基于模糊c均值聚類(lèi)的采空區(qū)穩(wěn)定性分析

基于模糊c均值聚類(lèi)的采空區(qū)穩(wěn)定性分析

該金礦床采用開(kāi)采法開(kāi)采。經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采活動(dòng)，大量立柱和未處理的黑區(qū)被留下。該礦目前邊角礦塊多,條件好的正規(guī)采場(chǎng)少,為了充分利用寶貴的黃金資源,減少礦石損失,延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限,就必須在確保安全的前提下對(duì)殘留礦柱進(jìn)行二次回收。由于殘留礦柱分散于各采空區(qū)內(nèi),因而,殘采前必須對(duì)各采空區(qū)穩(wěn)定性作充分的比較和評(píng)價(jià)?？諈^(qū)圍巖(含礦柱)應(yīng)力的變化反映了采空區(qū)穩(wěn)定狀況,通過(guò)圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)得到應(yīng)力變化規(guī)律,并應(yīng)用模糊聚類(lèi)分析的方法對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行聚類(lèi)分析,從而就可以對(duì)各采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析比較,最后確定采空區(qū)穩(wěn)定性等級(jí)與維護(hù)采空區(qū)穩(wěn)定性的關(guān)鍵礦柱,研究結(jié)果在工程實(shí)踐中被證明是正確的。1電壓監(jiān)測(cè)1.1測(cè)點(diǎn)布置的一般原則測(cè)量中使用的是R-50型光彈性應(yīng)力計(jì),采用礦山-2型手持反射式光彈儀進(jìn)行觀(guān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)內(nèi)容主要包括應(yīng)力方向、應(yīng)力比及條紋級(jí)數(shù)等,根據(jù)觀(guān)測(cè)結(jié)果應(yīng)用有關(guān)公式即可計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值。測(cè)孔布置總的原則是:布置測(cè)孔的地段應(yīng)在觀(guān)測(cè)期內(nèi)允許人員出入,測(cè)點(diǎn)處巖體較完整。根據(jù)研究目的,在460,500,540三個(gè)中段主要采空區(qū)的巖壁及礦柱(底柱、間柱及少量點(diǎn)柱)內(nèi)布置測(cè)孔,同時(shí)測(cè)孔力求能夠覆蓋不同的工程地質(zhì)區(qū)域及主要礦巖體,因此,在距空區(qū)較遠(yuǎn)的穿、沿脈巷道幫壁也布置了部分測(cè)孔,共埋設(shè)了60個(gè)光應(yīng)力計(jì),獲得400多個(gè)有效觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。1.2計(jì)算限于篇幅,這里僅列出光應(yīng)力計(jì)埋設(shè)15個(gè)月后條紋級(jí)數(shù)一級(jí)以上的部分測(cè)孔的最大次主應(yīng)力值(見(jiàn)表1)。2在不同條件下，兩種艱難聚類(lèi)分析2.1巖體應(yīng)力大小值的確定采場(chǎng)穩(wěn)定性不僅與應(yīng)力變化大小有關(guān),同時(shí)還與應(yīng)力變化率有關(guān),通常的結(jié)論是,在一定時(shí)間內(nèi)條紋級(jí)數(shù)比其它點(diǎn)明顯增高,且其級(jí)數(shù)值明顯高于平均值時(shí),則采場(chǎng)穩(wěn)定性較差,地壓活動(dòng)的可能性較大。實(shí)際上通常所采用的以條紋級(jí)數(shù)說(shuō)明應(yīng)力大小的方法僅適用于所有測(cè)點(diǎn)巖性相同或測(cè)孔巖體彈性模量小于35GPa的場(chǎng)合,因?yàn)榇罅吭囼?yàn)證明當(dāng)巖體彈性模量大于35GPa時(shí),彈性模量的改變對(duì)光應(yīng)力計(jì)靈敏度影響很大。由于該金礦礦巖體為(網(wǎng)脈狀)含金脈石英巖、片麻巖、霏細(xì)(斑)巖、鈉長(zhǎng)斑巖等,其彈性模量一般均大于35GPa,故這里不用條紋級(jí)數(shù)而用最大次主應(yīng)力值及其年變化率定量表示不同時(shí)刻的應(yīng)力變化狀態(tài),研究它與采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系。2.2fcm聚類(lèi)算法的有效性檢驗(yàn)由于采空區(qū)穩(wěn)定性概念本身具有一定的模糊性,同時(shí)穩(wěn)定性與應(yīng)力狀態(tài)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系也是一種模糊關(guān)系,因此采用模糊C均值聚類(lèi)算法(FCM)對(duì)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模糊聚類(lèi)分析,這里采用歐氏距離作為應(yīng)力狀態(tài)相似程度的度量。模糊加權(quán)指數(shù)m控制著隸屬度的分配和聚類(lèi)的模糊程度,要使用FCM算法分析數(shù)據(jù)就必須選取合適的m值。對(duì)此,已有若干文獻(xiàn)進(jìn)行過(guò)論述,但大多為經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)結(jié)論。文獻(xiàn)利用模糊決策理論提出了一種FCM聚類(lèi)算法中加權(quán)指數(shù)m的優(yōu)選方法,并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一般情況下m的最佳取值范圍為[1.5,2.5]。當(dāng)分類(lèi)數(shù)C值確定后,可在m的最佳取值范圍內(nèi),按一定步長(zhǎng)進(jìn)行聚類(lèi)有效性檢驗(yàn),進(jìn)而確定最佳的m值,實(shí)際應(yīng)用中一般取區(qū)間中值即可滿(mǎn)足要求。由于采用單一的指標(biāo)往往難以作出最優(yōu)聚類(lèi)結(jié)果的判斷,因而有必要采用多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)效果檢驗(yàn)。對(duì)于采用歐氏距離的二維空間,可采用模糊超體積、平均劃分密度、模糊熵和分類(lèi)系數(shù)作為聚類(lèi)有效性檢驗(yàn)指標(biāo),經(jīng)聚類(lèi)有效性檢驗(yàn)將所有測(cè)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)分為5類(lèi),如圖1所示,聚類(lèi)結(jié)果見(jiàn)表2。3采空區(qū)的穩(wěn)定性分析3.1采空區(qū)聚類(lèi)分析結(jié)果由圖1和表2可知,1類(lèi)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化率為負(fù)值,說(shuō)明測(cè)點(diǎn)圍巖處于卸載區(qū),2類(lèi)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化率最大值只有0.54MPa,且最大次主應(yīng)力為所有類(lèi)別中最小的,故將這兩類(lèi)測(cè)點(diǎn)所屬區(qū)域定為穩(wěn)定區(qū);3,4類(lèi)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化率及最大次主應(yīng)力均小于5類(lèi),其中3類(lèi)聚類(lèi)中心最大次主應(yīng)力比1類(lèi)稍小,但應(yīng)力變化率比1類(lèi)明顯增大,4類(lèi)最大次主應(yīng)力與5類(lèi)最為接近,但應(yīng)力變化率明顯小于5類(lèi),實(shí)際上屬于相對(duì)高壓區(qū),這兩類(lèi)測(cè)點(diǎn)所屬區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定到不穩(wěn)定的過(guò)渡區(qū);5類(lèi)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化率與最大次主應(yīng)力比前4類(lèi)都大,所屬區(qū)域?yàn)椴环€(wěn)定區(qū)。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)聚類(lèi)分析的結(jié)果,將采空區(qū)穩(wěn)定性劃分為3個(gè)等級(jí),Ⅰ級(jí)為不穩(wěn)定區(qū),Ⅱ級(jí)為過(guò)渡區(qū),Ⅲ級(jí)為穩(wěn)定區(qū),從以上穩(wěn)定性等級(jí)劃分過(guò)程可知,采空區(qū)所屬穩(wěn)定性等級(jí)只是相對(duì)其它采空區(qū)而言的,不是絕對(duì)的。礦柱應(yīng)力變化狀態(tài)屬于4,5類(lèi)的為主要承載礦柱即關(guān)鍵礦柱,如圖2所示,圖中數(shù)字為采場(chǎng)編號(hào),符號(hào)“X”代表關(guān)鍵礦柱的大體位置。對(duì)于新增測(cè)點(diǎn)或原測(cè)點(diǎn)二次應(yīng)力出現(xiàn)新變化時(shí),只要計(jì)算二次應(yīng)力狀態(tài)與各類(lèi)聚類(lèi)中心的歐氏距離,就可以大致判斷巖體穩(wěn)定性的發(fā)展趨勢(shì)。3.2關(guān)鍵礦柱的校核對(duì)于空?qǐng)霾傻V法,礦柱是反映及決定采場(chǎng)整體穩(wěn)定狀態(tài)的重要結(jié)構(gòu)單元,其中關(guān)鍵礦柱是最主要的承載礦柱,保持該礦柱良好的穩(wěn)定狀態(tài)是避免相鄰礦柱連鎖式破壞造成采場(chǎng)垮塌的重要保證。關(guān)鍵礦柱的形成常與相鄰采場(chǎng)地壓活動(dòng)密切相關(guān),圖2中表示的6個(gè)不穩(wěn)定采空區(qū)中有4個(gè)底柱和2個(gè)間柱為關(guān)鍵礦柱,原因是沿礦體走向4651,4653采場(chǎng)在光應(yīng)力計(jì)觀(guān)測(cè)前,先后發(fā)生了不同程度的頂板冒落,屬于應(yīng)力拱的卸壓區(qū),卸壓區(qū)兩側(cè)礦柱位于應(yīng)力拱的應(yīng)力集中區(qū),這正是460中段關(guān)鍵礦柱所在部位;5052,5053采場(chǎng)在大量放礦時(shí)頂板發(fā)生冒落,5054采場(chǎng)由于頂板霏細(xì)巖脈穿插造成塌頂,致使應(yīng)力向相鄰采場(chǎng)轉(zhuǎn)移,540中段L36～L42的關(guān)鍵礦柱正是位于沿礦體傾向應(yīng)力拱的應(yīng)力集中區(qū)。由此可知,關(guān)鍵礦柱處在采空區(qū)應(yīng)力集中部位,承擔(dān)著應(yīng)力集中區(qū)大量荷載。因而,對(duì)于不回采的關(guān)鍵礦柱要校核其強(qiáng)度,必要時(shí)應(yīng)采取加固措施,而對(duì)于含礦量大、品位高的礦柱則必須事先對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理(如膠結(jié)充填)或采取其它安全措施后,才能進(jìn)行礦柱回采,否則采空區(qū)由穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定的可能性極大。實(shí)踐證明這種判斷是正確的,如5426和5023兩個(gè)采空區(qū)在觀(guān)測(cè)期內(nèi)屬于過(guò)渡區(qū),但這兩個(gè)采場(chǎng)底柱均為關(guān)鍵礦柱,回采底柱后不久頂板即發(fā)生冒落,由于事先采取了一系列措施,沒(méi)有發(fā)生安全事故。460中段11號(hào)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)于4644采空區(qū)鋼筋混凝土底柱內(nèi),該測(cè)點(diǎn)是所有測(cè)點(diǎn)中條紋級(jí)數(shù)變化最大的,在埋設(shè)光應(yīng)力計(jì)5個(gè)月后,條紋級(jí)數(shù)就達(dá)到2.33級(jí),最大次主應(yīng)力方向平行于混凝土柱的軸線(xiàn)即垂直于采場(chǎng)頂板,為該采空區(qū)的關(guān)鍵礦柱。3個(gè)月后觀(guān)測(cè)時(shí)已被壓裂,裂紋平行于最大次主應(yīng)力方向,與之相鄰的4655采場(chǎng)尚有部分存窿礦,其上盤(pán)圍巖還是發(fā)生了垮塌,由于設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土底柱未被破壞,4644采場(chǎng)至今仍未發(fā)生冒落現(xiàn)象。4制定采空區(qū)預(yù)處理方