礦山地壓災害預警及預警模型可視化研究

尹彥波,李愛兵

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

礦山地壓災害預警及預警模型可視化研究

尹彥波,李愛兵

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

論述了礦山地壓災害預警研究的必要性,介紹了礦山地壓災害預警研究現狀,提出了災害預警研究方法。同時,建立了基于灰色理論模型、Verhulst模型、Verhulst反函數模型、突變理模型的礦山地壓災害預警系統,并通過程序編制實現了數字可視化災害預警管理系統。災害預警模型程序可視化的實現,為礦山地壓災害預警和安全管理提供強有力的技術支持。

礦山地壓;災害預警;預警模型;可視化

1 礦山災害預警研究現狀

礦山工程災害的頻繁發生,增強了人們對礦山災害防治的意識。在災害防治中,災害信息的管理及災害的監測預警是人們目前重點關注的技術問題,地質災害的監測預警預報方法當前還局限于一般的總結歸納,且由于監測儀器空間布置的分散性、監測數據類型的多樣性與多源性,給長期的數據管理與災害分析帶來了困難。常規的分析方法不能解決高度非線性巖體的穩定性預測預報難題,不能進行實時的地壓災害預測預報,需要引進非線性科學理論方法,需在災害的發生機理和誘發機理研究上有所突破,迫切需要在常規方法的基礎上,在現代非線性理論指導下創新方法。

我國對地質災害的研究由來己久,對單一災種如泥石流的預警研究也早就開始,但“災害預警”作為一個綜合性的科學概念在最近幾年才出現,對它的研究也剛開始。總體說來,迄今災害預警的研究尚處于初級階段:大部分僅限于對概念的定義;大多將災害預警與災害的臨災預報狹義的等同,臨災預報手段的研究遠多于對災害規律的研究;缺乏對災害預警的系統研究,預警手段的可靠性低。

目前國內外對礦山災害預警機理的研究一般基于所謂的黑箱、灰箱、白箱理論。以黑箱或灰箱理論為基礎的災害預警無論從理論還是從實踐的角度來看,不應也不會成為礦山地壓災害預警的主要發展方向,只能在特定條件下才能采用。

總之,在礦山災害預警的研究中,災變規律的研究應該是基礎,災害的臨界預報應建立在災變規律研究的基礎之上。從災害的力學本質出發,建立正確反映災變規律的非線性數理模型,利用災變規律研究成果來進行災害的臨災預報,并提出減災控災措施,應該成為礦山地壓災害預警研究的必然思路。

2 礦山災害預警研究方法

進行礦山地壓災害預警前提是工程地質調查、評價和穩定性論證、理論分析、地壓監測等,其目的:一是為了評價巖土工程的實際穩定性,工程設計、施工和加固的有效性;二是為信息化施工,及時進行信息反饋。地壓監測具體的步驟為:建立現場監測網,收集實時動態的監測數據,再將收集的監測數據資料進行一般的歸類整理,借用一些常規的預測分析方法,如回歸分析方法、經驗公式法、臨界值方法、灰色預測等,進行巖土工程的穩定性預測預報分析,實現對礦山災害的預警,進而可以對地壓災害防治措施的效果進行檢驗。

從數學的角度看,預警的目標事件具有4種數學性質,即確定性、隨機性、模糊性和不確定性。針對目標事件的4種數學性質,可以建立4種相應的災害預警系統的數學模型。確定性模型,對確定性了解遠多于其它3種性質,用數學來描述確定性也最成功;隨機性模型描述目標事件出現的可能性,其中心是概率;模糊性模型描述目標事件的模糊性,模型中關鍵因素是隸屬度;不確定性模型,目前對于目標事件的不確定性,還沒有相應的數學處理手段,或者說還不存在不確定性數學這個學科,人們對不確定性的認識還處于混沌狀態。

對礦山地壓災害的預警研究可以歸納為3個層次、兩個步驟、兩種方法和一個目的。3個層次的第1層次可稱為前效預警,即在圍巖體發生損傷之前對巖體的應力應變狀態及其變化趨勢進行預測,其目的是避免巖體破壞的發生;第2層次可稱之為后效預警,即可控制的地壓災害預警,允許巖體損傷的發生,其預警的目的是通過采取工程措施以避免工程體結構產生破壞;第3層次可稱為臨災預警,即對不可逆轉的工程災害進行災前實時預報,目的是避免造成人員和財產的損害(或將損害減至最小)。兩個步驟的第1步是對地壓災害進行準確預測預報;第2步是控災或減災工程措施的實施。兩種方法是主動監測和被動監測,其中以主動監測為主,被動監測為輔。一個目的則是效益最優化原則。

礦山地壓災害預警要以長期預警研究為主要對象,以災變規律數學模型的建立為研究重點,主要研究手段是對主動監測與被動監測相結合的監測體系所提供的信息源進行分析與反分析,建立完善的礦山地壓災害預警系統,提供災害臨災預報和工程處理對策的基本思路與方法,實現決策最優化目標。

3 礦山災害預警模型及其可視化

本文運用非線性科學理論模型對礦巖體的穩定性進行預警可視化研究,涉及的非線性科學理論主要有灰色理論預測模型、分形理論模型、突變模型(尖點突變模型)、Verhulst模型、Verhulst反函數模型等。為了方便礦山地壓監測的數據管理,建立了礦山地質災害信息管理數據庫,并采用灰色理論、Verhulst模型、Verhulst反函數模型、突變理論等模型對數據庫中所監測的數據進行分析研究,對未來可能發生的情況進行預警。

礦山地壓災害預警主程序流程主要是:通過VisualBasic程序建立后臺礦山地壓監測數據庫,并及時將數據錄入(導入)信息數據庫中,可以按照不同要求對數據庫中的數據進行查詢并保存結果,繪制并保存實時動態曲線,對數據進行灰色、突變、Verhulst、Verhulst反函數預測模型分析,計算預測結果并繪制數據曲線,將結果保存輸出,礦山地壓災害預警主程序結構流程如圖1所示,預警模型所具備的基本可視化應用功能如圖2所示。

4 結 論

圖1 礦山災害預警主程序流程

圖2 礦山地壓災害預警模型可視化功能

礦山地壓災害是地下工程中最基本的災害類型,預警系統的研究是礦山地壓災害研究的最重要的內容之一。本研究以礦山地壓災害預警為主要研究內容,論述了礦山地下工程開挖所引起的圍巖局部失穩破壞、災變規律和災害預警的研究程式,建立了礦山地壓災害預警分析可視化模型,編制了礦山地壓災害預警分析軟件,將其應用到礦山工程實際中可取得良好的效果,能有效的為礦山安全生產提供技術保障。

[1]尹彥波.巖石失穩與地壓災害的非線性動力學分析研究[D].長沙:長沙礦山研究院,2006,3.

[2]方建勤地下工程開挖災害預警系統的研究[D].長沙:中南大學,2004,5.

[3]李鴻吉.Visual Basic6.0中文版編程方法詳解[M].北京:科學出版社,2001.

[4]李愛兵.基于GIS的金屬礦山地質災害預警系統研究與開發[J].礦業研究與開發,2006,12(S1).

2009-11-23)

尹彥波(1980-),男,湖南新化人,碩士,工程師,主要從事巖石力學,采礦,礦山地壓災害預測、預報的研究。