CN106339798A - 一种基于模糊综合评判法的软岩斜井井筒支护体系稳定性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模糊综合评判法的软岩斜井井筒支护体系稳定性评价方法，针对软岩斜井井筒稳定性评价问题，以红庆梁煤矿主斜井井筒软岩井筒现场实测项目数据为对象，将软岩斜井井筒工程安全风险因素划分为支护条件和环境条件两部分，其中支护条件的风险因素包括锚杆受力、锚索受力、喷层应变、顶底板变形、左邦变形和右帮变形；环境条件的风险因素为涌水量。以各项累计变形量和变化速率作为各因素的风险评估模型数据，结合实测数据，确定井筒稳定性安全评价指标。将井筒的安全等级划分为安全状态、较安全状态、危险状态和极危险状态四个等级。采用三级模糊综合评判法，建立软岩斜井井筒工程的安全评价模型，并结合现场监测数据，对井筒工程的安全状况进行定量评价。评价结果与实际情况一致，说明该方法可用于软岩斜井井筒的稳定性评价。

Description

一种基于模糊综合评判法的软岩斜井井筒支护体系稳定性评 价方法

技术领域

本发明涉及一种基于模糊综合评判法的软岩斜井井筒支护体系稳定性评价方法，属矿山建设工程领域，具体可以指导井筒和巷道的安全评价，提出了针对性施工建议，确保施工安全。

背景技术

地下工程稳定性评价对合理选择施工工艺、支护方式以及控制灾变等具有重要的意义。近年来，我国煤炭的开采逐渐向深部和复杂地质条件转移，这给井筒以及巷道的支护带来了前所未有的难题和挑战，特别是斜井井筒安全问题尤为明显。因此，越来越多的地下工程开展工程安全风险评估工作。钱七虎院士肯定了工程风险评估的作用与重要性，对我国当前安全风险评估存在问题提出了宝贵的建议。目前风险评估方法主要包括：专家调查法和层次分析法、WBS方法和故障树法、地面沉降评估理论与方法、模糊隶属曲线法、贝叶斯网络风险评估等。陈丹等综合运用AHP和可拓学理论，建立多层次多指标的地下工程围岩稳定性综合评价模型，用于地下工程围岩稳定性识别。穆成林等根据大量调查研究，选择17个影响围岩稳定性指标，运用层次分析法(AHP)以及灰色理论(Grey Theory)确定了围岩稳定性白色权函数的评价灰类，建立了多层次灰色理论围岩稳定性评价模型。董红娟等以新桥煤矿2107轨道巷作为研究对象，采用巷道变形监测和岩石力学理论，建立考虑时间因素在内的围岩变形和锚杆(索)支护载荷方程，判断支护结构稳定性问题取得了良好的效果。

综上，虽然风险评估法已经在基坑、边坡和巷道工程中获得了广泛的应用，然而，针对软弱地层条件下斜井井筒安全性的定量评价研究尚未开展。本文基于红庆梁煤矿主斜井井筒软岩井筒工程实际监测项目，将斜井井筒工程安全风险因素划分为支护条件和环境条件两部分，以实测项目累计变形量和变化速率作为各因素的风险评估模型数据，采用三级模糊综合评判法，建立软岩斜井井筒的安全评价模型。并结合现场监测数据，对工程实例的安全状况进行定量评价。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对软弱地层条件下斜井井筒安全性进行定量评价，确保施工安全。

一种基于模糊综合评判法的软岩斜井井筒支护体系稳定性评价方法，它包括以下步骤：

步骤(1)：工程概况及风险评估因素分析；

步骤(2)：确定安全综合评价等级和安全评价指标；

步骤(3)：选择合适隶属函数；

步骤(4)：构造风险综合评估矩阵和确定各因素权重；

进一步的在步骤(1)中，以红庆梁煤矿主斜井为工程背景，综合考虑井筒监测的实际情况，将软岩斜井井筒工程安全风险因素划分为支护条件和环境条件两部分，将巷道稳定性风险评估因素划分为三层，如图1所示。其中支护条件的风险因素包括锚杆受力、锚索受力、喷层应变、顶底板变形、左邦变形和右帮变形；环境条件的风险因素为涌水量。

表1井筒稳定性风险评估因素划分

根据表1建立三级模糊综合评判模型，三个层次的因素集为：

第一层次：u＝(u₁，u₂)。

第二层次：u₁＝(c₁，c₂，c₃，c₄)；u₂＝(c₅)。

第三层次：c₁＝(w₁，w₂)；c₂＝(w₃，w₄)；c₃＝(w₅，w₆)；c₄＝(w₇，w₈)；c₅＝(w₉)。

步骤(2)中，利用模糊综合评价方法对巷道稳定性进行风险评估，该方法基于层次模型，将评价指标的隶属度与权重进行模糊运算，使计算结果更加客观。根据施工过程中现场锚杆(索)受力、喷层应变、顶底板变形、两帮变形以及井下涌水量监测实际情况，将井筒的安全等级划分为安全、较安全、危险、极危险四个等级，见表2所示。

表2安全评价指标及评价等级

注：锚杆受力的累计值取相对于设计锚固力的无量纲值，喷混应变、顶底板、两帮位移和涌水量取实际监测值。

步骤(3)中，认为井筒风险评价各因素对其安全等级的隶属程度，可采用隶属函数来表示。隶属函数越大，表示相应的隶属度越高。采用的隶属函数，见表3所示。

表3隶属函数

注:其中：δ₁、δ₂、δ₃分别对应于表2所列巷道工程处于较安全、危险、极危险的指标控制值。

步骤(4)中，根据层次分析法的原理，采用1～9标度法对软岩巷道工程安全评价指标体系的各个因素构造判断矩阵，取其最大特征值对应的特征向量，作为权重并进行一致性检验。根据表4和表5确定各层评判因素构造矩阵及权重。

表4第一一层评判因素构造矩阵及权重

表5支护条件各评判因素矩阵及权重

采用最大变形速率比采用最大变形值来判断井筒的稳定性更加准确，更加及时。据此第二层评判因素涌水量仅取涌水速率，权重为1。第三层评判因素最大累计变形值权重取0.3，最大变形速率取0.7。

步骤(5)：根据步骤(1)至步骤(4)，建立巷道稳定性风险评估方法，并结合工程实例说明本发明涉及的一种基于模糊综合评判法的软岩斜井井筒支护体系稳定性评价方法可准确进行软岩斜井井筒稳定性的定量评价。

本发明对比现有技术，取得如下有益的技术效果：基于本方法进行井筒工程的安全状况的定量评价，可以准确和定量评价软岩井筒的安全性，提出针对性施工建议，对保障工程安全具有重要意义。

附图说明

图1是井筒稳定性风险评估因素划分

图2是安全评价指标表

图3是隶属函数

图4是第一层评判因素构造矩阵及权重

图5是支护条件各评判因素矩阵及权重

图6红庆梁煤矿主斜井井筒280m～360m位置支护结构图

图7各监测项目监测数据

具体实施方式

下面结合红庆梁煤矿主斜井井筒软岩井筒现场实测项目数据和具体实施方式对本发明作进一步描述：

一种基于模糊综合评判法的软岩斜井井筒支护体系稳定性评价方法，针对软岩斜井井筒稳定性评价问题，以红庆梁煤矿主斜井井筒软岩井筒现场实测项目数据为对象，将软岩斜井井筒工程安全风险因素划分为支护条件和环境条件两部分，其中支护条件的风险因素包括锚杆受力、锚索受力、喷层应变、顶底板变形、左邦变形和右帮变形；环境条件的风险因素为涌水量。以各项累计变形量和变化速率作为各因素的风险评估模型数据，结合实测数据，确定井筒稳定性安全评价指标。将井筒的安全等级划分为安全状态、较安全状态、危险状态和极危险状态四个等级。采用三级模糊综合评判法，建立软岩斜井井筒工程的安全评价模型，并结合现场监测数据，对井筒工程的安全状况进行定量评价。评价结果与实际情况一致，说明该方法可用于软岩斜井井筒的稳定性评价。它包括以下步骤：

步骤(1)：工程概况及风险评估因素分析；

步骤(2)：确定安全综合评价等级和安全评价指标；

步骤(3)：选择合适隶属函数；

步骤(4)：构造风险综合评估矩阵和确定各因素权重；

进一步的在步骤(1)中，以红庆梁煤矿主斜井为工程背景，该井筒围岩普氏系数介于0.38～2，软化系数0.17～0.31，围岩等级为Ⅳ～V级，岩样中蒙脱石含量为36.7％，属强膨胀型软岩。同时具有岩石单轴抗压强度低、开挖后围岩松动圈比较大等显著特点。综合评定，该地区软岩为兼有膨胀性软岩和软弱破碎型软岩特点的复合型软岩。主井井筒掘进过程中，井筒340m～360m、620m～660m以及1040m～1080m等多处发生了较为明显的收敛变形，严重影响井筒的施工安全，监测数据如图7所示。

综合考虑井筒监测的实际情况，将软岩斜井井筒工程安全风险因素划分为支护条件和环境条件两部分，将巷道稳定性风险评估因素划分为三层，如表1所示。其中支护条件的风险因素包括锚杆受力、锚索受力、喷层应变、顶底板变形、左邦变形和右帮变形；环境条件的风险因素为涌水量。

根据表1建立三级模糊综合评判模型，三个层次的因素集为：

第一层次：u＝(u₁，u₂)。

第二层次：u₁＝(c₁，c₂，c₃，c₄)；u₂＝(c₅)。

第三层次：c₁＝(w₁，w₂)；c₂＝(w₃，w₄)；c₃＝(w₅，w₆)；c₄＝(w₇，w₈)；c₅＝(w₉)。

步骤(2)中，利用模糊综合评价方法对巷道稳定性进行风险评估，该方法基于层次模型，将评价指标的隶属度与权重进行模糊运算，使计算结果更加客观。根据施工过程中现场锚杆(索)受力、喷层应变、顶底板变形、两帮变形以及井下涌水量监测实际情况，将井筒的安全等级划分为安全、较安全、危险、极危险四个等级，如表2所示。

步骤(3)中，认为井筒风险评价各因素对其安全等级的隶属程度，可采用隶属函数来表示。隶属函数越大，表示相应的隶属度越高。采用的隶属函数，如表3所示。

步骤(4)中，根据层次分析法的原理，采用1～9标度法对软岩巷道工程安全评价指标体系的各个因素构造判断矩阵，取其最大特征值对应的特征向量，作为权重并进行一致性检验。根据表4和表5确定各层评判因素构造矩阵及权重。

采用最大变形速率比采用最大变形值来判断井筒的稳定性更加准确，更加及时。据此第二层评判因素涌水量仅取涌水速率，权重为1。第三层评判因素最大累计变形值权重取0.3，最大变形速率取0.7。

步骤(5)：根据步骤(1)至步骤(4)，建立巷道稳定性风险评估方法，并结合工程实例说明本发明涉及的一种基于模糊综合评判法的软岩斜井井筒支护体系稳定性评价方法可准确进行软岩斜井井筒稳定性的定量评价。

算例

红庆梁煤矿主斜井井筒280m～360m位置围岩岩性为中膨胀砂岩、含水量高，围岩遇水泥化、崩解严重，施工困难，井筒出现明显的收敛变形，井筒支护结构见图6所示。为确保施工安全，对此段井筒进行围岩收敛变形监测、喷射混凝土应变监测以及锚杆受力监测等，监测数据如表7所示。

表7各监测项目监测数据

根据各单因素的指标值和表2所示的安全评价指标，根据前述方法，求得三个层次因素集的评判矩阵，并进行模糊综合运算，根据最大隶属度原则，确定井筒稳定性等级。

(1)第三层次模糊综合评判

R₂₁＝(涌水量速率)＝(0 0.4 1 0.7)

作第三层次模糊综合评判，得

B₁₁＝A₁₁·R₁₁＝(0.35 0.925 0.383 0.43)

B₁₂＝A₁₂·R₁₂＝(0.066 0.3 0.934 0.642)

B₁₃＝A₁₃·R₁₃＝(0 0.14 0.70 0.72)

B₁₄＝A₁₄·R₁₄＝(0.28 0.754 0.72 0.387)

B₂₁＝A₂₁·R₂₁＝(0 0.4 1 0.7)

(2)第二层次模糊综合评判

第二层次因素集的评判矩阵为：

$R_1=\left(\begin{array}{c}{B}_{11}\\ B_{12}\\ B_{13}\\ B_{14}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}0.35& 0.925& 0.383& 0.43\\ 0.066& 0.3& 0.934& 0.642\\ 0& 0.14& 0.7& 0.72\\ 0.28& 0.754& 0.72& 0.387\end{array}\right)$

R₂＝(B₂₁)＝(0 0.4 1 0.7)

作第二层次模糊综合评判，得

$\begin{array}{c}{B}_1=\left(\begin{array}{cccc}0.1579& 0.0526& 0.4737& 0.3158\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}0.35& 0.925& 0.383& 0.43\\ 0.066& 0.3& 0.934& 0.642\\ 0& 0.14& 0.7& 0.72\\ 0.28& 0.754& 0.72& 0.387\end{array}\right)\\ =\left(\begin{array}{cccc}0.1472& 0.46686& 0.6686& 0.5649\end{array}\right)\end{array}$

B₂＝(1.0)(0 0.4 1 0.7)

＝(0 0.4 1 0.7)

(3)第一层次模糊综合评判

第一层次因素集的评判矩阵为：

$R=\left(\begin{array}{c}{B}_1\\ B_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}0.1472& 0.4663& 0.6686& 0.5649\\ 0& 0.4& 1& 0.7\end{array}\right)$

作第一层次模糊综合评判，得

$\begin{array}{c}B=\left(\begin{array}{cc}0.8& 0.2\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}0.1472& 0.4663& 0.6686& 0.5649\\ 0& 0.4& 1& 0.7\end{array}\right)\\ =\left(\begin{array}{cccc}0.1178& 0.4530& 0.7349& 0.5919\end{array}\right)\end{array}$

(4)评判结果

红庆梁煤矿主斜井井筒280m～360m位置井筒安全等级的模糊子集为：

$B=\frac{0.1178}{I}+\frac{0.4530}{II}+\frac{0.7349}{III}+\frac{0.5919}{IV}$

根据最大隶属度原则，该段井筒工程安全性对Ⅲ级的隶属度最高(0.7349)，故安全等级为Ⅲ级，处于危险状态，模糊综合评判结果与现场实际情况相符。

Claims (4)

1.一种基于模糊综合评判法的软岩斜井井筒支护体系稳定性评价方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤（1）：工程概况及风险评估因素分析；

步骤（2）：确定安全综合评价等级和安全评价指标；

步骤（3）：选择合适隶属函数；

步骤（4）：构造风险综合评估矩阵和确定各因素权重；

步骤（5）：根据步骤（1）至步骤（4）建立巷道稳定性风险评估方法。

2.一种基于模糊综合评判法的软岩斜井井筒支护体系稳定性评价方法，其特征在于，步骤（1）中所述风险评估因素主要涉及软岩斜井井筒稳定性评价问题，所述风险评估因素主要主要包括：锚杆受力、锚索受力、喷层应变、顶底板变形、左邦变形和右帮变形以及井筒涌水量。

3.一种基于模糊综合评判法的软岩斜井井筒支护体系稳定性评价方法，其特征在于，步骤（2）中所述安全综合评价等级确定方法为根据施工过程中现场锚杆（索）受力、喷层应变、顶底板变形、两帮变形以及井下涌水量监测实际情况，将井筒的安全等级划分为安全、较安全、危险、极危险四个等级。

4.一种基于模糊综合评判法的软岩斜井井筒支护体系稳定性评价方法，其特征在于，步骤（4）中，根据层次分析法的原理，采用1~9标度法对软岩巷道工程安全评价指标体系的各个因素构造判断矩阵，取其最大特征值对应的特征向量，作为权重并进行一致性检验；支护条件和环境条件权重分别为0.8和0.2；锚杆受力、喷混应变、顶底板位移、两帮位移和涌水量权重分别为0.1579、0.0526、0.4737、0.3158和1；最大累计变形值和最大变形速率权重分别为0.3和0.7。