多层次多级模糊数学在金属矿山地质灾害评估中的应用.pdf

第 卷第 期 年 月 河 北 理 工学院学报 文章编 号 一 一 一 多层次多级模糊数学在金属 矿山地质 灾害评估 中的应用 许英霞 甘德清 河北理工大学资源与环境学院 河北店山肠 叨 关键词 地质灾害 模糊数学 危险性综合评估 摘要 在金属矿山工程地质灾害评 估中 利用多指 标多层 次模糊数学综合评判模型 能 更准 确的评判分析指标 评佑不 同类型的工程地质灾害对矿山的影响程度 此 类方法能使更多的 影响矿山危险性的 因素真实的参与评判 使复杂问题可以用 确定的量来描 述 既相互联系 又 可以突出重点 中图分类号 文献标识码 我国矿山工程地质灾害分布十分广泛 曾发生多起地质灾害事故 给人民造成了经济和 生命上的损失 金属矿山工程地质灾害是指在地质作用或人为破坏下 地质环境恶化 造成人类生命财产损毁或人类赖以生 存与发展的资源 环 境发生严重破坏的现象或过程 因此 为了有效的防止金属矿山工程地质灾害的发生 对金属矿山的地质灾害灾情进行调查 统计 分析和评估是非常必要的 生 搜 昙 昙 口 以 般 的 的月 匀 仍 的 的匀 以劝 年 图 可喇 一 侧刃 年因岩体崩滑 流地质灾害造成的人员死亡数 模糊数学综合评判法 模糊数学综合评判的数学模型 模糊综合评判方法包含六个基本要素 评判因素论域 记为 表示评判中各个评判要素所组成的集合 评语等级论域 记为 表示评判中评语所组成的集合 模糊关系矩阵 记为 表示单因素评判结果组成的矩阵 收稿日期 抖 一 一 作者简介 许英霞 一 女 河北石家庄赞皇县人 河北 里 工大学资源与环境学院硕士生 第 期 许英霞 等 多层次多级模糊数学在金属矿山地质灾害评估中的应用 评判因素权 向量 记为 表示评判因素在被评事物中的重要程度 合成算子 评判结果向量 记为 表示被评判事物综合状况分等级峋程度 模糊综合评判的基本模型为 一 由于 是一个模糊向量 不能直接用于被评判对象间的排序评优 因此应按照最大隶属度原则来处理 这种方法实质上是对评判结果 向量做出某种截割 强制性地使得到的模糊信息清晰化 金属矿山工程地质灾害危险性的基本要素 灾害背景要素主要包括矿山的地质 地形地 貌 气候植被以及人为活动等因素 致灾体活动要素主要包 括灾害种类 灾害活动规模 强 度 频次 密度 成灾 范围 灾变等因素 本文根据中国崩溃 滑坡 泥石流 岩 溶坍塌灾害灾情评估中的划分标准并结合实际金属矿山调研 对控制潜在工程地质灾害形成与发展的地质 条件 地形地 貌条件 气候植被条件以及人为活动条件的充分程度进行标 度分值 强度指数分布范围为 具体评判标准及内容如表 表 及表 对已形成的历史灾 害的规模 密度和频次亦进行标度分 值 具体评判标准及内容如表 表 崩塌滑坡潜在工程地质灾害评判因子及标准 森 卖 形成条 极不充分 不充分 较充分 充分 特充分 极不发育不发育较发育发育特发育 岩石坚硬 结构完整 岩石较坚硬 结构较完整 岩石较破碎 结构不完整 岩石破碎 结构不 完整 岩石特别碎 结构特别不完整 质造 石 质构地构岩性结 地质 洲 对差相高 阴 坡度 山 坡 地 形 地貌 小于 大于 降量年水 林 盖 森 俊 率 气候植被 崩塌与滑坡 没有矿山和工程矿山和工程稀少少量矿山和工程矿山和工程较多 矿山和 程密集 山 程度 工矿 密 没有破坏局部破坏部分破坏 破坏较严砚破坏 分严币 被坏度植 破 程 人 为活动 入漆 河北理工学院学报第 卷 灾害 种类 表 极不充分 极不发育 泥石流潜在工程地质灾害评判因子及标准 形成条件 不充分 较充分充分 特充分 二 地质构造 松散堆积物 数量 地貌类型 不发育 较发育 发育特发育 平原及残丘高原及丘陵 切割不剧烈 的 高原山地 切割较剧烈的 高原山地 切割特别剧烈的 高原山地 山坡坡度 年降水量 暴雨比例 森林扭盖率 巧 一 口洲 以 泥石流 礴阅 植被破坏 坡沟破坏 没有 没有 局部 局部 较严重 较严重 特严重 特严重 为动 地形地地质貌气候植被 人 活 裹 采空塌陷潜在工程地质灾害评判因子及标准 灾害 种类 形成条件 极不充分 充分 特充分 岩溶发育程度 覆盖层厚度 断裂构造 新构造运动 地下水构造 极不发育 不充分 不发育 较充分 较发育 石 印 巧 特别发育 采空 塌陷 极不发育 微弱 微弱 不 健育 不强烈 不强烈 特别发育 特别强烈 特别强烈 地质 地形地貌 平 原 丘陵高原 高山 发育 强烈 强烈 山前平原 大型盆地 山能盆地 加 有有 没没 气候 植被 年降水 侧 开采地下水 矿井排水 的 少量均匀 低强度 适 量多 超强度 均匀 一般疏干 强最疏 干 为动人活 灾害种类 崩塌一滑坡 泥石流 采空塌陷 崩期一滑坡 泥石流 采空垠陷 崩塌一滑坡 泥石流 采空划陷 表 判别指标 历史工程地质灾害规模 密度 频次 等级划分 项目 灾害体积 衬 堆积物体积 耐 影响面积 扩 次乃 韶 次乃 处 处八 处八 一 一 一 一 的 5 0 5 0 5 051 05 5 卜 频次 没灾害记 录 没灾害记录 没灾害记 录 0 0 0 2 4 1 1 5 0 2 44 8 3 5 6 l rJrJ 密度 第1期 许英霞 等 多层次多级模糊数学在金属 矿山地质灾害评估中的应用 149 根据以上各表 得出评估指标和评估指数如下 表1 5 表1 5工程地质灾害危险性评估标准及给定指数 V 厂 屹屹岭 稳定次稳定危险 极危险 评估 标准 给定 指数 评估 标准 给定 指数 评估 标准 给定 指数 评估 标准 给定 指数 U1 0 一 003 0 1 03 06 0 3 06 01 0 0 一 6 01 0 0 3 金属矿山工程地质灾害危险性综合评估模型 本文在相关分析的基础上 采用层次分析法以及模糊综合评判计算危险性指数 对模型的各种模糊性因 子 根据它们对影响对象或作用指标的影响程度 通过隶属函数计算和专家评判确定量化指标 然后根据数 学模型 通过矩阵逐项逐层得出各方面因子的危险性指数 最后计算出最高层次的评判 本文根据金属矿山 的具体情况建立工程地质灾害危险性模糊综合数学模型为 乓 二 艺人o R 1 一 2 单因素评判模型为 呱嘛 A 呱 AoR a a A r 一 Z A 气 A AA r心 21 r l几 A几 O 户 吕 a b b Ab B l 一 3 式中 R一模糊关系矩阵 r 一某个被评估事物中因素 和竹等级模糊子集的隶属度 A一评估因子的模糊权向量 气一第 n 个评判因子的权重值 刀一模糊综合评判结果向量 气一模糊综合评判结果第m个向量值 m 二 4 i一模糊综合评判层次 i 1 2 3 4 乓一类工程地质灾害危险性模糊综合评判结果向量 在模型中 由于金属矿山涉及到三类工程地质灾害 崩塌滑坡 泥石流 采空 塌陷 每一类工程地质灾 害涉及到潜在工程地质灾害和历史工程地质灾害 潜在工程地质灾害中的评判因子 又分为地质条件 地形 地貌条件 气候植被条件 人为活动条件 历史工程地质灾害中的评判因子又分为规模 密度 频次 在地质 地形地貌 气候植被 人为活动条件中又有各个不同指标的评估因子 具体内容和指标见表 1 1 1 2 1 3 1 4 由于评估因子种类繁多 因此采用四级模糊综合评判 n 表示每层评判中的各个评判因子数量 i 表示模 糊综合评判层次 i 二 1 2 3 4 表示某类工程地质灾害 第一级模糊评判 反映地质条件 地形地貌条件 人为条件 气候植被条 件 规模 频次等评判因子在不同 工程地质灾害类型中的危险程度 第二级模糊评判 反映潜在工程地质灾害和历史工程地质灾害在不 同工程地质灾害类型中的危险程度 第三级模糊评判 反映崩塌滑坡 泥石流 采空 塌陷这三类工程地质灾害在某一矿山中危险程度 那一类 作用最为突出 第四类模糊评判 体现某一矿山整体的危险性 4 计算隶属度 确定模糊关系矩阵尽 在模型数学中 是以隶属度来刻划事物中的模型界限的 根据建立隶属度的墓本原则 术文在灾害稳定 河北理工学院学报 第5卷 性的一级评判中 采用了公式法 对表 1 1 1 2 1 3 1 4 中的变量 x 建立了代表隶属度和指标数值之间的 函数关系 即隶属函数 其隶属度可通过代人 x 实测值计算得到 隶属函数的种类很多 本文综合各因子数据 的分布特征 采用 降半梯形 分布 其公式如下 1 x 七 0 x l 一 4 l 一 5 0X 5 3 一 0 r e e tl 一一 产 X 了 而皿U u x 二 5 x一 l l 一 6 0I 护 沙 L 6 一 x 3 r 0 U 三 一 3 10 一 x 4 x 3 0 x 三 l l x 三 3 劣 6 l 劣 53 3 x 56 x 10 3 另 三 6 6 x 三 10 1 一 5 5 确定综合评估模型的权重值 在模型计算中 需要多方面权重值 为了提高它们的可靠性 本文根据中国崩塌 滑 坡 泥石 流 岩溶塌陷 的灾害灾情 第二 三 四 级模糊评判中的具体权重值取值如下表 表1 6 1 7 1 8 1 9 所示 表 1 6 地质条件 二级评判因子对潜在工程地质灾害的作用权重值 灾害种类地形地貌条件 气候植被条件认 为条件 崩塌一滑坡 0 320 380 170 13 泥石流 采空塌陷 0 15 0 31 表1 7二级评判因子对历史工程灾害的作用权重值 灾害种类规模程度频次 崩塌一滑坡 0 2 50 3 60 3 9 泥石流 0 2 60 2 9 0 4 5 采空塌陷 0 3 50 2 90 3 6 衰1 8三级评判中评判因子对工程地质灾害的权重值 灾害种类历史强度权重潜在强度权重 崩塌一滑坡 0 7 00 3 0 泥石流 0 700 30 采空塌陷 0 700 3 0 表1 9 四级评判因子对工程地质灾害的作用权重值 名称崩塌一滑坡危险性权重 泥石流危险性权重 岩溶塌陷危险性权重 数值 0 410 4 60 13 在一级模糊评判中 各因子的评判权重均采用层次分析法和试算法确定 首先大致先对各评判因子给 定一个权重 通过两两因素的对比 逐层比较多种关联因素 通过大量点试算后 检验综合评判结果是否同实 际相拟合 若拟合程度低 再对实际进行调整 直至较为满意为止 模糊数学综合评判法在西 石门铁矿中的应用 根据公式l 一 2 通过四级模糊评判 西石门铁矿的综合危险性模糊评判结果为 B 0 315 0 4300 2310 024 第l期许英霞 等 多层次多级模糊数学在金属矿山地质灾害评估中的应用 根据最大隶属度原则 西石门铁矿危险性属于二级次稳定 与实际情况符合 在这四级评判中 一级模糊评判体现评判因子如地质 地 形地貌 气候条件 和人为条件等那一种评判因 子在评判的作用中最大 即最具有危害性 如在西石门铁矿评判中 采空塌陷这类灾害中人为学动最具有危 害性 二级模糊评判体现评判因子潜在工程地质灾害和历史工程地质灾害在三类工程地质灾害中那一方面 比较危险 为采取优先治理还是加强防范提供科学依据 三级模糊评判体现评判因子崩塌滑坡 泥石流 采 空 塌陷那一种灾害在整体评估中最为突出 需要优先治理防范 如在西石门铁矿评估中 采空塌陌最危险 泥石 流次之 崩塌滑坡较稳定 因此需对采空塌陷较强治理 泥石流在治理 的同时也要加强防范 崩塌滑坡只需要 加强防范即可 四级模糊评判体现某个矿山整体的危险性 为矿山及时的采取治理防范提供科学依据 7 小结 利用层次分析法和模糊数学建立了多层次多级模糊数学危险性模型 此法不仅可以评判矿山总体工程 地质灾害的危险性 而且在评判过程中还可 以体现矿山中各类工程地质灾害的危险性等级和各个评判因子 的危险性等级程度 通过分析比较判定工程地质灾害的损毁程度 从而制定优化 防治措施 为地质灾害的勘 察和治理提供科学依据 因此 此类方法能使更多的影响矿山危险性的因素真实的参予评判 使复杂问题可 以用确定的量来描述 在评判中可 以使参与评判的各个因子层层推进 既相互联系 又可以突出重点 参考文献 1 张粱 张业成 罗元华 等 地 质灾害灾情评估理论与实践 M 北京 人 民出版社 1 2 2 南开大学数学系统 计预报组 供水水文地质手册第一版 M 北京 地质出版社 1 978 3 张以诚 钟立勋 等 滑坡与泥石流第一版 M 北京 民族出版社 1 98 7 汇 4 国际减轻自然灾害十年顾问委员会 等 面对自然灾害 M 北京 民族出版社 1 988 刘张粱 地质灾害经济评估仁J 中国地质矿产经济 1 9 9 6 9 6 刘沐宇 朱瑞赓 基于模糊相似优先的边坡稳定性评价范例推理方法 J 岩石力学与工程学报 2 X 2 2 1 8 8 7 楼世博等 模糊数学 M 北京 科学出版社 1 9 9 3 s 贺仲雄 模糊数学及其应用第一版 M 天津 天津科学出版社 1 9 8 3 9 邱东 多指标综合评价方法的系统分析 M 北京 中国统计 出版社 1 9 9 1 巧 一 1 7 Th e a PPl i c a t i o n o f th e m e t h o d o f AHP a n d f u zz i n g m a t h m a t i e a s i n ev a l u a tin g t h e g e o l o g lc a l di 昭ter s o f m et a l 而ne XU Ying一 xia GAND e一q in g C o l l e ge o f R e s o u r e e a n dE n vir on m e nt H e b e i P O l yt e e h n i e U n i ve r s i t y T a n g s h a n H e