金属矿复杂采空区稳定性分级及其智能预测研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ U DC ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 十I 初大学 C E N T R A LS o U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目金属矿复杂采空区稳定性分级及其 智能预测研究 学科、专业安全技术及工程 研究生姓名郭永乐 导师姓名及 专业技术职务 刘志祥副教授 分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． U D C ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． I Y 眦嘲2 憾1 嗽9 黜7 憾黜5 嗽1 憾0 矾 硕士学位论文 金属矿复杂采空区稳定性分级及其智能预测研究 S t a b i l i t yG r a d i n ga n d I t sI n t e l l i g e n tP r e d i c t i o no f C o m p l i c a t e dG o a f i nM e t a lM i n e 作者姓名 学科、专业 学院 系、所 指导老师 论文答辩日期．幽孑二太多 郭永乐 安全技术及工程 资源与安全工程学院 刘志祥 答辩委员会主席趁 中南大学 2 0 1 2 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名日期边年血』日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 乡移 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着国民经济的持续飞速发展，我国对自然资源的需求量不断加 大，特别在矿产资源方面。人们从矿产资源的开采中获得了巨大的经 济效益，但同时，不科学的开采及民间的掠夺式滥采形成了复杂的采 空区 群 ，从而极易引发各种地质灾害。政府、企业非常重视采空 区诱发的各类灾害。因此，研究复杂采空区的稳定性以实施安全治理 措施是非常必要的。为此，本文以金属矿复杂采空区稳定性分级及其 预测研究为题，开展相关的分析研究。 本文以采空区失稳的机理及其系统安全分析为基础，结合采空区 影响因素的分析及工程实际，选取影响采空区稳定性的1 4 项指标因 素作为评价分级指标体系，并基于未确知测度理论建立未确知测度评 价模型；依据指标分级标准建立每个影响因素的未确知测度函数，并 计算出每个评价对象各指标因素的未确知测度值 即指标的稳定性等 级隶属度 ，从而构成对象的单指标测度矩阵；然后采用信息熵理论 来计算采空区稳定性影响因素的权重值，并计算出每个评价对象的多 指标综合测度向量；最后依据置信度准则进行等级判别。结合栾川铝 矿采空区的现场数据，利用该模型对矿区7 7 多个采空区进行稳定性 分级，得到了大部分空区的稳定性情况，为采空区的安全处理提供了 参考；同时将分级结果与模糊数学评价结果进行对比分析，充分体现 了未确知测度评价模型的优越性。 最后，利用已得的7 4 组采空区评价分级结果对B P 神经网络进 行训练，从而建立B P 神经网络智能预测模型来对新的采空区进行稳 定性分级预测。验证结果表明该模型的预测效果理想，预测评价结果 对工程实际具有一定的指导意义。 关键词安全评价，采空区稳定性，未确知测度，神经网络，分级预 测 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T W i t ht h er a p i da n dc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , C h i n a ’Sd e m a n df o rn a t u r a lr e s o u r c e si sc o n s t a n t l yi n c r e a s i n g ，e s p e c i a l l y f o rm i n e r a l r e s o u r c e s ．P e o p l e b e n e f i tal o t e c o n o m i c a l l yf r o m t h e e x p l o i t a t i o no fm i n e r a lr e s o u r c e s ，h o w e v e r , u n s c i e n t i f i cm i n i n ga n dc i v i l p r e d a t o r ym i n i n gl e a d st of o r m a t i o no ft h ec o m p l i c a t e dg o a f g r o u p ， w h i c hc a ne a s i l yc a u s eav a r i e t yo fg e o l o g i c a ld i s a s t e r s ．G o v e r n m e n t ， e n t e r p r i s e sa t t a c hg r e a ti m p o r t a n c et ot h ev a r i o u st y p e so fd i s a s t e r s i n d u c e d b y t h eg o a ￡T h e r e f o r e ，t h e s t u d yo ft h es t a b i l i t y o ft h e c o m p l i c a t e dg o a fa n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fs a f e 够m a n a g e m e n tm e a s u r e s i sn e c e s s a r y ．T i t l e dS t a b i l i t yG r a d i n ga n dI t sI n t e l l i g e n tP r e d i c t i o no f C o m p l i c a t e dG o a fi nM e t a lM i n e ，t h i sp a p e rc a r r i e so u tt h er e v e l a n t a n a l y s i sr e s e a r c h ． I nt h i sp a p e r , 14i n d i c a t o r si m p a c t i n gt h es t a b i l i t yo ft h eg o a fw e r e s e l e c t e da si n d e xs y s t e mf o rg r a d i n ga n de v a l u a t i o nb a s e do nt h eg o a f d e s t a b i l i z a t i o nm e c h a n i s ma n ds y s t e ms e c u r i t ya n a l y s i s ，a n dc o m b i n e d w i 也t h ea n a l y s i so fg o a fi m p a c tf a c t o r sa n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ． u n a s c e r t a i n e dm e a s u r e m e n te v a l u a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e db a s e do n u n a s c e r t a i n e dm e a s u r et h e o r y ；a c c o r d i n gt ot h ec l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r do f r e s p e c t i v ei n d i c a t o r s ，t h es i n g l e i n d e xu n a s c e r t a i n e dm e a s u r e m e n t f u n c t i o n sw e r ee s t a b l i s h e d ，f r o mw h i c hs i n g l ei n d e xm e a s u r e m e n tv a l u e i e ，t h es t a b i l i t yd e g r e em e m b e r s h i po fi n d i c a t o r s o fi n d i c a t o r sf o re a c h e v a l u a t i o no b j e c tc a nb ec a l c u l a t e da n dt h e ns i n g l ei n d e xm e a s u r e m e n t m a t r i xf o re a c ho b je c tc a nb ef i g u r e do u t ．；t h ei n f o r m a t i o ne n t r o p yt h e o r y w a sa d o p t e dt oc a l c u l a t et h ew e i g h tv a l u eo fi n d i c a t o r si n f l u e n c i n gg o a f S t a b i l i t ya n dm u l t i i n d i c a t o rm e a s u r ev e c t o rf o re a c he v a l u a t i o no b j e c t C a nb ec a l c u l a t e d ；F i n a l l y , G r a d i n gw a sd o n ea c c o r d i n gt oc o n f i d e n c e c r i t e r i a ．C o m b i n e dw i t hm e a s u r e dd a t ao ft h ed a b a o s h a nm i n eg o a gu s i n g t h i sm o d e l ，s t a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o nw a sd o n et ot h e7 7g o a fi nt h em i n i n g a r e a ，w h i c hs h o w e dt h es t a b i l i t yo fm o s to fs t u d i e dg o a fa n dp r o v i d e da r e f e r e n c ef o rt h es a f eh a n d l i n go ft h eg o a f iA tt h es a m et i m e ，t h e c l a s s i f i c a t i o nr e s u l t sw a sc o m p a r e dw i t ht h ef u z z ym a t h e m a t i c a l e v a l u a t i o nr e s u l t s ，w h i c hf u l l yr e f l e c t st h es u p e r i o r i t yo ft h eu n a s c e r t a i n e d T T 中南大学硕士学位论文A B S T R A C T m e a s u r e m e n te v a l u a t i o nm o d e l ． F i n a l l y , t h eg I ’a d i n ge v a l u a t i o nr e s u l t so f7 4g o a fw e r eu s e dt ot r a i n B Pn e u r a ln e t w o r ki no r d e rt oe s t a b l i s ht h eB Pn e u r a ln e t w o r kf o r e c a s t i n g m o d e lw h i c hc a nf o r e c a s tt h e s t a b i l i t yd e g r e eo fn e wg o a ￡T h e v e r i f i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e d i c t i o nr e s u l t so ft h em o d e Ia r e s a t i s f y i n g ，a n dt h ep r e d i c t i o nr e s u l t sc a na c t u a l l yp r o v i d es o m eg u i d i n g s i g n i f i c a n c ef o rt h ep r o j e c t ． K E YW o 尉D S s a f e t ye v a l u a t i o n ，t h eg o a fs t a b i l i t y , u n a s c e r t a i n e d m e a s u r e m e n t ，n e u r a ln e t w o r k ，g r a d i n gf o r e c a s t I I I 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 1 ．2 安全评价及其发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 。1 安全评价概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 安全评价的国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．3 未确知理论在安全评价中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 本文的研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．1 本文的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．2 本文的技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 第二章采空区失稳机理及其力学模型分析⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 地下采空区灾害类型及危害分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 ．1 顶板冒落型危害分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．2 冲击气浪危害分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．3 采空区积水的危害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．4 塌陷对边坡稳定性产生影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 采空区围岩破坏机理与失稳判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．1 采空区围岩破坏机理分析⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2 ．2 采空区围岩失稳判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 2 2 ．3 采空区失稳力学机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 第三章采空区失稳系统安全分析及评价指标体系的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 采空区失稳系统安全分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 ．1 事故树安全分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 ，2 采空区失稳的事故树分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 采空区失稳的主要影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．2 ．1 地质因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．2 ．2 水文因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．2 ．3 环境因素及工程布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．2 ．4 采空区规格参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．3 采空区稳定性评价指标体系的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 i 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．3 ．1 安全评价指标建立依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 3 ．3 ．2 采空区稳定性评价指标体系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 第四章采空区稳定性未确知综合分级研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．1 未确知信息与未确知数学理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．1 ．1 不确定信息及未确知信息⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．1 ．2 未确知数学基础理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．2 未确知测度理论与评价模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．2 ．1 未确知测度基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．2 ．2 未确知测度模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．3 栾川铝矿采空区未确知测度综合评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．3 ．1 栾川铝矿及其采空区基本情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 第五章采空区稳定性分级的智能预测研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．1 神经网络理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．1 ．1 人工神经网络概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．1 ．2 人工神经网络基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．1 ．3 人工神经网络的学习⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．1 ．4 人工神经网络典型模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 5 ．2 神经网络智能预测模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．2 ．1B P 神经网络的结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 。2 ．2B P 神经网络的学习算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．3 栾川钼矿采空区稳定性分级的智能预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．3 ．1 智能预测模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 5 ．3 ．2 智能预测模型的训练⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 5 ．3 ．3 稳定性分级的智能预测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 6 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 6 ．1 本文结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 4 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 5 中商大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 研究背景及意义 第一章绪论 近年来，随着我国国民经济的持续飞速发展，各行各业的各种灾害、事故也 呈现逐年攀升的趋势，特别在矿产资源开发领域。人类对矿产资源的获取大部分 是以地下开采方式获得的【l 2 】。统计表明，在我国能源结构中，9 2 ％以上的一次性 能源、8 0 ％以上的工业原料均取之于矿产资源，矿产资源的开发和利用对我国当 今社会经济发展起着重要的支柱作用【l4 】。随着人口的增长、国民经济的高速发 展，矿产资源的需求也急剧增加。如果采用空场类采矿方法对矿产资源进行开发， 通常会形成并留下大量的地下空区【1 ，5 】。特别地，在1 9 7 0 年以后，我国的采矿行 业监控松散，呈现出有史以来的最为混乱的开采局面，私自违法民采、群采猖獗， 无规划的乱采、滥挖肆虐。由于多数采空区采后一直没有得到安全的处理，从而 导致我国多数矿山采空区丛生，在许多国有矿山周围遗留下了大量的未知空区。 如广西大厂矿、云南兰坪铅锌矿、甘肃厂坝铅锌矿、广东大宝山矿、铜陵狮子山 铜矿等大中型的国有矿山均受到大量不明采空区隐患的影响。另外，由于不少国 有矿山企业的采矿技术和设备比较落后，大量使用空场法、留矿法回采，虽然开 采过程中经过正规设计、信息收集，且采后空区信息资料齐全，但因充填成本较 高，从而延迟了对采空区的充填和处理。随着暴露时间的延长，这些采空区的稳 定性不断变差，最终诱发岩石坍塌、山体滑坡或岩体塌陷等灾害，影响了矿山生 产及效益，甚至造成人员伤亡损失【4 。9 1 。如贵州开磷集团开采磷矿4 0 多年，产出 矿石4 0 0 0 多万吨，矿区内残留了大量空区，常常诱发山体塌陷及滑坡灾害。河 南省嵩县萑香洼金矿因在险峻山体下采用空场法采矿而形成大量的空区，未处理 的空区失稳导致山体坍塌，促使其上浮石滚落危及矿区安全并严重威胁了山下居 民正常的生活。再如湖南涟源青山硫铁矿，地下空区暴露面积太大引发失稳，造 成矿山于1 9 9 6 年7 月发生里氏2 ．6 级地震，直接损失可达2 0 0 0 多万元。 目前，采空区已经成为了影响矿山安全生产的潜在危险因素之一【lU ，1 1 】。矿 山采空区灾害的危害极大，使人民生命财产的安全和国民经济可持续发展受到严 重威胁。特别是在矿产资源开发方面，事故致因因素多、预见性差、后果严重， 造成巨大的人员伤害和经济损失。一方面，采空区顶板大面积冒落，会造成地表 沉陷和开裂、地面环境破坏并影响露天作业；如2 0 0 1 年5 月，广西合浦恒大石 膏矿发生的顶板大塌陷事故造成了2 9 人死亡；1 9 9 3 年3 月，广西高峰锡矿地表 塌陷造成多于1 3 人死亡，1 7 台大卡车陷入地下，并致使大量的井下工程废弃； 中南大学硕士学位论文第一章绪论 四川鸡冠岭山体塌陷致使乌江断流半小时，客货运输彻底中断数小时之久，造成 4 人死亡，1 2 人失踪，直接经济损失达1 0 8 8 万元。另一方面，在进行矿山开采 时，由于爆破震动的影响，采空区的围岩会产生裂隙发育。更为严重的是，裂隙 一旦发展至地表或跟积水老窿贯通，则会诱发突水事故，从而淹没井巷及采掘面， 造成灾难性损失。广西南丹拉甲坡矿于2 0 0 1 年7 月1 7 日发生特大透水灾害，酿 成了震惊全国的“7 1 7 ”矿难；其2 个矿山同时被淹，造成8 1 人死亡，直接经 济损失达8 0 0 0 万元。此外，采空区引发的环境工程地质问题，会严重影响矿区 生产、城市交通、管线或水体运动，甚至会对农村农耕地造成破坏。如凡口铅锌 矿因疏干产生6 7 5 k m 2 范围内的地表塌陷1 9 8 2 个，受损农田约6 6 ．7 k m 2 ，建筑物 撤迁7 k m 2 ；山东莱州马塘金矿由于过度开采而使地表严重塌陷，造成了莱州至 招远的国家级公路严重塌陷破坏而中断，附近民房倒塌；金川集团有限公司二矿 区地表因开采而出现较大的裂缝及岩层间的错动迹象；主要是由于采场上覆岩层 过大地移动而波及地表，并随开采的深入而呈继续扩大之势。因此，当前矿山采 空区，尤其是非煤矿山采空区是安全生产中一个不可忽视的问题。鉴于此，对采 空区稳定性进行必要的安全评估是非常有意义的。 1 ．2 安全评价及其发展现状 1 ．2 ．1 安全评价概述 安全评价，也称危险评价或风险评。它是以保证工程系统的安全为目的，应 用系统安全工程的原理与方法，对拟建或已有工程系统中固有的危险因素或隐含 危险性及损失与伤害程度进行辨识与分析，弄清系统可能产生危险性的大小及其 危害性程度，从而为制定防范措施和管理决策提供科学依据。 安全评价可对研究对象的不同的阶段行评价，比如对系统的计划、设计、建 设、生产等阶段来进行。他能够借助定性、定量的方式来对系统中的危险因素进 行分析，最终得出综合评价结果。安全评价的最终目的是消除危险或最大限度地 降低危险性，并制定出有力的安全应对措施。然而在具体的问题中，安全评价难 免会受限于当前科学技术水平及经济条件等客观因素。近十几年来，我国的市场 经济飞速发展，并渐趋完善。如果想要在经济高速发展的同时不发生各种损失经 济效益的灾害事故，不损害人民的生命财产安全，就必须大力推广安全评价工作 的应用范围，尤其在经济建设及科研领域；只有如此才能在企业内部实施安全应 对措施来提升其事故应对能力，防止事故，特别是重大事故的发生，保证生产的 安全顺利的进行。安全评价在实际生产中意义相当重大。 通常，安全评价的目的主要包括如下几个方面 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 对评价对象系统的整个周期过程进行安全技术和安全管理把关，包括 其计划、设计、制造、运行和维修等全过程，彻底掌握系统可能存在的危险性及 可能产生的严重后果。 2 决策者依据评价结果来制定相应的安全应对策略。安全评价后能够得 到一个系统的预测结果，据此确定最优的系统解决方案； 3 依据评价预测结果，对相关安全操作与维修的规章制度进行制定与完 善，同时可进行安全教育及安全检查，进一步使安全管理渐趋系统化； 4 将标准化与科学化应用进系统的安全技术与安全管理中。 5 在力所能及的条件下，尽可能的实现本质安全化。对事故进行安全评 价分析研究，根据事故安全评价所得的结果，采取相应的措施，从而从根本上消 除事故发生的主要条件。 安全评价的内容丰富，一般包括危险性的确认与危险度的计算两方面问题。 危险性确认主要包括危险源辨识，并定量地描述危险源所具有的危险性；危险度 计算主要包括危险源控制，也即评价预防措施实施后危险源依然具有的危险性能 否被接受。每个具体的评价过程会有所差异，但其总体过程框架如图1 ．1 所示。 图1 1 安全评价的流程 如今安全评价在不同领域的应用相当广泛，其分类方法多种多样，常见分类 有四种，分别如下 1 以评价对象所处阶段的不同为标准，安全评价包括预先危险性评价、 中间危险性评价、现状危险性评价以及危险性跟踪评价。 2 以评价方法特征为标准，安全评价包括定性评价、定量评价及综合评 价。 3 以评价内容为标准，安全评价包括设计安全性评价、安全管理评价、 生产设备安全可靠性评价、人的行为安全性评价、作业环境质量评价及重大危害 因素安全性评价。 4 以评价性质为标准，安全评价包括系统固有危险性评价、系统安全状 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 况评价和系统现实危险性评价。 1 ．2 ．2 安全评价的国内外研究现状 1 ．2 ．2 ．1 国外发展现状 安全评价 风险评价 最早产生在二十世纪三十年代的美国保险行业，并随 其发展而渐趋成熟，最终从中脱离而广泛应用于其他领域。保险公司的运营原理 是通过为客户承担各种相应的风险责任来收取一定的商业费用。而且，其所收取 的费用多少与其所承担的风险大小是成正相关的关系的。为了衡量风险程度的大 小，就必须对系统安全程度进行风险衡量，此过程就是风险评价的发展和应用。 它为预测、预防事故奠定了可靠的基础。同时，安全评价由于在实际应用中的效 果显著，得到了充分的发展。各国政府、研究部门及生产经营单位根据自身的实 际条件来研究有针对性的评价方法，以此对系统的过程评价，分析预测系统的安 全可靠性大小，以避免不必要的损失。 产业革命发生以后，世界工业化的速度越来愈快；特别是二战后，[ 业化进 程迅猛发展，工业化生产所采用的工程系统设施设备也渐趋大型、复杂化才能满 足其发展需要。工业化的进度在化学工业方面表现更为显著，化工生产的规模及 其产品多样性越来越大，然而与之相伴的是持续不断的生产事故，主要表现为火 灾、爆炸和毒性气体的泄漏与扩散等。安全事故的不断发生大大地促进了安评 工作在企业部门、设备装置和环境等方面的展开。二十世纪中期后，安评技术的 原理和方法得到全面的发展，尤其是在企业及其所采用的生产装置、设施评价方 面的迅猛发展，标志着其进入了完整系统的发展阶段。1 9 6 4 年，美国道 D o w 化学公司针对化工生产的特点及其事故危害程度提出了一种度量化工生产危险 性的安全评价方法～火灾、爆炸危险指数评价法。该评价方法可以用于评价化工 装置的危险性，它以化工原料自身的物理、化学性质为基础的切入点，同时分析 它们在生产中会表] 观出的危险性，而且进一步将化工工艺过程中所存在的 特殊差别和物量等因素纳入考虑的范畴。此方法在实际使用过程中不断地加以 修订完善。且此法具有科学、合理的特点而易于推广应用，便于深入开发研究。 1 9 7 4 年英国帝国化学工业公司蒙德 M o n d 分公司对火灾、爆炸指数评价法实行 了进一步的开发研究，在其基础上引入了毒性概念，并辅加入了些补偿系数来对 系统进行修正以更真实地反应其危险状况，提出了“蒙德火灾、爆炸、毒性指 数评价法“ 。1 9 7 4 年，美国原子能委员会公布了w 础1 4 0 0 反应堆安全研究报 告结果；当时还没有核电站发生事故，如今已被核电站事故所证实。1 9 7 6 年， 日本劳动省借助经典的化工系统评价思想，在道火灾爆炸指数评价法、蒙德危 险性指数评价法的基础上，颁布实行了化学工厂六阶段安全评价法。该法以 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 系统安全工程分析为原理对系统实施安全评价，使内容得以更全面、更系统。同 年，英国生产安全管理局对C a n v e y 岛和T h u r r e c k 地区范围内的工业生产设备设 施实施了危险性评价。此3 年之后，英国C r e m e r W a r n e r 公司与德国B a t t l e 公司 对荷兰R i j n u m u n c l 地区的工业设施实施了危险性评价。之后，在发达国家中，此 评价方法得以广泛应用。1 9 8 4 年，在印度博帕尔市由美国联合炭化物公司创办 的一农药厂因在生产中不注重安全维护而发生毒气意外泄漏，从而造成了2 5 0 0 人死亡，1 2 5 0 0 0 人中毒的惨剧。美国航天飞机“挑战者“ 于1 9 8 6 年发生爆炸事 故使人们不得不对安全性进行深入反思。各国政府及相关研究机构进一步将安全 评价作为重点研究工作。安全评价作为独立的产业形式出现的国外发达国家。由 于安全评价技术的迅速发展，安全评价已在现代生产经营管理中占有不可或缺的 地位【1 2 - 13 1 。 1 ．2 ．2 ．2 国内发展现状 从1 9 8 0 年起，安全评价逐渐地被吸收、应用而引入我国，此举赢得了很多 企业单位和行业部门的关注与支持。1 9 8 1 年，在我国原劳动人事部的大力帮助 与支持下，安全评价工作受到了一些科研单位及相关院校研究人员的深入开发应 用研究【1 4 】。在化工、机电与交通等行业部门中，通过消化、吸收、引进国外的各 种先进安全评价法，也开始实行企业内部的安评试点研究。原机电部在19 8 8 年 颁布并实施了机械工厂安全评价标准I t S ] 。广东劳保所在1 9 9 2 年带头负责研究 开发了工厂危险程度分级法；紧接着，原化工部依照着出台了化工厂危险程 度分析方法。我国自1 9 9 4 年起，前后相继发生了几起特大火灾事故引起了政 府部门和社会的广泛关注，安全评价也因此受到了进一步的重视。2 0 世纪9 0 年 代中期，为了减少事故的发生以维持系统安全性，全国范围的安全评价研讨会分 别在太原、成都召开了，以逐步推广和展开安评技术在不同领域的应用。为推动 生产及经营单位加强自身安全管理，并促进安评方法的实施与运用，我国逐步开 展了多种专门研究，包括在化工、机械和冶金等领域的工厂危险程度分级研究。 而且，还颁布了一系列标准与规范，如电子生产经营单位安全性评价标准、石 化生产经营单位安全性综合评价法、航空航天工业工厂安全评价规程、兵 器工业机械工厂安全性评价方法和标准、医药工业生产经营单位安全性评价 通则等。2 0 世纪9 0 年代初，在我国“八五”科技攻关时，曾将安评方法的开 发作为了攻关内容中的重点研究对象来加以对待。中华人民共和国安全生产 法于2 0 0 2 年颁布实施，明确地对重大危险源的控制作出了详细规定，将安评 工作进一步推向了一个新的台阶【1 5 。瑙J 。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．2 ．3 未确知理论在安全评价中的应用 在实际安全评价的具体实施过程中，不可避免地会碰到一些事件因素，定量 数据不能直接对其加以描述，此情况下，就只能以定性的方法来描述他们。因此， 评价指标体系的建立一般会包括定性与定量两种性质的指标。随着科学技术的不 断发展，尤其是数学方法的发展，安全评价的方法逐渐趋于多元化。安全评价的 应用领域不断扩展，主要应归功于一些新的数学理论方法的不断融入。例如我们 常见到的模糊综合评价法，其基本原理就是将模糊数学应用进安全评价中，从而 为复杂系统中的模糊信息量化提供了一种新的手段来进行评价及决策的。 采空区稳定性分级是一种人为的安全性评价活动。矿山采空区稳定性是一个 受多因素共同影响的复杂对象系统，对其评价分级存在一定的困难。对采空区稳 定性进行分级，首先要了解采空区的失稳模式及灾害情况，以及空区的自身条件 及环境状况等方面的影响因素，并收集必要的材料、法律、法规标准等。然后才 能对其进行评价分级，．确定其安全等级。由于在进行资料收集过程中，一定会受 主观认识的限制而产生不确定性，因而，采空区稳定性分级评价具有未确知性。 对于未确知信息而言，信息存在的不确定性不是缘于客观的原因，而是局限 于决策者主观认识的不确定性的而产生的。可笼统的说，所有包含行为因素的系 统都具有一定的未确知性。实际上，对任一系统，要想知道其提供的信息是否具 有未确知性，那么其是否同时具有状态和行为因素便是一个简单的衡量标准；对 具有未确知性的信息，其不确定性绝对不能被简单忽略掉而作为确定信息来处 理。然而若事物具有未确知性，怎样衡量其未确知性的大小，以什么方式来对其 进行定量描述呢 在对未确知数学理论[ 19 J 深入研究后，刘开弟教授等提出了一个 能够对事物所处的未确知状态或其未确知性大小进行度量的模型一未确知测度 模型