基于DEMATEL-ISM的采空区稳定性影响因素研究_苑东亮.pdf

基于 DEMATEL-ISM 的采空区稳定性影响因素研究*苑东亮，贺琳，任连伟，田道坡，顿志林（河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作454003）摘要：为提高采空区稳定性风险管理水平，针对采空区的复杂性和不确定性特点，从采空区自身条件、水文地质和环境3个维度提取25个指标，建立采空区稳定性影响因素指标体系；运用决策实验室分析法（DEMATEL），研究影响因素之间的交互耦合作用，计算影响因素的中心度和原因度，识别出关键因素；进一步利用解释结构模型（ISM）划分因素的层次结构，构建多级递阶结构模型。结果表明：深厚比、顶板岩性和地质构造是采空区稳定性的主要影响因素；采动程度、顶板暴露面积和矿柱比值是采空区稳定性的直接致因；岩体基本质量是采空区稳定性的本质致因，其余因素为过渡致因，对本质致因须加强预防和管控。关键词：采空区；稳定性；DEMATEL；ISM；影响因素中图分类号：TD325文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 005 04Study on Influencing Factors of Goaf Stability Based on DEMATEL-ISMYUAN Dongliang,HE Lin,REN Lianwei,TIAN Daopo,DUN Zhilin(College of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)Abstract：In order to improve the risk management level of goaf stability,according to the complexityand uncertainty characteristics of goaf,25 indexes are extracted from three dimensions of goafconditions,hydrogeology and environment,and the index system of influencing factors of goaf stabilityis established.The DEMATEL method is used to study the interaction between the influencing factors,and the centrality and causality of the influencing factors are calculated to identify the key factors.Furthermore,the hierarchical structure of factors is divided based on ISM,and a multi-levelhierarchical structure model is established.The results show that depth-thickness ratio,roof lithologyand geological structure are the main influencing factors of goaf stability.Mining degree,roof exposurearea and pillar ratio are the direct causes of goaf stability.Basic quality of rock is the essential cause ofgoaf stability,and the remaining factors are transitional causes.The prevention and control of essentialcauses must be strengthened.Key words:goaf;stability;DEMATEL;ISM;influencing factor第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0020引言我国地下矿山采空区总量大且分布范围广，是矿山事故的主要危险源之一。采空区的大量存在严重威胁到矿产资源生产安全和人民生命财产安全。一方面，采空区的失稳会引发透水事故、山体滑坡、岩爆、冒顶等灾害。另一方面，会导致高速公路、高速铁路、机场线路、输电线路等国家重大公共基础设施受到严重损坏。因此，进行采空区稳定性研究具有重要理论和现实意义。目前国内外研究的内容主要是模拟计算采空区的变形、破坏规律，进行采空区稳定性的风险评价和等级划分，传统的研究方法主要有力学解析法、综合评价法、相似物理模型试验法和数值模拟分析法。但是对于复杂的系统问题，往往会受到研究人员不同知识水平、经验和主观性的影响，运用传统的方法已经无法实现科学准确的分析，因此本文充分考虑DEMATEL和ISM的优劣，采用集成DEMATEL和ISM分析采空区稳定性影响因素，识别关键因素，梳理因素间的内在联系，构建层次结构模型，确定直接致因、过渡致因和本质致因，以期为采空区稳定性风险管理提供决策依据和参考。1采空区稳定性影响因素识别首先，通过CNKI、万方数据库、Web of Science等数据库检索“采空区稳定性”“采空区地基活化”“采空区稳定性评价”“采空区风险”等关键词，依据与本文研究内容的相关性，对涉及“采空区沉陷、变形”“采空区危险辨识”“采空区灾害防治”等稳定性问题研究的文献进行筛选，选取在国内外具有重大影响力的学术论文和优秀硕博论文100余篇研读。然后，在文献调研的基础上，借鉴GB 510442014煤矿采空区岩土工程勘察规范和GB 511802016煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范等相关标准。再者，通过国家矿山安全监察局收集并选取近3 a公布具有代表性的重大事故调查报告。最后，对期刊文献、政策文件、事故报告3方面的资料归纳总结，得到采空区稳定性影响因素的维度划分，主要分为采空区自身条件、水文地质和环境3个方面，初步识别得到采空区稳定性影响因素25个。为消除个人主观造成所识别因素具有不合理*国家自然科学基金项目（U1810203）5性，采用德尔菲法邀请6名从事采空区研究的专家（1名教授，3名副教授，2名采空区施工企业技术人员）按照与专家面对面访谈和编制专家问卷的方式保证初选的25个采空区稳定性影响因素的准确性、独立性。经过与专家讨论（考虑到水文地质维度中，岩石抗压强度和RQD值均为评价岩体质量的指标，故将两者合并为岩体基本质量；环境维度中，地表作业设备大小与功率、岩层上方外力大小两因素与采空扰动情况存在一定程度的重叠和包含关系，故仅保留采空扰动情况这一因素）最终确定22个采空区稳定性影响因素，构建采空区稳定性影响因素指标体系，如图1所示。图1采空区稳定性影响因素指标体系2DEMATEL-ISM的集成分析DEMATEL法是以图论和矩阵论为依据，利用专家知识和经验对复杂系统因素间的影响关系大小进行综合分析的方法。ISM法是在DEMATEL法的基础上，将复杂系统分解为若干子系统，基于布尔代数运算等，将系统转化为清晰明了的层次结构，最终构建多层递阶结构模型。通过DEMATEL法计算构建的影响关系矩阵，得到影响因素的影响度、被影响度、中心度和原因度指标，识别关键因素。考虑因素的自身影响，引入阈值进行修正，获得ISM法所需的可达矩阵，对因素间的层次关系进行分析。鉴于2种方法所具有的特点，集成DEMATEL-ISM方法已成为系统分析和决策的重要工具。具体实施步骤：（1）因素集F=F1,F2Fn，n为影响因素数量。（2）建立直接影响矩阵R。假设邀请m名专家对影响因素进行两两比较评判，设第q名专家给出的因素Fi对因素Fj的影响程度记为rijq，评分采用04打分法，即0、1、2、3、4分别为无影响、影响低、一般、影响大、影响非常大。采用平均法处理专家评分以消除打分存在的个体差异，得到直接影响矩阵R=1mmq=1rijq（1）（3）对矩阵R规范化处理，得到规范化直接影响矩阵C，并可得综合影响矩阵T=tijnn。C=1maxnj=1rijR（2）T=lim(C+C2+C3Cn)=C(I-C)-1（3）式中I单位矩阵。（4）计算影响度fi、被影响度ei、中心度Mi和原因度Ni。fi=nj=1tij(i=1,2n)（4）ei=ni=1tij(j=1,2n)（5）Mi=fi+ei(i=1,2n)（6）Ni=fi-ei(i=1,2n)（7）影响度fi表示第i个因素对其他因素的综合影响；被影响度ei表示第i个因素受其他因素的综合影响；中心度Mi表示第i个因素在系统中的作用和重要程度，中心度越大，该因素重要性越高；原因度Ni表示第i个因素在系统中与其他因素的因果关系。Ni0，表示第i个因素是原因因素，对其他因素有影响作用，Ni0，表示第i个因素是结果因素，受到其他因素的影响，且Ni的绝对值越大，影响（被影响）作用越大。鉴于采空区稳定性影响因素之间的复杂性，通过增加如下限定条件来对中心度和原因度进行判断，以删减在系统中重要性和关联性均较低的因素。Mi1nni=1Mi且Ni1nni=1Ni（8）其中，和的取值一般为0.751，本文取=0.85。（5）计算整体影响矩阵H。删去满足限定式（8）的元素，得到新的综合影响矩阵T，计算整体影响矩阵H=I+T=hijnn（9）（6）计算可达矩阵K=kijnn。为简化整体影响矩阵中重要度较低的因素，引入阈值，按照统计分布的方法计算，阈值=+（10）式中T所有因素的均值；T所有因素的标准差。矩阵元素kij1,hij0,hij(i=1,2n;j=1,2n)（11）当kij=1时，因素Fi对因素Fj有直接影响；kij=0时，因素Fi对因素Fj无直接影响。（7）建立层次结构模型。通过可达矩阵确定出可达集X(Fi)、先行集Y(Fi)、共同集Q，重复式（14），依次删除已分层因素，直至所有影响因素层级结构划分完成。X(Fi)=Fj|FjF,kij=1(i=1,2n)（12）Y(Fi)=Fj|FjF,kji=1(i=1,2n)（13）Q=Fi|FiF,X(Fi)Y(Fi)=X(Fi)(i=1,2n)（14）当kji=1，因素Fj对因素Fi有直接影响；kji=0时，因素Fj对因素Fi无直接影响。3实证分析为验证DEMATEL-ISM集成方法的科学性，以基于DEMATEL-ISM的采空区稳定性影响因素研究苑东亮，等第42卷第02期Vol.42 No.021inn采空区稳定性影响因素指标体系采空区自身条件水文地质环境开采方式F1采空区实际体积F12开采深度F2深厚比F3重复采动F4采动程度F5煤层倾角F6表土层厚度F7停采时间F8顶板暴露面积F9矿柱比值F10顶板岩性F11工程布置F13岩体基本质量F14岩体结构F15地下水状况F16地质构造F17相邻空区情况F18采空扰动情况F19暴露时间F20围岩支护F21地形地貌F226河南省新密市某校区采空区场地地基处理工程为例，应用本文构建的采空区稳定性影响因素指标体系，开展采空区稳定性影响因素研究。基于前文识别出的22个影响因素，本文采用专家访谈法确定每个元素的得分。但已有文献对集成DEMATEL-ISM方法选取专家数量的下限没有具体说明，因此本文采访专家数量只能依据以往学者研究的成功案例。王文和等在对城市地下综合管廊火灾事故影响因素研究中选择5名专家，刘慧等依据国际期刊的成功案例对专家人数进行了详细论述，专家人数在4到10人就能达到预期效果，选择4或5人的情况较多。因此，本文邀请5名从事采空区领域的专家（3名来自于高校，2名来自于施工企业管理层）对22个影响因素赋值，得到直接影响矩阵R（限于篇幅原因，仅给出部分数据）。R=0 1.8 1.4 0.2 1.4 2.41100