地下矿山工程围岩稳定性模糊动态聚类分区.pdf

第5卷 第3期工 程 地 质 学 报Vol . 5 No. 3 1997年 9月Journal of Engineering GeologySept. ,1997 地下矿山工程围岩稳定性 模糊动态聚类分区 Ξ 高 谦 苏永华 苏 靖 北京科技大学资源工程学院 北京 100083 摘 要 针对梅山铁矿二期工程开拓设计的需要,本文介绍了梅山地下矿山工程围岩 稳定性模糊动态聚类分区的研究方法及其部分结果。 该研究首先涉及分区资料的获取,整理与 分析;其次是分区因素的选取与指标确定;最后是模糊动态聚类分析方法在工程围岩分区中 的应用。 关键词 地下矿山 模糊分类 动态分区 1 前 言 工程地质分区源于地表工程,如露天边坡,城市的市政建设以及水库流域规划等。主 要用于区域的稳定性评价,自然灾害预测与分析。工程地质分区在地下矿山还很少应用。 这并不意味地下矿山没有必要进行工程地质分区;相反,工程地质分区对于矿山的开拓 工程设计,地下水的预测与评估甚至对采矿方法的选取都具有极其重要的指导意义和理 论依据。只所以工程地质分区没有在地下矿山应用,作者认为,主要有以下三个方面的原 因。 1. 1 工程地质分区资料难以获取 不同于地表工程,可直接在地表露头搜集较多的地质资料,而地下矿山要获取分区 资料要困难得多。尤其在矿山开拓设计阶段,唯一可参考的地质资料是探矿钻孔。由于探 矿钻孔主要是为了探矿,而很少涉及其它诸如断层,RQD指标等信息,因此,这就使得地 下矿山工程地质分区难以获取必要的分区资料。 1. 2 目前还没有可以采用的工程地质分区方法 尽管目前就地下工程围岩提出很多分类方法 , 如地质力学分类,巴顿分类等 , 但对 Ξ收稿日期 1996209229 本文研究得到中国科学院工程地质力学开放研究实验室的部分资助 第一作者简介高谦,男, 1956年出生,博士,副教授,从事岩石边坡的稳定性研究,可靠度评价研究,地下矿山 工程的地压规律及其控制研究以及人工智能,信息管理项目的研究 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 于要涉及到整个矿区,要获取如此详细的地质资料是不可能的,因此,要直接借用这些分 类方法是行不通的。 1. 3 分区因素难于确定 由于不同的矿山,矿床的成因,赋存条件以及受地质构造作用存在较大的差异,因此, 影响矿岩稳定性的因素也不尽相同,这就使工程分区因素的选取难以有统一模式。 作为对 地下矿山工程地质分区的一种尝试,本文介绍作者在梅山铁矿所进行的地下工程围岩的 稳定性分区研究方法及研究结果。 2 梅山铁矿矿区工程地质概况 梅山铁矿床位于淮阳山字型构造前弧东翼,宁芜断陷盆地的北段,梅山凤凰山构造 岩浆成矿带北西向与滨江构造岩浆带北东向两组构造的交叉部位。 根据岩石成因,岩 性,蚀变程度及工程地质特征的相似性,矿区围岩被划分成8种岩组 1黑云母辉石安山岩夹凝灰岩,凝灰角砾岩岩组 ; 2 凝灰质粉砂岩岩组 ; 3 黑云母 安山岩岩组 ; 4 凝灰角砾岩,集块岩岩组 ; 5 石英角闪石安山岩岩组 ; 6 石英粗面岩岩 组 ; 7 辉绿岩岩组 ; 8 辉长石闪长玢岩岩组。 梅山铁矿为陆相火山岩型富铁矿,赋存于辉石闪长玢岩与安山岩的接触带及其附近。 矿区顶板基本上为辉石安山岩,围岩蚀变强烈,蚀变种类有高岭土化,硅化,碳酸盐化,黄 铁矿化,绢云母化,叶腊石化等。矿体底板为辉石闪长玢岩,也受到不同程度的蚀变,如高 岭土化,碳酸盐化,硅化,透辉石化,石榴子石化及磷灰石化等。 由于蚀变及岩石穿插,使部 分矿体,尤其是矿岩接触带附近的矿岩极其破碎,稳定性极差。 根据矿物分析,蚀变强烈地 段,尤其是高岭土化,绿泥石化,石膏化岩矿,都不同程度的含有膨胀矿物,如伊利石和蒙 脱石等。 矿区的构造也极为发育,主要有如下五组 N E向,N EE向,NWW向NNW向及近 SN向的断裂组,节理裂隙也多以NW向和N E向最为发育。 3 矿区工程稳定分区研究范围及分区图内容 矿区工程稳定性分区是为二期工程开拓设计服务的,其分区结果将为二期的竖井延 伸及待建竖井工程设计,运输巷道选线和已建巷道的稳定性评价提供依据。 由于二期工程涉及到从浅部到深部的整个矿区围岩,如主斜坡道工程,北风井工程 等,因此,此次分区以通过三张平面与三张剖面分区图来显示整个矿区的工程围岩的稳定 状况。其中三张平面图分别显示- 198 m , - 258 m和- 330 m水平的围岩的稳定性分 区,它控制三个运输水平的围岩稳定分布状况;三张剖面图分别为A ,B及C。A剖面为 302勘探线,并北延伸至付井,西延伸至西南风井 ;B 剖面为401勘探线,并向西延伸至西 风井,向东延伸至东南风井 ; C 剖面为408勘探线,并向东延伸至主井。 为分区图清晰明了,重点突出,便于应用,分区图主要显示以下四个方面的内容 602工 程 地 质 学 报第5卷 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1岩性界线 此岩性分界线主要为该矿区上述的八大岩组分界线。此界线主要表现围岩稳定性与 岩性之间的关系。 2大的断裂构造或破碎带 由于大的断裂和破碎带控制构造带附近围岩的稳定性及地下水的流动趋势,这些构 造一般矿山较为重视并查明其位置与产状,因此为了突出这些断裂对工程围岩稳定性的 影响,以便在工程开挖通过断裂破碎带时引起足够的重视和采取相应的超前处理措施, 它是工程稳定分区图的内容之一。 3已经开挖的工程 工程稳定分区图上绘制已开挖的巷道,硐室及其它工程,其目的在于表现工程稳定性 与已开挖工程之间的关系。 一方面,通过已开挖工程的稳定状况来评价工程分区的合理性 与正确性;另一方面,根据已存在工程所处的稳定性分区区域,来评价工程的长期稳定性, 以便对处于不稳固围岩中的工程采取定期调查及变形观测,在必要时进行加固补强。 4工程围岩稳定分区分类界线 该界线是在综合考虑影响所研究矿山的工程围岩稳定的主要因素,采用某些方法或 准则圈定的稳定性不同的几个区域界线。在此,我们采用模糊动态聚类分析方法。 4 工程围岩稳定分区因素选取及因素指标的确定 4. 1 工程围岩稳定分区因素的选取 根据上述,影响矿山矿岩稳定的因素不仅众多,而且各矿山存在较大差异。研究特定 矿山的影响因素,准确的从众多的因素中选择几个主要的作为分区因素,无疑是矿山工程 分区的关键。基于我们对已开挖的- 330 m水平5030 m长巷道稳定状况的调查与分析, 选取了以下三个分区因素 1岩 性 由于不同岩性所含矿物成份和数量存在较大差异,因此,其蚀变种类和蚀变程度也存 在较大差别。 所以,岩性这一因素实际上包含岩块强度,蚀变类型及蚀变程度三个因素。 同 时,由于蚀变类型在一定程度上反映岩石矿物的演变程度和膨胀矿物含量,因此此因素也 反映了围岩膨胀矿物对围岩稳定性的影响。 2节理裂隙发育程度 对于大的断裂构造直接标注于分区图上,而众多的～ ˝ 级节理裂隙也在很大程度 上影响围岩的稳定性。因此,考虑节理裂隙的发育程度作为分区因素之一是必要的。 3地下水 根据已存在工程的破坏调查发现,许多工程的破坏与地下水有关。由此可见,对于梅 山铁矿,地下水对围岩稳定性起到重要作用。调查结果还发现,地下水对围岩稳定性与岩 性对地下水的敏感程度有关,因此,我们选取地下水这一因素时还考虑岩性对地下水的敏 感性这一特点,这才能正确地反映地下水对工程围岩稳定性的影响。 7023期高谦等地下矿山工程围岩稳定性模糊动态聚类分区 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 4. 2 因素指标的确定 在选取了分区因素后,重要的是如何定量化因素指标。 这不仅涉及到定量化的指标是 否确切地反映所选取因素的影响,而且还必须考虑能否获得所确定的定量指标。 此次研究 分区的指导思想就是尽可能利用现有的地质资料,对定性因素采用模糊数学中的隶属度 予以量化。在此基础上,利用计算机进行聚类分析。基于上述考虑和研究,确定了以下分 区因素指标 1岩块单轴干抗压强度指标RC。其值取自矿岩的抗压强度实验,并统计分析后给 出表 1 。 表1 梅山铁矿矿石单轴干抗压强度统计结果 强度单位M Pa Tab. 1 Statistic results of uniaxial compressive strength of ore from M eishan IronM ine 矿石种类样本数最大值最小值均 值均方差变异系数 块状磁铁矿4027525. 6154. 358. 90. 382 浸染状磁铁矿4727020. 298. 557. 00. 579 斑点状磁铁矿317758. 5110. 460。60. 549 角砾状磁铁矿1222016. 086. 462. 20. 720 ②岩体结构效应指标JC。 在此利用模糊数学中的隶属度,采用专家评分方法,确定裂 隙发育程度定量表示的隶属度。同时在分区中,还利用裂隙率,岩芯采取率等地质资料。 综合上述定性及定量信息,确定分区中采用的岩体结构效应因素指标JC。取值见表2。 表2 岩体结构效应因素指标取值表 Tab. 2 V alues of indx for effecting factors of rockmass structure 裂隙发育描述极发育发 育较发育中等发育不发育 裂隙率 4. 54. 5～3. 53. 5～2. 52. 5～1. 5 4025～4010～255～10 5 分区因素指标0. 0～0. 20. 2～0. 40. 4～0. 60. 6～0. 80. 8～1. 0 ③地下水影响指标WS。WS由地下水赋存量W与岩石的软化系数之积确定,即 WSWS 由于地下水赋存量一般多以定性描述,因此,必须先定量化,岩性对水的敏感性采用 岩块抗压强度的软化系数表 3 。 802工 程 地 质 学 报第5卷 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表3 地下水赋存量定性描述隶属度 Tab. 3 V alue of underground water according to description 描 述涌 水淋 水渗 水滴 水干 燥 隶属度0～0. 20. 2～0. 40. 4～0. 60. 6～0. 80. 8～1. 0 5 工程围岩稳定性分区方法及结果 针对梅山铁矿已经投入生产且需要进行二期设计的矿山,本研究提出工程围岩稳定 性分区方法,研究步骤如下 图1 梅山铁矿- 330 m水平工程地质分区图 Fig. 1 Engineering Gelogical zoning map of level at 330 m in M eishanM ine 1资料的搜集整理 由于分区区域涉及范围广, 因此必须尽可能搜集现有的地 质资料,包括定性和定量的资 料,如已开挖工程的地质素描 图,探矿工程钻孔柱状图等。然 后,对获得的资料进行整理分 析。 对定性描述资料采用模糊数 学理论进行因素指标的定量化 处理。 2分区因素选取 对于任何一个矿山,影响工 程围岩稳定性因素很多,而且对 于大部分矿山,由于矿床成因条 件,地质构造存在差异,影响围 岩稳定性因素不尽相同。因此, 必须从众多的因素中选择几个 最重要的因素作为分区因素。 这对于分区结果的合理性是十 分重要的。 3分区因素指标确定及取 值 在选取分区因素之后,必须对分区因素予以定量化,以便能够借助于计算机处理大量 的数据资料。 4分区单元的划分与取值 对进行分区的平面图或剖面图,绘制必要的地质资料;然后按工程地质条件近似或相 同的地段作为独立的地质单元,并确定分区图上的每一地质单元的分区因素指标值;这 样就得到用于分区的样本集。 显然,样本集越大,指标值确定越准确,所得到的分区结果越 9023期高谦等地下矿山工程围岩稳定性模糊动态聚类分区 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 准确。 5 模糊动态聚类分析方法 对于已得到的分区样本集,采用动态聚类分析方法进行分类,步骤如下 ①确定分区数目,根据分区目的与精度确定,一般取3～6; ②确定初始分区; ③计算每一区的重心,并将求得的重心作为初始分区标准; ④计算每一样本地质单元到各区重心的距离,并按最近距离的原则,将样本划分 到最近的一区中; ⑤重新计算各区重心作为新的分区标准; ⑥通过迭代,反复调整每个样本的所属区域,计算新重心,并检查前后二次求得的重 心是否相等或误差在允许范围内。如果满足迭代条件,则停止运算,输出最终分区结果。 上述分区算法已编制成程序,利用计算机很快能给出分区结果。对于梅山铁矿所进 行的六个分区图,共取样本1368个,划分成六区,图1显示- 330 m水平的工程围岩稳定 分区结果。 6 结束语 地下矿山工程围岩工程地质分区目前仍处于研究阶段,针对梅山铁矿特定的工程地 质条件和影响围岩稳定性因素,本文介绍作者及其课题组所从事的研究及其结果。如何 将分区方法予以推广应用还有待于进一步研究。 FUZZY DYNAM IC CLUSTER ANALYSISM ETHOD FOR ZONING OF ENGINEERING ROCKMASS STABI L ITY OF UNDERGROUND M INES Gao Q ian Su Yonghua Su Jing B eijing U niversity of S cience and T echnology,B eijing 100083 Abstract Considering the requirement of the second-stage engineering design in M eishan m ine, the paper a fuzzy dynam ic cluster analysis for zoning of engineering rock2 mass stability of underground m ines and partial result are present.The research in2 volves the acquisition and analysis of geological data, the selection and determ ination of factors for zoning and the application of fuzzy dynam ic cluster analysis for zon2 ing engineering rockmass in undergroundm ines . Key words U nderground m ine, Fuzzy classiffication, Dynam ic zoning. 012工 程 地 质 学 报第5卷 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.