基于未确知测度理论的采空区危险性评价研究
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鉴于此，采空区稳定性的安全评价显得尤为重 要。国内外很多学者在此方面做出了卓有成效的贡 献，主要包括对地下采空区进行精确探测技术的研 究[6，7]和采空区稳定性安全评判研究等。在采空区 危险性评价方面，主要有综合评判法[8]、灰色定权 聚类法[9]、灰色关联分析方法[10]及神经网络方法[11] 等。虽然目前发展出很多方法，然而，采空区危险
指 标 X j 的 测量值 。对 每个子项 xij (i = 1，2， ，
n； j = 1，2， ，m) ，假设有 p 个评价等级 {C1，
C2， ，C p} 。
评价空间记为 U ，则有 U = {C1，C2， ，Cp} 。
设 Ck (k = 1， 2， ，p) 为第 k 级评价等级，且 k 级
比 k +1 级危险等级“高”，记作 Ck ＞ Ck+1 。若满足
Changsha，Hunan 410083，China)
Abstract：Based on the uncertainty measurement theory，a risk-evaluating and order-arranging model of mining underground goaf was established. Considering the geologic condition and engineering status of underground goaf，14 factors that influence the stability of underground goaf were taken into account；and uncertainty measurement function was obtained based on the in-situ data. The uncertainty problems in risk evaluation were solved by qualitative analysis and quantitative analysis respectively. Entropy theory was used to calculate the index weight of factors；and credible degree recognition criteria were established according to the theory uncertainty measurement. The results of risk evaluation can be obtained with the credible degree criteria. This method can also arrange the order of risk degree. Furthermore，this model was employed to evaluate 15 risk underground goafs in Dabaoshan mine. Compared with the results of fuzzy synthetic evaluation method，the results show that uncertainty measurement method is reasonable and can be applied to the actual engineering. Key words：mining engineering；underground goaf；uncertainty measurement；credible degree recognition criterion；risk evaluation
C1 ＞ C2 ＞ C3 ＞…＞ Ck ，称{C1，C2， ，C p} 是评价
空间 U 的一个有序分割类[14]。
2.1 单指标测度
若 μijk = μ(xij ∈ Ck ) 表示测量值 xij 属于第 k 个
评价等级 Ck 的程度，且要求满足：
0≤ μ(xij ∈ Ck ) ≤1
(1)
μ(xij ∈U ) = 1
1引言
人类对矿产资源的获取大多是通过地下开采方
式获得的，在开采过程中应用房柱法、全面法及留 矿法等空场类方法采矿，通常会形成大量的地下采 空区[1，2]。特别是自 20 世纪 80 年代以来，我国矿
收稿日期：2007–06–27；修回日期：2007–09–14 基金项目：国家自然科学基金重大项目(50490274)；高校博士点基金项目(20060533011)；中南大学研究生学位论文创新选题资助项目(1343–77238) 作者简介：宫凤强(1979–)，男，2003 年毕业于中南大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事矿山、岩土工程灾害预测、稳定性及可靠性分析 方面的研究工作。E-mail：fengqiangg@126.com
价。研究结果表明，该方法科学合理，意义明确，可以在实际工程中进行推广应用。
关键词：采矿工程；采空区；未确知测度；置信度识别准则；危险性评价
中图分类号：TD 327
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2008)02–323–08
UNDERGROUND GOAF RISK EVALUATION BASED ON UNCERTAINTY MEASUREMENT THEORY
简称测度[14]。
称矩阵 (μijk )m×p 为单指标测度评价矩阵，且有
⎡ μi11 μi12 … μi1p ⎤
(μijk )m× p
=
⎢ ⎢
μi
21
⎢
μ i 22
…
μi
2
p
⎥ ⎥
⎥
(4)
⎢⎢⎣μim1
μim1
…
μimp
⎥ ⎥⎦
2.2 指标权重的确定
在此，需要确定各项指标的权重。设 wj 表示测 量指标 X j 与其他指标相比具有的相对重要程度，
2 未确知测度计算理论
设某评价对象 R 有 n 个，则评价对象空间
R = {R1，R2， ，Rn} 。对于每个评价的对象 Ri (i =
1，2，
，n)
有m
个单项评价来自百度文库标空间，即
X
=
{
X
，
1
X2，，Xm} 。 则 Ri 可 表 示 为 m 维 向 量 Ri = {xi1，
xi2，…，xim} ，其中， xij 表示研究对象 Ri 关于评价
第 27 卷 第 2 期 2008 年 2 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.27 No.2 Feb.，2008
基于未确知测度理论的采空区危险性评价研究
宫凤强 1，2，李夕兵 1，2，董陇军 1，2，刘希灵 1，2
性评价的难点在于许多因素的不确定性和隐蔽性， 如何将这些不确定的信息考虑在内并进行分析，是 值得研究的一个重要问题。在这方面，未确知数学 理论提供了一个比较好的途径。
未确知信息及其数学处理理论最早是由王光 远[12]于 1990 年提出的，它是一种不同于模糊信息、 随机信息和灰色信息的新的不确定性信息。在此基 础上，刘开第等[13]建立了未确知数学理论，并将该 理论运用到社会科学和自然科学中。在未确知数学 的应用研究中，成果最多的是未确知测度评价模型 的应用[14～17]。本文借鉴未确知测度评价模型的理论 和思想，将未确知数学理论运用到采空区危险性评 价问题中，可以解决采空区危险性评价系统中诸多 因素不确定性问题，还能对其进行定量分析。本文 针对采空区的实际情况，首先基于未确知测度理论 构造了未确知测度模型，计算了各评价指标的未确 知测度值；然后利用信息熵理论确定了采空区危险 性影响因素的权重；最后用置信度准则进行判别评 价。利用该模型对广东省大宝山矿区 15 个采空区进 行危险性评价，并与模糊数学评价结果对比，研究 结果表明该方法较为理想和实用，为采空区危险性 的评价提供了一种新的思路。
中的诸多不确定性影响因素，根据实际情况，分别对其进行定性、定量分析，并利用熵计算各影响因素的指标权
重，依照置信度识别准则进行等级判定，最后得出采空区危险性的评价结果。评价方法能解决采空区危险性评价
中诸多因素不确定性问题，还可以按危险程度进行排序。将该方法应用于广东省大宝山矿 15 个采空区的危险性评
GONG Fengqiang1，2，LI Xibing1，2，DONG Longjun1，2，LIU Xiling1，2
(1. School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China； 2. Hunan Key Laboratory of Resources Exploration and Hazard Control for Deep Metal Mines，Central South University，
(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；2. 中南大学 深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点实验室，湖南 长沙 410083)
摘要：基于未确知测度理论，建立矿山采空区的危险性等级评价和排序模型。从地质条件和工程状况出发，考虑
影响采空区稳定性的 14 项因素，根据实测数据建立各影响因素的未确知测度函数。该模型针对采空区危险性评价
m
∑ 要求 wj 满足：0≤ wj ≤1，且 wj =1，称 wj 为 X j 的 j=1
(2)
第 27 卷 第 2 期
宫凤强，等. 基于未确知测度理论的采空区危险性评价研究
• 325 •
∪ ∑ μ
⎡ ⎢xij
∈
k
Cl
⎤ ⎥
=
k
μ(xij ∈Cl )
⎣
⎦ l =1
l =1
(k = 1， 2， ，p) (3)
式(2)称为“归一性”，式(3)称为“可加性”。满足
式(1)～(3)的 μ 称为未确知测度(uncertainty measure)，
• 324 •
岩石力学与工程学报
2008 年
业开采秩序较为混乱，非法、无规划的乱采、滥挖 在一些国有矿山周边留下了大量的不明采空区。目 前，采空区已经成为影响矿山安全生产最主要的危 害源之一，也是安全生产中的两大隐患之一[3，4]。
目前我国大多数矿山，譬如广西大厂矿区、甘 肃厂坝铅锌矿、铜陵狮子山铜矿、河南栾川钼矿、 云南兰坪铅锌矿和广东大宝山矿等许多矿山都存在 大量的采空区，严重影响了矿山的安全生产。地下 采空区对工程的危害是显著的，主要体现在两个方 面[5]：一个危害表现在采空区顶板大面积冒落，造 成地表沉陷和开裂，破坏地面环境和影响露天作业； 如 2004 年 5 月 20 日峄城石膏矿区发生顶板塌陷事 故。矿区塌陷的面积 14.47×104 m2、总质量超过 230×104 t，冒落的体积约 100×104 m3。2004 年 11 月 6 日，河北邢台尚汪庄康立石膏矿发生坍塌事故， 造成太行、林旺两矿生活区部分房屋倒塌，33 人死 亡、4 人失踪，直接经济损失达 744 万元。另一个 危害是矿山开采过程中，采空区围岩受爆破震动影 响导致岩体裂隙发育，甚至贯通地表或连通老窿积 水，发生突水事故，从而淹没坑道和工作面，造成 损失。2001 年 7 月 17 日凌晨，广西南丹拉甲坡矿 发生特大透水事故，酿成震惊全国的“7·17”矿难 所属，导致这 2 个矿山同时被淹，死亡 81 人，直接 经济损失达 8 000 万元。此外，采空区引发的环境 工程地质问题，对矿区生产、城市、交通、管线、 水体运动会产生严重影响，对农村农耕地的破坏也 不容忽视。其中有代表性的金属矿山有[4]：凡口铅 锌矿因疏干产生地表塌陷 1 982 个，范围达 675 km2， 受损农田约 66.7 km2，建筑物撤迁 7 km2；山东莱州 马塘金矿因开采导致地表严重塌陷，致使莱州～招 远的国家级公路遭受严重的塌陷破坏而中断交通， 民房被毁；金川集团有限公司二矿区虽然采用了充 填法开采，但其地表已出现明显的张裂缝和岩层错 动痕迹，这表明采场上覆岩层移动已发展到地表， 并随着开采深度的增加有不断扩大的趋势。因此， 采空区是目前矿山尤其是非煤矿山安全生产中的非 常值得重视的一个问题。
指 标 X j 的 测量值 。对 每个子项 xij (i = 1，2， ，
n； j = 1，2， ，m) ，假设有 p 个评价等级 {C1，
C2， ，C p} 。
评价空间记为 U ，则有 U = {C1，C2， ，Cp} 。
设 Ck (k = 1， 2， ，p) 为第 k 级评价等级，且 k 级
比 k +1 级危险等级“高”，记作 Ck ＞ Ck+1 。若满足
Changsha，Hunan 410083，China)
Abstract：Based on the uncertainty measurement theory，a risk-evaluating and order-arranging model of mining underground goaf was established. Considering the geologic condition and engineering status of underground goaf，14 factors that influence the stability of underground goaf were taken into account；and uncertainty measurement function was obtained based on the in-situ data. The uncertainty problems in risk evaluation were solved by qualitative analysis and quantitative analysis respectively. Entropy theory was used to calculate the index weight of factors；and credible degree recognition criteria were established according to the theory uncertainty measurement. The results of risk evaluation can be obtained with the credible degree criteria. This method can also arrange the order of risk degree. Furthermore，this model was employed to evaluate 15 risk underground goafs in Dabaoshan mine. Compared with the results of fuzzy synthetic evaluation method，the results show that uncertainty measurement method is reasonable and can be applied to the actual engineering. Key words：mining engineering；underground goaf；uncertainty measurement；credible degree recognition criterion；risk evaluation
C1 ＞ C2 ＞ C3 ＞…＞ Ck ，称{C1，C2， ，C p} 是评价
空间 U 的一个有序分割类[14]。
2.1 单指标测度
若 μijk = μ(xij ∈ Ck ) 表示测量值 xij 属于第 k 个
评价等级 Ck 的程度，且要求满足：
0≤ μ(xij ∈ Ck ) ≤1
(1)
μ(xij ∈U ) = 1
1引言
人类对矿产资源的获取大多是通过地下开采方
式获得的，在开采过程中应用房柱法、全面法及留 矿法等空场类方法采矿，通常会形成大量的地下采 空区[1，2]。特别是自 20 世纪 80 年代以来，我国矿
收稿日期：2007–06–27；修回日期：2007–09–14 基金项目：国家自然科学基金重大项目(50490274)；高校博士点基金项目(20060533011)；中南大学研究生学位论文创新选题资助项目(1343–77238) 作者简介：宫凤强(1979–)，男，2003 年毕业于中南大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事矿山、岩土工程灾害预测、稳定性及可靠性分析 方面的研究工作。E-mail：fengqiangg@126.com
价。研究结果表明，该方法科学合理，意义明确，可以在实际工程中进行推广应用。
关键词：采矿工程；采空区；未确知测度；置信度识别准则；危险性评价
中图分类号：TD 327
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2008)02–323–08
UNDERGROUND GOAF RISK EVALUATION BASED ON UNCERTAINTY MEASUREMENT THEORY
简称测度[14]。
称矩阵 (μijk )m×p 为单指标测度评价矩阵，且有
⎡ μi11 μi12 … μi1p ⎤
(μijk )m× p
=
⎢ ⎢
μi
21
⎢
μ i 22
…
μi
2
p
⎥ ⎥
⎥
(4)
⎢⎢⎣μim1
μim1
…
μimp
⎥ ⎥⎦
2.2 指标权重的确定
在此，需要确定各项指标的权重。设 wj 表示测 量指标 X j 与其他指标相比具有的相对重要程度，
2 未确知测度计算理论
设某评价对象 R 有 n 个，则评价对象空间
R = {R1，R2， ，Rn} 。对于每个评价的对象 Ri (i =
1，2，
，n)
有m
个单项评价来自百度文库标空间，即
X
=
{
X
，
1
X2，，Xm} 。 则 Ri 可 表 示 为 m 维 向 量 Ri = {xi1，
xi2，…，xim} ，其中， xij 表示研究对象 Ri 关于评价
第 27 卷 第 2 期 2008 年 2 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.27 No.2 Feb.，2008
基于未确知测度理论的采空区危险性评价研究
宫凤强 1，2，李夕兵 1，2，董陇军 1，2，刘希灵 1，2
性评价的难点在于许多因素的不确定性和隐蔽性， 如何将这些不确定的信息考虑在内并进行分析，是 值得研究的一个重要问题。在这方面，未确知数学 理论提供了一个比较好的途径。
未确知信息及其数学处理理论最早是由王光 远[12]于 1990 年提出的，它是一种不同于模糊信息、 随机信息和灰色信息的新的不确定性信息。在此基 础上，刘开第等[13]建立了未确知数学理论，并将该 理论运用到社会科学和自然科学中。在未确知数学 的应用研究中，成果最多的是未确知测度评价模型 的应用[14～17]。本文借鉴未确知测度评价模型的理论 和思想，将未确知数学理论运用到采空区危险性评 价问题中，可以解决采空区危险性评价系统中诸多 因素不确定性问题，还能对其进行定量分析。本文 针对采空区的实际情况，首先基于未确知测度理论 构造了未确知测度模型，计算了各评价指标的未确 知测度值；然后利用信息熵理论确定了采空区危险 性影响因素的权重；最后用置信度准则进行判别评 价。利用该模型对广东省大宝山矿区 15 个采空区进 行危险性评价，并与模糊数学评价结果对比，研究 结果表明该方法较为理想和实用，为采空区危险性 的评价提供了一种新的思路。
中的诸多不确定性影响因素，根据实际情况，分别对其进行定性、定量分析，并利用熵计算各影响因素的指标权
重，依照置信度识别准则进行等级判定，最后得出采空区危险性的评价结果。评价方法能解决采空区危险性评价
中诸多因素不确定性问题，还可以按危险程度进行排序。将该方法应用于广东省大宝山矿 15 个采空区的危险性评
GONG Fengqiang1，2，LI Xibing1，2，DONG Longjun1，2，LIU Xiling1，2
(1. School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China； 2. Hunan Key Laboratory of Resources Exploration and Hazard Control for Deep Metal Mines，Central South University，
(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；2. 中南大学 深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点实验室，湖南 长沙 410083)
摘要：基于未确知测度理论，建立矿山采空区的危险性等级评价和排序模型。从地质条件和工程状况出发，考虑
影响采空区稳定性的 14 项因素，根据实测数据建立各影响因素的未确知测度函数。该模型针对采空区危险性评价
m
∑ 要求 wj 满足：0≤ wj ≤1，且 wj =1，称 wj 为 X j 的 j=1
(2)
第 27 卷 第 2 期
宫凤强，等. 基于未确知测度理论的采空区危险性评价研究
• 325 •
∪ ∑ μ
⎡ ⎢xij
∈
k
Cl
⎤ ⎥
=
k
μ(xij ∈Cl )
⎣
⎦ l =1
l =1
(k = 1， 2， ，p) (3)
式(2)称为“归一性”，式(3)称为“可加性”。满足
式(1)～(3)的 μ 称为未确知测度(uncertainty measure)，
• 324 •
岩石力学与工程学报
2008 年
业开采秩序较为混乱，非法、无规划的乱采、滥挖 在一些国有矿山周边留下了大量的不明采空区。目 前，采空区已经成为影响矿山安全生产最主要的危 害源之一，也是安全生产中的两大隐患之一[3，4]。
目前我国大多数矿山，譬如广西大厂矿区、甘 肃厂坝铅锌矿、铜陵狮子山铜矿、河南栾川钼矿、 云南兰坪铅锌矿和广东大宝山矿等许多矿山都存在 大量的采空区，严重影响了矿山的安全生产。地下 采空区对工程的危害是显著的，主要体现在两个方 面[5]：一个危害表现在采空区顶板大面积冒落，造 成地表沉陷和开裂，破坏地面环境和影响露天作业； 如 2004 年 5 月 20 日峄城石膏矿区发生顶板塌陷事 故。矿区塌陷的面积 14.47×104 m2、总质量超过 230×104 t，冒落的体积约 100×104 m3。2004 年 11 月 6 日，河北邢台尚汪庄康立石膏矿发生坍塌事故， 造成太行、林旺两矿生活区部分房屋倒塌，33 人死 亡、4 人失踪，直接经济损失达 744 万元。另一个 危害是矿山开采过程中，采空区围岩受爆破震动影 响导致岩体裂隙发育，甚至贯通地表或连通老窿积 水，发生突水事故，从而淹没坑道和工作面，造成 损失。2001 年 7 月 17 日凌晨，广西南丹拉甲坡矿 发生特大透水事故，酿成震惊全国的“7·17”矿难 所属，导致这 2 个矿山同时被淹，死亡 81 人，直接 经济损失达 8 000 万元。此外，采空区引发的环境 工程地质问题，对矿区生产、城市、交通、管线、 水体运动会产生严重影响，对农村农耕地的破坏也 不容忽视。其中有代表性的金属矿山有[4]：凡口铅 锌矿因疏干产生地表塌陷 1 982 个，范围达 675 km2， 受损农田约 66.7 km2，建筑物撤迁 7 km2；山东莱州 马塘金矿因开采导致地表严重塌陷，致使莱州～招 远的国家级公路遭受严重的塌陷破坏而中断交通， 民房被毁；金川集团有限公司二矿区虽然采用了充 填法开采，但其地表已出现明显的张裂缝和岩层错 动痕迹，这表明采场上覆岩层移动已发展到地表， 并随着开采深度的增加有不断扩大的趋势。因此， 采空区是目前矿山尤其是非煤矿山安全生产中的非 常值得重视的一个问题。