矿山地压灾害预警及预警模型可视化研究

尹彦波,李爱兵

(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

矿山地压灾害预警及预警模型可视化研究

尹彦波,李爱兵

(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

论述了矿山地压灾害预警研究的必要性,介绍了矿山地压灾害预警研究现状,提出了灾害预警研究方法。同时,建立了基于灰色理论模型、Verhulst模型、Verhulst反函数模型、突变理模型的矿山地压灾害预警系统,并通过程序编制实现了数字可视化灾害预警管理系统。灾害预警模型程序可视化的实现,为矿山地压灾害预警和安全管理提供强有力的技术支持。

矿山地压;灾害预警;预警模型;可视化

1 矿山灾害预警研究现状

矿山工程灾害的频繁发生,增强了人们对矿山灾害防治的意识。在灾害防治中,灾害信息的管理及灾害的监测预警是人们目前重点关注的技术问题,地质灾害的监测预警预报方法当前还局限于一般的总结归纳,且由于监测仪器空间布置的分散性、监测数据类型的多样性与多源性,给长期的数据管理与灾害分析带来了困难。常规的分析方法不能解决高度非线性岩体的稳定性预测预报难题,不能进行实时的地压灾害预测预报,需要引进非线性科学理论方法,需在灾害的发生机理和诱发机理研究上有所突破,迫切需要在常规方法的基础上,在现代非线性理论指导下创新方法。

我国对地质灾害的研究由来己久,对单一灾种如泥石流的预警研究也早就开始,但“灾害预警”作为一个综合性的科学概念在最近几年才出现,对它的研究也刚开始。总体说来,迄今灾害预警的研究尚处于初级阶段:大部分仅限于对概念的定义;大多将灾害预警与灾害的临灾预报狭义的等同,临灾预报手段的研究远多于对灾害规律的研究;缺乏对灾害预警的系统研究,预警手段的可靠性低。

目前国内外对矿山灾害预警机理的研究一般基于所谓的黑箱、灰箱、白箱理论。以黑箱或灰箱理论为基础的灾害预警无论从理论还是从实践的角度来看,不应也不会成为矿山地压灾害预警的主要发展方向,只能在特定条件下才能采用。

总之,在矿山灾害预警的研究中,灾变规律的研究应该是基础,灾害的临界预报应建立在灾变规律研究的基础之上。从灾害的力学本质出发,建立正确反映灾变规律的非线性数理模型,利用灾变规律研究成果来进行灾害的临灾预报,并提出减灾控灾措施,应该成为矿山地压灾害预警研究的必然思路。

2 矿山灾害预警研究方法

进行矿山地压灾害预警前提是工程地质调查、评价和稳定性论证、理论分析、地压监测等,其目的:一是为了评价岩土工程的实际稳定性,工程设计、施工和加固的有效性;二是为信息化施工,及时进行信息反馈。地压监测具体的步骤为:建立现场监测网,收集实时动态的监测数据,再将收集的监测数据资料进行一般的归类整理,借用一些常规的预测分析方法,如回归分析方法、经验公式法、临界值方法、灰色预测等,进行岩土工程的稳定性预测预报分析,实现对矿山灾害的预警,进而可以对地压灾害防治措施的效果进行检验。

从数学的角度看,预警的目标事件具有4种数学性质,即确定性、随机性、模糊性和不确定性。针对目标事件的4种数学性质,可以建立4种相应的灾害预警系统的数学模型。确定性模型,对确定性了解远多于其它3种性质,用数学来描述确定性也最成功;随机性模型描述目标事件出现的可能性,其中心是概率;模糊性模型描述目标事件的模糊性,模型中关键因素是隶属度;不确定性模型,目前对于目标事件的不确定性,还没有相应的数学处理手段,或者说还不存在不确定性数学这个学科,人们对不确定性的认识还处于混沌状态。

对矿山地压灾害的预警研究可以归纳为3个层次、两个步骤、两种方法和一个目的。3个层次的第1层次可称为前效预警,即在围岩体发生损伤之前对岩体的应力应变状态及其变化趋势进行预测,其目的是避免岩体破坏的发生;第2层次可称之为后效预警,即可控制的地压灾害预警,允许岩体损伤的发生,其预警的目的是通过采取工程措施以避免工程体结构产生破坏;第3层次可称为临灾预警,即对不可逆转的工程灾害进行灾前实时预报,目的是避免造成人员和财产的损害(或将损害减至最小)。两个步骤的第1步是对地压灾害进行准确预测预报;第2步是控灾或减灾工程措施的实施。两种方法是主动监测和被动监测,其中以主动监测为主,被动监测为辅。一个目的则是效益最优化原则。

矿山地压灾害预警要以长期预警研究为主要对象,以灾变规律数学模型的建立为研究重点,主要研究手段是对主动监测与被动监测相结合的监测体系所提供的信息源进行分析与反分析,建立完善的矿山地压灾害预警系统,提供灾害临灾预报和工程处理对策的基本思路与方法,实现决策最优化目标。

3 矿山灾害预警模型及其可视化

本文运用非线性科学理论模型对矿岩体的稳定性进行预警可视化研究,涉及的非线性科学理论主要有灰色理论预测模型、分形理论模型、突变模型(尖点突变模型)、Verhulst模型、Verhulst反函数模型等。为了方便矿山地压监测的数据管理,建立了矿山地质灾害信息管理数据库,并采用灰色理论、Verhulst模型、Verhulst反函数模型、突变理论等模型对数据库中所监测的数据进行分析研究,对未来可能发生的情况进行预警。

矿山地压灾害预警主程序流程主要是:通过VisualBasic程序建立后台矿山地压监测数据库,并及时将数据录入(导入)信息数据库中,可以按照不同要求对数据库中的数据进行查询并保存结果,绘制并保存实时动态曲线,对数据进行灰色、突变、Verhulst、Verhulst反函数预测模型分析,计算预测结果并绘制数据曲线,将结果保存输出,矿山地压灾害预警主程序结构流程如图1所示,预警模型所具备的基本可视化应用功能如图2所示。

4 结 论

图1 矿山灾害预警主程序流程

图2 矿山地压灾害预警模型可视化功能

矿山地压灾害是地下工程中最基本的灾害类型,预警系统的研究是矿山地压灾害研究的最重要的内容之一。本研究以矿山地压灾害预警为主要研究内容,论述了矿山地下工程开挖所引起的围岩局部失稳破坏、灾变规律和灾害预警的研究程式,建立了矿山地压灾害预警分析可视化模型,编制了矿山地压灾害预警分析软件,将其应用到矿山工程实际中可取得良好的效果,能有效的为矿山安全生产提供技术保障。

[1]尹彦波.岩石失稳与地压灾害的非线性动力学分析研究[D].长沙:长沙矿山研究院,2006,3.

[2]方建勤地下工程开挖灾害预警系统的研究[D].长沙:中南大学,2004,5.

[3]李鸿吉.Visual Basic6.0中文版编程方法详解[M].北京:科学出版社,2001.

[4]李爱兵.基于GIS的金属矿山地质灾害预警系统研究与开发[J].矿业研究与开发,2006,12(S1).

2009-11-23)

尹彦波(1980-),男,湖南新化人,硕士,工程师,主要从事岩石力学,采矿,矿山地压灾害预测、预报的研究。