基于歷史數(shù)據(jù)庫的礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律仿真分析

付明林

(河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450011)

礦山周圍環(huán)境和人身安全的危險性隨著礦山開采深度的加大以及頻率的增加不斷增大[1]。礦山環(huán)境的地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，潛在危險因素較多，容易發(fā)生地面沉陷、垮塌、井下突水、冒頂片幫、瓦斯突涌和泥石流等災(zāi)害，對礦山的生產(chǎn)經(jīng)濟效益產(chǎn)生影響，并對工人的生命安全造成威脅[2-3]。為了避免礦山安全事故造成的影響，需要對礦山環(huán)境的地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律進行分析，發(fā)現(xiàn)礦山環(huán)境中的安全隱患，并制定相關(guān)應(yīng)對策略。高會會等[4]從時間維度、烈度維度和規(guī)模維度3個方面初步統(tǒng)計分析礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的差異性和演化特征，根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果對礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律進行仿真分析。范文濤[5]通過GIS技術(shù)獲取礦山地質(zhì)災(zāi)害因子，根據(jù)獲取數(shù)據(jù)結(jié)合地形的斷層特征、地層巖性特征和地形坡度特征建立層次結(jié)構(gòu)模型，并在模糊綜合評價方法的基礎(chǔ)上對礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害進行評價，將環(huán)境災(zāi)害分為輕度、重度和高度危險區(qū)，結(jié)合危險性易損因子和危險性基礎(chǔ)因子完成礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律的分析。周超等[6]對礦山環(huán)境進行實地考察，根據(jù)考察結(jié)果建立礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價體系，將距采空區(qū)距離、坡度、距斷層距離、坡向、地層巖性和曲率等作為評價指標，對礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害進行評價，時間動態(tài)因素選取最大日降雨量，結(jié)合評價結(jié)果完成地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律分析。在上述方法的基礎(chǔ)上，提出應(yīng)用歷史數(shù)據(jù)庫的礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律仿真分析方法。

1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

應(yīng)用歷史數(shù)據(jù)庫的礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律仿真分析方法采用多線程技術(shù)[7-8]采集并存儲礦山環(huán)境數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫總體架構(gòu)如圖1所示。采集的礦山環(huán)境信息分為2類，第1類包括觀測系統(tǒng)信息、監(jiān)測分站信息等(圖2),這類信息具有變化周期長、數(shù)據(jù)量小等特點;第2類為監(jiān)測數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)具有變化周期短、數(shù)據(jù)量大的特點。結(jié)合文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行保存,構(gòu)建歷史數(shù)據(jù)庫，包括信息信道數(shù)、觀測系統(tǒng)和采樣率[9-10]。

圖1 數(shù)據(jù)庫架構(gòu)Fig.1 Database architecture diagram

圖2 測量站現(xiàn)場安裝Fig.2 Field installation of measuring station

2 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)增強處理

應(yīng)用歷史數(shù)據(jù)庫的礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律仿真分析方法采用傅里葉變換[11-12]對采集的采集的地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、崩塌、地面塌陷等)數(shù)據(jù)進行增強處理。

用ST(y，g)表示信號的短時傅里葉變換：

(1)

式中，j*(g)為窗函數(shù)；x(y)為采集的信號。

在最佳變換域中，采集的礦山環(huán)境數(shù)據(jù)在式(2)的基礎(chǔ)上完成分數(shù)階傅里葉變換：

exp(-j2πi0b)di0

(2)

(3)

式中，R為該分數(shù)階傅里葉變換域中噪聲和其他數(shù)據(jù)分量的傅里葉變換。

在最佳分數(shù)階傅里葉變換域中數(shù)據(jù)中存在的分量對應(yīng)的傅里葉變換都會聚焦在時頻平面中，與時間軸之間為平行關(guān)系，但其他數(shù)據(jù)分量的傅里葉變換不會聚焦在時頻面中，能量相對分散[13-14]。

為了消除數(shù)據(jù)中存在的噪聲和其他分量，在時頻面中對數(shù)據(jù)的傅里葉變換進行秩1逼近。消除了噪聲和其他分量后，對數(shù)據(jù)進行重構(gòu)[15-16]，將時頻域中存在的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變到時域中進行傅里葉逆變換：

(4)

數(shù)據(jù)經(jīng)過傅里葉變換的數(shù)據(jù)如圖3所示。

2.2 礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)分類

在歷史數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上通過支持向量機模型[17-18]獲取礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)據(jù)表現(xiàn)特征，對災(zāi)害分布規(guī)律進行分析。

支持向量機的標準模型為：

(5)

式中，(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xm，ym)為礦山環(huán)境數(shù)據(jù)，m為礦山環(huán)境數(shù)據(jù)的數(shù)量；e為超平面；V為正則化參數(shù)；ψi為松弛變量；t為閾值。

圖3 傅里葉變換數(shù)據(jù)示意Fig.3 Schematic diagram of Fourier transform data

在優(yōu)化原理的基礎(chǔ)上，用求解對偶問題代替支持向量機分類問題：

(6)

式中，βi為拉格朗日乘子，當?shù)V山環(huán)境數(shù)據(jù)樣本的拉格朗日乘子>0時，判斷該礦山環(huán)境數(shù)據(jù)為支持向量[19]。

礦山環(huán)境數(shù)據(jù)特征提取結(jié)果受核函數(shù)的影響，支持向量機的分類效果在不同內(nèi)積核函數(shù)下是不同的，高斯徑向基核函數(shù)K(x，z)=exp(-‖x-z‖2σ2)、多項式核函數(shù)K(x，y)=(xy+1)d以及線性核函數(shù)K(x，y)=xy為數(shù)據(jù)分類過程中應(yīng)用率最高的核函數(shù)。其中，徑向基核函數(shù)的學(xué)習(xí)能力較強、性質(zhì)好[20]。應(yīng)用歷史數(shù)據(jù)庫的礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律仿真分析方法選用徑向基核函數(shù)：①當參數(shù)σ的值接近于0時，表明所有礦山環(huán)境數(shù)據(jù)樣本均為支持向量；②當參數(shù)σ的值大于0且盡量小時，支持向量機可準確地完成礦山環(huán)境樣本數(shù)據(jù)的分類；③當參數(shù)σ的值無窮大時，所有礦山環(huán)境樣本數(shù)據(jù)均屬于一類；④當參數(shù)σ的值較小時，容易出現(xiàn)過擬合問題，當參數(shù)σ的值較大時，支持向量機的分類效果差。

將采集的礦山環(huán)境數(shù)據(jù)輸入支持向量機中，獲取災(zāi)害特征，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律的分析。

3 應(yīng)用實例

以某礦山區(qū)為研究對象，高程為+590～+1 056.4 m，地形坡度為0°～34°。其發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害如圖4所示。本文以高分辨率遙感影像采集當?shù)氐V山地質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，對礦區(qū)內(nèi)地形坡度、地層巖性和斷層情況等地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)進行分析，按照與歷史數(shù)據(jù)對比的相似度區(qū)分高、中、低危險區(qū)，繪制危險區(qū)如圖5所示。

圖4 某礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀Fig.4 Present situation of geological disasters in a mining area

(1)地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律與高程的關(guān)系。統(tǒng)計分析高程與災(zāi)害點分布，分析結(jié)果見表1。

表1 高程與災(zāi)害點分布情況Tab.1 Elevation and distribution of disaster points

分析表1數(shù)據(jù)可知，+650～+2 000 m為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要區(qū)域，在研究總面積中災(zāi)害易發(fā)生區(qū)域約占27.2%，但該區(qū)域中存在的災(zāi)害點數(shù)量較多，其中災(zāi)害點密度最高區(qū)域存在于高程+1 000～+1 500 m中，地質(zhì)災(zāi)害點在+2 500 m以上的數(shù)量較少。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高程+1 500 m處的研究區(qū)地震響應(yīng)較為顯著，巖體卸荷最為嚴重，該地區(qū)的坡度較大，陡峭度高，主要是由于該區(qū)域存在河流。因此，地質(zhì)災(zāi)害常發(fā)生于該區(qū)域。經(jīng)實地考察發(fā)現(xiàn)，在峽谷上部分發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量高于峽谷下部分，下部分通常是滑坡體以及崩塌造成的碎屑物質(zhì)堆積區(qū)。

(2)地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律與地形坡度之間的關(guān)系。根據(jù)1∶5 000數(shù)字等高線在ArcGIS軟件中建立礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律研究區(qū)DEM，在DEM的基礎(chǔ)上獲取研究區(qū)域的坡度圖，并分級處理坡度圖，統(tǒng)計分析坡度分級圖和地質(zhì)災(zāi)害點，分析結(jié)果見表2。

表2 坡度與災(zāi)害點分布情況Tab.2 Slope and distribution of disaster points

對上述數(shù)據(jù)進行分析可知，坡度在20°～50°是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要區(qū)域，在研究總面積中災(zāi)害易發(fā)生區(qū)域占83.7%，災(zāi)害點密度最高區(qū)域是坡度為40°～50°。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這一坡度范圍內(nèi)的災(zāi)害點主要位于多面臨空的礦山部位以及孤立山頭的部位、山脊單薄的部位和由緩變陡的地形坡度處的轉(zhuǎn)折部位，這是因為這類部位會直接影響地震波的放大效應(yīng)，易產(chǎn)生滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

(3)災(zāi)害分布規(guī)律與巖性之間的關(guān)系。研究區(qū)域的礦山巖性分類見表3。統(tǒng)計分析巖性土層與礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害點之間存在的關(guān)系，分析結(jié)果見表4。

分析表4中的數(shù)據(jù)可知，在礦山環(huán)境的不同巖層中地質(zhì)災(zāi)害類型分布相對均勻，但對比發(fā)現(xiàn)，硬巖地層和軟巖地層中的地質(zhì)災(zāi)害類型存在差異，前者多發(fā)生崩塌類災(zāi)害，后者多發(fā)生滑坡類災(zāi)害。

4 結(jié)語

礦山開采難度隨著深度的增加不斷加大，礦山的地質(zhì)情況較為復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境比較艱難，在作業(yè)過程中容易出現(xiàn)突水、坍塌、片幫和泥石流等災(zāi)害事故，會對人們的生命和財產(chǎn)安全造成威脅，通過對礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律進行分析，可以預(yù)測礦山環(huán)境中易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的危險區(qū)域，進而采取對應(yīng)的措施，將損失降到最小。

表3 礦山巖性Tab.3 Mine lithology

表4 巖性與災(zāi)害點分布之間的關(guān)系Tab.4 Relationship between lithology and the distribution of disaster points