅 狀 狊 犻 犱 犲 狉 犻 狀 犵 狋 犺 犲 犐 狀 犳 犾 狌 犲 狀 犮 犲狅 犳犕 犻 狀 犻 狀 犵 ，（，；，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，（），（）（）有 色 金 属 工 程第 卷 ，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；合理的巷道围岩质量分级是矿山进行地下工程结构设计的重要依据 。随着矿山开采工作持续推进，开采扰动引起巷道围岩质量等级不断变化，进行巷道围岩质量分级时采动影响是不能忽略的重要因素。而目前矿山巷道围岩质量分级方法多沿用法、法、系统法等传统岩体质量分级方法 ，未考虑采动影响相关因素进行巷道围岩质量分级，使得分级结果比实际围岩质量等级偏好，参考这些分级结果进行的巷道支护设计无法满足实际需要的支护强度，为矿山生产活动带来严重的安全隐患。因此，考虑采动影响的巷道围岩质量分级对指导矿山安全生产与设计具有重要意义。国内外诸多学者从指标优化和方法改进两个角度对传统岩体质量分级方法进行了研究。对于指标优化，胡胜等为解决法分级结果过于保守或激进的问题，对法部分指标的计算进行修正，使分级结果更为客观科学；谭文辉等基于深部地下工程高地应力、高温与高渗透压的特点，定义了高温效应修正系数等多个修正系数对传统系统法进行改进；等通过提出修正块度指数（）对法进行改进，考虑了岩体三维结构特征对法分级的影响。对于方法改进，邬书良等将 引入直觉模糊集决策优化传统岩体质量分级方法，并合理确定分级指标权重；靳春玲等基于改进 模型优化了传统围岩分级方法，提出了高效的隧道围岩等级预测模型；等 通过支持向量机和模糊推理结合的方法建立了隧道系统法围岩质量分级模型，用于快速评估隧道围岩质量。尽管现有的岩体质量分级研究在方法改进及指标优化方面均取得了一定成果，但在应用于矿山巷道围岩质量分级时仍存在一定局限性：一是极少有研究考虑开采扰动对巷道围岩质量等级的影响，并对采动影响进行定性或定量化描述；二是关于分级指标权重分配过于主观或偏于客观，未能合理地建立巷道围岩质量等级与分级指标的关系。鉴于现有岩体质量分级方法尚存上述局限性，本文研究重点在于将采动影响相关指标引入围岩质量分级体系的同时，考虑指标权重分配与围岩等级划分的合理性。本文在法分级指标基础上考虑采动影响相关因素构建采动影响巷道围岩质量分级指 标 体 系，提 出 基 于 层 次 分 析 法（）与 法的拉格朗日乘子法改进组合赋权方法进行指标赋权，将组合权重导入理想点法（）构建考虑采动影响的 改进法（法），并将 法应用于某金属矿山进 路 巷 道围 岩 质 量 分 级 中 验 证 该 方 法 的 适用性。考虑采动影响的 法本文以法为基础引入采动影响指标，利用 评价模型构建了考虑采动影响的 改进法（法）。采动影响巷道围岩质量分级指标传统岩体质量分级法主要考虑了岩石单轴抗压强度犚犮、岩石质量指标犚 犙 犇、节理间距狊、结构面状况犛、节理方向对工程的影响犑和地下水状况犠等个工程地质条件指标进行巷道围岩质量分级，但还需考虑采动影响相关因素才能反映开采扰动对巷道围岩质量的影响。因此，基于充分考虑开采扰动相关因素对巷道围岩质量的影响的原则，在法分级指标基础上引入个采动影响指标 ，并对个采动影响指标按照对巷道围岩质量影响程度由强至弱进行了排序：巷道埋深犇、巷道存续时间犜、巷道高跨比犎犛 犚、巷道间柱宽度犅和分段高度犎，这个指标从开采深度、开采历史、巷道施工相关技术参数等方面全面地反映了开采扰动对巷道围岩质量的影响。本文参照法将采动影响巷道围岩质量等级分为级：、，各指标的分类标准如表所示。在采动影响巷道围岩质量分级指标中，原法指标均按照法评分标准进第期葛伟杰等：考虑采动影响的 法矿山巷道围岩质量分级研究行指标分类；巷道埋深犇根据不同埋深下巷道围岩所受自重应力情况进行指标分类，围岩质量等级随巷道埋深增加而降低；巷道存续时间犜根据随存续时间增加巷道围岩的应力变化情况与变形情况进行指标分类，围岩质量等级随巷道存续时间的增加而降低；巷道高跨比犎犛 犚作为定性指标，通过实测巷道毛断面高跨比相较于巷道设计高跨比的变化率确定，变化率越大对围岩质量等级影响程度越强，使围岩质量等级越差；巷道间柱宽度犅与分段高度犎根据二者变化对当前巷道应力状况的影响及国内外多数金属矿山对二者取值的规定进行指标分类，开采扰动对当前巷道围岩质量等级影响随巷道间柱宽度与分段高度增加而降低 。表采动影响巷道围岩质量分级指标分类标准表犜 犪 犫 犾 犲犆 犾 犪 狊 狊 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀狊 狋 犪 狀 犱 犪 狉 犱狅 犳狇 狌 犪 犾 犻 狋 狔犮 犾 犪 狊 狊 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀 犻 狀 犱 犲 狓狅 犳 狉 狅 犪 犱 狑 犪 狔狊 狌 狉 狉 狅 狌 狀 犱 犻 狀 犵狉 狅 犮 犽犪 犳 犳 犲 犮 狋 犲 犱犫 狔犿 犻 狀 犻 狀 犵 犚犮 犚 犙 犇 狊 犛 （）（）（）（）（）犑 （）（）（）（）（）犠 （）（）（）（）（）犇 犜 犎犛 犚 （）（）（）（）（）犅 犎 ：采动影响巷道围岩质量分级指标的定性指标包括结构面状况犛、节理方向对工程的影响犑、地下水状况犠和巷道高跨比犎犛 犚，参照法评分值将定性指标均分为个等级，对应的各等级评分值从大到小排序为（）、（）、（）、（）、（）。采动影响巷道围岩质量分级指标组合权重确定 层次分析法（）主观赋权层次分析法（）是一种根据专家经验对各围岩分级指标间的重要程度进行科学量化的主观赋权方法。本文根据岩石力学特性、结构特性、地质条件与采动影响个准则建立采动影响巷道围岩质量分级指标层次结构，如图所示。第一层为采动影响巷道围岩质量分级目标层犃；第二层为采动影响巷道围岩质量分级准则层犅；第三层为采动影响巷道围岩质量分级指标层犆。根据层次分析法计算步骤，按照级标度法构建准则层与指标层的判断矩阵，计算判断矩阵的最大特征根与其对应的特征向量，将特征向量归一化处 理 后 得 到各 分 级指 标的 主 观 权重犠。最后，检验判断矩阵一致性，一 致 性比 率犆 犚小于 时，认 为 层 次 分 析 法 计 算 的 指标 权重是 合 理 的，否 则 就 要 对 判 断 矩 阵 进 行 重 新调整。法客观赋权 法 是一种可以客观反映围岩质量分级指标数据本身特征的客观赋权方法，通过构造原始分级指标数据矩阵，将分级指标分为“越大越优型”和“越小 越 优 型”分别 进 行 归 一化 处 理，运 用式（）计算各分级指标信息量犆犻，通过式（）对各指标的信息量犆犻进行归一化，即可得到各指标的客观权重犞。犆犻犻犿犻（狉犻 犼）（）狏犻犆犻犿犻犆犻（）式中，犻表示采动影响巷道围岩质量分级第犻个指标（犻，犿）；犻为第犻个指标的标准差，狉犻 犼为第犻个指标到第犼个指标（犼，犿）的皮尔逊相关系数。有 色 金 属 工 程第 卷图采动影响巷道围岩质量分级指标层次结构图犉 犻 犵 犎 犻 犲 狉 犪 狉 犮 犺 犻 犮 犪 犾 犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿狅 犳狇 狌 犪 犾 犻 狋 狔犮 犾 犪 狊 狊 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犻 狀 犱 犲 狓狅 犳 狉 狅 犪 犱 狑 犪 狔 狊 狌 狉 狉 狅 狌 狀 犱 犻 狀 犵狉 狅 犮 犽犪 犳 犳 犲 犮 狋 犲 犱犫 狔犿 犻 狀 犻 狀 犵 采动影响巷道围岩质量分级指标组合赋权本文引入拉格朗日乘子法，耦合 法主观权重犠和 法客观权重犞确定采动影响巷道围岩质量分级指标的组合权重犝，能合理反映研究人员对巷道围岩质量影响因素的主观认识和客观数据的典型规律，使分级结果更加真实，计算公式为：狌犻狑犻狏槡犻犿犻狑犻狏槡犻（）式中，犿犻狌犻，狌犻。理想点法（犐 犘犕）围岩质量分级理想点法（）可确定围岩质量分级指标在某一围岩质量等级下的理想点，引入理想点评价函数计算分类对象与分级指标理想点之间的距离，能准确的获得分类对象所属围岩质量等级。构建围岩质量分级理想点决策矩阵若一个分类对象含有犿个分级指标，将这些分级指标按不同的理想点性质分为“效益型”、“成本型”、“区间型”三类，可确定第犻个分级指标（犻，犿）在第犽个围岩质量等级（犽，狀）下的理想值犳犻 犽（）：犳犻 犽（）犳犻 犽（狓）（效益型）犳犻 犽（狓）（成本型）犳犻 犽（犳狌犻 犽犳犾犻 犽）（区间型烅烄烆）（）式中，犳狌犻 犽、犳犾犻 犽分别表示第犻个分级指标在第犽个围岩质量等级下理想区间的最大和最小临界值。通过确定犿个 分 级 指 标 在狀个 围 岩 质 量 等级下的理想 值 可 构 建 分 类 指 标 理 想点 决 策 矩 阵犉（犳犻 犽（）犿狀。确定围岩质量等级理想点评价函数分类对象到第犽个围岩质量等级理想点的距离函数犔犽越小，说明分类对象越接近该围岩质量等级，距离函数犔犽采用欧式距离函数：犔犽犿犻狌犻犳犻 犽（狓）犳犻 犽（）犳狌犻 犽犳犾犻 犽（）犃 犆 犐 犚犕犚法巷道围岩质量分级流程本文在法分级指标基础上引入采动影响指标，运用 模型构建 法对巷道围岩质量进行分级，步骤如下：）利用 法构造 法分级指标判断矩阵，计算判断矩阵的最大特征根及其对应的特征向量，归一化处理后获得主观权重犠，并进行一致性验证；）构造原始分级指标数据矩阵进行归一化处理，运用 法由式（）、（）计算各指标客观权重犞；）运用拉格朗日乘子法由式（）对主观权重犠与客观权重犞进行组合赋权得到组合权重犝；）根据表及式（）、（）构建理想点决策矩阵犉，由式（）计算理想点距离，根据理想点距离确定第期葛伟杰等：考虑采动影响的 法矿山巷道围岩质量分级研究 法分级结果。工程应用 工程概况以某金属矿山为工程背景，对 法适用性进行验证。该矿山采用无底柱分段崩落法进行开采，生产活动主要在进路中进行，进路巷道围岩质量与矿山安全生产密切相关。目前，该矿山回采出矿主要在东区 水平与西区 水平，进路间距为，水平以上的分段高度为，水平以下的分段高度改为，进路巷道断面设计尺寸为高 、宽 。在该矿山进路巷道选取 个测点进行现场调查，各测点 法分级指标值如表所示。表某金属矿山进路巷道犃 犆 犐 犚犕犚法分级指标值犜 犪 犫 犾 犲犃 犆 犐 犚犕犚犮 犾 犪 狊 狊 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀 犻 狀 犱 犲 狓狏 犪 犾 狌 犲 狊狅 犳 狉 狅 犪 犱 狑 犪 狔 犻 狀犪犿 犲 狋 犪 犾犿 犻 狀 犲 犚犮 犚 犙犇狊犛犑犠犇犜犎犛 犚犅犎 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）：犃 犆 犐 犚犕犚法分级指标组合权重的确定）法主观赋权采用级标度法构造 法分级指标判断矩阵。其中，准则犅岩石力学特性与犅地质条件对应的指标分别只有一个，最大特征值均为，因此必然满足一致性检验。犃犅，犅犆以及犅犆判断矩阵分别如表所示。根据上述判断矩阵计算各矩阵的最大特征值，对特征向量归一化得到相应的指标权重，得到某金属矿山进路巷道 法分级指标层次分析结果如表所示，根据表可知各个指标的主观权重犠（，）。各判断矩阵一致性检验计算结果如表所示。表准则层犃犅判断矩阵犜 犪 犫 犾 犲犆 狉 犻 狋 犲 狉 犻 狅 狀 犾 犪 狔 犲 狉犃犅犼 狌 犱 犵 犿 犲 狀 狋犿 犪 狋 狉 犻 狓犃犅犅犅犅犅犅犅犅犅有 色 金 属 工 程第 卷表指标层犅犆判断矩阵犜 犪 犫 犾 犲 犐 狀 犱 犲 狓 犾 犪 狔 犲 狉犅犆犼 狌 犱 犵 犿 犲 狀 狋犿 犪 狋 狉 犻 狓犅犆犆犆犆犆犆犆犆犆表指标层犅犆判断矩阵犜 犪 犫 犾 犲 犐 狀 犱 犲 狓 犾 犪 狔 犲 狉犅犆犼 狌 犱 犵 犿 犲 狀 狋犿 犪 狋 狉 犻 狓犅犆犆犆犆犆 犆 犆犆犆犆 犆 表犃 犆 犐 犚犕犚法分级指标层次分析结果犜 犪 犫 犾 犲犃 狀 犪 犾 狔 狋 犻 犮犺 犻 犲 狉 犪 狉 犮 犺 狔狆 狉 狅 犮 犲 狊 狊 狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳犃 犆 犐 犚犕犚犮 犾 犪 狊 狊 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀 犻 狀 犱 犲 狓 犃犅 犅 犅 犅 犆 犆 犆 犆 犆 犆 犆 犆 犆 犆 犆 表犃 犆 犐 犚犕犚法判断矩阵一致性检验计算结果犜 犪 犫 犾 犲犜 犺 犲犮 狅 狀 狊 犻 狊 狋 犲 狀 犮 狔 狋 犲 狊 狋 狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳犃 犆 犐 犚犕犚犼 狌 犱 犵 犿 犲 狀 狋犿 犪 狋 狉 犻 狓 犚 犐犆 犚 犃犅 犅犆 犅犆 ）法客观赋权对表中原始数据采用归一化处理，得到归一化矩阵犡为：犡 熿燀燄燅 第期葛伟杰等：考虑采动影响的 法矿山巷道围岩质量分级研究由 式（）可 以 算 出 各 个 指 标 的 信 息 量犆（，）。根据式（）可以计算出各个指标的客观权重犞（，）。）组合权重的计算运用拉格朗日乘子法由式（）对主观权重犠与客观权 重犞进 行 组 合 赋 权 得 到 组 合 权 重犝（，）。犃 犆 犐 犚犕犚法理想点决策矩阵的构建由表可知，在级围岩和级围岩区间范围内，岩石单轴抗压强度犚犮、岩石质量指标犚 犙 犇、节理间距狊、结构面状况犛、节理方向对工程的影响犑、地下水状况犠、巷道高跨比犎犛 犚、巷道间柱宽度犅、分段高度犎属于“效益型”指标，巷道埋深犇、巷道存续时间犜属于“成本型”指标；在级围岩、级围岩和级围岩区间范围内，个分级指标均为“区 间 型”指 标。根 据 表及 式（）、（），确 定 法分级指标在不同巷道围岩质量等级下的理想点值，从而构建 法理想点决策矩阵：犉 熿燀燄燅 犃 犆 犐 犚犕犚法巷道围岩质量分级结果由式（）计算出某金属矿山进路巷道测点到各个 法巷道围岩质量等级理想点的距离，测点到某一 法巷道围岩质量等级理想点的距离越小，表示该测点越接近此等级，由此获得该矿山进路巷道各测点 法巷道围岩质量等级，如表所示。表某金属矿山进路巷道犃 犆 犐 犚犕犚法分级结果犜 犪 犫 犾 犲犃 犆 犐 犚犕犚犮 犾 犪 狊 狊 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳 狉 狅 犪 犱 狑 犪 狔 犻 狀犪犿 犲 狋 犪 犾犿 犻 狀 犲 由表可知，号测点法等级为级，评分为 分，此评分处于级与级的分界，法分级结果显示号测点到级理想点的距离为 ，到级与级理想点的距离分别为 和 ，因此号测点 法等级为级偏向级，表明目前开采扰动未使号测点所在巷道整体围岩质量等级由级降至级，但如果不采取相应的支护措施，巷道围岩质量等级可能向级转化；号测点法等级为级，评分处于级偏上水平，法分级结果显示号测点到级理想点的距离为 ，到级与级理想点的距离分别为 和 ，因此号测点 法等级为级偏向级，表明号测点所在巷道整体围岩质量等级虽属于级，但在采动影响下围岩质量等级应为级偏下水平，甚至可能向级转化；号测点与 号测点法等级均为级，评分处于级偏下水平，号测点与 号测点 法等级均为级，表明号测点与 号测点所在巷道受采动影响，实际巷道围岩质量等级应为级；其余测点的 法等级及理想点距离与法等级及评分值有较好的一致性，表明这些测点对应进路巷道围岩在采动影响下，还未发生围岩质量等级变化的情况。有 色 金 属 工 程第 卷对号测点所在进路巷道进行支护情况调查，调查结果显示该进路巷道采用锚网喷支护，但巷道顶板出现了混凝土喷层脱落与钢筋网变形外露，如图所示。号测点所在进路巷道法等级为级围岩，但在采动影响下级围岩对应支护形式无法满足该巷道支护要求，表明号测点实际巷道围岩质量等级应为级偏向级，与 法对号测点分级结果相符。综上所述，本文所建立的 法在实际运用过程中能准确获取采动影响下矿山巷道围岩质量等级，验证了该方法的适用性。图号测点进路巷道支护情况犉 犻 犵 犚 狅 犪 犱 狑 犪 狔 狊 狌 狆 狆 狅 狉 狋 犪 狋犖 狅 犿 犲 犪 狊 狌 狉 犻 狀 犵狆 狅 犻 狀 狋 结论）在传统法基础上充分考虑了采动影响相关因素，引入了巷道埋深犇、巷道存续时间犜、巷道高跨比犎犛 犚、巷道间柱宽度犅、分段高度犎等个采动影响指标，构建了采动影响巷道围岩质量分级指标体系和相应的指标分类标准，从开采深度、开采历史和巷道施工相关技术参数等方面全面地反映了开采扰动对巷道围岩质量等级的影响。）引 入 拉 格 朗 日 乘 子 法 耦 合 层 次 分 析 法 和 法对采动影响巷道围岩质量分级指标进行组合赋权，将该组合权重导入理想点法建立了考虑采 动 影 响 的 改 进法（法），有效避免了专家主观偏好与客观数据间存在差异对指标权重的影响，同时兼顾了围岩质量等级划分的准确性，为矿山巷道围岩质量分级提供了一种新的方法。）以某金属矿山进路巷道为例，选取 个测点利用 法进行分级，与传统法分级结果进行对比发现，在采动影响下部分测点 法围岩等级较法出现等级降低或相同等级评分值下降的情况，且 法分级结果与现场工程实际更为吻合，表明 法较法更能反映采动影响下巷道围岩质量的实际等级，同时也证明了该方法适用性强，能较好地满足工程应用的需要，为矿山安全生产与设计提供参考。参考文献：谢和平深部岩体力学与开采理论研究进展煤炭学报，（）：，（）：，（）：，（），（）：，（）：，（）：胡胜，王贻明，王少勇，等岩体质量分级法的修正及应用矿业研究与开发，（）：，（）：谭文辉，武洋帆，刘景军，等深部岩体质量分级系统的改进中国矿业，（）：，（）：，（），（）：邬书良，周智勇，陈建宏，等直觉模糊集 的露天矿岩体质量评价中南大学学报（自然科学版），（）：，第期葛伟杰等：考虑采动影响的 法矿山巷道围岩质量分级研究 （），（）：靳春玲，党丹丹，贡力，等改进 模型在某配水工程围岩稳定预测中的应用水资源与水工程学报，（）：，（）：，：，（）：康红普煤炭开采与岩层控制的时间尺度分析采矿与岩层控制工程学报，（）：，（）：，（），（）：谭宝会，胡颖鹏，张志贵，等无底柱分段崩落法采场结构参数：发展现状、确定方法及存在的问题化工矿物与加工，（）：，（）：，（）：乔木，周宗红，李岳峰，等基于主客观赋权物元可拓模型优选岩爆倾向性预测方 法 有色 金 属 工 程，（）：，（）：，：杜承磊，周传波，王凤喜，等基于组合赋权的台阶爆破效果灰聚类评估模型爆破，（）：，（）：马纪，刘希?基于 熵权法的低压配网台区状态特性评估电力自动化设备，（）：，（）：，：，（）：徐琛，刘晓丽，王恩志，等基于组合权重理想点法的应变型岩爆五因素预测分级岩土工程学报，（）：，（）：（编辑郭文晶）