CN114329680A - 一种矿区地下水库矿柱坝体稳定性评价方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿区地下水库矿柱坝体稳定性评价方法，尤其是公开了一种煤矿地下水库煤柱坝体稳定性评价方法。本发明可实现对煤矿地下水库煤柱坝体稳定性的评价，为地下水库建设与长期运行安全提供了保障。本发明的方法应用于煤矿地下水库煤柱坝体稳定性评价方面，克服综合指数法及模糊评价法各自的缺陷，将综合指数法与模糊评价法利用数学公式综合分析，提出了适用于煤矿地下水库煤柱坝体稳定性的评价方法，提高了评价的准确性与科学性。

Description

一种矿区地下水库矿柱坝体稳定性评价方法及其应用

技术领域

本发明属于矿业工程与水利工程的综合利用技术领域，具体涉及一种矿区地下水库矿柱坝体稳定性评价方法，尤其涉及一种煤矿地下水库煤柱坝体稳定性评价方法及其应用。

背景技术

随着我国煤炭开发的战略西移，煤炭规模化开发与水资源短缺的矛盾更为突出。水资源保护与利用是当前煤炭绿色开采面临的重大难题。大规模高强度煤炭开采导致的水资源流失，使西部地区本就脆弱的生态环境遭到毁灭性破坏，负环境效应更加突出。以顾大钊院士为首提出利用地下采空空间储水，将留设的安全煤柱用人工坝体连接形成水库坝体的煤矿地下水库工程技术成为西部生态脆弱区水资源保护利用的有效途径。煤矿地下水库中煤柱坝体占水库坝体长度比例高，裂隙结构发育、受力环境复杂，且长期的水浸作用改变了煤体的力学特性，更易导致煤柱坝体失稳，威胁地下水库的安全运行。因此，评估煤柱坝体全生命周期的稳定性，既是地下水库建设与长期运行安全的迫切需要，也是能源开发与环境保护所面临的重要科学问题。

目前，煤柱稳定性评价方法主要为模糊评价法和综合指数法，多见于对煤矿区段煤柱、条带煤柱以及房柱式开采煤柱群的稳定性评价研究。王同旭等根据煤柱群稳定性受多种因素综合影响的特点，提出综合指数法与模糊评价法综合分析的方法。胡殿科选取煤柱宽度、高度，煤层埋深、厚度和煤的硬度5个因素作为主控因素进行敏感性分析，综合评价煤柱稳定性。但对于煤矿地下水库煤柱坝体稳定性评估方法研究较少，未能形成理论体系，如姚强岭等仅考虑上覆岩层压力和水的弱化作用为主要因素对煤矿地下水库煤柱坝体的稳定性进行了分析；顾大钊等仅以地震作用为主要影响因素对煤柱坝体的安全稳定性进行了分析。因此急需一种考虑多种因素及复杂条件下的煤矿地下水库煤柱坝体稳定性评价方法。

发明内容

鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种矿区地下水库矿柱坝体稳定性评价方法，可实现对矿区地下水库矿柱坝体特别是煤矿地下水库煤柱坝体稳定性的评价，为地下水库建设与长期运行安全提供了保障。

为此，在第一个方面，本发明提供了一种矿区地下水库矿柱坝体稳定性评价方法，其包括以下步骤：

(1)建立坝体稳定性评价指标体系，所述稳定性评价指标体系包括目标层、坝体稳定性影响的主要因素层和子因素层，其中目标层为U＝(坝体稳定性)、主要因素层＝(u₁，u₂，…u_i)、子因素层＝(u₁₁，u₁₂，…u₂₁，u₂₂，…u_ij)，ui表示第i个主要因素，uij表示第i个主要因素的第j个子因素；第i个主要因素的子因素数目为ni；

(2)确定各层因素相对于其上一层的权重分配集，包括主要因素层相对于目标层U的权重分配集和子因素层相对于主要因素层的权重分配集，

其中，主要因素层相对于目标层U的权重分配集为A＝(a₁，a₂，···a_i)，子因素层相对于其所属主要因素层的权重分配集为A_i＝(a₁₁，a₁₂，···a₂₁，a₂₂，···a_ij)，a_i为主要因素u_i相对于目标层U的权重，a_ij为子因素u_ij相对于主要因素u_i的权重；

(3)将所述矿柱坝体稳定性等级分为至少2个等级，然后根据模糊评价法确定各主要因素模糊评价结果数据，即模糊评价指数c_i；

(4)根据各子因素对矿柱坝体稳定性影响程度和目标坝体在各子因素实际情况，确定各子因素综合评价评分值，包括子因素的最大评分值和目标坝体在该子因素的实际评分值，其中，uij的实际评分值和最大评分值分别为G_ij和G_ijmax；

(5)确定主要因素客观权重评定指数W_i，所述主要因素客观权重评定指数通过如下公式计算：

(6)计算各主要因素的稳定性指数R_i，所述R_i通过如下公式计算：

并根据最大隶属度原则，取各主要因素的稳定性指数的最大值做为稳定性指数R，并根据得到的目标矿柱的稳定性指数所属稳定性等级范围确定矿柱坝体稳定性等级，所述稳定性等级范围是根据经验确定的稳定性等级对应的稳定性指数范围。

根据本发明的一些实施方式，所述主要因素包括矿区自然地质条件u₁、矿区地下水库工况条件u₂、外界扰动影响u₃。

根据本发明的一些实施方式，所述矿区自然地质条件u₁的子因素包括地质构造u₁₁、矿层倾角u₁₂、矿层厚度u₁₃、矿层埋深u₁₄、上覆岩层单轴抗压强度u₁₅、矿柱坝体单轴抗压强度u₁₆、岩体质量指标u₁₇、上覆岩层弹性模量u₁₈、地层应力方向u₁₉、地表塌陷情况u₁₁₀中的至少两个。

根据本发明的一些实施方式，所述矿区地下水库工况条件u₂的子因素包括矿柱坝体留设宽度u₂₁、地下水库服务时间u₂₂、库区储水高度u₂₃、顶板垮落情况u₂₄、库区密闭情况u₂₅中的至少两个。

根据本发明的一些实施方式，所述外界扰动影响u₃的子因素包括同层及上下煤层开采情况u₃₁、周围发生矿震次数u₃₂和重复采动次数u₃₃中的至少两个。

根据本发明的一些实施方式，步骤(2)中，所述权重分配集通过层次分析法确定。

根据本发明的一些实施方式，步骤(2)中，所述权重分配集通过以下方法确定：

先对同层各因素之间的重要程度进行两两比较，作出判断，采用1-9标度法赋值得到判断矩阵，并求出判断矩阵的最大特征值λ_max，然后求出它的特征向量，做归一化处理，可得到判断矩阵的权重分配集；

最后进行一致性检验，即先由判断矩阵最大特征值求出一致性指标C_I＝(λ_max-n)/(n-1)，根据n的值查表确定平均一致性指标R_I，然后根据一致性检验公式C_R＝C_I/R_I进行计算。若C_R＜0.1，则认为判断矩阵赋值合理，否则需要重新赋值直至满足要求为止。在一些实施例中，所述权重分配集可以借助MATLAB软件进行计算确定。

根据本发明的一些实施方式，步骤(3)中，将矿柱坝体稳定性等级分为5个等级，优选所述5个等级分别为稳定性极差、稳定性较差、稳定性中等、稳定性较好和稳定性好。

根据本发明的一些实施方式，步骤(3)中，所述模糊评价法包括以下步骤：

S1：采用专家调查法，分别对各主要因素的各子因素对矿柱坝体稳定性的影响程度进行综合估计，得各因素的评价矩阵K_i；

S2：通过最小二乘法形成相应各主要因素模糊评价矩阵C_i＝A_i·K_i；

S3：根据模糊评价法最大隶属度原则，取各主要因素模糊评价矩阵中最大值为模糊评价指数c_i。

根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，咨询10位从事矿柱稳定性研究工作的专家，分别对选取的3个主要因素的子因素对矿柱坝体稳定性的影响程度进行综合估计，然后用概率法进行统计形成各因素的评价矩阵K_i(i＝1,2,3)。概率法如下示例：如10位专家中有4位认为某一子因素按其对矿柱坝体稳定性影响程度可属稳定性好的等级，那么该子因素隶属于稳定性好为0.4。子因素对矿柱坝体稳定性影响程度与稳定性等级的对应关系为，稳定性越差表示子因素对矿坝体稳定性的影响程度大。

根据本发明，步骤(4)中，通过对各子因素对矿柱坝体稳定性不同影响程度进行评分，和各目标坝体在各子因素实际情况对应的评分值可得各子因素综合评价评分值，包括子因素的最大评分值和目标坝体在该子因素的实际评分值。根据本发明的一些实施方式，步骤(4)中，将各子因素分为不同水平，并根据各子因素不同水平对矿柱坝体稳定性影响程度进行打分，然后根据目标矿所属水平的评分值，得各子因素的最大评分值和目标矿在各子因素下的实际评分值。

根据本发明的一些实施方式，所述不同水平对矿柱坝体稳定性影响程度的分值越大表示对矿柱坝体稳定性影响越大。

根据本发明的一些实施方式，所述各子因素包括至少两个水平。在一些实施例中，一些子因素包括至少三个水平。

根据本发明，各子因素的各水平根据各具体因素和目标矿柱及研究目的决定。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₁₁地质构造包括三个水平，分别为无断层、断层较少(1～3条)和断层较多(大于3条)。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₁₂矿层倾角α/°包括三个水平，分别为α≤8°，8°＜α＜25°，α≥25°。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₁₃矿层厚度h/m包括两个水平，分别为2＜h＜4，h≥4。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₁₄矿层埋深H/m包括两个水平，分别为H＜50，50＜H＜200，H≥200。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₁₅上覆岩层单轴抗压强度σ_r/MPa包括三个水平，分别为σ_r＜60，60≤σ_r＜120，σ_r≥120。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₁₆矿柱坝体单轴抗压强度σ/MPa包括三个水平，分别为σ＜60，60≤σ＜120，σ≥120。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₁₇岩体质量指标RQD值包括四个水平，分别为RQD＜40％，40％≤RQD＜65％，65％≤RQD＜85％，RQD≥85％。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₁₈上覆岩层弹性模量E/MPa包括三个水平，分别为E＜2000，2000≤E＜4000，E≥4000。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₁₉地层应力方向包括三个水平，分别为有利(地层应力方向与开采方向平行)、一般(地层应力方向与开采方向不平行也不垂直)、不利(地层应力方向与开采方向垂直)。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₁₁₀地表塌陷情况包括三个水平，分别为地表未塌陷、地表局部塌陷、地表大范围塌陷，具体限定参考《建筑物、水体、铁路及其主要井巷留设与压煤开采规范》相关规定。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₂₁矿柱坝体留设宽度B/m包括三个水平，分别为B＜20，20≤B＜50，B＞50。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₂₂地下水库服务时间d/年包括四个水平，分别为d≤10，10＜d≤20，20＜d≤30，d＞30。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₂₃库区储水高度h_w/m包括四个水平，分别为h_w≤5，5＜h_w≤10，h_w＞10，。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₂₄顶板垮落情况包括三个水平，分别为顶板未垮落，顶板部分垮落，顶板已垮落。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₂₅库区密闭情况包括三个水平分别为三防密闭(混凝土墙、砖墙、黄土或有机化学材料充填墙中的一种或多种组合密闭)，一般密闭(砖墙和混凝土墙组合密闭)和简单密闭(砖墙密闭)。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₃₁同层及上下煤层开采情况包括四个水平，分别为同层及上下煤层均已开采、同层已开采，上下煤层均未开采、同层及上下煤层均部分开采、同层及上下煤层均未开采。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₃₂周围100米范围内发生矿震次数包括两个水平，分别为≤10次和＞10次。

根据本发明的一些实施方式，所述子因素u₃₃重复采动次数包括四个水平，分别为0次，1次，2次，＞3次。

根据本发明的一些实施方式，步骤(6)中，所述采区矿柱群稳定性等级范围包括：稳定性极差(R≥0.75)，稳定性较差(0.65≤R≤0.75)，稳定性中等(0.55≤R≤0.65)，稳定性较好(0.45≤R≤0.55)，稳定性好(R≤0.45)。

本发明第二方面还提供了如本发明第一方面的所述的方法在矿区地下水库矿柱坝体稳定性评价尤其是煤矿地下水库煤柱坝体稳定性评价中的应用。

本发明提出了一种煤矿地下水库煤柱坝体稳定性评价方法，可实现对煤矿地下水库煤柱坝体稳定性的评价，为地下水库建设与长期运行安全提供了保障。本发明的方法应用于煤矿地下水库煤柱坝体稳定性评价方面，克服综合指数法及模糊评价法各自的缺陷，将综合指数法与模糊评价法利用数学公式综合分析，提出了适用于煤矿地下水库煤柱坝体稳定性的评价方法，提高了评价的准确性与科学性。

附图说明

图1是本发明煤矿地下水库煤柱坝体稳定性评价方法示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不限于以下实施例公开的范围。

实施例1

神东能源集团有限公司大柳塔煤矿1号地下水库煤柱坝体稳定性评价：

步骤①：神东矿区自然地质条件较为简单，大柳塔煤矿1号地下水库位于2-2煤层，水库附近断层构造较少。2-2煤层为近水平煤层，平均厚度为4.22m，煤层最大埋深约为128.53m，上覆顶板岩层单轴抗压强度约为41.83MPa、煤体单轴抗压强度约为13.50MPa、煤岩体质量指标值RQD＝75％、上覆岩层弹性模量E＝11.35GPa、地应力方向有利、地表塌陷大范围塌陷。

步骤②：1号地下水库的煤柱坝体留设宽度在50m以上，地下水库服务时间约为30年，库区储水高度约为10m，顶板已垮落，库区为三防密闭(混凝土墙、砖墙、黄土或有机化学材料充填墙组合密闭)。

步骤③：1号地下水库所属同煤层以及上下煤层部分开采、矿区范围内已发生矿震次数近百余次，未进行重复采动。

步骤④：建立1号地下水库煤柱坝体稳定性评价指标体系。目标层U＝(煤柱坝体稳定性)，煤柱坝体稳定性影响主要因素层u_i＝(u₁，u₂，u₃)＝(自然地质条件，煤矿地下水库工况条件，外界扰动影响)，主要因素u₁、u₂、u₃的子因素数目分别为10、5、3。子因素层u_ij＝(u₁₁，u₁₂，···u₁₁₀，u₂₁，u₂₂，···u₂₅，u₃₁，u₃₂，u₃₃)。

步骤⑤：采用1-9标度法，利用MATLAB软件进行计算，分别确定主要因素层相对于目标层的权重分配集A，以及子因素层相对于主要因素层的权重分配集A_i。

如下表1所示，主要因素层相对于目标层的权重分配集为A＝(0.0810，0.7306，0.1884)，子因素层相对于其所属主要因素层的权重分配集为A₁＝(0.1645，0.0970，0.0670，0.1124，0.0993，0.2486，0.0752，0.0809，0.0271，0.0271)，A₂＝(0.3994，0.1809，0.3243，0.0610，0.0344)，A₃＝(0.6370，0.1047，0.2583)。

步骤⑥：如下表1所示，将煤柱坝体稳定性等级分为5个等级，即V＝(稳定性极差，稳定性较差，稳定性中等，稳定性较好，稳定性好)，稳定性极差表示子因素对煤柱坝体稳定性的影响程度大。采用专家调查法，咨询10位从事煤柱稳定性研究工作的专家，分别对3个主要因素的子因素对大柳塔煤矿1号地下水库煤柱坝体稳定性的影响程度进行综合估计，然后用概率法进行统计形成各因素的评价矩阵K_i(i＝1,2,3)。进一步的，根据步骤⑤所述各子因素层相对于其所属主要因素层的权重分配集A_i，通过最小二乘法合成相应的各主要因素模糊评价矩阵C_i＝A_i·K_i，根据模糊评价法最大隶属度原则，取各主要因素模糊评价矩阵中最大值为模糊评价指数c_i，分别为c₁＝0.3525，c₂＝0.5499，c₃＝0.5258。

步骤⑦：根据表2中的各子因素综合评分，结合大柳塔1号煤矿地下水库情况及具体条件，给出步骤④所述各子因素对煤柱坝体稳定性影响评分值，如表3所示。

步骤⑧：根据步骤⑦给出的各子因素对1号地下水库煤柱坝体稳定性影响分值，通过如下公式计算主要因素的客观权重评定指数W_i：

计算可得W₁＝0.4342，W₂＝0.4211，W₃＝0.3636。

步骤⑨：确定煤柱坝体稳定性等级。根据步骤⑥、⑧所述，如下公式计算各主要因素的稳定性指数：

将综合指数法和模糊评价法利用数学方法进行综合分析，对采区煤柱群稳定性进行等级划分。根据计算的稳定性指数R，煤柱坝体稳定性等级划分如下：稳定性极差(R≥0.75)；稳定性较差(0.65≤R≤0.75)；稳定性中等(0.55≤R≤0.65)；稳定性较好(0.45≤R≤0.55)；稳定性好(R≤0.45)。

计算可得R₁＝0.2659，R₂＝0.4021，R₃＝0.3320。根据最大隶属度原则，确定煤柱坝体稳定性指数R＝0.4021。可知大柳塔煤矿1号地下水库煤柱坝体的稳定性指数R≤0.45，属于稳定性好等级。

表1

表2

表3

以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，作为本领域的公知常识，还可以做出其它等同变型和改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种矿区地下水库矿柱坝体稳定性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立坝体稳定性评价指标体系，所述稳定性评价指标体系包括目标层、坝体稳定性影响的主要因素层和子因素层，其中目标层为U＝(坝体稳定性)、主要因素层＝(u₁，u₂，…u_i)、子因素层＝(u₁₁，u₁₂，…u₂₁，u₂₂，…u_ij)，ui表示第i个主要因素，uij表示第i个主要因素的第j个子因素；第i个主要因素的子因素数目为ni；

(2)确定各层因素相对于其上一层的权重分配集，包括主要因素层相对于目标层U的权重分配集和子因素层相对于主要因素层的权重分配集，

其中，主要因素层相对于目标层U的权重分配集为A＝(a₁，a₂，···a_i)，子因素层相对于其所属主要因素层的权重分配集为A_i＝(a₁₁，a₁₂，···a₂₁，a₂₂，···a_ij)，a_i为主要因素u_i相对于目标层U的权重，a_ij为子因素u_ij相对于主要因素u_i的权重，

优选地，所述权重分配集通过层次分析法确定；

(3)将所述矿柱坝体稳定性等级分为至少2个等级，然后根据模糊评价法确定各主要因素模糊评价结果数据，即模糊评价指数c_i；

(4)根据各子因素对矿柱坝体稳定性影响程度和目标坝体在各子因素实际情况，确定各子因素综合评价评分值，包括子因素的最大评分值和目标坝体在该子因素的实际评分值，其中，uij的实际评分值和最大评分值分别为G_ij和G_ijmax；

(5)确定主要因素客观权重评定指数W_i，所述主要因素客观权重评定指数通过如下公式计算：

(6)计算各主要因素的稳定性指数R_i，所述R_i通过如下公式计算：

并根据最大隶属度原则，取各主要因素的稳定性指数的最大值做为稳定性指数R，并根据得到的目标矿柱坝体的稳定性指数所属稳定性等级范围确定矿柱坝体稳定性等级，所述稳定性等级范围是根据经验确定的稳定性等级对应的稳定性指数范围。

2.根据权利要求1所述的稳定性评价方法，其特征在于，所述主要因素包括矿区自然地质条件u₁、矿区地下水库工况条件u₂、外界扰动影响u₃。

3.根据权利要求2所述的稳定性评价方法，其特征在于，所述矿区自然地质条件u₁的子因素包括地质构造u₁₁、矿层倾角u₁₂、矿层厚度u₁₃、矿层埋深u₁₄、上覆岩层单轴抗压强度u₁₅、矿柱坝体单轴抗压强度u₁₆、岩体质量指标u₁₇、上覆岩层弹性模量u₁₈、地层应力方向u₁₉、地表塌陷情况u₁₁₀中的至少两个。

4.根据权利要求2所述的稳定性评价方法，其特征在于，所述矿区地下水库工况条件u₂的子因素包括矿柱坝体留设宽度u₂₁、地下水库服务时间u₂₂、库区储水高度u₂₃、顶板垮落情况u₂₄、库区密闭情况u₂₅中的至少两个。

5.根据权利要求2所述的稳定性评价方法，其特征在于，所述外界扰动影响u₃的子因素包括同层及上下煤层开采情况u₃₁、周围发生矿震次数u₃₂和重复采动次数u₃₃中的至少两个。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的稳定性评价方法，其特征在于，步骤(3)中，将所述矿柱坝体稳定性等级分为5个等级，优选所述5个等级分别为稳定性极差、稳定性较差、稳定性中等、稳定性较好和稳定性好。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的稳定性评价方法，其特征在于，步骤(3)中，所述模糊评价法包括以下步骤：

S1：采用专家调查法，分别对所述各主要因素的各子因素对矿柱坝体稳定性的影响程度进行综合估计，得各因素的评价矩阵K_i；

S2：通过算子合成相应各主要因素模糊评价矩阵C_i＝A_i·K_i；

S3：根据模糊评价法最大隶属度原则，取各主要因素模糊评价矩阵中最大值为模糊评价指数c_i。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的稳定性评价方法，其特征在于，步骤(4)中，将各子因素分为至少两个水平，并根据其对矿柱坝体稳定性影响程度分别进行打分，然后根据目标矿所属水平的评分值，得各子因素的最大评分值和目标矿在各子因素的实际评分值。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的稳定性评价方法，其特征在于，步骤(6)中，所述稳定性等级范围包括：稳定性极差(R≥0.75)，稳定性较差(0.65≤R≤0.75)，稳定性中等(0.55≤R≤0.65)，稳定性较好(0.45≤R≤0.55)，稳定性好(R≤0.45)。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述方法在矿区地下水库矿柱坝体稳定性评价尤其是煤矿地下水库煤柱坝体稳定性评价中的应用。

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