礦山地壓災(zāi)害預(yù)警及預(yù)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(zāi)害預(yù)警及預(yù)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(zāi)害預(yù)警研究的必要性,介紹了礦山地壓災(zāi)害預(yù)警研究現(xiàn)狀,提出了災(zāi)害預(yù)警研究方法。同時(shí),建立了基于灰色理論模型、Verhulst模型、Verhulst反函數(shù)模型、突變理模型的礦山地壓災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),并通過程序編制實(shí)現(xiàn)了數(shù)字可視化災(zāi)害預(yù)警管理系統(tǒng)。災(zāi)害預(yù)警模型程序可視化的實(shí)現(xiàn),為礦山地壓災(zāi)害預(yù)警和安全管理提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

礦山地壓;災(zāi)害預(yù)警;預(yù)警模型;可視化

1 礦山災(zāi)害預(yù)警研究現(xiàn)狀

礦山工程災(zāi)害的頻繁發(fā)生,增強(qiáng)了人們對礦山災(zāi)害防治的意識。在災(zāi)害防治中,災(zāi)害信息的管理及災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警是人們目前重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)問題,地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警預(yù)報(bào)方法當(dāng)前還局限于一般的總結(jié)歸納,且由于監(jiān)測儀器空間布置的分散性、監(jiān)測數(shù)據(jù)類型的多樣性與多源性,給長期的數(shù)據(jù)管理與災(zāi)害分析帶來了困難。常規(guī)的分析方法不能解決高度非線性巖體的穩(wěn)定性預(yù)測預(yù)報(bào)難題,不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的地壓災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào),需要引進(jìn)非線性科學(xué)理論方法,需在災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理和誘發(fā)機(jī)理研究上有所突破,迫切需要在常規(guī)方法的基礎(chǔ)上,在現(xiàn)代非線性理論指導(dǎo)下創(chuàng)新方法。

我國對地質(zhì)災(zāi)害的研究由來己久,對單一災(zāi)種如泥石流的預(yù)警研究也早就開始,但“災(zāi)害預(yù)警”作為一個(gè)綜合性的科學(xué)概念在最近幾年才出現(xiàn),對它的研究也剛開始?？傮w說來,迄今災(zāi)害預(yù)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(zāi)害預(yù)警與災(zāi)害的臨災(zāi)預(yù)報(bào)狹義的等同,臨災(zāi)預(yù)報(bào)手段的研究遠(yuǎn)多于對災(zāi)害規(guī)律的研究;缺乏對災(zāi)害預(yù)警的系統(tǒng)研究,預(yù)警手段的可靠性低。

目前國內(nèi)外對礦山災(zāi)害預(yù)警機(jī)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(chǔ)的災(zāi)害預(yù)警無論從理論還是從實(shí)踐的角度來看,不應(yīng)也不會成為礦山地壓災(zāi)害預(yù)警的主要發(fā)展方向,只能在特定條件下才能采用。

總之,在礦山災(zāi)害預(yù)警的研究中,災(zāi)變規(guī)律的研究應(yīng)該是基礎(chǔ),災(zāi)害的臨界預(yù)報(bào)應(yīng)建立在災(zāi)變規(guī)律研究的基礎(chǔ)之上。從災(zāi)害的力學(xué)本質(zhì)出發(fā),建立正確反映災(zāi)變規(guī)律的非線性數(shù)理模型,利用災(zāi)變規(guī)律研究成果來進(jìn)行災(zāi)害的臨災(zāi)預(yù)報(bào),并提出減災(zāi)控災(zāi)措施,應(yīng)該成為礦山地壓災(zāi)害預(yù)警研究的必然思路。

2 礦山災(zāi)害預(yù)警研究方法

進(jìn)行礦山地壓災(zāi)害預(yù)警前提是工程地質(zhì)調(diào)查、評價(jià)和穩(wěn)定性論證、理論分析、地壓監(jiān)測等,其目的:一是為了評價(jià)巖土工程的實(shí)際穩(wěn)定性,工程設(shè)計(jì)、施工和加固的有效性;二是為信息化施工,及時(shí)進(jìn)行信息反饋。地壓監(jiān)測具體的步驟為:建立現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng),收集實(shí)時(shí)動態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù),再將收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料進(jìn)行一般的歸類整理,借用一些常規(guī)的預(yù)測分析方法,如回歸分析方法、經(jīng)驗(yàn)公式法、臨界值方法、灰色預(yù)測等,進(jìn)行巖土工程的穩(wěn)定性預(yù)測預(yù)報(bào)分析,實(shí)現(xiàn)對礦山災(zāi)害的預(yù)警,進(jìn)而可以對地壓災(zāi)害防治措施的效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

從數(shù)學(xué)的角度看,預(yù)警的目標(biāo)事件具有4種數(shù)學(xué)性質(zhì),即確定性、隨機(jī)性、模糊性和不確定性。針對目標(biāo)事件的4種數(shù)學(xué)性質(zhì),可以建立4種相應(yīng)的災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。確定性模型,對確定性了解遠(yuǎn)多于其它3種性質(zhì),用數(shù)學(xué)來描述確定性也最成功;隨機(jī)性模型描述目標(biāo)事件出現(xiàn)的可能性,其中心是概率;模糊性模型描述目標(biāo)事件的模糊性,模型中關(guān)鍵因素是隸屬度;不確定性模型,目前對于目標(biāo)事件的不確定性,還沒有相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理手段,或者說還不存在不確定性數(shù)學(xué)這個(gè)學(xué)科,人們對不確定性的認(rèn)識還處于混沌狀態(tài)。

對礦山地壓災(zāi)害的預(yù)警研究可以歸納為3個(gè)層次、兩個(gè)步驟、兩種方法和一個(gè)目的。3個(gè)層次的第1層次可稱為前效預(yù)警,即在圍巖體發(fā)生損傷之前對巖體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及其變化趨勢進(jìn)行預(yù)測,其目的是避免巖體破壞的發(fā)生;第2層次可稱之為后效預(yù)警,即可控制的地壓災(zāi)害預(yù)警,允許巖體損傷的發(fā)生,其預(yù)警的目的是通過采取工程措施以避免工程體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞;第3層次可稱為臨災(zāi)預(yù)警,即對不可逆轉(zhuǎn)的工程災(zāi)害進(jìn)行災(zāi)前實(shí)時(shí)預(yù)報(bào),目的是避免造成人員和財(cái)產(chǎn)的損害(或?qū)p害減至最小)。兩個(gè)步驟的第1步是對地壓災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報(bào);第2步是控災(zāi)或減災(zāi)工程措施的實(shí)施。兩種方法是主動監(jiān)測和被動監(jiān)測,其中以主動監(jiān)測為主,被動監(jiān)測為輔。一個(gè)目的則是效益最優(yōu)化原則。

礦山地壓災(zāi)害預(yù)警要以長期預(yù)警研究為主要對象,以災(zāi)變規(guī)律數(shù)學(xué)模型的建立為研究重點(diǎn),主要研究手段是對主動監(jiān)測與被動監(jiān)測相結(jié)合的監(jiān)測體系所提供的信息源進(jìn)行分析與反分析,建立完善的礦山地壓災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),提供災(zāi)害臨災(zāi)預(yù)報(bào)和工程處理對策的基本思路與方法,實(shí)現(xiàn)決策最優(yōu)化目標(biāo)。

3 礦山災(zāi)害預(yù)警模型及其可視化

本文運(yùn)用非線性科學(xué)理論模型對礦巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)警可視化研究,涉及的非線性科學(xué)理論主要有灰色理論預(yù)測模型、分形理論模型、突變模型(尖點(diǎn)突變模型)、Verhulst模型、Verhulst反函數(shù)模型等。為了方便礦山地壓監(jiān)測的數(shù)據(jù)管理,建立了礦山地質(zhì)災(zāi)害信息管理數(shù)據(jù)庫,并采用灰色理論、Verhulst模型、Verhulst反函數(shù)模型、突變理論等模型對數(shù)據(jù)庫中所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究,對未來可能發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)警。

礦山地壓災(zāi)害預(yù)警主程序流程主要是:通過VisualBasic程序建立后臺礦山地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)庫,并及時(shí)將數(shù)據(jù)錄入(導(dǎo)入)信息數(shù)據(jù)庫中,可以按照不同要求對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢并保存結(jié)果,繪制并保存實(shí)時(shí)動態(tài)曲線,對數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色、突變、Verhulst、Verhulst反函數(shù)預(yù)測模型分析,計(jì)算預(yù)測結(jié)果并繪制數(shù)據(jù)曲線,將結(jié)果保存輸出,礦山地壓災(zāi)害預(yù)警主程序結(jié)構(gòu)流程如圖1所示,預(yù)警模型所具備的基本可視化應(yīng)用功能如圖2所示。

4 結(jié) 論

圖1 礦山災(zāi)害預(yù)警主程序流程

圖2 礦山地壓災(zāi)害預(yù)警模型可視化功能

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

[1]尹彥波.巖石失穩(wěn)與地壓災(zāi)害的非線性動力學(xué)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(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的研究[D].長沙:中南大學(xué),2004,5.

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

[4]李愛兵.基于GIS的金屬礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].礦業(yè)研究與開發(fā),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(xué),采礦,礦山地壓災(zāi)害預(yù)測、預(yù)報(bào)的研究。