蘭尖鐵礦地壓災害預警管理系統研究與應用

尹彥波

(長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410012)

0 引言

礦產資源的大量開采直接推動了人類經濟和社會的高速發展，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害事故會給礦山安全生產帶來巨大的災害隱 患[1]，己成為制約礦山可持續發展的主要問題之一，給人類的生活和生態環境帶來了消極影響。因此，對礦山進行長期有效的地壓災害監測，建立適合礦山實際的地壓監測網是非常必要的，它能對礦山的地壓災害給予提前預警，有利于礦山企業進一步采取對策措施，避免災害事故的發生[2-3]。

礦山也是人類工程活動對地質環境影響最為強烈的場所之一。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開發模式導致大部分礦山災害頻發，安全形勢嚴峻，礦山災害的防治是一項緊迫且長期的任務。目前，開展災害的監測是進行災害預警與防治最直接和最有效的手段。長期監測產生的“大數據”蘊涵了災害發生的科學機理，是指導礦山安全生產與應急管理的依據。因此，開展監測數據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，尖山礦區由4個礦帶構成，傾角為50°～60°，傾向正北，走向接近東西方向。蘭尖鐵礦礦區原采用露天開采，露采結束后已轉入地下開采，采用無底柱分段崩落采礦法。近年來在回采過程中發生了多次冒頂和片幫事故，嚴重威脅和影響了蘭尖鐵礦的安全 生產。

蘭尖鐵礦露天開采轉地下開采沒有進行過系統的礦山地壓監測工作，沒有形成專門的地壓管理機構和配備專業的地壓監測設備，在地壓監測、控制和管理上較為薄弱，當地壓災害來臨時，無法有效應對。因此，對蘭尖鐵礦礦區建立了一套有效的地壓監測預警系統，通過蘭尖鐵礦地壓監測網絡，開展地壓監測與數據預警分析，以地壓監測數據為基礎，對礦山地壓災害進行地壓監測預警[4-6]。

2 蘭尖鐵礦地壓監測網及動態數據庫的建立

2.1 蘭尖鐵礦地壓監測網的建立

針對蘭尖鐵礦的開采狀況及地壓顯現情況，井下地壓監測方案選取了巖體聲發射監測（單通道聲發射監測、多通道聲發射監測）、應力監測等地壓監測方法。針對開采狀況及地壓變化情況進行地壓監測網設計，地壓監測控制點主要分布在1420 m、1400 m、1380 m、1360 m、1340 m五個分層。地壓監測網設計以監測控制點的監測數據為基礎，監測范圍全面覆蓋了蘭尖鐵礦地下開采區域[7-9]，通過監測儀器自動或者手動收集監測數據，并對監測數據進行預測分析。

2.2 蘭尖鐵礦地壓監測動態數據庫的建立

為便于管理地壓監測數據，建立了蘭尖鐵礦地壓監測SQL數據庫，也為地壓監測預警研究提供了原始監測數據。采用計算機程序語言開發了礦山地壓監測預警數據庫管理系統，方便實現數據的記錄、查詢和圖形顯示等功能，真正實現了人機友好管理，實現了監測參數實時錄入及數據查詢[10-13]。

將實時監測的應力、聲發射參數通過可視化程序直接錄入到數據庫，并自動保存，各種地壓監測預警模型可調用數據庫的原始監測數據，經數據處理后，運用非線性科學理論預警模型，對其穩定性進行預警分析，很好地實現了數據庫與預警模型的無縫銜接。

3 蘭尖鐵礦地壓災害預警模型

在蘭尖鐵礦地壓監測實施過程中，需要對實時采集的地壓監測數據進行預警模型分析，通過運用灰色理論模型、Verhulst模型、Verhulst反函數模型和突變理論模型等非線性科學理論模型，對礦巖體的穩定性進行分析研究，通過室內試驗研究和多年的現場監測及地壓顯現現象總結，準確得出蘭尖鐵礦的地壓災害預警臨界準則，將預警模型程序計算結果與預警準則進行比較，結合現場開采及地壓顯現狀況，判別礦巖體的穩定性狀態。其預警模型方 法流程圖如圖1所示[13-14]。

圖1 礦山地壓災害預警程序流程

3.1 地壓災害預警主程序結構流程

礦山地壓災害預警主程序結構流程如下：建立后臺礦山地壓監測SQL數據庫，錄入或導入監測數據至數據庫中，按照不同要求查詢數據庫中的數據，輸出和保存查詢結果，可繪制并保存實時動態曲線，運用灰色理論、突變理論、Verhulst模型、Verhulst反函數模型對地壓監測數據庫中的數據進預警分析，計算預測結果并繪制監測值和預測值曲線，輸出并保存預測結果，主程序結構流程如圖2所示[14]。

圖2 地壓災害預警主程序結構流程

3.2 地壓災害預警模型可視化研究

本文選取了灰色理論模型、突變理論模型、Verhulst模型、Verhulst反函數模型等非線性科學理論模型，每個預警模型所具備的基本可視化應用功能有：查詢數據庫中數據、顯示要計算的數據個數、導出查詢數據、導出預測數據、模型計算、繪制監測值與預測值曲線、清除曲線、打印曲線和保存曲線等功能[9-11]，僅以Verhulst反函數預警模型計算和分析過程為示例，其可視化預警分析結果如圖3、圖4所示。

圖3 Verhulst反函數預測模型分析操作界面

圖4 Verhulst反函數預測模型監測值與預測值計算結果

3.3 蘭尖鐵礦多通道聲發射率預警指標

在蘭尖鐵礦掛幫礦崩落開采過程中，經常出現礦（巖）體開裂和剝離，采場頂板冒落等地壓顯現現象。根據地壓監測預警臨界準則，結合對蘭尖鐵礦多年來的地壓活動規律總結，可準確推斷出礦（巖）體開裂和剝離，采場頂板冒落等地壓現象時聲發射事件率的臨界值，如圖5、圖6所示。結合各聲發射監測點的實時聲發射監測數據和地壓顯現情況，綜合考慮，確定巖體失穩預警聲發射臨界值為單通道聲發射事件率4次/分鐘、多通道聲發射事件率4次/小時，低于這個事件率，巖體相對穩定，不會有大范圍的垮塌和大的地壓災害，而當巖體聲發射事件率高于這個區間數值，巷道開裂片幫嚴重，頂板冒落，圍巖失穩。

圖5 巖體失穩多通道聲發射事件率預警準則線

3.4 巷道片幫、頂板垮塌的預警分析

以蘭尖鐵礦1400 m水平的多通道聲發射監測點為例，運用地壓災害預警模型管理系統對此區域的監測數據進行預警分析，查詢出監測點的監測數據如圖7所示。

圖6 巖體失穩破壞多通道聲發射事件率預警值區間

圖7 1400中段7#孔預警及數據查詢結果（B#沿脈）

調用1400 m水平B#沿脈附近7#多通道聲發射孔的監測數據，選取Verhulst反函數預測模型（綜合管理系統中對應是Verhulst 2模型）對2016年6月1日至2016年7月3日的地壓監測數據進行預警分析，監測數據與預測數據值見表1，監測曲線與預測曲線如圖8所示。

表1 7#多通道聲發射監測數據與預測數據

對地壓監測數據進行周期為1 d的等間隔時間處理，得到Verhulst反函數預測模型：

當模型預測到原始序列第5步后，可得到預測 時間序列T=2.66，取T=3。

圖8 1400 m中段B#沿脈預警系統分析計算結果

通過對7#聲發射監測數據預測表明：多通道監測數據產生突變，預測值從12次/h提升至18次/h，監測值從12次/h提升至22次/h，均在聲發射事件率的臨界值之上，12次/h遠遠超過了4次/h的聲發射事件率的臨界值，會發生嚴重的片幫和頂板垮塌等地壓災害，預測時間為3 d。以上預測表明：此處圍巖或礦體即將發生片幫和頂板垮塌等地壓災害。

蘭尖鐵礦1400 m水平B#沿脈于2016年7月8日發生片幫和頂板冒落，如圖9所示。由上述分析可知：本文研發的地壓災害預警管理系統其預測分析結果和現場實際情況一致，證明地壓災害預警管理系統具有較強的可靠性，可推廣應用于其他礦山。

圖9 現場巷道片幫、頂板垮塌

4 結論

（1）在蘭尖鐵礦中建立了基于巖體聲發射、應力監測方法的全方位、多功能的地壓監測系統，解決了地壓監測預警參數的采集問題；

（2）建立了蘭尖鐵礦動態數據庫管理系統，形成了地壓災害預警管理系統的動態監測數據庫，有效地管理了地壓監測數據；

（3）研發了基于灰色理論模型、突變理論模型、Verhulst理論模型和Verhulst反函數理論模型等非線性科學理論模型的蘭尖鐵礦地壓災害預警程序系統，通過對現場地壓顯現現象的調查分析，并結合期間對應的地壓監測聲發射多通道監測數據，得出了蘭尖鐵礦多通道聲發射事件數預警臨界值指標；

（4）運用地壓災害預警管理系統對蘭尖鐵礦1400 m分層B#穿脈礦巖體的穩定性進行預警分析，分析結果有效地指導了生產實際，在蘭尖鐵礦中應用效果良好。