阎晓荣　柯　波　罗黎明　李　爽

(1.葛洲坝易普力新疆爆破工程有限公司；2.中南大学资源与安全工程学院；3.湖北永业行评估咨询有限公司)



某采空区稳定性评价指标体系构建及定量分析

阎晓荣1柯波2罗黎明2李爽3

(1.葛洲坝易普力新疆爆破工程有限公司；2.中南大学资源与安全工程学院；3.湖北永业行评估咨询有限公司)

采空区是矿山最大的安全隐患之一，其稳定与否直接影响矿山的安全生产。采空区稳定性影响因素具有复杂性与不确定性，通过分析采空区稳定性的主要影响因素，建立了多层次的采空区稳定性评价模型。以云南某矿山工程为例，利用层次分析法，从地质水文条件、采空区特征参数、其他因素等方面对该矿采空区稳定性的影响因素进行了定量分析，并进行了采空区稳定性评价，为有效进行采空区稳定性评价提供了有效途径。

采空区稳定性评价层次分析法定量分析

由于矿产资源的大量开采，遗留了许多安全隐患，严重威胁了人类生命安全和生态环境[1-3]。在该类安全隐患中，采空区是最大的安全隐患之一，采空区围岩在地下施工的爆炸冲击作用下易发生垮落，能量累积效应易引起大面积空区坍塌等[4-7]，在很大程度上影响了矿山的安全生产，因此，对采空区进行稳定性评价对于确保矿山安全生产具有重要意义。近年来，国内外大量学者对采空区探测方法、采空区稳定性评价、采空区处理技术等方面进行了深入研究，成果丰硕[8-11]。在进行采空区稳定性评价的前提下，采取适当的工程措施对采空区进行有效治理，是采矿生产作业中时常面临的问题，但由于采矿条件和矿山地质条件的不确定性和复杂性，导致难以对采空区的危害进行定量评价。为此，本研究以云南某矿为例，拟用层次分析法对该矿采空区稳定性的影响因素进行分析，为合理设计矿房尺寸以及进行安全回采提供理论依据。

1　工程背景

云南某矿为大型锡铜多金属矿床，赋存于花岗岩内蚀变带中，蚀变带SN走向，倾向W，走向长1 200 m，宽350～690 m，赋存标高1 450～1 900 m。矿种以锡铜矿化为主，局部具钨矿化。矿体产于花岗岩与大理岩接触界面以内厚15～60 m的花岗岩内蚀变带中，主要形态为脉状，矿脉呈近EW向产出，大多倾向N，倾角70°～80°，矿脉宽0.4～1.5 m。矿区地层岩性总体较单一，以坚硬厚大的碳酸盐岩及花岗岩为主，岩体稳较固，矿体顶底板岩层抗压强度高，稳固性较好。矿体受花岗岩表面形态的控制，多产于花岗岩接触带产状陡缓变化部位，呈似层状、透镜状产出，以锡铜矿化为主，矿石类型主要有矽卡岩硫化矿、致密块状硫化矿。

2　采空区稳定性评价指标体系构建

2.1层次分析法原理

用层次分析法对采空区进行稳定性评价时通过选取一定的指标利用层次分析得出指标权重，在此基础上对各采空区进行统一的量化评价。层次分析法通过对各评价指标进行两两比较相对重要性，得到一个判断矩阵，求解得到该矩阵的最大特征值对应的特征向量的各个分量即为各指标的权重[12]。

(1)构造判断矩阵。用ki、kj表示方案的指标因素，kij表示指标ki相对于指标kj的重要程度，并且kij与kji互为倒数。利用方案的各因素进行两两比较，得到判断矩阵。采用基于Satty提出的1～9标度法进行判断矩阵取值，取值范围为1～9，见表1。

表1　层次分析法判断矩阵取值

(2)指标权重计算。对于判断矩阵Dij，计算方程Db=λmaxb，求解特征向量b，特征向量b即为相应指标的权重。

(3)一致性检验。由于各指标的重要程度由专家打分，存在随意性，为确定权重分配是否合理，需对判断矩阵进行一致性检验。当指标数值小于0.1时，认为判断矩阵满足一致性检验，否则需重新构造判断矩阵，直至满足一致性检验要求为止。

2.2评价指标体系

基于层次分析法的基本原理，建立了一套完整的采空区稳定性影响因素评价指标体系(图1)。

3　定量分析

根据层次分析法的计算步骤，确定准则层各指标权重并进行一致性检验。根据专家调查统计结果，得到关于地质水文、采空区参数、其他因素等方面的准则层判断矩阵，如表2所示。

图1　采空区稳定性评价指标层次结构表2　准则层判断矩阵

采空区稳定性地质水文条件采空区特征参数其他因素地质水文条件1.00001.00004.0000采空区特征参数1.00001.00003.0000其他因素0.25000.33331.0000

由准则层T判断矩阵可得准则层各指标重要程度排序向量，即准则层权重矩阵W=[0.457 7，0.416 0，0.126 3]，此时计算得到CR值为0.008 9(小于0.1)，表明一致性检验结果符合要求，故准则层权重向量W合理可靠。

根据专家调查统计结果，地质水文条件各指标判断矩阵如表3所示。

表3　地质水文条件各指标判断矩阵

由地质水文条件各指标判断矩阵得到地质水文条件各指标权重矩阵W1=[0.496 4，0.211 1，0.060 3，0.232 2]T，此时计算得到CR值为0.011 1(小于0.1)，表明一致性检验结果符合要求，故地质水文条件指标层权重向量W1合理可靠。

根据专家调查统计结果，采空区特征参数各指标判断矩阵如表4所示。

表4　采空区特征参数各指标判断矩阵

由采空区特征参数指标判断矩阵得到采空区特征参数各指标权重矩阵W2=[0.326 8，0.386 4，0.040 8，0.097 7，0.148 2]T。此时计算得到的CR值为0.046 5(小于0.1)，表明一致性检验结果符合要求，故采空区特征参数指标层权重向量W2合理可靠。

根据专家调查统计结果，有关采空区稳定性其他各因素指标的判断矩阵如表5所示。

根据其他因素指标判断矩阵得到其他因素各指标权重矩阵W3=[0.054 3，0.113 7，0.326 0，0.505 9]T。此时计算得到的CR值为0.0378(小于0.1)，表明一致性检验结果符合要求，故其他因素指标层权重向量W3合理可靠。

表5　其他因素指标判断矩阵

根据上述计算，可得各层各指标总权重，如图2所示。

图2　各指标总权重分布

4　结　论

(1)根据德尔菲法构建了采空区稳定性的层次分析模型，得到断层、RQD值、单轴抗压强度、地下水涌水量、最大暴露面积、采空区体积、埋藏深度、高度、跨度、空间跌置层数、相邻采区情况、顶板状况、矿柱状况13个综合评价指标。

(2)目标层影响因素中，地质水文条件所占权重最大，为0.457 7；次为采空区特征参数，权重为0.416 0；其他因素所占权重最小，仅为0.126 3。由准则层整体重要性排序分析可知，断层、采空区体积、最大暴露面积、地下水涌水量、岩石RQD值等为主要评价指标。因此，在进行采空区稳定性分析时，应主要考虑该类因素的影响。

(3)基于层次分析法的采空区稳定性评价可满足评价设计的可行性、客观性和多指标性的基本设计原则，该方法合理可靠，适用于进行采空区稳定性综合评价。

[1]刘晓明，罗周全，杨承祥，等.基于实测的采空区稳定性数值模拟分析[J].岩土力学，2007(S)：521-526．

[2]贺昌友，张旭.昭通铅锌矿采空区稳定性的FLAC3D数值模拟研究[J].云南冶金，2009(4)：3-7．

[3]李想，朱为民，谢晓斌.FLAC3D在某铁矿采空区稳定性分析中的应用[J].中国矿山工程，2012(1)：25-29．

[4]吴启红，彭振斌，陈科平，等.矿山采空区稳定性二级模糊综合评判[J].中南大学学报：自然科学版，2010(2)：661-667．

[5]李孜军，林武清，陈阳，等.基于AGA-BP神经网络的采空区危险性评价[J].中国安全生产科学技术，2015(7)：135-141．

[6]Aibing J,Xiaojuan L,Jinhai S.Discussion of goaf critical depth calculation methods under freeway[J].Applied Mechanics and Materials,2012(3):1454-1458．

[7]郭晓强，唐绍辉，文兴，等.基于微震的采空区稳定性分级研究[J].矿冶工程，2015(2)：6-11．

[8]马法成.某铁矿隐伏采空区精准探测方法[J].金属矿山，2016(5)：196-199.

[9]张德辉，朱帝杰.利用综合物探法精准探测弓长岭露天矿采空区[J].金属矿山，2015(10):163-167.

[10]崔晓荣，林谋金，张卫民，等.露天多金属矿山地下采空区综合探测分析[J].金属矿山，2015(1)：128-132．

[11]张刚艳.选煤厂下伏多层倾斜煤层采空区稳定性评价与治理技术研究[J].金属矿山，2015(4)：66-70．

[12]姚建，吴爱祥，胡燕康，等.层次分析法在湿润剂抑尘评价中的应用[J].现代矿业，2014(6):87-89.

Quantitative Analysis and Construction of the Stability Evaluation Index System of the Goaf in a Mine

Yan Xiaorong1Ke Bo2Luo Liming2Li Shuang3

(1.Gezhouba Yipuli Xinjiang Blasting Engineering Co.,Ltd.;2.School of Resources and Safety Engineering,Central South University;3.Hubei Realhom Appraisal & Consulting Co.,Ltd.)

Goaf is one of the biggest security risks in mines,the safety production of mine is affected directly by the stable or not of goaf.The influence factors of the stability of goaf with the characteristics of complexity and uncertainty.The multi-level stability evaluation model of goaf is established by analyzing the main influence factors of goaf.Taking the mine engineering inYunnan province as the research example,the stability influence factors of goaf of the mine are conducted quantitative analysis from the three aspects of geological and hydrological conditions,characteristics parameters of goaf and other factors by adopting the analytic hierarchy process,besides that,the stability evaluation of the goaf is also done to provide a effective way for the stability evaluation of goaf.

Goaf,Stability evaluation,Analytic hierarchy process,Quantitative analysis

2016-06-07)

阎晓荣(1981—)，男，工程师，830004 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市新市区经济技术开发区阳澄湖路98号。