兰尖铁矿地压灾害预警管理系统研究与应用

尹彦波

(长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南 长沙 410012)

0 引言

矿产资源的大量开采直接推动了人类经济和社会的高速发展，但是，矿山开采引起的诸如矿体及围岩体垮塌、地面沉陷、顶板围岩体垮塌等地压灾害事故会给矿山安全生产带来巨大的灾害隐 患[1]，己成为制约矿山可持续发展的主要问题之一，给人类的生活和生态环境带来了消极影响。因此，对矿山进行长期有效的地压灾害监测，建立适合矿山实际的地压监测网是非常必要的，它能对矿山的地压灾害给予提前预警，有利于矿山企业进一步采取对策措施，避免灾害事故的发生[2-3]。

矿山也是人类工程活动对地质环境影响最为强烈的场所之一。随着矿山开采范围和深度的不断增加，我国早期多年的粗放式矿业开发模式导致大部分矿山灾害频发，安全形势严峻，矿山灾害的防治是一项紧迫且长期的任务。目前，开展灾害的监测是进行灾害预警与防治最直接和最有效的手段。长期监测产生的“大数据”蕴涵了灾害发生的科学机理，是指导矿山安全生产与应急管理的依据。因此，开展监测数据的理论分析与信息管理具有重要的研究意义[4]。

1 兰尖铁矿概况

兰尖铁矿矿体赋存于层状辉长岩体内，尖山矿区由4个矿带构成，倾角为50°～60°，倾向正北，走向接近东西方向。兰尖铁矿矿区原采用露天开采，露采结束后已转入地下开采，采用无底柱分段崩落采矿法。近年来在回采过程中发生了多次冒顶和片帮事故，严重威胁和影响了兰尖铁矿的安全 生产。

兰尖铁矿露天开采转地下开采没有进行过系统的矿山地压监测工作，没有形成专门的地压管理机构和配备专业的地压监测设备，在地压监测、控制和管理上较为薄弱，当地压灾害来临时，无法有效应对。因此，对兰尖铁矿矿区建立了一套有效的地压监测预警系统，通过兰尖铁矿地压监测网络，开展地压监测与数据预警分析，以地压监测数据为基础，对矿山地压灾害进行地压监测预警[4-6]。

2 兰尖铁矿地压监测网及动态数据库的建立

2.1 兰尖铁矿地压监测网的建立

针对兰尖铁矿的开采状况及地压显现情况，井下地压监测方案选取了岩体声发射监测（单通道声发射监测、多通道声发射监测）、应力监测等地压监测方法。针对开采状况及地压变化情况进行地压监测网设计，地压监测控制点主要分布在1420 m、1400 m、1380 m、1360 m、1340 m五个分层。地压监测网设计以监测控制点的监测数据为基础，监测范围全面覆盖了兰尖铁矿地下开采区域[7-9]，通过监测仪器自动或者手动收集监测数据，并对监测数据进行预测分析。

2.2 兰尖铁矿地压监测动态数据库的建立

为便于管理地压监测数据，建立了兰尖铁矿地压监测SQL数据库，也为地压监测预警研究提供了原始监测数据。采用计算机程序语言开发了矿山地压监测预警数据库管理系统，方便实现数据的记录、查询和图形显示等功能，真正实现了人机友好管理，实现了监测参数实时录入及数据查询[10-13]。

将实时监测的应力、声发射参数通过可视化程序直接录入到数据库，并自动保存，各种地压监测预警模型可调用数据库的原始监测数据，经数据处理后，运用非线性科学理论预警模型，对其稳定性进行预警分析，很好地实现了数据库与预警模型的无缝衔接。

3 兰尖铁矿地压灾害预警模型

在兰尖铁矿地压监测实施过程中，需要对实时采集的地压监测数据进行预警模型分析，通过运用灰色理论模型、Verhulst模型、Verhulst反函数模型和突变理论模型等非线性科学理论模型，对矿岩体的稳定性进行分析研究，通过室内试验研究和多年的现场监测及地压显现现象总结，准确得出兰尖铁矿的地压灾害预警临界准则，将预警模型程序计算结果与预警准则进行比较，结合现场开采及地压显现状况，判别矿岩体的稳定性状态。其预警模型方 法流程图如图1所示[13-14]。

图1 矿山地压灾害预警程序流程

3.1 地压灾害预警主程序结构流程

矿山地压灾害预警主程序结构流程如下：建立后台矿山地压监测SQL数据库，录入或导入监测数据至数据库中，按照不同要求查询数据库中的数据，输出和保存查询结果，可绘制并保存实时动态曲线，运用灰色理论、突变理论、Verhulst模型、Verhulst反函数模型对地压监测数据库中的数据进预警分析，计算预测结果并绘制监测值和预测值曲线，输出并保存预测结果，主程序结构流程如图2所示[14]。

图2 地压灾害预警主程序结构流程

3.2 地压灾害预警模型可视化研究

本文选取了灰色理论模型、突变理论模型、Verhulst模型、Verhulst反函数模型等非线性科学理论模型，每个预警模型所具备的基本可视化应用功能有：查询数据库中数据、显示要计算的数据个数、导出查询数据、导出预测数据、模型计算、绘制监测值与预测值曲线、清除曲线、打印曲线和保存曲线等功能[9-11]，仅以Verhulst反函数预警模型计算和分析过程为示例，其可视化预警分析结果如图3、图4所示。

图3 Verhulst反函数预测模型分析操作界面

图4 Verhulst反函数预测模型监测值与预测值计算结果

3.3 兰尖铁矿多通道声发射率预警指标

在兰尖铁矿挂帮矿崩落开采过程中，经常出现矿（岩）体开裂和剥离，采场顶板冒落等地压显现现象。根据地压监测预警临界准则，结合对兰尖铁矿多年来的地压活动规律总结，可准确推断出矿（岩）体开裂和剥离，采场顶板冒落等地压现象时声发射事件率的临界值，如图5、图6所示。结合各声发射监测点的实时声发射监测数据和地压显现情况，综合考虑，确定岩体失稳预警声发射临界值为单通道声发射事件率4次/分钟、多通道声发射事件率4次/小时，低于这个事件率，岩体相对稳定，不会有大范围的垮塌和大的地压灾害，而当岩体声发射事件率高于这个区间数值，巷道开裂片帮严重，顶板冒落，围岩失稳。

图5 岩体失稳多通道声发射事件率预警准则线

3.4 巷道片帮、顶板垮塌的预警分析

以兰尖铁矿1400 m水平的多通道声发射监测点为例，运用地压灾害预警模型管理系统对此区域的监测数据进行预警分析，查询出监测点的监测数据如图7所示。

图6 岩体失稳破坏多通道声发射事件率预警值区间

图7 1400中段7#孔预警及数据查询结果（B#沿脉）

调用1400 m水平B#沿脉附近7#多通道声发射孔的监测数据，选取Verhulst反函数预测模型（综合管理系统中对应是Verhulst 2模型）对2016年6月1日至2016年7月3日的地压监测数据进行预警分析，监测数据与预测数据值见表1，监测曲线与预测曲线如图8所示。

表1 7#多通道声发射监测数据与预测数据

对地压监测数据进行周期为1 d的等间隔时间处理，得到Verhulst反函数预测模型：

当模型预测到原始序列第5步后，可得到预测 时间序列T=2.66，取T=3。

图8 1400 m中段B#沿脉预警系统分析计算结果

通过对7#声发射监测数据预测表明：多通道监测数据产生突变，预测值从12次/h提升至18次/h，监测值从12次/h提升至22次/h，均在声发射事件率的临界值之上，12次/h远远超过了4次/h的声发射事件率的临界值，会发生严重的片帮和顶板垮塌等地压灾害，预测时间为3 d。以上预测表明：此处围岩或矿体即将发生片帮和顶板垮塌等地压灾害。

兰尖铁矿1400 m水平B#沿脉于2016年7月8日发生片帮和顶板冒落，如图9所示。由上述分析可知：本文研发的地压灾害预警管理系统其预测分析结果和现场实际情况一致，证明地压灾害预警管理系统具有较强的可靠性，可推广应用于其他矿山。

图9 现场巷道片帮、顶板垮塌

4 结论

（1）在兰尖铁矿中建立了基于岩体声发射、应力监测方法的全方位、多功能的地压监测系统，解决了地压监测预警参数的采集问题；

（2）建立了兰尖铁矿动态数据库管理系统，形成了地压灾害预警管理系统的动态监测数据库，有效地管理了地压监测数据；

（3）研发了基于灰色理论模型、突变理论模型、Verhulst理论模型和Verhulst反函数理论模型等非线性科学理论模型的兰尖铁矿地压灾害预警程序系统，通过对现场地压显现现象的调查分析，并结合期间对应的地压监测声发射多通道监测数据，得出了兰尖铁矿多通道声发射事件数预警临界值指标；

（4）运用地压灾害预警管理系统对兰尖铁矿1400 m分层B#穿脉矿岩体的稳定性进行预警分析，分析结果有效地指导了生产实际，在兰尖铁矿中应用效果良好。