基于变权重-云模型的岩体质量评价方法

2018-08-17郑相悦

现代矿业 2018年7期

郑相悦

(广东省冶金建筑设计研究院)

岩体工程质量会直接影响工程稳定性，地下工程设计与施工首先要进行岩体质量评价[1-2]。由于岩体质量影响因素较多，具有随机性与模糊性特点，传统的岩体质量分级方法存在一定不足，易导致评价结果可靠性不强[3]。云模型能够实现定量描述与定性分析之间相互转化，已经显示出了巨大优势[4-5]。在指标权重确定时，层次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)和熵权理论评价方法存在偏主观或偏客观的不足，易导致最终评价结果不可靠。因此，本研究通过构建基于变权重-云模型的岩体质量综合评价模型，并将其应用于山东焦家金矿的岩体质量评价中，并与改进的RMR法进行对比分析。

1 云模型理论

1.1 云模型

1.2 综合确定度

通过计算综合确定度，基于最大隶属度原则判断评估等级。综合确定度计算公式为

式中，μ(x)为单指标确定度；wj为指标权重，采用变权重理论确定；m为评价指标数量。

1.3 岩体质量分级评价模型实现流程

基于变权重-云模型的岩体质量评价流程见图1。

2 岩体质量分级评价模型构建

2.1 岩体质量评价指标体系建立

本研究构建了包括岩体强度特征(岩石单轴抗压强度、RQD、岩体钻进速度)、岩体刚度特征(岩体声波速度)、水文地质特征(渗水量、地应力影响因子)和岩体结构特征(结构面间距、结构面摩擦系数)的综合评价指标体系。将岩体质量划分为5个等级，分别为稳定(Ⅰ)、较稳定(Ⅱ)、基本稳定(Ⅲ)、不稳定(Ⅳ)、极不稳定(Ⅴ)，具体等级划分标准见表1。

图1 岩体质量评价流程

2.2 云模型指标云图生成

根据云图即可计算某个评价指标在不同等级下的确定度。云的数字特征见表2，典型单指标云图如图2所示。

表1 岩体质量分级指标评分标准

表2 正态云模型的数字特征

图2 评价指标云图

3 应用实例

焦家金矿采用上向水平分层充填采矿法回采金矿石，但由于矿床开采深度的增大，矿体所受的地应力也越来越大，矿岩的破坏程度也越来越严重，在开采过程中由于顶板稳固性变差，时常会发生冒顶和片帮现象，采场围岩稳固性较差。通过对不同阶段的采场、巷道进行地质调查(节理裂隙、断层、结构面)和力学性质参数测定，得到的具体指标值见表3。

表3 岩体质量评价指标原始数据

3.1 基于变权重理论的指标权值确定

3.1.1 指标常权计算

本研究采用层次分析法[6]确定的指标权值为

w=[0.042 0.059 0.031 0.081 0.217 0.301 0.113 0.156] .

3.1.2 变权计算

(1)指标归一化处理。为了便于指标之间比较，需要对各参数进行归一化处理，经过归一化处理后的标准评价矩阵B为

(2)确定状态变权向量。采用指数型状态变权向量形式，公式为

式中，S为状态变权向量；xij为标准决策矩阵(Xij)的元素，i=1,2,3,…,n，j=1,2,3，…,n；α、β为常数，根据实际情况取值，α≥0，0<β≤1。

(3)确定变权向量矩阵[7]。取α=0.5，β=0.3，则变权向量矩阵为

3.2 计算综合确定度

根据建立的岩体质量分级标准计算云的数字特征，并采用MATLAB软件生成单指标云图，根据云图可以得到单指标确定度，最后根据式2计算各采场和巷道岩体质量分级的综合确定度，基于最大隶属度原则，对岩体质量进行评价，结果见表4。由表4可知：该矿山岩体质量属于Ⅲ 级和Ⅳ级，即基本稳定和不稳定，与现场调查情况一致，与修正RMR法的评价结果完全一致。