CN105046080B - 一种岩体质量评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩体质量评价方法，为了解露天矿岩体质量，从露天矿某竖向范围的围岩、矿体顶板、矿体和矿体底板四个特征位置进行取样确定一定范围内的露天矿质量，岩石抗压强度、黏聚力、内摩擦角和岩体变形模量作为评价的指标体系，并形成单因素指标岩体分类的五个级别，确定一定竖直范围内露天矿四个特征位置岩体样本对岩体分类的五个级别的隶属度情况，并进行软化，以确定该样本的岩体质量，从而确定整个边坡岩体质量。本发明可用于确定一定范围内露天矿四个特征位置岩样质量，从而确定整个边坡岩体质量。
Description
技术领域
本发明涉及矿业工程，特别是涉及确定一定范围内露天矿四个特征位置岩样质量，从而确定整个边坡岩体质量。
背景技术
露天矿开采是煤矿生产的重要方式之一，亚洲最大的海州露天矿深达320m。开采前的地层处于应力平衡状态，在漫长的地质构造演化过程中会形成断裂、节理和裂隙等劣化过程，使原本完成的岩体破碎。在开采过程中，一般会形成五面约束，一面自由的岩体形式。岩体会因失去约束，弹性势能释放发生而破坏，甚至岩爆。所以，应及时了解开采过程中边坡岩性及其岩体质量的变化，以便及时采取措施防止事故发生。所以如何科学合理的对边坡岩体质量进行评价就成了关键问题。
目前对于岩体质量的评价和判断多数依靠工程地质勘察规范等规范性文件，这些规范往往是针对单因素的，缺乏对目标的整体评价适用性，而且规范中所定标准为最低标准，应适当提高。所以众多学者提出了一些综合的评定方法。这些方法也存在这缺陷，例如单纯的定量和定性评价，无法解决模糊评价，对专家的经验评判处理性差等。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出使用TFN(三角模糊数)-隶属度软化为基础，确定一定竖直范围内露天矿四个特征位置岩体样本对岩体分类的五个级别的隶属度情况，并进行软化，以确定该样本的岩体质量，从而确定整个边坡岩体质量。
本发明所采用的技术方案如下：
一种岩体质量评价方法，其特征在于，为了解露天矿岩体质量，从露天矿某竖向范围的围岩、矿体顶板、矿体和矿体底板四个特征位置进行取样确定一定范围内的露天矿质量，岩石抗压强度Rc、黏聚力C、内摩擦角φ和岩体变形模量E作为评价的指标体系，并形成单因素指标岩体分类的五个级别，确定一定竖直范围内露天矿四个特征位置岩体样本对岩体分类的五个级别的隶属度情况，并进行软化，以确定该样本的岩体质量，从而确定整个边坡岩体质量；其包括如下步骤：通过TFN确定指标的相对权重，提出隶属度软化方式，在确定样本对某级别的隶属度的同时，考虑其与相邻两级别隶属可能性，即隶属度软化，以方便样本的多指标评价；评价最大隶属度级别即是样本所属级别，最终根据各个样本的质量等级和综合评判规则判断露天矿岩体质量；本发明可用于确定一定范围内露天矿四个特征位置岩样质量，从而确定整个边坡岩体质量。在非均匀乃至局部化变形条件下，为了制作用于数字图像相关方法计算精度检验和计算参数灵敏度研究的散斑图，本发明提供了一种基于数值计算技术的包含非均匀变形散斑图制作方法，非经典数值计算技术的结果被作为数字图像相关方法的结果，通过建立数值模型中单元或包围节点的一定区域与数字图像相关方法中子区的关联，获取包含非均匀乃至局部化变形的散斑图。本发明利用计算机编程实现全部步骤，大大提高了包含非均匀乃至局部化变形的散斑图制作的精度和效率，而且，不受载荷类型的限制，适用于简单载荷类型(例如，拉伸、压缩和剪切等)，也适用于复合载荷类型(例如，拉剪和压剪等)。
所述方法是三角模糊数与隶属度软化相结合的方法，专门用于模糊多指标决策，用三角模糊数确定各指标之间的权重，然后用隶属度软化，分析各个岩样所属等级隶属度，并进行软化，软化的目的是考虑可能存在的多指标决策过程中的同一样本多指标隶属等级不同时的评价。
计算第i个指标的三角模糊数，定义第i个指标的三角模糊数，如式(1)所示，
确定三角模糊数和的大小关系，定义的可能性，如式(2)：
确定第i个指标的三角模糊数大于其余指标的三角模糊数的可能性，定义的可能性，如式(3)所示，
确定指标权重W＝{wi},i＝1Ln，式中
确定某个样本的某个指标隶属度并进行软化，设这个隶属度为i表示指标，q表示样本，将归一化的指标值范围划分为五份；L1～5分别表示五个级别按比例占用的长度，O表示该样本的某一指标值归一化后在区间上的位置；假设O∈L3，l3 to 2,l3 to 4分别表示O到级别3左右两侧的距离，即O与级别二和级别四的距离，那么软化后的隶属度如式(4)：
对某样本的全部指标进行综合评价；n代表指标数量，展开Cq＝(∑wP1,∑wP2,∑wP3,∑wP4,∑wP5)，最大隶属度级别即为该样本所属级别。
综合评定规则如下：围岩、矿体顶板、矿体样本所得的质量级别取最小质量等级，如果底板样本质量小于四级，那么将前述最小质量等级减一级作为综合评价结果；这样规定的目的是由于围岩、矿体顶板、矿体的质量对整个开采安全来说都很重要，相比之下底板的质量要求较低。
附图说明
图1三角模糊数的定义
图2隶属度及其软化示意图
具体实施方式
1露天矿岩体质量评价体系
根据工程地质勘查规范和相关提供的资料，选定岩石抗压强度Rc、黏聚力C、内摩擦角和岩体变形模量E组成指标体系进行岩石式样质量评价。将露天矿岩体质量分级划分为五类定量标准，如图1所示，进行归一化后的分级标准如表1所示。如图2所示，为本发明实施例一的计算原理图，包括步骤：
表1 露天矿岩体质量分级标准
注：级数越高岩体质量越好。
2 TFN-隶属度软化的分级评级方法
三角模糊数与隶属度软化相结合的方法，专门用于模糊多指标决策，用三角模糊数确定各指标之间的权重，然后用隶属度软化，分析各个岩样所属等级隶属度，并进行软化。软化的目的是考虑可能存在的多指标决策过程中的同一样本多指标隶属等级不同时的评价。评价算法一共分为八步，下面具体介绍一下。
设是一个比较矩阵，是一个三角模糊数，定义如图1所示。
步骤1计算第i个指标的三角模糊数。定义第i个指标的三角模糊数，如式(1)所示。
式中：设
步骤2确定三角模糊数和的大小关系，定义的可能性，如式(2)：
式中和
步骤3确定第i个指标的三角模糊数大于其余指标的三角模糊数的可能性，定义的可能性，如式(3)所示。
步骤4确定指标权重W＝{wi},i＝1…n，式中
以上四步得到了每个指标的权重。
步骤5确定某个样本的某个指标隶属度并进行软化。设这个隶属度为i表示指标，q表示样本。确定方法如图2所示。
图2中为了和研究对应，将归一化的指标值范围划分为五份。L1～5分别表示五个级别按比例占用的长度，O表示该样本的某一指标值归一化后在区间上的位置。假设O∈L3，l3 to 2,l3 to 4分别表示O到级别3左右两侧的距离，即O与级别二和级别四的距离，那么软化后的隶属度如式(4)所示。
注：P2，P3，P4可理解为O与相邻级别的隶属程度。
步骤6对某样本的全部指标进行综合评价。n代表指标数量。展开Cq＝(∑wP1,∑wP2,∑wP3,∑wP4,∑wP5)，最大隶属度级别即为该样本所属级别。
步骤7重复1～6步计算全部样本隶属度。
步骤8基于步骤7确定的所有岩体式样的分类级别进行露天矿岩体质量进行综合评定。综合评定规则如下：围岩、矿体顶板、矿体样本所得的质量级别取最小质量等级，如果底板样本质量小于四级，那么将前述最小质量等级减一级作为综合评价结果。这样规定的目的是由于围岩、矿体顶板、矿体的质量对整个开采安全来说都很重要，相比之下底板的质量要求较低。
3工程实例分析
以新疆东戈壁露天矿为例，根据矿体赋存位置,将矿区分为两个露天边坡一东边坡和西边坡。东边坡分布于隐伏斑状花岗岩界面东侧,岩石构成主要为变质泥质砂岩、变质砂质泥岩、变质砂岩,其次为辉绿岩、花岗斑岩及断层碎裂岩等；西边坡分布于隐伏斑状花岗岩界面西侧,岩体主要构成为变质泥质砂岩、变质砂质泥岩、变质砂岩,其次为变质安山岩、花岗斑岩等。在某一竖直方向采集围岩、矿体顶板、矿体和底板岩体式样10个，参数如表2所示。
表2 10个样本的参数
首先定义三角模糊数的构造方式和语义表达，一共分为5及，如表3所示。根据专家意见形成一级指标的比较矩阵K，如表4所示。表4中单元值关于正对角线取倒，即上述工作完成了算法的前期准备。
表3 三角模糊数的构造方式和语义表达
表4 一级指标的比较矩阵
根据步骤1计算
根据步骤2～4可得：
表5显示了第一级指标的权重和计算过程中的结果，各二级指标权重与一级指标权重的计算过程相同。
表5 指标的权重和计算结果
上述过程确定了指标体系中各指标的权重，从表5中可以看出，对于岩体质量的影响程度而言，单轴饱和抗压强度最大，内聚力最小，摩擦角和弹性模量居中且相差不大。
根据步骤5得到10个样本的隶属度的软化表，如表6所示。根据步骤6和7步计算得到加权后的10个样本的质量等级柔化隶属度如表6下部所示。
表6 10个样本的隶属度的软化表
根据步骤8，围岩、矿体顶板、矿体样本(N1～N9)所得的质量级别取最小质量等级为三级，底板样本(N10)质量为3级，大于四级，所以综合质量等级不降低，露天矿岩体质量综合评定等级为三级。
Claims (1)
1.一种岩体质量评价方法，其特征在于，为了解露天矿岩体质量，从露天矿某竖向范围的围岩、矿体顶板、矿体和矿体底板四个特征位置进行取样确定一定范围内的露天矿质量，岩石抗压强度Rc、黏聚力C、内摩擦角φ和岩体变形模量E作为评价的指标体系，并形成单因素指标岩体分类的五个级别，确定一定竖直范围内露天矿四个特征位置岩体样本对岩体分类的五个级别的隶属度情况，并进行软化，以确定该样本的岩体质量，从而确定整个边坡岩体质量；其包括如下步骤：通过三角模糊数确定指标的相对权重，提出隶属度软化方式，在确定样本对某级别的隶属度的同时，考虑其与相邻两级别隶属可能性，即隶属度软化，以方便样本的多指标评价；评价最大隶属度级别即是样本所属级别，最终根据各个样本的质量等级和综合评判规则判断露天矿岩体质量；所述评价方法可用于确定一定范围内露天矿四个特征位置岩样质量，从而确定整个边坡岩体质量；
其包括如下步骤：计算第i个指标的三角模糊数，定义第i个指标的三角模糊数，计算公式为：
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确定第i个指标的三角模糊数大于其余指标的三角模糊数的可能性，计算公式为：
从而确定指标权重W＝{wi},i＝1,2,...,n，式中
确定某个样本的某个指标隶属度并进行软化，设这个隶属度为i表示指标，q表示样本，将归一化的指标值范围划分为五份；L1、L2、L3、L4、L5分别表示五个级别按比例占用的长度，O表示该样本的某一指标值归一化后在区间上的位置；假设O∈L3，l3to2,l3to4分别表示O到级别3左右两侧的距离，即O与级别二和级别四的距离，那么软化后的隶属度公式为：
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