復雜地質條件下礦山采掘工作面應力與采礦安全預警實驗研究

（河南工業和信息化職業學院，河南 焦作 454000）

目前，我國多采用電磁輻射監測法用于對礦山安全的預警，雖能監測礦山地質的不安全因素，但監測范圍較小，且不能保證現場采礦技術人員的安全，導致預警效果不理想，為此本文基于礦山采掘工作面的應力要求，對采掘工作面的應力特征指數進行確定后，建立了一種礦山采掘工作面應力與采礦安全預警的分析模型。并在復雜地質條件下進行了預警推演，驗證了該模型的有效性，希望本文的研究能夠為我國采礦安全的進一步研究提供理論依據和參考。

1 采掘工作面應力與采礦安全預警模型設計

模糊評價理論主要應用模糊變換原理和最大隸屬度原則，因此，首先要考慮與被評價事物間的相關因素，即采掘工作面應力與采礦安全間的關系，對其進行綜合評價后，再根據得出的判斷結果進行預警。

1.1 應力特征指數確定

復雜地質條件下，礦山的地質特征及礦層特征均具有不確定性，因此首先要建立能夠反映工作面應力和采礦安全指數的動態變化標準，來確定可能發生采礦安全事故的可能性，其計算過程如下：

式中，I代表可能發生采礦安全事故的可能性，用百分比計量；Ip代表工作面應力增量指數；Iw代表主要變量系數；f為模糊評價系數，本次計算不做定向分析。

在礦床附近，發生采礦事故之前，采用模糊評價理論，對采掘工作面應力的分布變化情況進行預測，進而通過工作面應力值確定礦產所處的地質環境。不同時刻內工作面的應力值差值可以根據應力增量的變化趨勢進行確定，因此，本文利用應力增量變化預測法，計算工作面應力的增量指數，其計算過程如下：首先設置初始時刻值t0，那么與之對應的初始應力值為γ0，達到預警時工作面的應力值為γ1。當技術人員進行采掘工作時，此時工作面應力發生變化，隨著γ0的不斷增大，應力增量預警值β也在不斷增大。以工作面的初始應力值為起點，得到t時刻內的應力增量，其函數表達式為：

式中，Ip代表采掘工作面應力的增量指數。

對于工作面應力的增量指數Ip，可以根據耦合系數進行修正，以得到準確的應力增量指數。

根據對采礦環境的監測，尋找采掘工作面應力的增幅程度與可能出現采礦安全事故間的線性關系，并利用這一線性關系，得出工作面應力的特征指數?。當t時刻采掘工作面應力增量Ip到達預警狀態時，其應力特征?隨著Ip的增大而增大，因此采掘工作面應力增量與應力特征為正相關函數。

1.2 模糊預警模型建立

模糊預警模型主要對三個因素進行監測，包括因素集、評判集和預警集，在預警集的基礎上，建立礦山采掘礦山采掘工作面應力與采礦安全預警模型，其計算步驟如下：

因素集簡單來說就是指造成采礦安全事故的影響對象集合，表示為。本文的評判因素是采掘工作面的應力值與采礦安全程度，因此，其因素集為。

在因素集的基礎上，對各個影響因素進行判斷，能夠得出評價結果的組合就是最終確立的評判集，表示為。

選取評判集V作為工作應力面與采礦安全的評判標準，建立權重集。由于各個影響因素間的量化關系，因此，本次計算采用模糊子集的形式a對各個權重集進行特征獲取。根據影響因素的重要程度，給出不同的權重集，根據模糊評判標準，對預測模型的權重集進行單因素判斷，進而確定評價對象的隸屬程度。

假設預警對象的單因素評價集為Ri，建立關于工作面應力的隸屬函數，對該隸屬函數進行評判后，得出基于模糊理論的工作面應力與采礦安全的預警模型，其函數表達式如下：

式中，U(x)代表預警模型，若U(x)＞0，則代表礦山采掘工作面應力與采礦工程無沖突，可以進行正常的采礦工程，模型不進行預警處理。若U(x)=0，則代表此時礦山采掘工作面應力較大，繼續采礦會發生安全，因此模型會立即報警，以便采礦人員能夠采取解危措施。若U(x)＜0，則說明礦山采掘工作面處于高危險狀態，此時模型會加強預警并使掘進面停止工作，不斷強化解危措施，在技術人員檢驗現場安全后再進行采掘作業。

因此，通過對礦產采掘面應力和采礦安全的變化情況進行監測，利用模糊指標函數，可以確定復雜地質條件下采礦的工程安全程度。至此，完成對礦山安全預警模型的設計。

2 應力面與采礦安全預警分析

為保證模型的安全預警可行性，在某礦區進行采礦推演。該礦山采掘面深1000m，每相鄰兩采掘面間相距120m，礦區內有大量斷層貫穿，地質條件復雜。掘進期間，礦山發生以沖擊地壓為主的工作面應力涌出災害的危險性大，為保證該礦區的安全，在工作面附近安裝上述預警模型。模型全部布設于條采掘工作的同一側，應力測點共分為5組，每組設置兩個預警模型，一個布置在工作面較淺的位置，另一個布置在工作面較深的位置。同時，后一組模型為超前測點，與其他測點相距2m，模型與采掘工作面呈30°夾角，采礦掘進時，其垂直于工作面的距離為7m。工作面每推進20m，前一組的應力預警模型就會移至后一組，則前一組內增設一個深孔測點和一個超前測點。

當礦山采掘工作面應力與采礦工程無沖突時，突出預警模型布設深度不同的主要目的在于通過采集與分析影響采掘面應力值的關鍵因素，并提取這一關鍵因素的特征，以提前對工作面的應力值進行分析。模型預警過程中，以工作面應力的影響方式為切入點，通過分析應力影響方式的指標及規則，進一步對應力值的特征指數及模糊標準進行確定，在此基礎上，對工作面的應力值進行實時監測，以當出現異常工作面應力時，會立即報警。當礦山采掘工作面應力較大時，預警規則便發揮其核心作用。只有確定了準確的預警規則才能對工作面應力值的預警情況進行合理分析，再跟進應力值大小及相關規則，確定預警結果的等級依據，從而實現模型合理、可靠的預警過程。當采掘工作面處于高危險狀態時，預警模型會立即建立預警指標與預警級別之間的關聯關系，當預警規則達到某一范圍后，發布相應等級的預警信息，這時模型便會順利報警。經過上述定義，將模型在某礦區內進行一次安全預警推演，在確定預警規則后，保持原有的設置參數和合理性原理，對采掘工作面的疊加距離進行監控，一旦兩測點的實際距離超出不可控范圍，則模型就應從趨勢預警的角度發布重度預警，提醒相關部門注意。

3 結語

通過對礦山采掘工作面應力影響模式的分析，建立了應力影響模式的采礦預警模型，實現了復雜地質條件下采掘工作面應力與采礦安全的實時監測及預警。隨著采掘面深度的不斷增大，其應力值的集中程度便會更高，其影響范圍也會更大，那么對采礦安全的影響便是及其明顯的。本次研究設計的預警模型能夠對礦山采掘工作面的突發危險做出新的嘗試，以最大限度的規避采礦風險，為我國采礦工程的進一步發展提供理論依據和參考。