基于聲波測(cè)試的礦柱穩(wěn)定性模糊推理系統(tǒng)及其應(yīng)用

1、第23卷 第11期 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 23(11)：18041809 2004年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June，2004基于聲波測(cè)試的礦柱穩(wěn)定性模糊推理系統(tǒng)及其應(yīng)用趙 奎1，2 萬(wàn)林海2 饒運(yùn)章1 饒 俊1 朱建新1(1南方冶金學(xué)院環(huán)境與建筑工程學(xué)院 贛州 341000) (2華北水利水電學(xué)院巖土工程系 鄭州 450008)摘要 分析了礦柱波速變化與載荷之間的關(guān)系以及礦柱破裂區(qū)分布與波速分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系，討論了礦柱波速與其穩(wěn)定性之間的模糊不確定性的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論建立了以完整系數(shù)為輸入變量、礦

2、柱穩(wěn)定程度及局部破壞可能性為輸出變量的模糊推理系統(tǒng)。將該推理系統(tǒng)應(yīng)用于浙江遂昌金礦礦柱穩(wěn)定性聲波測(cè)試工程實(shí)踐中，得到的推理結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本一致，即使在聲波測(cè)點(diǎn)較少的情況下，系統(tǒng)仍具有良好的推理效果。關(guān)鍵詞 采礦工程，聲波測(cè)試，礦柱穩(wěn)定性，模糊推理，波速分類號(hào) TD 801 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1000-6915(2004)11-1804-06FUZZY REASONING SYSTEM OF PILLAR STABILITY BASEDON SONIC WAVE MEASUREMENT AND ITS APPLICATIONZhao Kui12，Wan Linhai2，Rao Yu

3、nzhang1，Rao Jun1，Zhu Jianxin1 ，(1Faclty of Environment and Construction Engineering，Southern Inst. of Metallurgy， Ganzhou 341000 China)(2Geology Department，North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power， Zhengzhou 450008 China)Abstract The relationship between wave velocity and l

4、oad in a pillar，and corresponding relationship between fracture zone and wave velocity distribution are analyzed. The fuzziness of wave velocity and stability of a pillar is also discussed. Furthermore，fuzzy reasoning system is established using fuzzy mathematical theory. In the system，rock integral

5、ity coefficients are used as input variables and stability of pillar and possibility of partial failure of pillar are used as two output variables. The system is applied to Suichang Gold Mine in Zhejiang province and good results are obtained even if measurement points are not enough.Key words minin

6、g engineering，sonic wave measurement，stability of pillar，fuzzy reasoning，wave velocity聲電轉(zhuǎn)換的測(cè)試技術(shù)，屬于一種現(xiàn)代物理技術(shù)，是1 引 言聲波(從低頻聲波到高頻超聲波)不僅對(duì)各類巖石都有一定的穿透力和分辨力，而且它在介質(zhì)中傳播時(shí)，與介質(zhì)相互作用，使接收波中攜帶了與巖石物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)的各種信息。所以，聲波是一種理想的信息載體。聲波法主要應(yīng)用聲學(xué)原理，采用2002年4月18日收到初稿，2002年8月7日收到修改稿。 物理方法；它的基礎(chǔ)又是彈性波力學(xué)，反映介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特性，因而對(duì)于解決工程地質(zhì)評(píng)價(jià)，尤其是

7、巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)問(wèn)題比較適用1。目前聲波測(cè)試技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程巖體分類、分級(jí)，地下工程圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，巷道圍巖或邊坡巖體松弛帶范圍探測(cè)，礦柱穩(wěn)定性測(cè)定等16。 礦柱聲波測(cè)試多采用穿透法，在礦柱嚴(yán)重破壞作者 趙 奎 簡(jiǎn)介：男，1969年生，碩士，1992年畢業(yè)于南方冶金學(xué)院礦業(yè)系采礦工程專業(yè)，現(xiàn)為博士研究生，主要從事巖體工程穩(wěn)定性方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：yglmf_zk。第23卷 第11期 趙 奎等. 基于聲波測(cè)試的礦柱穩(wěn)定性模糊推理系統(tǒng)及其應(yīng)用 1805·致使聲波穿透距離縮短或兩測(cè)點(diǎn)距離較大時(shí)，則用 錘擊法增大穿透距離。一般在礦柱四壁布置發(fā)射和接收測(cè)點(diǎn)，按順序縱橫向?qū)y(cè)和

8、斜向測(cè)試，構(gòu)成網(wǎng)狀的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，即可控制礦柱各部位的聲波轉(zhuǎn)播情況。測(cè)線的疏密程度根據(jù)礦柱穩(wěn)定狀況和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件確定，對(duì)結(jié)構(gòu)面復(fù)雜或不穩(wěn)定部位，則需適當(dāng)加密。通常將測(cè)試得到的礦柱各測(cè)線巖體縱波速度繪制成網(wǎng)狀波速圖和橫斷面圖，并據(jù)此對(duì)礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行分區(qū)和整體穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)2。實(shí)際上目前利用聲波測(cè)試結(jié)果對(duì)礦柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)還處于經(jīng)驗(yàn)判斷階段，沒(méi)有建立一種根據(jù)礦柱縱波速度對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析的具有普遍意義的具體方法、步驟，尤其對(duì)于受現(xiàn)場(chǎng)條件限制難以加大測(cè)線密度的情況，經(jīng)驗(yàn)判斷方法主觀因素的影響更為顯著，同時(shí)一般技術(shù)人員也不易掌握。本文首先分析了礦柱體縱波速度與所受壓力之間的關(guān)系以及礦柱破裂區(qū)分布特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)

9、上建立了具有普遍適用性的礦柱穩(wěn)定性縱波速度(波速)模糊推理系統(tǒng)，最后將該推理系統(tǒng)應(yīng)用于浙江遂昌金礦殘留礦柱穩(wěn)定性分析中。礦柱穩(wěn)定狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)觀察與分析表明：模糊推理結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本一致。2 礦柱波速變化及其分布特點(diǎn)2.1 礦柱波速變化與壓力的關(guān)系決定巖石波速的兩個(gè)主要因素是密度和巖石的平均相對(duì)原子量2。對(duì)于巖體來(lái)說(shuō)，除巖石本身的特性影響外，巖體內(nèi)的各種節(jié)理、裂隙等地質(zhì)不連續(xù)面對(duì)波速有著顯著的影響5。同時(shí)，由于礦柱大多處于單向或雙向受壓狀態(tài)，這種受壓柱體波速分布特征以及引起其波速值變化的主導(dǎo)因素又有別于其他圍巖體。利用聲波速度對(duì)礦柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的方法也不同于一般巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)，就特定的礦柱穩(wěn)定性

10、聲波測(cè)試而言，巖石的平均相對(duì)原子量、含水率等物理參數(shù)可以認(rèn)為是不變的，礦柱應(yīng)力狀態(tài)的變化引起的裂隙變形、擴(kuò)張改變了巖石的密度和剛 度，裂隙的變形、擴(kuò)張是影響波速變化的主導(dǎo)因 素。巖石單軸壓縮情況下，沿加壓方向低壓力階段波速增加明顯，隨壓力的增加波速變化緩慢6，7；垂直于加壓方向波速一般是隨壓力的增加而逐漸降低，在低壓階段有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)波速增加，然后持續(xù)下降。圖1為石灰?guī)r單軸加載試驗(yàn)結(jié)果6，圖中虛線為沿加載方向波速，實(shí)線為垂直加載方向波速?，F(xiàn)場(chǎng)巖體單軸加載試驗(yàn)表明：由于巖體受壓使節(jié)理裂隙閉合和充填物壓縮，低壓階段與巖石相比波速增加得更為顯著，超過(guò)一定壓力后波速變化規(guī)律則與巖石試驗(yàn)基本相同。文7研究

11、結(jié)果表明：巖石中微裂紋的擴(kuò)展對(duì)沿加壓方向(柱體軸向)聲學(xué)參數(shù)影響甚小，對(duì)垂直加壓方向(柱體側(cè)向)聲學(xué)參數(shù)影響較大；而裂紋的閉合正好相反。據(jù)此，結(jié)合圖1可推知：沿受壓柱體軸向在低壓階段微裂紋閉合量較大，隨壓力的增加微裂紋閉合量逐漸減小，而微裂紋的擴(kuò)展程度則隨壓力的增加不斷加劇，即隨壓力的增加礦柱側(cè)向波速比軸向波速變化更為顯著。這也是現(xiàn)場(chǎng)礦柱聲波測(cè)試大多以監(jiān)測(cè)側(cè)向波速為主的重要原因。81s7· mk /p6 V速 波5 020406080單軸應(yīng)力/ MPa圖1 石灰?guī)r單軸加壓試驗(yàn)Fig.1 Uniaxial compression test of limestone2.2 礦柱波速分布特

12、點(diǎn)礦柱側(cè)向波速分布的一般規(guī)律是靠近礦柱邊緣部分聲速低，形成松弛帶；靠近核心部分礦柱聲速高。松弛帶與柱核區(qū)范圍是評(píng)價(jià)礦柱穩(wěn)定性的重要依據(jù)之一2。新南威爾士大學(xué)礦業(yè)學(xué)院的H. Moomivand和V. S. Vutukuri作了大量礦柱抗壓模型試驗(yàn)，結(jié)果表明8：礦柱破裂區(qū)呈對(duì)稱的三角錐形，如圖2所示。圖中W為礦柱寬度，H為礦柱高度，X為礦柱破裂寬度，W1為礦柱核區(qū)寬度；為破裂角，并且隨著礦柱寬高比的增加，破裂角近似為常 數(shù)。由此可知，礦柱破裂寬度X與礦柱高度H成正比關(guān)系，這一推論與文9推導(dǎo)的理論計(jì)算公式結(jié)果是一致的。由圖2可得WH=0.5W1X+2ctan (1) 考慮計(jì)算礦柱強(qiáng)度的通用公式： 1

13、806 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2004年圖2 礦柱高度與破裂區(qū)關(guān)系Fig.2 Relationship between fracture zone and height of pillarWc=clA+B H (2)式中：c為礦柱抗壓強(qiáng)度，cl為立方體柱試樣抗壓強(qiáng)度；A，B，為常系數(shù)。聯(lián)立式(1)，(2)可得c=A+BW0.51X+2ctan(3) cl式(3)表明：礦柱抗壓強(qiáng)度隨柱核區(qū)與破裂區(qū)寬度比值的增加而增加。由于波速與巖體破裂程度有良好的相關(guān)關(guān)系，文2試驗(yàn)研究結(jié)果證明巖體與巖石的波速比與巖體裂隙頻率呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.93。這就為根據(jù)礦柱實(shí)測(cè)波速值與巖石波速值分析礦柱邊緣破裂區(qū)巖體

14、破碎程度，并以此評(píng)價(jià)礦柱穩(wěn)定性，提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。3 礦柱穩(wěn)定性模糊推理系統(tǒng)的建立已有的理論和試驗(yàn)表明：礦柱波速值越小則礦柱破裂越嚴(yán)重，波速變化率越大則礦柱受開采擾動(dòng)的程度越劇烈，反之亦然；礦柱邊緣部分波速一般低于柱核區(qū)波速，當(dāng)柱核區(qū)波速變化率較大，波速值接近礦柱破壞時(shí)的柱核區(qū)波速值時(shí)，則礦柱處于不穩(wěn)定狀態(tài)。這種礦柱波速與其穩(wěn)定性之間的關(guān)系目前尚處在定性分析階段，其主要原因在于影響波速諸多因素及這些因素與波速的關(guān)系都存在著大量的模糊不確定性。主要表現(xiàn)在：(1) 已有的試驗(yàn)結(jié)論僅能得出波速下降時(shí)的應(yīng)力范圍，即為巖體強(qiáng)度的30%70%，而沒(méi)有一個(gè)確切的對(duì)應(yīng)值6；(2) 巖體初始應(yīng)力對(duì)波速有著顯

15、著影響10，而作為巖體賦存環(huán)境的地應(yīng)力本身就具有模糊不確定性11；(3) 巖體內(nèi)各種節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面直接影響著穿過(guò)它的波速5，而巖體結(jié)構(gòu)面性質(zhì)及其分布皆表現(xiàn)出隨機(jī)性、模糊性的特征10；(4) 目前建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上的巖體波速值與巖體破碎程度或完整性的對(duì)應(yīng)關(guān)系也只是一個(gè)大概范圍，如常采用的龜裂系數(shù)指標(biāo)劃分巖體結(jié)構(gòu)類型的方法，使得礦柱破裂區(qū)、柱核區(qū)范圍的確定同樣具有明顯的模糊不確定性特點(diǎn)。對(duì)于含有大量不確定性因素的巖石力學(xué)問(wèn)題，就需要借助模糊數(shù)學(xué)、灰色理論、人工智能(專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))等不確定性分析方法進(jìn)行研 究11。模糊推理是一種不確定性的推理方法，是采用模糊邏輯由給定的輸入到輸出的映射過(guò)

16、程。模糊邏輯具有容許使用非精確性數(shù)據(jù)、可以對(duì)任意復(fù)雜的非線性函數(shù)建模等特有的優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)了目前所知的許多人工智能要素12。由于輸入、輸出變量首先要經(jīng)過(guò)模糊化處理，這種模糊化過(guò)程就是將已有的不太精確的知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)處理為計(jì)算機(jī)能夠接受的信息的過(guò)程，所以模糊邏輯能夠充分運(yùn)用已有的信息，且對(duì)信息量本身并無(wú)特別要求?；谶@種原因，本文根據(jù)已有的有關(guān)數(shù)據(jù)和浙江遂昌金礦礦柱波速測(cè)試數(shù)據(jù)，采用模糊推理方法進(jìn)行礦柱穩(wěn)定性研究。(1) 輸入變量模糊化如前所述，裂隙變形、擴(kuò)張是引起礦柱波速變化的主要因素，因此以礦柱各測(cè)線計(jì)算得到的礦、巖體完整系數(shù)(即巖體、巖石試件波速比的平方)作為輸入變量，以此反映受壓柱體內(nèi)節(jié)理、

17、裂隙的擴(kuò)張或閉合的程度。輸入變量包括裂隙擴(kuò)張、無(wú)明顯變化及閉合3個(gè)模糊量。模糊隸屬度均采用高斯型隸屬度函數(shù)：f(x，c)=exp(xc)222 (4) 其中參數(shù)的確定依據(jù)是：首先，保證相鄰模糊量的交點(diǎn)不低于0.5；其次，根據(jù)巖體完整性描述與完整系數(shù)對(duì)照表2確定最模糊點(diǎn)(如完整系數(shù)為0.75時(shí)，巖體屬于完整和中等完整的分界點(diǎn)，確定該值作為裂隙擴(kuò)張與無(wú)明顯變化輸入的最為模糊的點(diǎn))。函 數(shù)曲線如圖3所示。(2) 輸出變量模糊化模型中有2個(gè)輸出。其一是對(duì)礦柱整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，包括：穩(wěn)定、中等穩(wěn)定和極不穩(wěn)定3個(gè)模糊量。其二是對(duì)礦柱邊角局部破壞的判斷，包括：不破壞、局部可能破壞、局部破壞3個(gè)模糊量。兩個(gè)輸出

18、隸屬度均取三角形函數(shù)，變量定義在0，20范圍內(nèi)，輸出的所有變量隸屬度函數(shù)曲線如圖4所示。第23卷 第11期 趙 奎等. 基于聲波測(cè)試的礦柱穩(wěn)定性模糊推理系統(tǒng)及其應(yīng)用 1807·裂隙擴(kuò)張 無(wú)明顯變化裂隙閉合1.0度屬0.5隸入 輸 0.0 0.00.51.01.5 2.0完整系數(shù)圖3 輸入變量隸屬度函數(shù)曲線Fig.3 Subordinate function curves of fuzzy sets of inputvariables極不穩(wěn)定 中等穩(wěn)定 穩(wěn)定 (局部破壞) (局部可能破壞)(不破壞)1.0度 屬隸 出輸 0.50.05101520礦柱整體/局部穩(wěn)定性賦值圖4 輸出變量隸

19、屬度函數(shù)曲線Fig.4 Subordinate function curves of fuzzy sets of outputvariables(3) 模糊推理的Mamdani法Mamdani推理法本質(zhì)上與Zadeh最早提出的推理合成法則相同，只是模糊蘊(yùn)含關(guān)系(模糊算子)形式有所不同，其輸入是前件被滿足的程度，輸出是一個(gè)模糊集。模糊合成則將每個(gè)規(guī)則輸出的模糊集作為輸入，這些模糊集經(jīng)合成后得到的一個(gè)綜合模糊集作為輸出，最后將綜合模糊集確定為數(shù)值的形式輸出，即反模糊化。這里采用中心法作為反模糊化方法。假定有4個(gè)輸入變量：輸入1、輸入2 為靠近礦柱邊部測(cè)線測(cè)定的完整系數(shù)，輸入3、輸入4為靠近礦柱中心

20、部分測(cè)線測(cè)定的完整系數(shù)，則用“矩陣”形式表示的模糊推理規(guī)則為 輸入 1 輸入2 輸入3 輸入4輸出1 輸出2 閉合閉合 穩(wěn)定 不破壞擴(kuò)張 擴(kuò)張 無(wú)明顯變化 無(wú)明顯變化 穩(wěn)定擴(kuò)張擴(kuò)張擴(kuò)張 閉合 閉合 中等穩(wěn)定 擴(kuò)張 擴(kuò)張 擴(kuò)張 極不穩(wěn)定 擴(kuò)張擴(kuò)張局部破壞無(wú)明顯局部破壞 無(wú)明顯變化變化 可能破壞由于礦柱靠近邊部各輸入(或靠近中心部分各輸入)在推理系統(tǒng)中是等價(jià)的，因此，當(dāng)實(shí)際輸入變量個(gè)數(shù)變化時(shí)，只需增加或減少規(guī)則中相應(yīng)的輸入個(gè)數(shù)即可，已有規(guī)則不變，從而使得該推理系統(tǒng)具有良好的通用性。輸入輸出曲線或曲面能夠直觀地顯現(xiàn)模糊推理過(guò)程，同時(shí)也可以檢驗(yàn)規(guī)則、隸屬度選取的合理性。對(duì)應(yīng)4個(gè)輸入、2個(gè)輸出的推理系統(tǒng)

21、共有8個(gè)輸入輸出曲線，12個(gè)輸入輸出曲面。經(jīng)輸入輸出曲線、曲面檢驗(yàn)：輸入1與輸入2、輸入3與輸入4具有等價(jià)性，單輸入曲線以及輸入1(或2)與輸入3(或4)的輸入輸出曲面均為遞增函數(shù)，說(shuō)明隸屬度及規(guī)則的確定是合理的。4 應(yīng)用實(shí)例4.1 聲波監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置與監(jiān)測(cè)結(jié)果浙江省遂昌金礦由于多年采用留礦法開采，留下了大量殘留礦柱和未經(jīng)處理的空區(qū)。為了安全有效地回采殘留礦柱，就有必要對(duì)礦柱回采過(guò)程中相鄰礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行研究?，F(xiàn)場(chǎng)共布置了3組測(cè) 點(diǎn)，分別位于50326，5051，4641采場(chǎng)的部分殘留礦柱，礦柱橫斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。采用SYC-2型聲波儀，用黃油作為探頭和巖體之間的耦合劑，用錘擊法增加聲波穿透

22、距離，波速監(jiān)測(cè)結(jié)果及波速變化率見(jiàn)表1。表中：VP1，VP2，VP3分別為第13次的測(cè)量波速值(間隔約4個(gè)月)，波速變化率VP21 = (VP2VP1)/VP1×100%，VP32 = (VP3VP2)/VP2× 100%。5051采場(chǎng)底柱50326采場(chǎng)底柱 4641采場(chǎng)底柱圖5 測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.5 Location of measurement points4.2 模糊推理結(jié)果與分析測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，由建立的礦柱穩(wěn)定性模糊推理系統(tǒng)得到礦柱穩(wěn)定性推理結(jié)果如表2所示。工程實(shí)踐表明：表2的結(jié)果與實(shí)際情況是基本一致的。 1808 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2004年表1 礦柱聲波測(cè)試

23、結(jié)果Table 1 Measurement results of wave velocity of pillars項(xiàng)目 4641采場(chǎng)底柱底柱A測(cè)線 VP1/ km·s15051采場(chǎng)底柱底柱B底柱C3-2 2-1 3-1 1-3 2-3 1-3 1-4 2-3 2-4 1-2 5.210 4.247 5.315 5.873 5.701 4.467 4.715 4.651 4.243 6.526 5.373 4.227 5.257 4.560 5.091 3.158 3.410 3.549 2.568 5.601 3.130.471.0922.3610.7029.3027.6823.69

24、39.4814.17VP2/ km·s1VP21 / %項(xiàng)目 50326采場(chǎng)底柱 測(cè)線 VP1/ km·s11-2 3-6 3-7 3-8 4-6 4-7 4-8 5-6 5-7 5-8 4.748 5.690 5.930 7.278 4.968 8.784 7.608 4.426 8.781 7.236 4.891 5.144 5.057 6.987 3.985 8.350 7.362 5.849 7.458 6.551 4.794 5.087 4.938 7.050 3.970 8.317 7.323 3.01 1.989.60 1.11-14.724.0019.794

25、.94 0.4003.23 0.5332.1515.079.47VP2/ km·s1VP3/ km·s1VP21 / % VP32 / %-2.35 0.900 0.38表2 礦柱穩(wěn)定性、局部破壞性模糊推理結(jié)果Table 2 Reasoning results of stability and partial failure of pillars穩(wěn)定性測(cè)試 次數(shù)4641采場(chǎng) 底柱50326采場(chǎng)底柱5051采場(chǎng) 底柱A5051采場(chǎng)底柱B5051采場(chǎng)底柱C4641采場(chǎng) 底柱50326采場(chǎng) 底柱5051采場(chǎng) 底柱A5051采場(chǎng) 底柱B局部破壞性1 10.1 15.6 10.3 7

26、.94 11.40 5.46 4.28 9.90 5.44 2 10.0 13.1 8.07 3.12 11.70 5.37 3.53 8.65 2.18 3 11.24.31(1) 4641采場(chǎng)及其東部的4644采場(chǎng)已采完放空，采空區(qū)用廢石充填并澆筑了混凝土底柱和間 柱。底柱第一次測(cè)試時(shí)，4641采場(chǎng)下部中段采場(chǎng)4241，4244采場(chǎng)及其頂柱回采結(jié)束不久，測(cè)試前，測(cè)點(diǎn)所在的穿脈巷道與采場(chǎng)交匯處曾發(fā)生了片幫冒頂，說(shuō)明420中段頂柱回采對(duì)上部中段空區(qū)穩(wěn)定性影響較大，應(yīng)力向上部中段底柱轉(zhuǎn)移。2-1測(cè)線部位為面臨采空區(qū)的礦柱尖角，該處是礦柱波速降低區(qū)，完整系數(shù)為0.54，局部可能破壞。這里正是已發(fā)生

27、片幫冒頂?shù)牟课?。同時(shí)，由于測(cè)試在局部地壓發(fā)生之后，應(yīng)力調(diào)整后達(dá)到新的平衡狀態(tài)，所以兩次測(cè)試結(jié)果很接近。因此，在未發(fā)生新的擾動(dòng)之 前，礦柱為中等穩(wěn)定狀態(tài)是符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的。(2) 第一次測(cè)試時(shí)，5051采場(chǎng)底柱A西端的底柱正在回采，測(cè)得底柱A，C的平均波速高于礦石平均波速5.75 km/s。波速升高表明西端底柱的回采使應(yīng)力向相鄰底柱轉(zhuǎn)移，從而使得受壓底柱內(nèi)部裂隙閉合。西端底柱回采后即第二次測(cè)試時(shí)，底柱波速均降低，其中底柱A靠近回采礦柱的1側(cè)與底柱B的波速降低幅度最大。由光彈應(yīng)力計(jì)觀測(cè)結(jié)果可知，底柱回采后相鄰礦柱應(yīng)力在增加，因此，波速的下降是礦柱受壓導(dǎo)致裂隙逐漸發(fā)展、增多引起的，而不是應(yīng)力降低的結(jié)果

28、。這也說(shuō)明：對(duì)于礦柱穩(wěn)定性，波速最能反映其節(jié)理、裂隙情況，以節(jié)理裂隙發(fā)展?fàn)顩r作為模糊推理系統(tǒng)的輸入信息是可行的。位于中間的底柱B橫截面積約為底柱A，C的1/2，兩次測(cè)得的波速均比兩側(cè)礦柱低，說(shuō)明高度相同時(shí)小礦柱比大礦柱強(qiáng)度低，更易發(fā)生脆性破壞，這與文13理論分析的結(jié)果是一致的。底柱B邊緣部分波速低于中心部分，說(shuō)明形成了受壓的柱核 區(qū)，且西端底柱回采后柱核區(qū)波速顯著下降，該礦第23卷 第11期 趙 奎等. 基于聲波測(cè)試的礦柱穩(wěn)定性模糊推理系統(tǒng)及其應(yīng)用 1809·柱處于極不穩(wěn)定、即將破壞的狀態(tài)。由于小礦柱邊緣和中間部分波速均小于3.549 km/s，尚未完全破壞，因此，該波速值可以作為其

29、他礦柱安全程度參照值。另外，礦柱B穩(wěn)定性值為3.12，邊部局部破壞值為2.14，由此可得對(duì)應(yīng)于極不穩(wěn)定的隸屬度約為0.4，對(duì)應(yīng)于局部破壞的隸屬度約為0.6。礦柱穩(wěn)定狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果是礦柱表面有輕微剝落、中心部分未出現(xiàn)明顯裂縫，這與模糊推理結(jié)果是比較接近的。底柱C由于距離西端回采礦柱相對(duì)最遠(yuǎn)，波速變化不大，總體穩(wěn)定程度屬于中等以上。(3) 50326采場(chǎng)底柱3次測(cè)試的平均波速均大于巖石波速，特別是靠近礦柱中心部分穿透速度都在7 km/s以上，因此，礦柱有著明顯的應(yīng)力集中，但核區(qū)巖體整體完整性非常好。第2次測(cè)試時(shí)是在下部中段46324采場(chǎng)頂柱回采之后，50326采場(chǎng)底柱正在回采，與第1次測(cè)試結(jié)果

30、相比，波速變化率較大，平均為5.84%，最大在5-6測(cè)線，為32.15%，但礦柱波速仍然較高，最小的4-6測(cè)線波速達(dá)到3.985 km/s。底柱回采結(jié)束后的第3次測(cè)試時(shí)波速仍在下降，但與第2次測(cè)試相比，下降量很小，波速最大變化率為2.35%，說(shuō)明底柱回采后應(yīng)力重新調(diào)整過(guò)程已基本完成。礦柱尖角處常常是礦柱破壞的突破口。就50326采場(chǎng)底柱測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，在10個(gè)測(cè)線中，只有位于尖角處的1-2，5-6測(cè)線波速第二次高于第一次，說(shuō)明礦柱體在該部位尚處于微裂隙壓密實(shí)階段，巖體破壞時(shí)其波速必然是下降的，因此，尖角處波速升高說(shuō)明尚未達(dá)到破壞階段，這與礦柱處于中等穩(wěn)定以上的模糊推論結(jié)果也是一致的。5 結(jié) 語(yǔ)本文根據(jù)聲波測(cè)試結(jié)果建立了礦柱穩(wěn)定性模糊推理系統(tǒng)。由于系統(tǒng)輸入、輸出變量有關(guān)參數(shù)及推理規(guī)則是在查閱大量文獻(xiàn)資料和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基礎(chǔ)上反復(fù)校驗(yàn)確定的，因此，對(duì)于硬巖地下礦柱穩(wěn)定性分析均有一定的適用性。礦柱靠近邊部各輸入變量與靠近中心部位各輸入變量等價(jià)性的特點(diǎn)，使得該推理系統(tǒng)具有良好的通用性，同時(shí)輸出結(jié)果簡(jiǎn)單明 瞭，便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員的理解和掌握。