程潮铁矿基于系统层次分析法的岩爆防治措施优化

2011-10-13许梦国凌申怀

采矿技术 2011年1期

关键词：岩爆排序岩体

程勃,许梦国,张勇,凌申怀

(武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室, 湖北武汉 430081)

程潮铁矿基于系统层次分析法的岩爆防治措施优化

程勃,许梦国,张勇,凌申怀

(武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室, 湖北武汉 430081)

遵守岩爆防治的基本原则,结合程潮铁矿的矿床地质条件、岩体力学性质和地应力分布规律,对岩爆发生机理、预测理论进行探讨,提出相关的防治措施后,利用系统层次分析方法对这些措施进行定量的分析,优选出最佳的防爆措施,从而为决策者提供参选依据。

岩爆;防治措施;层次分析法;判断矩阵;方案优选

建国以来,随着采矿技术的突飞猛进,我国许多金属矿山都已进入深部开采阶段。当采矿达到一定的深度时,周围岩石蕴藏的能量会迅速增大,特别是较硬的岩体自身积聚的能量比一般岩体更多。在地下矿山深部采矿过程中,开挖新的巷道和爆破会破坏原有岩体的能量平衡,当岩体中积聚的能量在很短的时间释放时便形成岩爆[1]。岩爆会摧毁较大范围内的采矿设备和巷道硐室,严重威胁到采矿人员的人身安全和矿山的安全生产。因此,对防岩爆措施的优化具有很大的现实意义。

本文考虑岩爆防治的基本准则,提出了 5种岩爆防治的基本措施,并用层次分析法优选出各防爆措施,从而为决策者提供参选依据。

1 岩爆防治的基本原则和预防措施

程潮铁矿经过近半个世纪的开采,开拓工程已经深入地下近千米,采矿深度也已经达到 -500多m。采矿深度越来越深,采区的地应力也就越来越大,岩体越来越坚固,已经初步形成了产生岩爆的条件,给该矿安全生产工作带来了一系列的问题。因此,有必要在岩爆发生前提出相关的岩爆防治措施,并对这些措施进行优化。

从岩爆发生的机理可以知道,岩爆产生主要有3大要素:

(1)岩性条件。比较硬的岩体相对来说容易发生岩爆。

(2)能量条件。岩体中应储存足够多的能量。

(3)时间条件。能量需在短时间急剧释放。

只有在这 3种条件都具备的情况下,岩爆才可能发生。根据这 3大要素,可以提出岩爆防治的 3大原则:

(1)避免岩体扰动原则。

(2)能量释放原则。

(3)时间控制原则。

根据这 3大原则,本文提出了 5种相应的岩爆预防措施:巷道的合理设计、巷道周边应力的调节、围岩性质的改变、施工方法的选取和支护系统的强化。

2 岩爆防治层次分析体系及分析

对以上 5个方案进行层次分析[3],根据环境分析、目标分析和结构分析建立层次分析模型。总目标作为目标层,各子目标作为准则层,5个可行性方案作为措施层。AHP模型见图1。

图1 AHP模型

2.1 构造目标层对应于准则层 A—C因素的判断矩阵

相对于岩爆防治技术的总目标,比较各准则之间的相对重要性,构造 A—C的判断矩阵见表1。

表1 A—C的判断矩阵

2.2 构造准则层对应于措施层 C—P的判断矩阵

(1)对于避免岩体扰动原则,根据各防爆措施之间的相对重要性比较,其 C1—P判断矩阵见表2。

表2 C1—P判断矩阵

(2)对于能量释放原则以及防爆措施之间的相对重要性比较,其 C2—P判断矩阵见表3。

表3 C2—P判断矩阵

(3)相对于时间控制原则,根据各防爆措施之间的相对重要性比较,其 C3—P判断矩阵见表4。

表4 C3—P判断矩阵

2.3 判断矩阵分析

2.3.1 求特征向量和最大特征值λmax

针对判断矩阵 A=(δij)n×n,设λmax是矩阵 A的最大特征值,在这里先按行将各元素连乘并开 n次方,即求各元素的几何平均值[4]:

再把 bi(i=1,2,3,...,n)归一化,即求得最大特征值对应的特征向量:

由W =(w1,w2,....wn)T,则判断矩阵 A的最大特征值满足:

计算判断矩阵的最大特征值λmax。

2.3.2 对各判断矩阵进行具体的分析

对于判断矩阵A-C,按照上面 4个公式的计算方法,可得:

因此该矩阵有可接受的不一致性;否则,就认为初步建立的判断矩阵是不能令人满意的,需要重新赋值,仔细修正,直至一致性检验通过为止。同理可知其它几个判断矩阵都有可接受的不一致性。

2.3.3 层次总排序及其一致性检验

根据上述各判断矩阵所计算的各因素权重结果,各防岩爆措施方案层次总排序计算结果见表5。

对于 3阶正互反矩阵,平均一致性指标R.I.=0.5,那么有:

表5 层次总排序

层次总排序一致性检验如下:

通过一致性检验,矩阵在合理的范围之内。

2.3.4 岩爆防治方案优选

对于该矿采矿岩爆防治这个目标,所考虑的 5种岩爆防治方案的相对优先排序为:

(1)巷道的合理设计 P1为 0.29。合理布置开拓采准巷道可以有效地避免高应力区,在很大程度上可以避免采矿过程中发生岩爆。

(2)施工方法的选取 P4为 0.27。在一些特殊情况下,不合理的施工方法往往会诱发岩爆,因此,改进施工方法在一定的程度上也可以预防岩爆。

(3)巷道周边应力的调节 P2为 0.22。当掘进的巷道已经处于岩爆的区域内时,则需要改善巷道、硐室的应力状态,如改变其形状,大小等,总之不给岩爆的发生创造条件,这种措施属于间接预防,因此,改善巷道、硐室的应力状态也对岩爆的发生有不错的预防效果。

(4)支护系统的强化 P5为 0.14。这种防治方案的机理和改善巷道、硐室的应力状态基本相同,不过巷道支护系统只在很小的范围内 (支护可以起作用)对岩爆的预防有一定的效果。大量工程实践表明,很多岩体工程的破坏往往不是因为围岩的强度不够,而是因材料蠕变产生过大的后期变形。因此,强化巷道支护系统对于岩爆的发生也有一定的的预防效果。

(5)围岩性质的改变 P3为 0.08。围岩的力学性质虽然和岩爆的发生有很直接的关系,但要改善围岩的力学性质工程量很大,投资也很大,所以,改善围岩的力学性质只是理论上的一种预防方法,不过在特殊的情况下也可以采用,因此,改善围岩的力学性质也属于岩爆防治措施中的一种方案。

决策者可根据上述分析结果,决定考虑实施岩石防岩爆方案。