基于CMS探测技术的矿区回采巷道围岩稳定性评价

丘永富

（新疆金宝矿业有限责任公司，新疆 阿勒泰 836100）

我国诸多矿区在经历了长时间的开采后，回采巷道的部分位置遭到破坏，出现了围岩失稳的情况，存在较大的安全隐患，直接影响着矿区生产的效率和安全，因此矿区回采巷道围岩的支护安全成为巷道处理中亟待解决的问题。为了较为全面准确地设计回采巷道的支护方案，需要对矿区回采巷道围岩的稳定性进行评价[1]。为了保证评价结果的准确性，需要全面科学地获取矿区回采巷道的实际形态，分析回采巷道围岩的地质体数据，从而达到提高回采巷道围岩稳定性评价结果精度的目的[2]。由于传统的矿区回采巷道围岩稳定性评价方法存在工作量大，难以量化等问题，样本数据缺乏实时性，影响了回采巷道围岩稳定性评价效果。为了给矿区回采巷道围岩支护方案的优化设计提供可靠的决策支持，需要提出新的矿区回采巷道围岩稳定性评价方法[3]。本文基于CMS探测技术进行矿区回采巷道围岩稳定性评价研究，分析影响回采巷道围岩稳定性的主要因素，对控制回采巷道围岩的稳定性提供了重要的参考依据，对保证矿区生产的安全性具有现实意义。

1 工程概况

本文研究区域矿区属于中高山区，该矿区矿产资源丰富，但地形较为复杂，水文条件简单，矿床中矿体形态多以层状矿体分布，还有少量形态较不稳定的脉状矿体，矿区内矿物主要以铜为主，其中氧化铜矿物相对含量约占76%，铜矿床主要赋存于矽卡岩层中，矿区内脉石主要为白云石和石英，由3段矿段组成矿区的矿体，矿体厚度在2.3m～11m[4]。该矿区已开采四十余年，经过多年的开采，该矿区深部回采巷道围岩存在松散破碎的情况，具有一定的变形和破坏范围，需要通过多次的返修才能维护回采巷道围岩的稳定，需要对围岩裂隙发育状况和围岩变形破坏特征进行获取与分析，并采取适当的围岩稳定性评价方法对该矿区回采巷道围岩稳定性进行评价，从而为进一步优化回采巷道的支护方案优化提供合理的依据[5]。

图1 该矿区回采巷道环境

2 矿区回采巷道围岩稳定性评价

2.1 基于CMS探测技术获取回采巷道扫描数据

本文基于CMS探测技术对矿区回采巷道围岩进行扫描，利用三维激光测量系统获取回采巷道空间内围岩的数据信息，该系统利用激光扫描头深入回采巷道，通过控制器将激光扫描头进行无死角的旋转，采集回采巷道距离和角度数据，从扫描目标的整体到局部探测完整的三维数据坐标，扫描顺序自上而下，从左到右，以步进方式逐步完成扫描，在扫描过程中按照控制人员预先设定的扫描角度不断进行多轮次的扫描，收集围岩结构以及形态等数据，具体扫描过程如图2所示[6]。

图2 CMS回采巷道扫描过程

由图2可知扫描头探测过程中的原理，通过扫描探测点模拟出的模型来对扫描目标的原形进行还原，CMS原始探测数据通过该系统的数据记录器进行记录，并以.txt格式进行存储，在数据分析前，需要将原始数据进行格式的转换与处理，并利用CMS的分析软件分析扫描采集得到的数据，经全面处理后，得到矿区内回采巷道围岩结构形变﹑结构位移变化，回采巷道距离和面积等数据，为后文进行围岩稳定性评价提供数据来源[7]。为了更好地评价矿区回采巷道围岩稳定性，建立坐标系反映巷道围岩结构和岩性的三维地质模型，生成三角网格表示的回采巷道模型，使矿体和岩层集成在同一环境中，为后文进行围岩稳定性评价提供数据来源。

2.2 根据扫描数据选取围岩稳定性评价指标

对矿区回采巷道围岩稳定性的影响因素是由具体指标来体现的，本文所选择的评价指标是结合上文获取的巷道围岩数据，通过对回采巷道围岩的详细分析，将不重要的影响因素进行过滤，进一步筛选评价指标，根据矿区生产安全管理的实际情况以及基于CMS探测得到的数据，以巷道地质条件，支护情况﹑施工情况和围岩变形监测这4类作为评价单元，共选取评价指标20个，构建矿区回采巷道围岩稳定性评价体系，具体如表1所示。

表1 矿区回采巷道围岩稳定性评价体系

由表1可知本文所选取的21个评价指标，为了保证本文数据选取的合理性，本文对评价指标选取进行检验，根据指标选取的数据方差和与初选直报数据方差和之比，验证本文最终选取的上述指标是否合理，计算公式为：

2.3 确定矿区回采巷道稳定性评价指标权重

为确定矿区回采巷道稳定性评价指标权重，构建评价判断矩阵，量化各评价指标，具体判断矩阵为：

式中m为评价目标组成的目标对象集数量，n为评价指标组成的指标集数量，计算各指标权重，具体公式为：

式中xij的取值是通过下层因素yi和yj的影响之比决定的，经过权重计算，对判断矩阵进行层次单排序处理，得到各评价指标的权重及排序结果，具体如表2所示。

表2 各评价指标权重及排序结果

根据表2得到的各评价指标权重值和排序结果，进行一致性检验，具体公式为：

式中CR为随机一致性比例，CI和RI分别为一致性指标和随机一致性指标的平均值，当CR小于0.10时，认为结果的一致性是满意的[9]。

3 评价结果与讨论

根据各评价指标权重以及现场CMS探测数据，对矿区回采巷道的围岩稳定性评价结果划分稳定等级划分为6个等级，具体如表3所示。

表3 矿区回采巷道围岩稳定性等级

由表3可知，本文矿区回采巷道围岩稳定性评价的等级划分情况，本文利用构建的隶属度函数，得到各评价指标的隶属度值，根据该值得分对矿区回采巷道的围岩稳定性等级进行确定，具体公式为：

式中m代表矿山回采巷道深度，各评价指标隶属度如表4所示。

由表4可知本文矿区回采巷道围岩稳定性评价结果，在地质条件的评价单元中，采动地压的隶属度最高，其稳定性等级属于极不稳定，由于该矿区水文地质条件较为简单，因此其地下水的隶属度仅为0.1，证明地下水因素较为稳定。支护情况评价单元的总体评价结果较为理想，大部分评价指标的隶属度均为0.1，整体等级均在稳定等级之上，证明该矿区回采巷道的支护方法较好，对围堰稳定性影响较小。施工情况评价单元中仅有交接面积和巷道位置为一般稳定等级和稳定等级，在围岩变形监测评价单元中，围岩变形位移速率属于一般稳定情况，是影响围岩稳定性的重要因素。本文研究的矿山回采巷道围岩稳定性的综合得分为0.25，属于比较稳定的评价等级，证明巷道目前围岩较为稳定，但在日常的矿山生产作业与安全管理中，需要着重对采动地压和围岩变形情况进行监测，控制回采巷道交接面积，减少因工程产生的应力对巷道围岩带来的破坏作用，通过日常巷道支护以及检修维护，保持矿区回采巷道围岩稳定性。

表4 矿区回采巷道围岩稳定性评价结果

4 结语

本文通过工程概况的简述，选择CMS探测技术获取回采巷道扫描数据，根据扫描数据选取围岩稳定性评价指标，确定矿区回采巷道稳定性评价指标权重，完成了本次评价研究，取得了一定的研究成果。

由于时间限制，本文研究还存在着诸多不足，需要进一步完善和改进。因此在今后的研究中，将对矿山回采巷道进行数值模拟的研究，降低岩性评价指标选取的范围存在局限性，将不断优化评价方法，使评价结果更具准确性，增强本文方法在实际应用中的实用性。