基于礦山開采工程的水文地質災害預警系統設計

汪 洋

（江西省煤田地質局一九五地質隊，江西 南昌 330200）

針對礦山資源的需求量也逐步增多，對于礦山工程的安全問題的關注度愈加提高。

當下國內在實施開采礦山工程時由于水文地質災害等因素造成的人員傷亡人數一直高居不下，除了相關開采工作人員的安全意識較薄弱以外，主要原因在于有關水文地質災害的預警系統設計不夠完善。以江西某地區為例，地質災害因素與其他礦山事故存在差異，可通過提前監測實現災害預警，采用多種方式的防護措施降低地質災害帶來的破壞，將損失量降至最低?；诘V山開采工程的水文地質災害預警系統的實現對社會經濟發展存在較大效益，但以往的預警系統設計均停留在理論基礎階段，對于其實用性需要進一步完善。

1 基于礦山開采工程的水文地質災害預警系統設計

以江西某地區為例，此系統是針對災害監測平臺對信息數據的收集，并對收集的信息進行分析研究，結合水文地質災害模型，將整合的數據與災害警戒線做出對比報告，對江西某礦山的水文地質災害進行預測。該系統的設計主要分成硬件設計與軟件設計兩大部分，其中硬件的設計包括收集信息的感知器，交換機和數據反饋的顯示器，軟件系統設計包括水文地質災害預測算法設計及對數據的處理子系統等[1]。整體系統框架如下圖1。

圖1 水文之地災害預警系統設計

如上述圖1所示，災害預警系統主要通過在監控地點使用對應的災害探測器，對傳感器收集的數據進行整理匯總分析，結合系統的整體框架，對突發性水文地質災害進行實時的預測，對警戒參數設置最高值和最低值，將傳感器收集的數據進行計算機的實時成像，通過系統的軟件設計實現數據的參數分析，將整理的參數反饋至硬件傳感設備，與設定的參數范圍進行比對，若參數數值高于閾值的最高線，即觸動預警系統發生警報，提醒相關工作人員立刻采取有效措施，若參數數值低于閾值最低線，近似看做該數值為無效數值。數值處于參數范圍內，表示存在水文地質災害，但不會造成較大影響，可提前采取對應的防范措施。

1.1 系統運行環境及探測器設置

水文地質災害預警系統包含災害監測儀器、天氣預警管理站、突發因素預報顯示器等硬件設備，結合江西某地區的礦山工程需要和災害發生頻繁地段劃分，綜合當地板塊移動較頻繁地區和人口居住相對密集區域等狀況，災害預警站點以自動化形式為主，使用遙感的形式與計算機網絡形成資源共享，并對反饋信息實現應答，滿足預警的條件。當下系統采用較成熟的集成式結構體系，包含檢測站點/服務器雙層結構體系模式和客戶端瀏覽器/服務端口三層結構體系模式。綜合兩種模式結構，使用以太網絡下的服務器，構建成一個完整的基于礦山開采工程的水文地質災害預警系統的局域網。在該局域網落下，包含系統的信息感知器，數據信息交換機和相關的網關設備，均在統一的HTTP協議下統一實現資源的開放性。為保證資源共享的前提下，多方面保證系統的硬件不受到外界攻擊，添加一個多層次結構的安全框架，用來維持整體系統硬件設施的安全[2]。災害信號采集器作為礦山開采工程的水文地質災害預警硬件系統中的主要構成元件，通過信號采集器設備可實現對信號的收集及判斷，判斷是否存在水文地質災害危險信號，若不存在將數據輸出，存儲至數據庫，進行數據整理，若數據存在危險信號，分析數據，超過設定參數即觸發警報。

1.2 預警系統運行軟件開發

預警系統設計主要采用數學結構下的災害預警法和基于突發性災害的機制預測算法兩種方法。由于江西地區地勢復雜，氣候變化較快，使用單一的數學算法進行災害預測存在預警結果過于簡化，在其基礎上使用突發災害機制預測算法，預測的結果通常使用單條或多條線性函數來表達水文地質災害的影響元素與災害突發概率之間的關系，使計算具有系統化又降低其難度。包含突發災害系數法，礦山應力關系法，板塊型論證法等作為關鍵元素，探討其關系是否存在線性函數關系，用一元一次方程式即可表達。

災害預警系統中由于要表述的數據信息數量過于龐大，主要包含網絡數據，多語言的空間數據等，針對計算機的運行環境要求相對較高，若在同一時間段內信息顯示量較多，易導致系統的運行出現卡頓現象，為此對數據處理的子系統發揮其作用，將子系統添加至軟件系統中，超負荷的數據根據其收集數據的動態需求實現對數據的緩存或刪除功能，保證軟件系統的穩定可持續性。對數據的管理可通過建立對應的數據庫來實現，現有的數據庫主要以原始發生過水文地質災害資源為主，探測器設備對滿足水文地質災害信息的采集，可對其統一建表分析，設置文件夾格式為.txt，將收集的數據進行格式上的統一，對數據進行書否存在危險信號的歸類，整體數據庫的建立遵循完整可實施原則，根據Matlab軟件格式，對數據根據危害程度的不同進行不同層次的劃分，具體可表現為無危險信號層、輕度危險信號層、中度危險信號層等。各個層次之間存在相互獨立互不干擾的關系，通過建立水文地質災害預警數據庫可實現基于硬件設備收集數據的實時處理功能。具體結構圖如下述圖2所示。

圖2 軟件關系圖

1.3 水文地質災害預警系統功能

基于礦山開采工程的水文地質災害預警系統的設計需求，結合硬件軟件的設計，系統可實現對江西某地區礦山的實時圖像、音頻等進行統一化對比，總結出由于環境因素造成的變化規律的功能。對江西整體地區的水文地質災害數據進行更新或填充，對所有出現過的水文地質災害進行統計報表分析，實現在固定平臺定期發布災害預報，滿足信息的檢索和查詢等功能。

2 仿真實驗

為了保證基于礦山開采工程的水文地質災害預警系統設計的有效性，對江西某地區礦山的預警效果進行了多次對比試驗，為保證整體實驗的嚴謹性，多次試驗均在同一地區相同環境下進行。首先采用傳統預警系統對礦山進行監測，再用文章設計的基于礦山開采工程的水文地質災害預警系統對相同礦山再次進行監測，采集五組數據，將數據進行分析處理，如表1所示。

通過表1分析兩種方法對于水文地質災害的預警能力，可以得出結論：在相同地區同種環境下，經過多次對災害的預警檢測，基于礦山開采工程的水文地質災害預警系統比傳統的方法對災害預警的準確率要高。

表1 水文地質災害預警準確率對比

3 結語

文章對基于礦山開采工程的水文地質災害預警系統的設計開展研究，通過對系統的軟件及硬件兩方面進行設計，實現了整體系統的優化。未來隨著礦山資源市場的不斷發展，對礦山的開采量也將逐步提高，為此對于水文地質災害預警系統的設計是具有十分現實的意義的，希望文章的設計提高礦山勘察或開采人員的安全性，為國家礦物資源的開發提供幫助。