基于礦山開采工程的水文地質(zhì)災害預警系統(tǒng)設(shè)計

汪 洋

（江西省煤田地質(zhì)局一九五地質(zhì)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(guān)注度愈加提高。

當下國內(nèi)在實施開采礦山工程時由于水文地質(zhì)災害等因素造成的人員傷亡人數(shù)一直高居不下，除了相關(guān)開采工作人員的安全意識較薄弱以外，主要原因在于有關(guān)水文地質(zhì)災害的預警系統(tǒng)設(shè)計不夠完善。以江西某地區(qū)為例，地質(zhì)災害因素與其他礦山事故存在差異，可通過提前監(jiān)測實現(xiàn)災害預警，采用多種方式的防護措施降低地質(zhì)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(zhì)災害預警系統(tǒng)的實現(xiàn)對社會經(jīng)濟發(fā)展存在較大效益，但以往的預警系統(tǒng)設(shè)計均停留在理論基礎(chǔ)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(zhì)災害預警系統(tǒng)設(shè)計

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

圖1 水文之地災害預警系統(tǒng)設(shè)計

如上述圖1所示，災害預警系統(tǒng)主要通過在監(jiān)控地點使用對應的災害探測器，對傳感器收集的數(shù)據(jù)進行整理匯總分析，結(jié)合系統(tǒng)的整體框架，對突發(fā)性水文地質(zhì)災害進行實時的預測，對警戒參數(shù)設(shè)置最高值和最低值，將傳感器收集的數(shù)據(jù)進行計算機的實時成像，通過系統(tǒng)的軟件設(shè)計實現(xiàn)數(shù)據(jù)的參數(shù)分析，將整理的參數(shù)反饋至硬件傳感設(shè)備，與設(shè)定的參數(shù)范圍進行比對，若參數(shù)數(shù)值高于閾值的最高線，即觸動預警系統(tǒng)發(fā)生警報，提醒相關(guān)工作人員立刻采取有效措施，若參數(shù)數(shù)值低于閾值最低線，近似看做該數(shù)值為無效數(shù)值。數(shù)值處于參數(shù)范圍內(nèi)，表示存在水文地質(zhì)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(tǒng)運行環(huán)境及探測器設(shè)置

水文地質(zhì)災害預警系統(tǒng)包含災害監(jiān)測儀器、天氣預警管理站、突發(fā)因素預報顯示器等硬件設(shè)備，結(jié)合江西某地區(qū)的礦山工程需要和災害發(fā)生頻繁地段劃分，綜合當?shù)匕鍓K移動較頻繁地區(qū)和人口居住相對密集區(qū)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(wǎng)絡(luò)形成資源共享，并對反饋信息實現(xiàn)應答，滿足預警的條件。當下系統(tǒng)采用較成熟的集成式結(jié)構(gòu)體系，包含檢測站點/服務(wù)器雙層結(jié)構(gòu)體系模式和客戶端瀏覽器/服務(wù)端口三層結(jié)構(gòu)體系模式。綜合兩種模式結(jié)構(gòu)，使用以太網(wǎng)絡(luò)下的服務(wù)器，構(gòu)建成一個完整的基于礦山開采工程的水文地質(zhì)災害預警系統(tǒng)的局域網(wǎng)。在該局域網(wǎng)落下，包含系統(tǒng)的信息感知器，數(shù)據(jù)信息交換機和相關(guān)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，均在統(tǒng)一的HTTP協(xié)議下統(tǒng)一實現(xiàn)資源的開放性。為保證資源共享的前提下，多方面保證系統(tǒng)的硬件不受到外界攻擊，添加一個多層次結(jié)構(gòu)的安全框架，用來維持整體系統(tǒng)硬件設(shè)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(zhì)災害預警硬件系統(tǒng)中的主要構(gòu)成元件，通過信號采集器設(shè)備可實現(xiàn)對信號的收集及判斷，判斷是否存在水文地質(zhì)災害危險信號，若不存在將數(shù)據(jù)輸出，存儲至數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)整理，若數(shù)據(jù)存在危險信號，分析數(shù)據(jù)，超過設(shè)定參數(shù)即觸發(fā)警報。

1.2 預警系統(tǒng)運行軟件開發(fā)

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

災害預警系統(tǒng)中由于要表述的數(shù)據(jù)信息數(shù)量過于龐大，主要包含網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，多語言的空間數(shù)據(jù)等，針對計算機的運行環(huán)境要求相對較高，若在同一時間段內(nèi)信息顯示量較多，易導致系統(tǒng)的運行出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，為此對數(shù)據(jù)處理的子系統(tǒng)發(fā)揮其作用，將子系統(tǒng)添加至軟件系統(tǒng)中，超負荷的數(shù)據(jù)根據(jù)其收集數(shù)據(jù)的動態(tài)需求實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的緩存或刪除功能，保證軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定可持續(xù)性。對數(shù)據(jù)的管理可通過建立對應的數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫主要以原始發(fā)生過水文地質(zhì)災害資源為主，探測器設(shè)備對滿足水文地質(zhì)災害信息的采集，可對其統(tǒng)一建表分析，設(shè)置文件夾格式為.txt，將收集的數(shù)據(jù)進行格式上的統(tǒng)一，對數(shù)據(jù)進行書否存在危險信號的歸類，整體數(shù)據(jù)庫的建立遵循完整可實施原則，根據(jù)Matlab軟件格式，對數(shù)據(jù)根據(jù)危害程度的不同進行不同層次的劃分，具體可表現(xiàn)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(guān)系，通過建立水文地質(zhì)災害預警數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)基于硬件設(shè)備收集數(shù)據(jù)的實時處理功能。具體結(jié)構(gòu)圖如下述圖2所示。

圖2 軟件關(guān)系圖

1.3 水文地質(zhì)災害預警系統(tǒng)功能

基于礦山開采工程的水文地質(zhì)災害預警系統(tǒng)的設(shè)計需求，結(jié)合硬件軟件的設(shè)計，系統(tǒng)可實現(xiàn)對江西某地區(qū)礦山的實時圖像、音頻等進行統(tǒng)一化對比，總結(jié)出由于環(huán)境因素造成的變化規(guī)律的功能。對江西整體地區(qū)的水文地質(zhì)災害數(shù)據(jù)進行更新或填充，對所有出現(xiàn)過的水文地質(zhì)災害進行統(tǒng)計報表分析，實現(xiàn)在固定平臺定期發(fā)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(zhì)災害預警系統(tǒng)設(shè)計的有效性，對江西某地區(qū)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(qū)相同環(huán)境下進行。首先采用傳統(tǒng)預警系統(tǒng)對礦山進行監(jiān)測，再用文章設(shè)計的基于礦山開采工程的水文地質(zhì)災害預警系統(tǒng)對相同礦山再次進行監(jiān)測，采集五組數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)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(zhì)災害的預警能力，可以得出結(jié)論：在相同地區(qū)同種環(huán)境下，經(jīng)過多次對災害的預警檢測，基于礦山開采工程的水文地質(zhì)災害預警系統(tǒng)比傳統(tǒng)的方法對災害預警的準確率要高。

表1 水文地質(zhì)災害預警準確率對比

3 結(jié)語

文章對基于礦山開采工程的水文地質(zhì)災害預警系統(tǒng)的設(shè)計開展研究，通過對系統(tǒng)的軟件及硬件兩方面進行設(shè)計，實現(xiàn)了整體系統(tǒng)的優(yōu)化。未來隨著礦山資源市場的不斷發(fā)展，對礦山的開采量也將逐步提高，為此對于水文地質(zhì)災害預警系統(tǒng)的設(shè)計是具有十分現(xiàn)實的意義的，希望文章的設(shè)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(fā)提供幫助。