熵权物元可拓模型在岩爆危险性等级评价中的应用.pdf

第 6 7 卷第 4 期 有 色 金 属( 矿山部分) 2 O 1 5 年 7 月 d o i： 1 0 3 9 6 9 J is s n 1 6 7 1 - 4 1 7 2 2 0 1 5 0 4 0 2 0 熵权物元可拓模型在岩爆危险性等级评价中的应用 郭生茂 ， 刘 涛 ， 赵丽 军 ， 刘武 团 ， 张晨 洁 ， 高 忠 ( 1 西北矿冶研究院， 甘肃 白银 7 3 0 9 0 0 ； 2 甘肃厂坝有色金属有限公司， 甘肃 成县 7 4 2 5 0 0 ) 摘要 ： 为准确合理地对地下矿 山岩爆危险等级进 行评价 ， 考虑 岩爆发 生的岩 石力学条 件和 岩土工程环 境对 其 造成 的影 响 ， 选取 3 个 主要影 响岩爆发生的因素 ： 岩石 的应力集 中系数 、 脆性系数 和能量指数 w ， 在 传统物 元可拓分析模 型的基础上 ， 建立岩爆危 险性 等级评 价熵权物 元可 拓模型 。根 据 2 O座矿 山的实测数 据和实 际岩爆 发生情况 ， 确定岩爆评价影 响指标体 系 ， 计算评价 指标 的关联度 ， 应用 熵权 法确定各评 价指标 的权重 ， 根据 关 联度最大识别原则 ， 判定岩爆危险等级 。该方法用于厂坝铅锌矿岩爆危 险等级评价 中， 其研究 结果表 明， 该方法 的预测评价结果与实际岩爆发生较为符合 ， 进一 步说明 了该 方法 的实用性 和合理性 ， 对 实际工程 有一定 的指导意 义 。 关键词 ： 岩爆 ； 熵权物元 ； 关联度 ； 可拓学 中图分类号 ： TD 2 3 5 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 4 1 7 2 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 8 9 0 5 Ap p lic a t io n o f e n t r o p y - we ig h t a n d ma t t e r - e le me n t e x t e n s i o n mo d e l in e v a lu a t io n o f r o c k b u r s t r is k le v e l GUO S h e n g ma o ，LI U Ta o ，Z HAO Li j u n ，L I U W u t u a n ，Z HANG Ch e n j i e ，GAO Z h o n g ( 1 No r t h we s t I n s t it u t e o f M in in g a n d M e t a llu r g y，Ba iy in Ga n s u 7 3 0 9 0 0，Ch in a ； 2Ga n s u Ch a ngb a No nf e r r o us M e t a ls Co ，Lt d ，Che n gxia n Ga ns u 74 2 50 0，China ) Ab s t r a c t ：Th e o c c u r r e n c e o f r o c k b u r s t wa s a f f e c t e d b y ma n y f a c t o r s C o n s id e r in g r o c k me c h a n ic s c o n d it io n s o f r o c k b u r s t o c c u r r e d a n d t h e i mp a c t o f g e o t e c h n i c a l e n g in e e r i n g e n v ir o n me n t ，t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n f a c t o r o f t h e r o c k ( a c) ，b r i t t l e n e s s c o e f f i c i e n t (O c a )a n d e n e r g y in d e x (Wd) we r e s e l e c t e d Th e mi n e r o c k b u r s t o r i e n t a t i o n a n d r is k a s s e s s me n t mo d e l wa s e s t a b lis h e d b a s e d o n t he e n t r o p y - we ig h t a n d ma t t e r e le me n t t h e o r y Ac c o r d in g t o t h e r o c k b u r s t d a t a o f 2 0 min e s ， Th e r o c k b u r s t in f lu e n c e in d e x s y s t e m wa s d e t e r min e d Th e we ig h t wa s d e t e r min e d b y e n t r o p y we ig h t t h e o r y Th e ma x imu m c o r r e la t io n r e c o g n it io n wa s u s e d t O e v a lu a t e t h e min e d a r e a r is k le v e 1 Th is me t h o d wa s u s e d t O e v a lu a t e t h e r o c k b u r s t d a n g e r le v e l in Ch a n g b a Le a d Z in c M in e Th e r e s u lt s s h o w t h a t t h e p r e d i c t i o n r e s u l t s we r e a c c o r d wi t h t h e a c t u a l r o c k b u r s t Th i s me t h o d h a s c e r t a i n g u id in g s i g n i f i c a n c e t O a c t u a l p r o j e c t Ke y wo r d s ：r o c k b u r s t ；e n t r o p y - we ig h t a n d ma t t e r e le me n t ；r e la t io n a l d e g r e e ；t h e o r y o f e x t e n ic s 岩爆 的发生机 理 、 预测 和 防治 一 直 以来 是 岩 石 力 学 一 、 采矿 、 隧道 引、 地 下工 程 等 领域 研 究的热门课题 ， 多年来 一直受到众多学者 和专家 的 广泛研究 ， 但就岩爆的发生机理至今仍未得到统一 的共识 1 。Ob e r t 和 D u v a ll认 为 ， 岩爆 是 岩石 在 其周围任意的暴露面突然发生爆炸， 其爆炸时岩石 所 受 的应力 远远 超 过 了岩 石 的强 度 ， 这 是 岩爆 发 生 机理的强度理论 。岩爆的发生是由于岩石 ( 岩体) 内 部 聚集 了大 量 的 弹 性 应 变 能 ， 这 些 聚 集 在 岩 石 ( 岩 体) 内部的能量在外界 的扰动作用下突然发生释放 ， 作者简介 ： 郭生茂( 1 9 7 2 一) ， 男， 高级工程 师， 采矿工程 专业 ， 多年来 一 直从事采矿科研与设计工作。 造成大范围的剧烈破坏， 岩爆的发生究其根本 ， 可将 其 看作 一种 能量 的转 换 和 释放 ， 即将 岩 石 内部 储 存 的弹性应变能转化成爆炸之后的岩块冲击动能和热 能 。岩爆是一种复杂的岩石动力失稳破坏现象 ， 很 难用传统的岩石力学理论对其进行解释， 通过现有 的实验手段很难将其模拟 ， 这也是岩爆 的发生机理 至今仍有争议的主要原因。 关于 岩爆 发生 的预测 研究 国内研究 的还 相对 较 少， 近年来 ， 随着我国地面空间空城的迅速发展和地 下采矿深度的加大 ， 岩爆的危害也逐渐显现 ， 由于岩 爆造成的经济损失和人员伤亡也逐年增加， 因此， 对 岩爆 机理 的研究 和其 预 测 受 到 了许 多 学 者 的重 视 ： 有 色 金 属 ( 矿山部分) 第 6 7 卷 董陇军u 。 。 等应用 随机森林模型对岩爆 的发生进行 了预测 ， 其研究结果显示， 该模型相对于 B P神经 网 络 、 未 确知 测度 理论具 有一 定 的优 越性 ， 其 预测 结果 准确度较高， 但模型中所需参数较难测定 ， 其应用受 到一定的限制。苏国韶口 妇等将 K一 最近邻案例推理 理论应用到了岩爆预测 中， 通过将深部开采中的岩 爆事件收集整理建立数据库 ， 建立近邻相似度函数， 预测新条件下的岩爆发生可能性， 并将 该方法应用 到南非深部矿 山工程岩爆预测中， 取得 了较好 的效 果， 但该方法需要收集较多的岩爆事件建立数据库 ， 实际中很难实现。付玉华_ 1 幻等将 B a y e s判别法引 用至深部岩体岩爆 预测 中， 该方法具有强大的判别 分类能力 ， 但 由于所需参数在实验条件下难 以测定 ， 其应用 同样受 到限制 。彭琦 1 。 等将 现场声发射现 场监测的声发射( AE) 时间序列 ， 通过突破理论 ， 建 立 了一 种岩爆 发 生 的预 测 模 型 ， 该 方 法需 要 监 测 大 量的岩爆声发射事件 ， 该模 型在工程实际中难 以推 广应用 。本文在传统物元可拓分析模型 的基础上， 建立 了岩爆危险性等级评价 的熵权物元可拓模型， 该模型所需参数在实验条件较容易测定 ， 该方法的 预测评价结果与实际岩爆发生较为符合 ， 进一步说 明了该方法的实用性 和合理性 ， 对实际工程有一定 的指导意义。 1 熵权 物元 可拓模 型的建 立 运用 熵权 物元 可拓 法对 岩爆 危 险性 评 价可按 以 下步骤进行 ： 1 ) 确定岩爆危险性等级评价指标体系。 2 ) 确定经典域 R 。、 节域 R 。根据岩爆危 险性 分级标准， 假设岩爆危险性等级分为 z个等级 ， 评价 指标 有 7 1 个 ， 那 么 经 典 域 物 元 R。 一 ( N。 ， C， V 。 f ) 为 ： Ro N0 f 1 c2 f c N o j c l f2 CH 口 町 1 ， b 0 1 o ， 2 ， b 口 0 ， b o ik 口 0 ， b 0 血 R一 一 r 差1=N 兰 主兰 ， 式 中 ： R 为 维 岩爆 物元 ； N ( 一 1 ， 2 ， ， ) 为第 i个待评价的岩爆 ； 为 c 的实际测量值。 4 ) 对各评价指标进行无量纲化处理 ， 由于各个 指标 间的单 位 不 同 ， 不便 于 分 析 ， 为 此 ， 需 要 对 各 指 标进行无量纲化处理 ， 处理方法如下： I V zk - k i n (对 于 要 求 越 小 越 好 的 指 标 ) 一 I ( 对 于 要 求 越 大 越 好 的 指 标 ) ( 4 ) 式中： 表示无量纲化处理后的第 i 个岩爆的 第 k个岩爆的评价值 ； m 、 分别表示为第 k个 指标所对应取值的上限值和下限值 。 5 ) 计算 岩爆 危 险性 等级评 价指 标 的关 联 度 。第 i个岩爆第k 个指标关于岩爆危险性等级J的关联函 数为 ： 业 一 第 4 期 郭生茂 等 ： 熵权 物元 可拓模 型在岩爆危险性等级评价中的应用 9 1 一o(v 州 I 巳 ! !韭! ， l 据， )一 P( ， )一 l D ( V i i , O O j k )= l * 一 丢 ( + ) l 1 ( ) 1 P c ， = I 一 cn 辟 + I 1 c 一 n 坤 f H 一 - 1 “ ln f j , ( j一 1 ， 2 ， ， 珠 一 1 一 ( 9 ) ( r jk +1 ) ，且 满 足奎 一 1 ( 1 0 ) 一 = 1 7 ) 确定待评 价岩爆危 险性 等级间 的加权关 联 度。待评价岩爆物元 N 关于等级 J的加权关联度 为 ： 愚 ( N ) ：锄 女 r 业 ( * ) ( 1 1 ) 8 ) 根据关联度最大识别原则 ， 判定待评岩爆危 险 等级 t 。 k = ma x k ( N1 ) ， 一 1 ， 2 ， ， Y ( 1 2 ) 2 熵权物元可拓模 型在岩爆危 险性 等级评价 中的应用 2 1 岩爆 危 险性评 价指标 体 系 以往 的关于岩石岩爆倾 向性指标 的研究表明， 岩石 的应力集 中系数 ， 、 脆性系数 和能量 指数 w 是 比较常用的评价岩石岩爆倾 向性的评价 指标 ， 具有概念清晰和参数容易确定 的诸多特点而 被 广泛使 用 和认 可 。综 合 以往 研 究 ， 将 岩 爆 的等 级 划分为四个等级， 即强岩爆 、 中岩爆 、 弱岩爆和无岩 爆 ， 综合岩爆等级与应力集 中系数 r a 、 脆性 系数 a c a 和能力指数 w 数值之 间的关系如表 1所示 。 选取 了冬瓜 山等 国 内、 国外 2 O个 工程 实例 ( 见表 2 ) 作为样本数据 ， 建立岩爆倾 向性和危险性等级评价 模 型 。 表 1 岩爆等级与评价指标的关系 Tab le 1 Th e r e la t io ns hip b e t we e n r o c k b ur s t le v e l a nd e v a lu a t ion in de x 2 2 确 定岩 爆物 元的 经典域 根据表 1 所示 ， 将 I一级岩爆危险性评价指 标无量纲化处理后的数据作为经典域物元 ， 那么经 典 域 R。 为 ： R0一 N0 2 E o 5 ， 0 7 E o 2 ， 0 3 E o 3 ， 0 5 N0 3 E o 3 ， 0 5 E o 3 ， 0 5 3 E o 2 ， 0 3 ( 1 3 ) 2 3 确 定岩 爆物 元 的节域 根据岩爆危险性等级评价指标 的整体取值范围 确定节域 R 为 ： F Np f E o ， 1 R p = I E o ， 1 l ( 1 4 ) 1 E o ， 1 I 2 4待 评 岩爆 物元 如表 2所示 ， 选取 了冬瓜 山等 国内、 国外 2 O个 工程实例作为样本数据 ， 其实测数据见表 2 所示 ， 根 据公 式 ( 4 ) 对 2 0个 矿 山的实测 数据 进行 无量 纲化 处 理 ， 处理后的数据见表 2所示 。 2 5 计 算待 评岩 爆危 险性 等级 的关联 度 以岩爆样本 1为例 ， 根据公式( 5 ) 和公式( 6 ) ， 计 算各评价指 标关 于危 险度等级 的关 联度 ， 具体 见 表 3 。 根据公式( 8 ) ( 1 0 ) ， 可求出各指标 的权重为 ： ( O 4 2 3 2 ， 0 1 4 9 8 ， 0 4 2 7 0 ) ， 根据公式( 1 1 ) ， 可求出 样本 1与各岩爆危险等级加权后的关联度 ， 加权后 的关联度见表 4 。 =I c 主 c 主 j 1J 1j 1 2 1 l ， ， O O O rL rL rL 有 色 金 属( 矿山部分) 第6 7 卷 表 2 国 内、 外部分矿 山岩爆指标数据样本 Ta b le 2 The r o c k b u r s t ind e x da t a s a mple s in m in e s a t ho m e a nd ab r oa d 表 3样本 1 评价指标与危险性等级的关联度 Ta ble 3 Co r r e la t io n of e v a lu a t io n in de x an d r is k le v e l o f s a m ple 1 表 4 加权后 的关联度 Ta b le 4 The c o r r e la t io n a f t e r we ig ht e d 根据最大关联度识别准则， 可得样本 1的岩爆危 险性等级为级， 为无岩爆， 用 同样 的方法计算出样 本 2 2 0岩爆危险性等级加权后的关联度， 计算结果 见表 5 。表中带下划线的数据为最大关联度， 根据最 大关联度识别原则 ， 可依次判定各样本的岩爆危险性 等级， 并与实际岩爆发生时的情况进行了比较 ， 2 O组 样本的预测结果与实际的发生情况完全符合 ， 预测准 确率高达 1 0 0 9 6 ， 因此可见， 熵权可拓模型的评价结果 较为合理， 与实际情况符合 ， 预测精度高。 表 5 岩 爆危险性 等级 加权 后的关联度及评价结果 Ta ble 5 Cor r e la t io n a nd e v a lua t io n r e s ult s of r o c k b urst r is k le v e l a f t e r we ig ht e d 2 6 3 - 程应 用 厂坝铅锌矿位于甘肃南部， 处于昆仑秦岭地槽 褶皱系的礼县一柞水海西 冒地槽褶皱带中部的西成 矿 田中。厂坝矿 区主要构造呈东西走 向， 褶皱发育 ， 第 4期 郭生茂 等 ： 熵权物元可拓模型在岩爆危 险性等级评价 中的应用 9 3 以吴家山复背斜为骨架 ， 该背斜对区内地层和矿带 的展布起控制作用 ， 区内断裂构造发育 ， 以东西向为 主 ， 在不同岩性的接触面上多发育有层间断裂， 这种 断裂一般为成矿前 断裂 ； 北东 向横断层多为成矿后 断层 ， 对矿体 的破坏较大。矿床经多年开采， 形成 了 大 量 的采空 区 ， 造 成 井 下 地 压 活动 频 繁 ， 冒顶 、 矿 柱 破裂时常发生 ， 地表和露天边坡 的稳定性受到严重 威胁 ， 随着矿体 向深部 开采， 在距地表 6 0 0 8 0 O 1 T I 时， 地压显现更加剧烈 ， 小范 围的岩爆 事件时有发 生， 对工人的安全、 巷道的支护等造成重大影响。根 据矿 山资料 ， 矿 山 自 2 0 1 0年 以来 ， 发 生较 为 剧 烈 的 岩爆活动有十余次 ， 对井下人员和设备 的安全造成 了严重的影响 ， 由于矿山对安全工作十分重视 ， 管理 得当， 至今并未造成人员伤亡事故 。 结合厂坝铅锌矿岩石力学条件和矿山开采实际 情况 ， 对 矿 山 4个 不 同 区域 的岩 石进 行 力 学 实 验 测 试 ， 求得 应力 集 中系数 ， a 、 脆 性 系数 和能 量 指数 ， 结 果 如表 6所示 。 表 6 厂坝矿岩爆指标数据 Ta b le 6 The r o c k bu r s t ind e x da t a o f Cha ng b a Min e W d 2 6 0 1 7 O 3 5 8 4 6 7 根据公式( 5 ) 和公式( 6 ) ， 计算各评价指标关 于 危险度等级的关联度 ， 根据公式( 8 ) ( 1 0 ) ， 可求 出 各指标的权重 ， 根据公式( 1 1 ) ， 可求出加权后的关联 度 ， 根 据最 大关 联度识 别 准则 ， 可得 出厂 坝 四个 区域 的岩爆发生的预测情况 ， 具体结果见表 7 。 表 7 厂坝矿岩熵权可 拓模 型评价 结果 Ta ble 7 The e v a lu a t ion r e s u lt s of e n t r o p y we igh t e x t e n s io n mo de l in Ch an g ba M ine 区 域 加权 堂 竺墼 编号关联度 I 预 测 结 果 I 0 0 51 1 0 09 0 4 0 0 4 3 6 09 61 9 0 7 43 7 06 65 6 0 7 23 8 05 83 9 0 28 0 0 0 97 6 1 0 50 9 1 0 473 9 0 5 54 I 0 9 80 0 0 0 05 0 0 0 23 9 预测结果显示 ， 所测试的 4个区域除 了区域 3 都有发生岩爆的可能 ， 其中区域 1为中等岩爆 ， 区域 2为强岩爆 ， 区域 4为弱岩爆 ， 从现场观察和统计 的 情况 ， 其中区域 1 和区域 2都发生过不同程度的岩 爆 事件 ， 与分析 结果一 致 。 3 结 论 1 ) 将熵权法与可拓学理论结合起来 ， 建立 岩爆 危险性等级评价熵权物元 可拓模型 ， 并将其应 用于 工 程 实际 ， 计算 结果 显 示 该 方 法能 够 准 确 预 测 岩爆 发生 的危 险性 等级 ， 从 而 为 岩爆 的处 理 与 防 治 提供 重要 依据 。 2 ) 选取 了冬瓜 山等 国 内、 国外 2 0个 工程 实例 作 为样本数据， 计算了各评价指标关于危险度等级的 关联度和各指标的权重 ， 计算求出加权后的关联度， 根据 最大 关联 度识 别 准 则 ， 可 依 次 判 定各 样 本 的 岩 爆危险性等级 ， 并与实际岩爆发生时的情况进行 了 比较， 2 O组样本的预测结果与实际的发生情况完全 符合 ， 预测准确率高达 1 0 0 。 3 ) 结合厂坝铅锌矿 的实际， 选取了 4个 区域作 为评价对象 ， 预测结果显示 ， 4个区域 除了区域 3都 有发生岩爆的可能， 其 中区域 1为中等岩爆 ， 区域 2 为强岩爆 ， 区域 4为弱岩爆 ， 从现场观察和统计的情 况 ， 其中区域 1和区域 2都发生过不 同程度的岩爆 事件 ， 与分析结果一致 。 参 考 文 献 1 3范鹏贤 ， 王 明洋 ， 岳松林 ， 等 应变型岩爆 的孕育规律和预报防 治方法 J 武汉理工大学学报 ， 2 0 1 3 ， 3 5 ( 4 ) ： 9 6 1 0 1 2 3 冯夏庭 ， 张传庆 ， 陈炳瑞 ， 等 岩爆 孕育过 程的动 态调控 J 3 岩石力学 与工程学报 ，2 0 1 2