蘭尖鐵礦地壓災(zāi)害預(yù)警管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用

尹彥波

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410012)

0 引言

礦產(chǎn)資源的大量開采直接推動了人類經(jīng)濟(jì)和社會的高速發(fā)展，但是，礦山開采引起的諸如礦體及圍巖體垮塌、地面沉陷、頂板圍巖體垮塌等地壓災(zāi)害事故會給礦山安全生產(chǎn)帶來巨大的災(zāi)害隱 患[1]，己成為制約礦山可持續(xù)發(fā)展的主要問題之一，給人類的生活和生態(tài)環(huán)境帶來了消極影響。因此，對礦山進(jìn)行長期有效的地壓災(zāi)害監(jiān)測，建立適合礦山實(shí)際的地壓監(jiān)測網(wǎng)是非常必要的，它能對礦山的地壓災(zāi)害給予提前預(yù)警，有利于礦山企業(yè)進(jìn)一步采取對策措施，避免災(zāi)害事故的發(fā)生[2-3]。

礦山也是人類工程活動對地質(zhì)環(huán)境影響最為強(qiáng)烈的場所之一。隨著礦山開采范圍和深度的不斷增加，我國早期多年的粗放式礦業(yè)開發(fā)模式導(dǎo)致大部分礦山災(zāi)害頻發(fā)，安全形勢嚴(yán)峻，礦山災(zāi)害的防治是一項(xiàng)緊迫且長期的任務(wù)。目前，開展災(zāi)害的監(jiān)測是進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警與防治最直接和最有效的手段。長期監(jiān)測產(chǎn)生的“大數(shù)據(jù)”蘊(yùn)涵了災(zāi)害發(fā)生的科學(xué)機(jī)理，是指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)與應(yīng)急管理的依據(jù)。因此，開展監(jiān)測數(shù)據(jù)的理論分析與信息管理具有重要的研究意義[4]。

1 蘭尖鐵礦概況

蘭尖鐵礦礦體賦存于層狀輝長巖體內(nèi)，尖山礦區(qū)由4個(gè)礦帶構(gòu)成，傾角為50°～60°，傾向正北，走向接近東西方向。蘭尖鐵礦礦區(qū)原采用露天開采，露采結(jié)束后已轉(zhuǎn)入地下開采，采用無底柱分段崩落采礦法。近年來在回采過程中發(fā)生了多次冒頂和片幫事故，嚴(yán)重威脅和影響了蘭尖鐵礦的安全 生產(chǎn)。

蘭尖鐵礦露天開采轉(zhuǎn)地下開采沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的礦山地壓監(jiān)測工作，沒有形成專門的地壓管理機(jī)構(gòu)和配備專業(yè)的地壓監(jiān)測設(shè)備，在地壓監(jiān)測、控制和管理上較為薄弱，當(dāng)?shù)貕簽?zāi)害來臨時(shí)，無法有效應(yīng)對。因此，對蘭尖鐵礦礦區(qū)建立了一套有效的地壓監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過蘭尖鐵礦地壓監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，開展地壓監(jiān)測與數(shù)據(jù)預(yù)警分析，以地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對礦山地壓災(zāi)害進(jìn)行地壓監(jiān)測預(yù)警[4-6]。

2 蘭尖鐵礦地壓監(jiān)測網(wǎng)及動態(tài)數(shù)據(jù)庫的建立

2.1 蘭尖鐵礦地壓監(jiān)測網(wǎng)的建立

針對蘭尖鐵礦的開采狀況及地壓顯現(xiàn)情況，井下地壓監(jiān)測方案選取了巖體聲發(fā)射監(jiān)測（單通道聲發(fā)射監(jiān)測、多通道聲發(fā)射監(jiān)測）、應(yīng)力監(jiān)測等地壓監(jiān)測方法。針對開采狀況及地壓變化情況進(jìn)行地壓監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)，地壓監(jiān)測控制點(diǎn)主要分布在1420 m、1400 m、1380 m、1360 m、1340 m五個(gè)分層。地壓監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)以監(jiān)測控制點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，監(jiān)測范圍全面覆蓋了蘭尖鐵礦地下開采區(qū)域[7-9]，通過監(jiān)測儀器自動或者手動收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測分析。

2.2 蘭尖鐵礦地壓監(jiān)測動態(tài)數(shù)據(jù)庫的建立

為便于管理地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了蘭尖鐵礦地壓監(jiān)測SQL數(shù)據(jù)庫，也為地壓監(jiān)測預(yù)警研究提供了原始監(jiān)測數(shù)據(jù)。采用計(jì)算機(jī)程序語言開發(fā)了礦山地壓監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄、查詢和圖形顯示等功能，真正實(shí)現(xiàn)了人機(jī)友好管理，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測參數(shù)實(shí)時(shí)錄入及數(shù)據(jù)查詢[10-13]。

將實(shí)時(shí)監(jiān)測的應(yīng)力、聲發(fā)射參數(shù)通過可視化程序直接錄入到數(shù)據(jù)庫，并自動保存，各種地壓監(jiān)測預(yù)警模型可調(diào)用數(shù)據(jù)庫的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，運(yùn)用非線性科學(xué)理論預(yù)警模型，對其穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)警分析，很好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫與預(yù)警模型的無縫銜接。

3 蘭尖鐵礦地壓災(zāi)害預(yù)警模型

在蘭尖鐵礦地壓監(jiān)測實(shí)施過程中，需要對實(shí)時(shí)采集的地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警模型分析，通過運(yùn)用灰色理論模型、Verhulst模型、Verhulst反函數(shù)模型和突變理論模型等非線性科學(xué)理論模型，對礦巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究和多年的現(xiàn)場監(jiān)測及地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象總結(jié)，準(zhǔn)確得出蘭尖鐵礦的地壓災(zāi)害預(yù)警臨界準(zhǔn)則，將預(yù)警模型程序計(jì)算結(jié)果與預(yù)警準(zhǔn)則進(jìn)行比較，結(jié)合現(xiàn)場開采及地壓顯現(xiàn)狀況，判別礦巖體的穩(wěn)定性狀態(tài)。其預(yù)警模型方 法流程圖如圖1所示[13-14]。

圖1 礦山地壓災(zāi)害預(yù)警程序流程

3.1 地壓災(zāi)害預(yù)警主程序結(jié)構(gòu)流程

礦山地壓災(zāi)害預(yù)警主程序結(jié)構(gòu)流程如下：建立后臺礦山地壓監(jiān)測SQL數(shù)據(jù)庫，錄入或?qū)氡O(jiān)測數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫中，按照不同要求查詢數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，輸出和保存查詢結(jié)果，可繪制并保存實(shí)時(shí)動態(tài)曲線，運(yùn)用灰色理論、突變理論、Verhulst模型、Verhulst反函數(shù)模型對地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)預(yù)警分析，計(jì)算預(yù)測結(jié)果并繪制監(jiān)測值和預(yù)測值曲線，輸出并保存預(yù)測結(jié)果，主程序結(jié)構(gòu)流程如圖2所示[14]。

圖2 地壓災(zāi)害預(yù)警主程序結(jié)構(gòu)流程

3.2 地壓災(zāi)害預(yù)警模型可視化研究

本文選取了灰色理論模型、突變理論模型、Verhulst模型、Verhulst反函數(shù)模型等非線性科學(xué)理論模型，每個(gè)預(yù)警模型所具備的基本可視化應(yīng)用功能有：查詢數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)、顯示要計(jì)算的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)、導(dǎo)出查詢數(shù)據(jù)、導(dǎo)出預(yù)測數(shù)據(jù)、模型計(jì)算、繪制監(jiān)測值與預(yù)測值曲線、清除曲線、打印曲線和保存曲線等功能[9-11]，僅以Verhulst反函數(shù)預(yù)警模型計(jì)算和分析過程為示例，其可視化預(yù)警分析結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 Verhulst反函數(shù)預(yù)測模型分析操作界面

圖4 Verhulst反函數(shù)預(yù)測模型監(jiān)測值與預(yù)測值計(jì)算結(jié)果

3.3 蘭尖鐵礦多通道聲發(fā)射率預(yù)警指標(biāo)

在蘭尖鐵礦掛幫礦崩落開采過程中，經(jīng)常出現(xiàn)礦（巖）體開裂和剝離，采場頂板冒落等地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。根據(jù)地壓監(jiān)測預(yù)警臨界準(zhǔn)則，結(jié)合對蘭尖鐵礦多年來的地壓活動規(guī)律總結(jié)，可準(zhǔn)確推斷出礦（巖）體開裂和剝離，采場頂板冒落等地壓現(xiàn)象時(shí)聲發(fā)射事件率的臨界值，如圖5、圖6所示。結(jié)合各聲發(fā)射監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)和地壓顯現(xiàn)情況，綜合考慮，確定巖體失穩(wěn)預(yù)警聲發(fā)射臨界值為單通道聲發(fā)射事件率4次/分鐘、多通道聲發(fā)射事件率4次/小時(shí)，低于這個(gè)事件率，巖體相對穩(wěn)定，不會有大范圍的垮塌和大的地壓災(zāi)害，而當(dāng)巖體聲發(fā)射事件率高于這個(gè)區(qū)間數(shù)值，巷道開裂片幫嚴(yán)重，頂板冒落，圍巖失穩(wěn)。

圖5 巖體失穩(wěn)多通道聲發(fā)射事件率預(yù)警準(zhǔn)則線

3.4 巷道片幫、頂板垮塌的預(yù)警分析

以蘭尖鐵礦1400 m水平的多通道聲發(fā)射監(jiān)測點(diǎn)為例，運(yùn)用地壓災(zāi)害預(yù)警模型管理系統(tǒng)對此區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警分析，查詢出監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 巖體失穩(wěn)破壞多通道聲發(fā)射事件率預(yù)警值區(qū)間

圖7 1400中段7#孔預(yù)警及數(shù)據(jù)查詢結(jié)果（B#沿脈）

調(diào)用1400 m水平B#沿脈附近7#多通道聲發(fā)射孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取Verhulst反函數(shù)預(yù)測模型（綜合管理系統(tǒng)中對應(yīng)是Verhulst 2模型）對2016年6月1日至2016年7月3日的地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)值見表1，監(jiān)測曲線與預(yù)測曲線如圖8所示。

表1 7#多通道聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)

對地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行周期為1 d的等間隔時(shí)間處理，得到Verhulst反函數(shù)預(yù)測模型：

當(dāng)模型預(yù)測到原始序列第5步后，可得到預(yù)測 時(shí)間序列T=2.66，取T=3。

圖8 1400 m中段B#沿脈預(yù)警系統(tǒng)分析計(jì)算結(jié)果

通過對7#聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測表明：多通道監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生突變，預(yù)測值從12次/h提升至18次/h，監(jiān)測值從12次/h提升至22次/h，均在聲發(fā)射事件率的臨界值之上，12次/h遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了4次/h的聲發(fā)射事件率的臨界值，會發(fā)生嚴(yán)重的片幫和頂板垮塌等地壓災(zāi)害，預(yù)測時(shí)間為3 d。以上預(yù)測表明：此處圍巖或礦體即將發(fā)生片幫和頂板垮塌等地壓災(zāi)害。

蘭尖鐵礦1400 m水平B#沿脈于2016年7月8日發(fā)生片幫和頂板冒落，如圖9所示。由上述分析可知：本文研發(fā)的地壓災(zāi)害預(yù)警管理系統(tǒng)其預(yù)測分析結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際情況一致，證明地壓災(zāi)害預(yù)警管理系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可靠性，可推廣應(yīng)用于其他礦山。

圖9 現(xiàn)場巷道片幫、頂板垮塌

4 結(jié)論

（1）在蘭尖鐵礦中建立了基于巖體聲發(fā)射、應(yīng)力監(jiān)測方法的全方位、多功能的地壓監(jiān)測系統(tǒng)，解決了地壓監(jiān)測預(yù)警參數(shù)的采集問題；

（2）建立了蘭尖鐵礦動態(tài)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，形成了地壓災(zāi)害預(yù)警管理系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，有效地管理了地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)；

（3）研發(fā)了基于灰色理論模型、突變理論模型、Verhulst理論模型和Verhulst反函數(shù)理論模型等非線性科學(xué)理論模型的蘭尖鐵礦地壓災(zāi)害預(yù)警程序系統(tǒng)，通過對現(xiàn)場地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象的調(diào)查分析，并結(jié)合期間對應(yīng)的地壓監(jiān)測聲發(fā)射多通道監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出了蘭尖鐵礦多通道聲發(fā)射事件數(shù)預(yù)警臨界值指標(biāo)；

（4）運(yùn)用地壓災(zāi)害預(yù)警管理系統(tǒng)對蘭尖鐵礦1400 m分層B#穿脈礦巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)警分析，分析結(jié)果有效地指導(dǎo)了生產(chǎn)實(shí)際，在蘭尖鐵礦中應(yīng)用效果良好。