基于云物元模型的采空区稳定性评估研究

2020-12-07欧阳斌陈艳红邓传军

有色金属（矿山部分） 2020年6期

欧阳斌，陈艳红，邓传军

(江西工业工程职业技术学院能源工程学院，江西萍乡337000)

关键字：采空区；稳定性评估；云物元模型；综合关联度

随着国内经济的快速发展，矿产资源需求量不断增加，开采方式从露天逐渐转化为地下，地下开采遗留许多采空区，采空区使周围岩石应力重新分布，导致岩石破坏、变形和移动，严重影响矿山的安全生产[1]。因此，对采空区稳定性进行科学、客观的评估尤为重要。目前，许多学者对其进行了大量深入研究。杨扬等运用层次分析法对采空区的稳定性进行了评估[2]；许传华等利用模糊数学综合评估方法对采空区的稳定性进行了评估[3]；罗周全等结合Surpac、FLAC3D和Phase2等方法对采空区的稳定性进行了评估[4]；彭欣等利用ANSYS特大采空区的稳定性进行了评估[5]；汪伟等运用物元可拓方法对采空区的稳定性进行了评估[6]。以上数值与数学方法虽取得了较好的结果，但采空区的评估指标因素具有不确定性、模糊性、随机性及指标之间的不相容性等，导致上述方法具有一定的局限性，没有充分考虑指标因素的这些性质[7]。由于云模型能较好解决不确定性、模糊性和随机性，物元分析方法适用于解决指标因素之间不相容性。因此，本文结合云模型和物元分析方法，将云物元模型运用于采空区稳定性评估，并通过案例进行验证，以期获得科学、客观的评估结果。

1 云物元模型理论

1)云物元定义

云物元模型的本质是云模型对物元分析方法的重新改造。由于物元分析方法进行评估时，未能考虑评估指标因素的模糊性和随机性，使评估的结果不够准确。云模型能够反映事物的模糊性和随机性，因此将云模型和物元分析方法结合能弥补各自的不足[8]。云物元模型的表达式：

(1)

2)云物元模型的标准云参数

评估指标因素分级，指标分级是区间形式[cmin,cmax]。标准云的云参数计算公式：

(2)

(3)

He=s

(4)

s是常数，s值取决于指标因素模糊性和随机性自行调整[9]。

3)关联度

云物元模型的关联度计算步骤如下：

(2)计算云滴x的关联度，关联度计算公式：

(5)

4)计算综合关联度及评估等级判定

评估指标属于等级j的综合关联度为：

(6)

根据最大隶属度原则对评估等级进行判定：若Kk(U)=maxKj(U)，则等级判定为k级。

2 采空区稳定性评估的云物元模型

2.1 采空区稳定性评估指标体系的构建及权重确定

采空区稳定性评估是一项非常复杂的系统工程，其准确率依赖于所建立的评估指标体系。通过查阅相关文献，结合采矿实践工程情况，并依据采空区指标因素的特性，从岩体质量、采空区自身参数及环境因素三个方面对采空区稳定性进行评估，岩体质量主要考虑岩石抗压强、RQD值、地下水状况、结构面特征；采空区自身参数主要考虑暴露面积、采场埋深、采矿跨度、采场跨高比和矿柱比值；环境因素主要考虑周围扰动、暴露时间和支护情况[6，10-11]。此次研究选取岩体质量、采空区自身参数和环境因素为采空区稳定性评估的一级评估指标，以岩石抗压强、RQD值、地下水状况、结构面特征、最大暴露面积、采场埋深、采矿跨度、采场跨高比、矿柱比值、周围扰动、暴露时间和支护情况12个因素为二级评估指标，构建了采空区评估指标体系，见表1。

采用德尔菲法确定评估指标体系的权重，向相关专家发咨询意见表，并收回问卷，通过平均方法计算了各评估指标权重，结果见表1。