CN111738616A - 一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法 - Google Patents

一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法 Download PDF

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贾楠
石东平
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汪伟
何利文
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Abstract

本发明公开了一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法，基于经典RMR法和BQ法的分级方法，将现场压水试验的结果作为定量分析指标纳入至分级方法中，结合特尔斐方法进行进化处理，构建松散充填体注浆加固后质量改善程度的数学模型，根据定量分析结果判断注浆加固的效果。本发明的技术效果在于，由于现场压水试验获取的结果是衡量注浆加固效果的重要指标之一，因此将该指标引入至RNR和BQ法耦合的分级系统中，使得计算结果更准确，也与现场实际更相符。基于上述情况，引入特尔斐方法，并对其做出相应的进化处理，以此来构建出松散充填体注浆加固后质量改善程度的新的数学模型，并实现对注浆加固前后松散充填体质量改善程度有效判断。

Description

一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析 方法
技术领域
本发明涉及一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法。
背景技术
对于采用充填法开采的金属矿山，当其出现采空区突变失稳垮塌时，导致两帮的充填体出现破坏变形，局部垮落或大范围垮塌，特别是当充填体内存在回填废石时，由于开挖卸荷使内部应力、位移产生很大变化，充填体内部会变得更加松散，直接影响到围岩(充填体)的稳定性。而要保持充填体的稳定性，必须采取注浆加固措施，而如何评价注浆加固后充填体质量的改善程度，是判断能否进行进一步开采的关键。
当前，传统的做法是对岩体进行分级，例如RMR系统分级法和Q系统分级，以及在此基础上的一些改进方法，且类似方法从单一的指标逐渐转向多指标的定性或定量与定性相结合的方法。但根据具体的工程实际，这些方法对于比较完整岩体的评级适用性比较强，而对于充填体而言，本来充填体的强度相对于岩体来说就较低，尤其是一些松散的充填体，对其进行注浆加固处理后的加固程度，目前并没有一个统一的判定依据，即不能满足工程的需要。
发明内容
为了准确的对松散充填体进行注浆加固处理后的加固程度评判，本发明提供一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，
一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于经典RMR法和BQ法的分级方法，将现场压水试验的结果作为定量分析指标之一纳入至分级方法中，结合特尔斐方法进行进化处理，构建松散充填体注浆加固后质量改善程度的数学模型，根据定量分析结果判断注浆加固的效果。
所述的一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法，其特征在于，所述的特尔斐方法包括以下步骤：
1)采用AHP构建递阶层次的结构模型：
当有m个评价指标需要考虑时，即是要确立这m个评价指标对于决策准则的权重值；
2)构造比较判断矩阵
在准则层的元素中作一一对比，即：当上述层次中的某因素作为对比准则时，用对比标度bij表达其中一个层次之中第i个元素和第j个元素的相应关键性；
3)采用三角模糊数建立群体的模糊判断矩阵，其两两判断矩阵为：
bij＝[βijγijδij]，式中：βij≤γij≤δij
其中：
βij＝min(bij·k)，K＝1,2，...，N
γij＝average(bij·k)，K＝1,2，...，N
δij＝max(bij·k)，K＝1,2，...，N
式中：N——评分的专家总数；
bij·k——第K个专家对i及j两个因素的相应重要程度的判断；
min——专家评分结果的最小值；
max——专家评分结果的最大值；
average——专家评分结果的几何平均数；
而
Figure BDA0002566095980000037
4)基于群体模糊判断矩阵bij确立群体模糊权重向量，由几何平均法确立相应的模糊权重向量ψi：
对于任意评价指标i(i＝1，2，…，m)计算向量：
Figure BDA0002566095980000031
进一步运算得
Figure BDA0002566095980000032
式中：
Figure BDA0002566095980000033
分别为三角模糊数乘法运算的关系和加法运算的关系。
Figure BDA0002566095980000034
式中：A＝[A1，A2，A3]，B＝[B1，B2，B3]
5)权重决策分析
各指标的模糊权重向量：
Figure BDA0002566095980000035
式中：
Figure BDA0002566095980000036
分别为模糊权重向量三个组成元素中的最小值、中间值和最大值；
采用几何平均法计算各评价指标的相对权重值并归一化处理后即得决策权重，其归一化权重向量为：
Figure BDA0002566095980000041
所述的一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法，bij的取值取正整数或该正整数的倒数，以构成对比判断矩阵。
所述的一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法，所述的结合特尔斐方法进行进化处理，构建松散充填体注浆加固后质量改善程度的数学模型包括以下步骤：
1)层次结构模型
建立包括①完整岩石强度；②岩石质量指标；③BQ系统中的力学指标；④压水试验的结果；⑤地下水条件这五个指标层的矿岩和充填体分级层次结构模型；
2)矿岩和充填体质量评价指标的计算原则
建立各个评价指标的计分原则，矿岩和充填体分级方法采用进化FD-AHP方法获取各评价指标的模糊权重，再与相应的权重值相乘，累加得矿岩和充填体的总评分值；
3)基于进化FD-AHP的评价指标权重分析
对完整岩石强度、岩石质量指标、BQ系统中的力学指标、压水试验结果以及地下水条件等五个评价指标对矿岩和充填体分级总分进行权重分析；
4)基于进化FD-AHP的矿岩和充填体分级方法步骤
①对于所研究的特定矿岩和充填体，采用岩石力学试验、现场地质调查及压水试验的方法，获取岩石物理力学试验结果、矿岩体RQD值、压水试验结果确定各指标的评分值；
②把各个指标的评分值和相应权重的乘积，即为基于进化FD-AHP的矿岩和充填体分级总分值F0：
F0＝ψ1M1+ψ2M2+ψ3M3+ψ4M4+ψ5M5。
所述的一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法，所述的基于进化FD-AHP的评价指标权重分析包括以下步骤：
用群体判断矩阵计算向量，进而得到群体模糊权重向量，运用几何平均法计算各评价指标的相对权重值，并作归一化处理之后，得到各评价指标的决策权重值。
所述的一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法，所述的基于进化FD-AHP的评价指标权重分析计算包括以下步骤：
建立对比判断矩阵后，用群体判断矩阵由三角模糊数表示为：
Figure BDA0002566095980000051
Figure BDA0002566095980000052
Figure BDA0002566095980000053
Figure BDA0002566095980000054
其中：评价指标i分别代表完整岩石强度指标、岩石质量指标、BQ系统中的力学指标、压水试验的结果以及地下水的条件，i＝1,2,3,4,5；计算向量为：
R1＝[0.27,0.74,2.67]
R2＝[0.42,1.73,4.21]
R3＝[0.32,0.93,3.27]
R4＝[0.22,0.50,2.41]
R5＝[0.37,1.67,3.94]
进而得到群体模糊权重向量：
ψ1＝[0.02,0.13,1.68]
ψ2＝[0.03,0.31,2.64]
ψ3＝[0.02,0.17,2.06]
ψ4＝[0.01,0.09,1.51]
ψ5＝[0.02,0.30,2.47]
运用几何平均法计算各评价指标的相对权重值，并作归一化处理之后，得各评价指标的决策权重值为：
ψ1＝0.15；ψ2＝0.28；ψ3＝0.19；ψ4＝0.12；ψ5＝0.26；
即完整岩石强度、岩石质量指标、BQ系统中的力学指标、压水试验结果以及地下水条件等五个评价指标对矿岩和充填体分级总分进行权重分析分别为0.15、0.28、0.19、0.12和0.26。
本发明的技术效果在于，由于现场压水试验获取的结果是衡量注浆加固效果的重要指标之一，因此将该指标引入至RNR和BQ法耦合的分级系统中，使得计算结果更准确，也与现场实际更相符。基于上述情况，引入特尔斐方法，并对其做出相应的进化处理，以此来构建出松散充填体注浆加固后质量改善程度的新的数学模型，并实现对注浆加固前后松散充填体质量改善程度的有效判断。
附图说明
图1为矿岩和充填体分级的层次结构模型图。
具体实施方式
采空区垮塌之后，垮塌区内会形成空洞和裂隙。当前对类似工程的治理大多采用注浆充填技术，即通过注入化学浆液使破碎矿岩体及裂隙胶结起来，以改善其物理力学性质，垮塌区内的浆液结石体将阻止围岩进一步垮塌，可保证围岩的稳定性。目前，我国金属矿山对采区大面积失稳垮塌后隐患资源成功治理的工程实例并不多见，在某些关键技术上仍缺乏理论依据及实践验证，更未形成安全可靠、优质高效的技术体系。有必要深入研究垮塌区影响范围内加固的关键技术。
垮塌区影响范围内原有未垮塌硐室及原有工程布置的存在以及矿山先进的钻孔注浆设备，使得注浆加固具备了可行性。“先勘探后掘进，先治理后开采”是垮塌区影响范围内矿体安全高效回采最基本的原则。采取积极稳妥、主动的加固措施，更早、更准确地对垮塌区影响范围内的围岩进行钻探和预注浆处理和改造。
注浆加固时浆液主要是以充填、渗透、劈裂和压密几种形式在其内部扩散，赋存于矿岩体裂隙中的水和空气等介质由浆液替换，在浆液的凝结作用下，矿岩体的密度大幅度增大，从而使矿岩体的强度、抗渗透性能和稳定性均有较大幅度的提高。注浆加固技术是治理地质灾害，改善工程地质条件的常用手段之一。
注浆加固是主动支护的主要措施之一，具有以下作用：①堵水和防渗；②提高围岩的强度；③防止围岩继续变形。注浆加固后可影响垮塌区影响范围内矿岩体的微小结构裂隙和孔隙、各物质的组分，同时，可以大幅度提高垮塌区影响范围内裂隙矿岩体之间裂隙面的微观物理力学性质；当浆液注入至垮塌区内矿岩体的稳定性及抗外力(外载荷及扰动等)的破坏能力得到增强。
垮塌区域注浆加固作用机理如下：
1)注浆加固不但改善了矿体和充填体的宏观力学性质，提高矿体和充填体的密实度和强度，使矿体和充填体的延性特征进一步增强，还增强了矿体和充填体的抗变形能力，使矿体和充填体在变形时保持一定的强度。
2)注浆浆液-矿岩体界面是注浆加固的关键环节，控制注浆加固体的破坏。矿体和充填体注浆加固作用可划分成直接加固和间接加固。直接加固指的是浆液-矿岩体界面上的摩擦及嵌锁作用，增强浆液-矿岩体界面的强度，改变其破坏形式，阻碍破坏的发生；对于间接加固指的是注浆压密作用下，浆脉四周矿体和充填体受到压缩并固结，改变了其内部的应力场及应力的传播途径，提高了矿体和充填体的整体力学性能。
3)注浆之后，浆液-矿岩体界面具有较强的粘结强度，相对而言更难产生相互滑移、错动。浆液-矿岩体界面两侧的浆脉及加固矿体和充填体的物理力学特性不匹配，在浆液-矿岩体界面应变协调作用下下，会产生粘结的约束应力，改变浆液-矿岩体界面处的应力状态，进而改变浆液-矿岩体界面上矿体和充填体的强度和破坏特性。
4)在外部荷载作用下，浆液-矿岩体界面上会发生应力集中，使浆液-矿岩体界面两侧矿体和充填体的内部易产生破坏。其根本原因为浆液-矿岩体界面是一种各向异性的复合材料，材料之间的力学属性也不匹配，会产生复杂的附加应力场：强度降低的矿体和充填体因为要协调和浆脉的变形会受到附加压力的作用，从而使自身稳定性更高；而变形能力弱且强度高的浆脉因为要协调和矿体及充填体变形将受到附加拉力的作用，并首先产生破坏，提高了矿体和充填体整体的稳定性。
注浆加固时，必须考虑注浆的扩散半径，也就是浆液的扩散机理，且注浆扩散半径是注浆加固处理的重要参数之一，其受到诸多因素的影响，如：注浆压力、注浆介质(充填体等)的裂隙分布特征以及浆液的特性等[103]。
注浆加固扩散模型可简化成球形扩散的计算模式并做如下假定：
1)水泥浆液是从注浆管的底部注入垮塌区矿岩体内；
2)水泥浆液假设是Newton体；
3)假定受注入的矿岩体是均质以及各向同性的；
4)水泥注浆源假定是点源，水泥浆液在垮塌区内呈现出球状装的四周扩散。
由Darcy定律，可知
Figure BDA0002566095980000091
式中：
Figure BDA0002566095980000092
对上式进行积分可得
Figure BDA0002566095980000093
当R＝R0时，h＝H1，而当R＝R1时，h＝H2，由上式可导出
Figure BDA0002566095980000094
且：
Figure BDA0002566095980000095
则：
Figure BDA0002566095980000096
将h1代入上式可得：
Figure BDA0002566095980000101
当R1＞＞R0时，则有
Figure BDA0002566095980000102
即上式可简化为：
Figure BDA0002566095980000103
综上可求得注浆时间T及水泥浆液扩散半径R的表达式分别为：
Figure BDA0002566095980000104
Figure BDA0002566095980000105
式中：
R，R1——水泥浆液的扩散半径，cm；
δ——浆液与水的粘度之比；
N——充填体等的孔隙率；
K0——充填体等的渗透系数，cm/s；
h和hl——注浆的水头压力，cm；
R0——注浆管的半径，cm；
l，l1，l2——注浆孔的长度，cm；
qd——注浆量，cm3；
D——渗透的面积，cm2；
H1——水头总和，cm；
H0——注浆点上部压力水头，cm；
kg——水泥浆液在垮塌区内的渗透系数，cm/s。
由上式可知，注浆浆液在矿岩和充填体中的扩散与诸多因素有关，以上各因素的改变都会对最终的注浆结果产生影响，因此，在制定垮塌区内的加固技术方案时，应综合考虑以上因素，保证取得良好的注浆效果。
开采垮塌区内的矿体时，由于围岩自身的性质较破碎和松散，决定了其承载能力弱的特征，而在这种复杂情况下，开采往往会产生更大的位移。为减小开采过程中引起的位移，必须通过采取垮塌区影响范围内的围岩注浆预处理和加固技术，即通过改善围岩的性质来减小开采时产生的位移，从而最大程度地确保开采中的安全。
Sh-320中段0#采场发生失稳垮塌后，对周边相邻采场的稳定性产生了影响，使得该地区资源开采处于一个安全性极其复杂的环境中，这严重阻碍了主矿体隐患资源的回收利用，因此，结合前两章垮塌区力学分析及其范围确定的结果，以圈定的滑移面为依据，矿山对垮塌区进行充填注浆加固处理，以此加固矿岩和采场周边充填体，充填空洞及裂隙(特别是滑移面以上部分)，消除安全隐患，为主矿体资源的回收创造有利的条件。
垮塌区治理和加固技术设计是十分复杂的工作。选取合适的注浆加固技术方案、注浆工艺和注浆材料，既可获取较好的加固效果，又可节省成本及注浆时间。此处选择的注浆方法主要是充填与压密注浆，浆液凝固之后可使浆液和充填体等形成坚固的一个整体，使垮塌区强度接近或超过原始的状态。
本实施例中，根据凡口铅锌矿工程实际选用了水泥类浆材注浆法对垮塌区进行充填注浆。
由于矿山之前没有治理垮塌区的工程实践经验，类似的矿山也未找到相关的治理方法，因此，为了保持注浆加固后垮塌区应力的平衡，对0#采场两侧均采取了注浆措施，这几个采场分别为N2-3#采场和S1-2#、S2-3#采场。
注浆设备：XY-2Pc立轴式岩心钻机施工探查注浆孔，NL-1200L高速搅拌机造浆，BW-150泥浆泵自上而下分段压力注浆。
灌浆方法：为增强孔壁强度和吃浆量，采用的是由上而下分段注浆法，即每钻进一段就进行压力灌浆，待达到设计压力下且孔内不吃浆时，结束灌注，下一段注浆又重新从孔口扫孔开始。每个注浆段控制在8-10m，压水试验无漏水或者见实体，取大值；孔壁稳定性差时取小值。
灌浆压力：
P＝C0(0.75H0+K0λh0) (4-11)
P'＝C0K0λh0+Z0 (4-12)
式中：C0——孔序系数；
H0——上覆岩层的厚度，m；
K0——注浆系数，可取K＝0.8；
λ——松散系数；
h0——注浆段的埋深，m；
Z0——上覆岩层的压力，kN/m。
分段取0.3-0.6Mpa；终孔取0.5-1Mpa。
水灰比：
Figure BDA0002566095980000121
式中：
Figure BDA0002566095980000122
为水与水泥的比例；
Figure BDA0002566095980000124
为水的容重；
ρ0为注浆材料的容重；
Figure BDA0002566095980000123
为水泥的容重。
设计采用1:1和0.8:1，实际使用中若发现浆液过浓，在设计压力下无法泵送且地层吃浆量也很小时，可改用1.5:1，随着吃浆量增大而逐渐加浓。
假定浆液注入的充填体内孔、裂隙为均质状态，其扩散半径为R0，浆液充填凝结后成为“胶囊状”，充填体的有效充填孔、裂隙率为Nz，则有
Figure BDA0002566095980000131
式中：Wz为注入浆液的总体积量，m3；R0为浆液的扩散半径，m)；Hz为注浆的总段高，m。根据注浆经验来估计，Nz取值为3.0％～6.0％。
当浆液的注入量一定时，浆液扩散范围随着孔隙率的降低而增大。当扩散半径取R0为15m时比较合理。
注浆的效果将直接关系到开采过程中围岩的稳定性，因此，应通过钻探孔取芯分析，注浆后岩石力学特性变化，压水试验分析来保证注浆效果。
RQD值可反映钻孔时岩芯的完好程度，可用于对岩体质量进行评价。
岩石质量指标RQD计算式为：
Figure BDA0002566095980000132
式中：Lp—某岩组大于10cm完整岩芯长度之和，m；
Li—某岩组钻探总进尺，m。
为了检测判断矿岩体注浆的效果，对注浆前后进行RQD值统计，统计结果如表4-1和表4-2：
表4-1：注浆前RQD值统计结果表
钻孔号 孔深/m 倾角 高程 坐标线 RQD值
ZK1 26 -6° -239.8m Y＝633 43.15％
ZK2 35 -24° -239.8m Y＝633 52.72％
ZK3 34 -39° -239.8m Y＝633 48.68％
ZK4 43 -53° -239.8m Y＝633 54.36％
表4-2：注浆后RQD值统计结果表
钻孔号 孔深/m 倾角 高程 坐标线 RQD值
ZK1 25 28° -239.8m Y＝645 68.92％
ZK2 35 0° -239.8m Y＝645 73.51％
ZK3 34 -29° -239.8m Y＝645 71.29％
ZK4 43 -64° -239.8m Y＝645 74.83％
Deere按RQD值将岩石质量划分为如下五等级，
表4-3：按RQD值岩石质量分类表
等级 RQD值 岩石质量描述 岩体完整性评价
Ⅰ 90～100％ 极好的 岩体完整
Ⅱ 75～90％ 好的 岩体较完整
Ⅲ 50～75％ 一般的 岩体中等完整
Ⅳ 25～50％ 差 岩体完整性差
Ⅴ <25％ 极差的 岩体破碎
根据对注浆前后的RQD值统计，对矿区岩体划分工程质量级别如表4：
表4-4：矿岩体按RQD值工程质量分级结果
Figure BDA0002566095980000141
表4可以看出，注浆前后矿岩体的完整性发生了明显的变化，即矿岩体的完整性得到了明显的加强，即原本完整性差的提高到中等完整，中等完整的矿岩体提高到矿岩体较完整。说明注浆对增强矿岩体完整有良好好效果。
注浆前钻取岩芯岩石物理力学性质
1)取芯目的
垮塌区范围内矿体和充填体的赋存情况变化十分剧烈，甚至同一采场的充填体岩性差别就很大。矿岩体的物理力学参数也是开展各种试验的关键参考依据，如：理论分析和室内数值模拟实验等。对注浆前对垮塌区范围内矿体和充填体开展取芯试验就显得尤为重要，这不仅可获取更为准确的充填体和矿体间的位置关系，摸清充填体内胶结、非胶结充填体以及回填渣的分部情况，还可通过实验室试验获取矿岩体和充填体的物理力学参数。
2)现场岩芯选取
结合现场工程实际所开展的注浆孔钻孔资料，在对钻取出来的岩芯进行编录的基础之上，分别对垮塌区范围内的矿体和充填体进行现场取样，然后进行室内岩石力学试验。分别进行天然状态下的岩石单轴抗压强度、抗拉强度和抗剪强度以及变形试验，获取各自的岩石物理力学性质参数。
3)岩石力学性质参数实验结果汇总
表4-3岩石力学性质参数实验结果汇总
Figure BDA0002566095980000151
注浆后钻取岩芯岩石力学物理特性
为了比较注浆前后岩性的变化情况，对注浆后的岩芯保存下来并进行岩石力学实验。
表4-3注浆后岩石力学性质参数实验结果汇总
Figure BDA0002566095980000161
对比分析注浆前矿岩体、充填体和注浆后浆液凝固体的抗压、抗拉和抗剪强度可得：
1)垮塌区内围岩分别为矿体和充填体，试件的强度差别较大，这表明垮塌区不同区域的围岩软硬程度不均，其围岩的强度不同，这在注浆加固时需要区别对待，另外，应优先在围岩条件差的位置布置检测孔检查注浆的效果。
2)在施工现场选取的试样，均能测出其单轴抗压、抗拉和抗剪强度，所有试样的抗压强度与之前矿山的岩石力学实验参数相比有所降低，但注浆后岩石物理力学性质明显提高。
矿体和充填体注浆加固前后力学特性变化
注装加固后矿岩和充填体的单轴抗压强度均大幅提高。此处定义注浆加固系数α为注浆加前后单轴抗压强度的比值。
根据注浆加固前后单轴抗压强度的统计数据，注浆加固后矿岩的平均抗压强度为119MPa，平均加固系数为2.56；充填体的平均抗压强度为10.2MPa，平均加固系数为2.31。因此，无论是从单轴抗压强度的绝对值增量，还是从注浆加固系数上比较，均表现为被注矿岩体的松散程度越高则内部的结构性就越差，表现出注浆加固效果的显著性。
分析注浆加固前、后的单轴抗压试验应力-应变曲线可得，垮塌区内矿石和充填体在注浆之后的抗变形能力显著提高，且注浆加固体的单轴压缩试验曲线峰值应力和应变均相差较大。
注浆加固之后矿岩体和充填体的抵抗变形能力增加，但是其破坏形式未未产生变化，在达到应力峰值后应力会逐渐降低。随着峰值应力附近应变的持续增大，表现出较强的可塑性及抗变形性能。
矿岩体、充填体与未注浆加固时相比，剪切强度参数提高较为明显，矿岩体的粘聚力和内摩擦角分别提高了101％和7.4％，充填体的粘聚力和内摩擦角分别提高了52.2％和2.4％，也就是说，注浆加固之后后，矿岩和充填体的力学性能均有所提高，且主要是提高了粘聚力。
注浆检测压水试验分析
针对垮塌区围岩注浆工程，压水试验检测是最直接、较简易地对注浆效果进行评价的方法之一。在注浆孔成孔过程中，应进行简易的压水试验，当注浆施工结束之后，在检查孔中也应进行简易的压水试验，其目的主要是计算矿岩体的单位吸水量或渗透系数值，了解矿岩体的渗透性能，以选择浆液材料及其压力和浓度，并判断浆液扩散的范围，并作为单孔注浆设计及效果评价的依据。选取注浆钻孔进行注浆前后压水试验对比分析，对于注浆前的压水试验，它间接反映了垮塌区充填、连通以及矿岩体裂隙等的发育情况；而对于注浆之后的压水试验，并与注浆前的作对比分析，可以了解垮塌区范围内单位吸水量及渗透系数的变化情况。当水的消耗量超出单孔注浆结束标准的吸浆量时，必须进行补充注浆以保证加固处理工程的质量。
施工检查孔，通过岩芯和压水试验检验注浆质量。
采用的是简易压水试验，加压时间为30分钟左右，施加的压力为设计压力的80％，且≤1MPa。压入流量的稳定标准为：孔口冒水时即可结束试验，选取最终流量值为最后的计算值，即可以得出试验段的透水率。由注浆后的压水试验结果分析，结合钻孔取芯法验证各个区域注浆效果。
检查结果由吕荣值表示，其透水率按以式计算
Figure BDA0002566095980000181
式中：qt——透水率，Lu；
Q0——流量，L/min；
L0——压水段的长度，m；
P0——压力值，Mpa。
表4-3注浆前压水试验汇总
Figure BDA0002566095980000182
表4-4注浆后压水试验汇总
Figure BDA0002566095980000191
注浆后的吕荣值与注浆前相比大幅降低，说明注浆对提高围岩的稳定性起到了较好的效果。
垮塌区内矿体和充填体质量改善效果评价
注浆孔取出岩石的物理力学力学性质反应的是岩块的质量，为了进一步评鉴矿岩和充填体的注浆效果，分析矿岩体和充填体的稳定性，依托RMR法和BQ法基础上，并结合德尔斐群体决策方法，将矿岩和充填体分级作为多属性决策问题，AHP法应用于矿岩和充填体分级方案，根据采场实际情况选取影响矿岩和充填体质量的评估因素，使其与真实情况下的不确定性更加相符，可根据矿岩体的质量改善情况判断注浆效果。
FD-AHP耦合方法
模糊德尔斐层次分析法(Fuzzy Delphi Analytic Hierarchy Process，即FD-AHP)是综合模糊评价原理(Fuzzy Mathematics Appraisal)、层次分析法(AHP)以及德尔斐(Delphi)群体决策法的模糊群体决策方法[111]。其基本步骤为：
1)采用AHP构建递阶层次的结构模型
假设有m个评价指标需要考虑，即是要确立这m个评价指标对于决策准则的权重值[111]。
2)构造比较判断矩阵
在准则层的元素中作一一对比，即：当上述层次中的某因素作为对比准则时，可用一个对比标度bij表达其中一个层次之中第i个元素和第j个元素的相应关键性。bij的取值一般取正整数或其倒数，可构成对比判断矩阵。
3)采用三角模糊数建立群体的模糊判断矩阵[112]，其两两判断矩阵如下：
bij＝[βijγijδij]式中：βij≤γij≤δij
其中：
βij＝min(bij·k)，K＝1,2，...，N
γij＝average(bij·k)，K＝1,2，...，N
δij＝max(bij·k)，K＝1,2，...，N (4-16)
式中：N——评分的专家总数；
bij·k——第K个专家对i及j两个因素的相应重要程度的判断；
min——专家评分结果的最小值；
max——专家评分结果的最大值；
average——专家评分结果的几何平均数。
而
Figure BDA0002566095980000201
4)基于群体模糊判断矩阵bij确立群体模糊权重向量[112]，由几何平均法确立相应的模糊权重向量，具体如下为：
对于任意评价指标i(i＝1，2，…，m)计算向量：
Figure BDA0002566095980000202
进一步运算可得
Figure BDA0002566095980000203
式中：
Figure BDA0002566095980000204
分别为三角模糊数乘法运算的关系和加法运算的关系。
Figure BDA0002566095980000211
式中：A＝[A1，A2，A3]，B＝[B1，B2，B3]
5)权重决策分析
各指标的模糊权重向量：
Figure BDA0002566095980000212
式中：
Figure BDA0002566095980000213
分别为模糊权重向量三个组成元素中的最小值、中间值和最大值[113]。
采用几何平均法计算各评价指标的相对权重值并归一化处理后即可获取决策权重，其归一化权重向量为：
Figure BDA0002566095980000214
表4-4 RMR岩体力学分级指标及评分标准
Figure BDA0002566095980000215
Figure BDA0002566095980000221
表4-4 RMR系统岩体质量分级相关参数
Figure BDA0002566095980000222
表4-4 BQ法岩体级别对应的力学指标建议值
Figure BDA0002566095980000223
表4-4压水试验等级划分
Figure BDA0002566095980000224
Figure BDA0002566095980000231
基于进化FD-AHP的矿体和充填体分级方法
1)层次结构模型
由RMR系统体系为考虑裂隙的影响，同时也未考虑弹性模量等力学参数的影响，根据现场测试的结果，压水试验可以检验矿岩和充填体中裂隙的多少。因此将BQ系统中的力学指标及压水试验的结果作为评价指标纳入至分级系统中[117]。因充填体中不存在节理间距，此外，针对工程环境条件决定了节理间距难以确定。鉴于此，该分级方法忽略RMR系统中节理的间距。综上，矿岩和充填体分级方法指标层分别为：①完整岩石强度；②岩石质量指标(RQD)；③BQ系统中的力学指标；④压水试验的结果；⑤地下水条件。矿岩和充填体分级层次结构模型如图1所示。
2)矿岩和充填体质量评价指标的计算原则
矿岩和充填体分级方法采用进化FD-AHP(模糊德尔菲)方法获取各评价指标的模糊权重，再与相应的权重值相乘，累加可得矿岩和充填体的总评分值。因此，必须建立各个评价指标的计分原则。积分原则如表4-4-1～4-4-3所示。
由于RMR系统对没有考虑到压水试验和弹性模量等，且目前对于压水试验结果的划分标准国内外均未统一，综合国内外已有的研究成果进行考虑[118]。压水试验评价指标的计算原则如表4-5-4所示。
3)基于进化FD-AHP的评价指标权重分析
通过建立对比判断矩阵后，可得用群体判断矩阵由三角模糊数表示为：
Figure BDA0002566095980000241
Figure BDA0002566095980000242
Figure BDA0002566095980000243
Figure BDA0002566095980000244
其中：评价指标i(i＝1,2,3,4,5)分别代表完整岩石强度指标、岩石质量指标(RQD值)、BQ系统中的力学指标、压水试验的结果以及地下水的条件。由上式(4-4-3)计算其向量为：
R1＝[0.27,0.74,2.67]
R2＝[0.42,1.73,4.21]
R3＝[0.32,0.93,3.27]
R4＝[0.22,0.50,2.41]
R5＝[0.37,1.67,3.94]
由式(4-4-4)可得群体模糊权重向量：
ψ1＝[0.02,0.13,1.68]
ψ2＝[0.03,0.31,2.64]
ψ3＝[0.02,0.17,2.06]
ψ4＝[0.01,0.09,1.51]
ψ5＝[0.02,0.30,2.47]
运用几何平均法计算各评价指标的相对权重值，并作归一化处理之后，由式(4-4-7)可得各评价指标的决策权重值为：
ψ1＝0.15；ψ2＝0.28；ψ3＝0.19；ψ4＝0.12；ψ5＝0.26
完整岩石强度、岩石质量指标(RQD值)、BQ系统中的力学指标、压水试验结果以及地下水条件等五个评价指标对矿岩和充填体分级总分的权重分别为0.15、0.28、0.19、0.12和0.26。
4)基于进化FD-AHP的矿岩和充填体分级方法步骤
①对于所研究的特定矿岩和充填体，采用岩石力学试验、现场地质调查及压水试验的方法，获取岩石物理力学试验结果、矿岩体RQD值、压水试验结果确定各指标的评分值。
②把各个指标的评分值(M1～M5)和相应权重的乘积，即为基于进化FD-AHP的矿岩和充填体分级总分值F0。
F0＝ψ1M1+ψ2M2+ψ3M3+ψ4M4+ψ5M5
根据以上式中，将逐渐前后的分级和评价标准，注浆前矿体所得的值为：81分；注浆后矿体体所得的值为88分。注浆前充填体所得的值为：65分；注浆后充填体所得的值为75分。显然：注浆效果明显。
综合所述分析，注浆加固垮塌区影响范围内区域，既改善了围岩结构的受力状态，又增强了破碎矿岩体的整体性以及抵抗渗透的能力，提高了垮塌区影响范围内的围岩自承载力，提高了回采施工的安全及围岩的稳定性。

Claims (6)

1.一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于经典RMR法和BQ法的分级方法，将现场压水试验的结果作为定量分析指标之一纳入至分级方法中，结合特尔斐方法进行进化处理，构建松散充填体注浆加固后质量改善程度的数学模型，根据定量分析结果判断注浆加固的效果。
2.根据权利要求1所述的一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法，其特征在于，所述的特尔斐方法包括以下步骤：
1)采用AHP构建递阶层次的结构模型：
当有m个评价指标需要考虑时，即是要确立这m个评价指标对于决策准则的权重值；
2)构造比较判断矩阵
在准则层的元素中作一一对比，即：当上述层次中的某因素作为对比准则时，用对比标度bij表达其中一个层次之中第i个元素和第j个元素的相应关键性；
3)采用三角模糊数建立群体的模糊判断矩阵，其两两判断矩阵为：
bij＝[βijγijδij]，式中：βij≤γij≤δij
其中：
βij＝min(bij·k)，K＝1,2，...，N
γij＝average(bij·k)，K＝1,2，...，N
δij＝max(bij·k)，K＝1,2，...，N
式中：N——评分的专家总数；
bij·k——第K个专家对i及j两个因素的相应重要程度的判断；
min——专家评分结果的最小值；
max——专家评分结果的最大值；
average——专家评分结果的几何平均数；
而
Figure FDA0002566095970000021
4)基于群体模糊判断矩阵bij确立群体模糊权重向量，由几何平均法确立相应的模糊权重向量ψi：
对于任意评价指标i(i＝1，2，…，m)计算向量：
Figure FDA0002566095970000022
进一步运算得
Figure FDA0002566095970000023
式中：
Figure FDA0002566095970000024
分别为三角模糊数乘法运算的关系和加法运算的关系。
Figure FDA0002566095970000025
式中：A＝[A1，A2，A3]，B＝[B1，B2，B3]
5)权重决策分析
各指标的模糊权重向量：
Figure FDA0002566095970000026
式中：
Figure FDA0002566095970000027
分别为模糊权重向量三个组成元素中的最小值、中间值和最大值；
采用几何平均法计算各评价指标的相对权重值并归一化处理后即得决策权重，其归一化权重向量为：
Figure FDA0002566095970000031
3.根据权利要求2所述的一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法，其特征在于，bij的取值取正整数或该正整数的倒数，以构成对比判断矩阵。
4.根据权利要求1所述的一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法，其特征在于，所述的结合特尔斐方法进行进化处理，构建松散充填体注浆加固后质量改善程度的数学模型包括以下步骤：
1)层次结构模型
建立包括①完整岩石强度；②岩石质量指标；③BQ系统中的力学指标；④压水试验的结果；⑤地下水条件这五个指标层的矿岩和充填体分级层次结构模型；
2)矿岩和充填体质量评价指标的计算原则
建立各个评价指标的计分原则，矿岩和充填体分级方法采用进化FD-AHP方法获取各评价指标的模糊权重，再与相应的权重值相乘，累加得矿岩和充填体的总评分值；
3)基于进化FD-AHP的评价指标权重分析
对完整岩石强度、岩石质量指标、BQ系统中的力学指标、压水试验结果以及地下水条件等五个评价指标对矿岩和充填体分级总分进行权重分析；
4)基于进化FD-AHP的矿岩和充填体分级方法步骤
①对于所研究的矿岩和充填体，采用岩石力学试验、现场地质调查及压水试验的方法，获取岩石物理力学试验结果、矿岩体RQD值、压水试验结果确定各指标的评分值；
②把各个指标的评分值和相应权重的乘积，即为基于进化FD-AHP的矿岩和充填体分级总分值F0：
F0＝ψ1M1+ψ2M2+ψ3M3+ψ4M4+ψ5M5。
5.根据权利要求4所述的一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法，其特征在于，所述的基于进化FD-AHP的评价指标权重分析包括以下步骤：
用群体判断矩阵计算向量，进而得到群体模糊权重向量，运用几何平均法计算各评价指标的相对权重值，并作归一化处理之后，得到各评价指标的决策权重值。
6.根据权利要求5所述的一种新颖的松散充填体注浆加固后质量改善程度定量分析方法，其特征在于，所述的基于进化FD-AHP的评价指标权重分析计算包括以下步骤：
建立对比判断矩阵后，用群体判断矩阵由三角模糊数表示为：
Figure FDA0002566095970000041
Figure FDA0002566095970000042
Figure FDA0002566095970000051
Figure FDA0002566095970000052
其中：评价指标i分别代表完整岩石强度指标、岩石质量指标、BQ系统中的力学指标、压水试验的结果以及地下水的条件，i＝1,2,3,4,5；计算向量为：
R1＝[0.27,0.74,2.67]
R2＝[0.42,1.73,4.21]
R3＝[0.32,0.93,3.27]
R4＝[0.22,0.50,2.41]
R5＝[0.37,1.67,3.94]
进而得到群体模糊权重向量：
ψ1＝[0.02,0.13,1.68]
ψ2＝[0.03,0.31,2.64]
ψ3＝[0.02,0.17,2.06]
ψ4＝[0.01,0.09,1.51]
ψ5＝[0.02,0.30,2.47]
运用几何平均法计算各评价指标的相对权重值，并作归一化处理之后，得各评价指标的决策权重值为：
ψ1＝0.15；ψ2＝0.28；ψ3＝0.19；ψ4＝0.12；ψ5＝0.26；
即完整岩石强度、岩石质量指标、BQ系统中的力学指标、压水试验结果以及地下水条件等五个评价指标对矿岩和充填体分级总分进行权重分析分别为0.15、0.28、0.19、0.12和0.26。
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