現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警方法

朱萬(wàn)成 任 敏 代 風(fēng) 張鵬海 王雷鳴 劉洪磊賈瀚文 王興偉

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819；2.東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究所，遼寧沈陽(yáng)110819；3.東北大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源需求量與日俱增，礦業(yè)開(kāi)發(fā)規(guī)模逐漸擴(kuò)大。在國(guó)內(nèi)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量逐漸減少、易采礦產(chǎn)逐步枯竭的情況下，礦山逐漸轉(zhuǎn)向?qū)ι畈抠Y源和復(fù)雜難采資源的開(kāi)采［1］。隨之帶來(lái)的問(wèn)題是，礦山生產(chǎn)的安全問(wèn)題日益突出，巖爆、透水、冒頂、塌陷等災(zāi)害凸顯［2］。為降低開(kāi)采誘發(fā)的礦山動(dòng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)從業(yè)者生命和企業(yè)財(cái)產(chǎn)安全，進(jìn)行礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警是當(dāng)下采礦行業(yè)迫在眉睫的需求。然而，由于礦山地質(zhì)條件的不確定性，災(zāi)害形成機(jī)理復(fù)雜，雖然眾多的專家學(xué)者針對(duì)礦山災(zāi)害預(yù)警防控的課題進(jìn)行了不斷探索研究，到目前為止，無(wú)論是從空間上還是從時(shí)間上，國(guó)內(nèi)外尚缺乏行之有效的礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警方法，難以實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的有效預(yù)警［3］。

預(yù)測(cè)是指在掌握現(xiàn)有信息的基礎(chǔ)上，根據(jù)客觀事物的發(fā)展趨勢(shì)和變化規(guī)律對(duì)特定對(duì)象的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)或狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)推斷與判斷，即預(yù)測(cè)就是根據(jù)過(guò)去和現(xiàn)在估計(jì)未來(lái)。預(yù)警是指在災(zāi)害或?yàn)?zāi)難以及其他需要提防的危險(xiǎn)發(fā)生之前，根據(jù)以往總結(jié)的規(guī)律或觀測(cè)得到的可能性前兆，向相關(guān)部門發(fā)出緊急信號(hào)，報(bào)告危險(xiǎn)情況，以避免危害在不知情或準(zhǔn)備不足的情況下發(fā)生，從而最大程度地減輕危害所造成的損失的行為。相比而言，預(yù)警是要找到災(zāi)害發(fā)生的可能前兆，并發(fā)出緊急信號(hào)，以減輕災(zāi)害發(fā)生所造成的損失。例如，對(duì)于地震災(zāi)害，地震預(yù)警主要利用電磁波與地震波的速度差，以及地震P 波與S 波的速度差來(lái)實(shí)現(xiàn)地震發(fā)生后的及時(shí)預(yù)警。發(fā)出預(yù)警的時(shí)候，有害的地震波（S 波、L 波、R 波）往往還未到達(dá)地表。因此，在監(jiān)測(cè)到地震激發(fā)的電磁波和P 波時(shí)，即可發(fā)出預(yù)警，可以提醒人們采取緊急措施。雖然地震預(yù)警的時(shí)間非常短，往往只有幾秒、十幾秒或數(shù)十秒，但是如此短的時(shí)間仍然可以挽救很多生命，減少很多損失［4］。

從某種程度上說(shuō)，礦山動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生可以視為一種誘發(fā)的“地震”，往往與地震的發(fā)生具有一定的相似性，但由于礦山災(zāi)害的“震源”與工作面距離比較近，單獨(dú)采用波速差的地震預(yù)警方法由于時(shí)間差極短而難以奏效。另一方面，礦山動(dòng)力災(zāi)害類型眾多、致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜，精準(zhǔn)探明災(zāi)害的孕育發(fā)展過(guò)程十分困難，往往難以通過(guò)某種單一預(yù)警手段實(shí)現(xiàn)有效的臨災(zāi)預(yù)警。

1 礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警方法概述

1.1 基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的預(yù)測(cè)預(yù)警方法

為實(shí)現(xiàn)礦山災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)警，首先要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)來(lái)獲取礦山巖體的響應(yīng)信息。這使得我們能夠?qū)崟r(shí)了解礦山的實(shí)際狀況，并對(duì)異?，F(xiàn)象做出及時(shí)有效的判斷，做到持續(xù)不間斷的監(jiān)控。隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的監(jiān)測(cè)專用傳感器應(yīng)運(yùn)而生，可以從各方面基本滿足礦山現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)需求。

礦山的地質(zhì)條件與開(kāi)采方法各不相同，針對(duì)不同的礦山災(zāi)害問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)采用的監(jiān)測(cè)手段也不盡相同。除了常見(jiàn)的監(jiān)測(cè)手段，如錨桿應(yīng)力、巷道收斂、孔內(nèi)多點(diǎn)位移、風(fēng)量、溫度等常規(guī)參量監(jiān)測(cè)外，對(duì)于深部礦山常見(jiàn)的巖爆災(zāi)害，還需采用微震監(jiān)測(cè)以跟蹤采動(dòng)引起的圍巖破裂信息［5-6］；針對(duì)具有突水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的礦山，更需要注重微破裂形成的涌水通道［7］、觀測(cè)孔水位［8］與裂隙水壓等方面的監(jiān)測(cè)信息［9］；針對(duì)淺埋礦山面臨的空區(qū)塌陷導(dǎo)致地表沉陷災(zāi)害，還需增加地表沉降監(jiān)測(cè)。在這方面，即便是獲得了災(zāi)害發(fā)生之前圍巖的響應(yīng)信息，但如何從中挖掘出真正的前兆信息，如何基于前兆信息的認(rèn)識(shí)對(duì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，目前仍然是懸而未決的難題。

在獲取礦山現(xiàn)場(chǎng)基本地質(zhì)條件和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的前提下，目前普遍采用的預(yù)測(cè)預(yù)警方法可大致分為3類：基于理論或經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測(cè)預(yù)警方法、基于監(jiān)測(cè)閾值的預(yù)測(cè)預(yù)警方法和基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)與智能算法的預(yù)測(cè)預(yù)警方法。

基于理論或經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測(cè)預(yù)警方法是指利用根據(jù)理論公式或經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式建立的災(zāi)害評(píng)估模型進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警。例如，在已知礦山地質(zhì)開(kāi)采條件的情況下，利用概率積分模型可以預(yù)測(cè)沉降量與沉降曲線［10］。王永軍［11］借助圓錐型冒落理論、普式冒落拱理論、軸變理論、彈塑性理論等力學(xué)理論，采用自適應(yīng)變權(quán)重綜合分析法預(yù)測(cè)了巷道的冒頂高度。在大量前期數(shù)據(jù)證實(shí)這些理論或者經(jīng)驗(yàn)公式具有可用性的前提下，可以根據(jù)這些理論或經(jīng)驗(yàn)公式給出的數(shù)值來(lái)進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警。實(shí)際上，由于難以得到具有時(shí)變性的理論模型和經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)行礦山災(zāi)害的預(yù)測(cè)雖然具有一定的依據(jù)，但進(jìn)行預(yù)警則是非常困難的。

基于監(jiān)測(cè)參量閾值的預(yù)測(cè)預(yù)警方法是指過(guò)經(jīng)驗(yàn)分析、理論分析或工程類比法等，人為確定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的合理范圍，當(dāng)超出合理閾值范圍時(shí)進(jìn)行災(zāi)害的實(shí)時(shí)預(yù)警。預(yù)警指標(biāo)的選取在該預(yù)警方法中扮演著重要角色，不僅預(yù)警指標(biāo)的量值大小能夠表明圍巖變形是否處于加速階段，而且不同的預(yù)警指標(biāo)表征了圍巖變形的不同特性。預(yù)警指標(biāo)不僅指直接監(jiān)測(cè)的直接數(shù)據(jù)，也可以是二次處理數(shù)據(jù)。例如，監(jiān)測(cè)邊坡滑動(dòng)位移時(shí)，不僅可以設(shè)定測(cè)點(diǎn)位移的合理閾值，也可以將位移數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為速度或加速度，設(shè)定合理的速度或加速度閾值進(jìn)行預(yù)警［11-12］?，F(xiàn)階段，基于微震監(jiān)測(cè)信息是實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力誘發(fā)巖爆預(yù)警的重要途徑。于洋等［5］基于對(duì)錦屏二級(jí)水電站引水隧洞、排水洞施工過(guò)程中的大量微震信息以及不同等級(jí)的巖爆實(shí)例的分析，提出了以局部能量釋放率和最大能量微震事件的能量值為預(yù)警指標(biāo)的巖爆災(zāi)害綜合閾值預(yù)警方法。張楚旋等［13］基于微震活動(dòng)性數(shù)據(jù)，采用能量指數(shù)與累積視體積之比及施密特?cái)?shù)與累積視體積之比來(lái)進(jìn)行礦山巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)警，獲得了圍巖失穩(wěn)前更為合理的預(yù)警期。王冠聰?shù)龋?4］結(jié)合礦壓理論及突水機(jī)理分析了水壓、水溫、鉆孔應(yīng)力等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，提出了深孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的閾值預(yù)警判別準(zhǔn)則，并有效判別了王樓煤礦工作面的突水預(yù)警等級(jí)。

基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)與智能算法的預(yù)測(cè)預(yù)警方法是指利用回歸分析、灰色理論、模糊數(shù)學(xué)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法或者人工智能算法，分析挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與礦山災(zāi)害之間的隱含關(guān)系，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)預(yù)警。韓偉民［15］用灰色理論GM（1，1）預(yù)測(cè)模型和Verhulst 預(yù)測(cè)模型進(jìn)行建模，并對(duì)應(yīng)力和位移參數(shù)因子進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，初步構(gòu)建了柿竹園多金屬礦的礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。謝振華等［16］提出了礦山排土場(chǎng)滑坡預(yù)警指標(biāo)體系，針對(duì)綜合預(yù)警指標(biāo)，建立了基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的排土場(chǎng)滑坡預(yù)警模型。侯冠慧等［9］基于頂?shù)装鍓毫ΡO(jiān)測(cè)、巷道內(nèi)水位監(jiān)測(cè)、超前水體探測(cè)等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合考慮了各種因素如巷道、含水層水位、頂?shù)装鍓毫σ约巴诰蛎媲胺剿康龋瑫r(shí)參考現(xiàn)有水文地質(zhì)資料及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和D-S 證據(jù)理論兩級(jí)融合的煤礦工作面突水預(yù)警評(píng)價(jià)模型。張新宇［17］與侯寶月［18］基于礦井突水結(jié)構(gòu)的超前探測(cè)以及鉆孔原始資料信息、突水點(diǎn)信息、地表水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息及涌水量數(shù)據(jù)信息等，運(yùn)用CART 分類決策樹(shù)算法構(gòu)建了突水預(yù)測(cè)模型。

上述基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)預(yù)警方法尚存在三個(gè)方面的不足：

（1）工程現(xiàn)場(chǎng)致災(zāi)過(guò)程與演化機(jī)制不明確。該類預(yù)測(cè)預(yù)警方法是對(duì)大量數(shù)據(jù)中的隱含規(guī)律進(jìn)行挖掘，無(wú)法明確得出災(zāi)害發(fā)生的致災(zāi)機(jī)理以及災(zāi)害從孕育到爆發(fā)的演化機(jī)制，對(duì)從根本上認(rèn)識(shí)災(zāi)害的前兆無(wú)實(shí)質(zhì)性推動(dòng)作用。為更有效地進(jìn)行礦山災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)警，需要在進(jìn)行采動(dòng)致災(zāi)過(guò)程分析的基礎(chǔ)上，認(rèn)清各種礦山災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理與前兆規(guī)律。

（2）數(shù)據(jù)質(zhì)量依賴性強(qiáng)。由于該類方法實(shí)施的基本條件是數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)警分析，往往需要更為全面、精確的數(shù)據(jù)。但礦山現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，有時(shí)根本無(wú)法獲取足量的優(yōu)質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，甚至已有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也可能因巖體結(jié)構(gòu)破壞或開(kāi)采擾動(dòng)等因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)中斷及干擾失真?，F(xiàn)場(chǎng)難以保證數(shù)據(jù)的全面性、連續(xù)性及優(yōu)質(zhì)性，易導(dǎo)致預(yù)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性和可靠性降低。

（3）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)多為點(diǎn)式監(jiān)測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于各個(gè)散落布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器，該類數(shù)據(jù)僅能反映該監(jiān)測(cè)點(diǎn)極小范圍內(nèi)的力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)，并不能獲取其他非監(jiān)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)狀態(tài)。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置代表性差等原因，造成非監(jiān)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)更強(qiáng)烈，會(huì)導(dǎo)致非監(jiān)測(cè)點(diǎn)先于監(jiān)測(cè)點(diǎn)破壞，進(jìn)而使得預(yù)警任務(wù)失敗。總之，雖然監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中含有災(zāi)害孕育的過(guò)程信息以及災(zāi)害爆發(fā)的可能前兆信息，但識(shí)別和提取這些信息是相當(dāng)困難的，目前基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的預(yù)警方法尚無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警的目標(biāo)。

1.2 基于數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)預(yù)警方法概述

除了上述基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)預(yù)警方法外，數(shù)值模擬手段也常被用于分析評(píng)價(jià)礦山災(zāi)害發(fā)生的可能性。巖體數(shù)值模擬技術(shù)是基于已知的理論知識(shí)（例如彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)和損傷理論等），通過(guò)數(shù)值方法求解一些理論上無(wú)法明確表達(dá)解析解的復(fù)雜情況，可以計(jì)算獲得采動(dòng)影響下的圍巖力學(xué)響應(yīng)。根據(jù)不同的數(shù)值求解方法，數(shù)值模擬方法可分為有限元、離散元、邊界元、無(wú)單元、DDA、流形元等方法。實(shí)際上，借助于數(shù)值模擬方法，人們可以進(jìn)行巖體損傷致災(zāi)過(guò)程的分析，在此基礎(chǔ)上也可以實(shí)現(xiàn)巖體損傷區(qū)發(fā)展的分析預(yù)測(cè)，為災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警提供重要的理論與技術(shù)支撐。此外，數(shù)值模擬方法能夠更直觀地展示出整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)，為解讀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和挖掘前兆特征提供理論依據(jù)，可為研究者認(rèn)清災(zāi)害發(fā)生機(jī)理與發(fā)展規(guī)律提供重要參考。

近年來(lái)，學(xué)者們利用各種數(shù)值模擬手段開(kāi)展了礦山實(shí)況模擬，進(jìn)行了礦山安全評(píng)價(jià)分析，取得了一些有價(jià)值的研究成果。曹輝等［19］采用ANSYS 有限元數(shù)值模擬方法對(duì)南洺河鐵礦開(kāi)采過(guò)程中的突水災(zāi)害進(jìn)行了模擬評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)了礦區(qū)內(nèi)突水危險(xiǎn)源區(qū)域。陳慶發(fā)［20］采用MIDAS/GTS 有限元數(shù)值模擬軟件開(kāi)展了空區(qū)穩(wěn)定性模擬分析，研究了采空區(qū)穩(wěn)定性尺寸效應(yīng)。此外，還有學(xué)者采用RFPA 軟件對(duì)3 類典型空區(qū)群結(jié)構(gòu)的災(zāi)變路徑與鏈源進(jìn)行了仿真模擬，探究了采空區(qū)群結(jié)構(gòu)致災(zāi)效應(yīng)。王仕昌等［21］在進(jìn)行了抽水試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)了各開(kāi)采水平的正常礦坑涌水量，為開(kāi)采可行性研究提供了水文地質(zhì)數(shù)據(jù)。駱祖江等［22］通過(guò)對(duì)山西平朔礦區(qū)地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)模型進(jìn)行概化，建立了礦區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)的三維數(shù)值模擬模型，并結(jié)合工況特征及礦井作業(yè)方式、生產(chǎn)進(jìn)度，以巷道和回采工作面月掘進(jìn)量為單位，模擬預(yù)測(cè)了各巷道和回采工作面地下水位降至9號(hào)煤底的涌水量。王鷹等［23］通過(guò)3DEC離散元數(shù)值模擬方法對(duì)引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞工程的5 個(gè)代表性埋深段進(jìn)行了隧洞開(kāi)挖數(shù)值模擬，分析了開(kāi)挖后圍巖的二次應(yīng)力、位移變化和破壞情況，并選擇了5種不同的巖爆判據(jù)對(duì)圍巖巖爆等級(jí)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的巖爆等級(jí)與實(shí)際巖爆發(fā)生情況基本吻合。

數(shù)值模擬方法用于災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警，雖然可以從機(jī)理上分析災(zāi)害的發(fā)生過(guò)程，在一定程度上指導(dǎo)安全生產(chǎn)，但也存在以下兩方面的不足：其一，由于巖體的復(fù)雜性，無(wú)法完全真實(shí)表征工程現(xiàn)場(chǎng)情況，數(shù)值模擬往往對(duì)巖體的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，模擬的結(jié)果往往與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況有較大差異，預(yù)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性也會(huì)大打折扣；其二，當(dāng)前的數(shù)值模擬方法均是基于前期勘探數(shù)據(jù)開(kāi)展，不能基于時(shí)刻變化的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的數(shù)值模擬，無(wú)法滿足預(yù)警的實(shí)時(shí)性要求。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的預(yù)測(cè)預(yù)警方法

針對(duì)礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警而言，上述基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法和基于數(shù)值模擬的方法，各有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但也存在不可忽視的缺點(diǎn)。如果能將兩種方法有效地結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以從很大程度上改善礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警的效果。

基于如上思路，課題組整合前期在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬分析方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展形成了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警方法，以期實(shí)現(xiàn)基于監(jiān)測(cè)的模擬和基于模擬的預(yù)警，達(dá)到有效改善現(xiàn)行礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警方法的目的。圖1 展示了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警平臺(tái)的總體框架，主要分為5 個(gè)模塊：室內(nèi)試驗(yàn)與理論建模、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)集成與數(shù)據(jù)挖掘、趨勢(shì)預(yù)測(cè)與實(shí)時(shí)預(yù)警、警情發(fā)布及應(yīng)急避險(xiǎn)。

在室內(nèi)試驗(yàn)及理論建模方面，開(kāi)展多應(yīng)變率條件下的巖石損傷與破裂過(guò)程試驗(yàn)，建立多應(yīng)變率（準(zhǔn)靜態(tài)、流變、動(dòng)態(tài)擾動(dòng)）條件下的巖石損傷力學(xué)模型；開(kāi)展巖石節(jié)理的剪切失穩(wěn)試驗(yàn)，建立節(jié)理剪切失穩(wěn)的本構(gòu)模型；同時(shí)建立礦柱—頂板、圍巖—支護(hù)體、圍巖—充填體相互作用的理論模型，探尋巖石損傷與失穩(wěn)破裂發(fā)生的條件和判據(jù)，為預(yù)測(cè)災(zāi)害的發(fā)生時(shí)間奠定理論基礎(chǔ)。

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與監(jiān)測(cè)方面，開(kāi)展巖體賦存環(huán)境信息（地應(yīng)力、地下水、地溫）測(cè)量；采用物探、攝影測(cè)量、鉆孔探測(cè)等多種手段，進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)特征的多尺度探測(cè)，認(rèn)識(shí)巖體的結(jié)構(gòu)特征；開(kāi)展圍巖變形、應(yīng)力、微震等響應(yīng)過(guò)程的實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，深入分析采動(dòng)引起的圍巖響應(yīng)特征。

在數(shù)據(jù)集成與數(shù)據(jù)挖掘方面，利用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)，將多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸并匯集至云平臺(tái)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的清洗和聚類分析，開(kāi)展監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挖掘；在云計(jì)算的編程環(huán)境中，研發(fā)巖石損傷與破裂的數(shù)值模擬軟件系統(tǒng)，開(kāi)展采場(chǎng)圍巖損傷及災(zāi)害孕育過(guò)程的數(shù)值模擬。

在預(yù)測(cè)預(yù)警方法方面，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行融合，利用微震數(shù)據(jù)表征巖體損傷與參數(shù)弱化情況，開(kāi)展實(shí)時(shí)數(shù)值模擬分析?；趯?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工智能算法研究與回歸分析，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)值模擬得出的損傷演化規(guī)律，進(jìn)行礦區(qū)變形損傷與破壞趨勢(shì)預(yù)測(cè)。此外，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)的閾值監(jiān)控與實(shí)時(shí)數(shù)值模擬閾值監(jiān)控以及專家綜合評(píng)判相結(jié)合，可進(jìn)行災(zāi)害實(shí)時(shí)預(yù)警。將趨勢(shì)預(yù)測(cè)與實(shí)時(shí)預(yù)警進(jìn)行有機(jī)綜合，從而發(fā)展形成了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警方法。同時(shí)，借助于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域模型和數(shù)據(jù)以及預(yù)測(cè)預(yù)警結(jié)果的真三維顯示。

在預(yù)警信息發(fā)布及應(yīng)急避險(xiǎn)方面，事先預(yù)估可能發(fā)生的各種災(zāi)害類型、規(guī)模，提前制定相應(yīng)的應(yīng)急避險(xiǎn)方案。當(dāng)預(yù)警判別出現(xiàn)警情時(shí)，利用云平臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的多終端實(shí)時(shí)發(fā)布，及時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急避險(xiǎn)預(yù)案，組織人員及設(shè)備有序撤離，避免災(zāi)害引起的嚴(yán)重后果。

2.1 巖體參數(shù)表征與三維建模

為實(shí)現(xiàn)整個(gè)研究區(qū)域的數(shù)值模擬，要求建立的三維數(shù)值模型盡可能貼合巖體工程實(shí)際，為此需要開(kāi)展一系列的前期準(zhǔn)備工作：①選取礦山災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域作為研究對(duì)象，基于地質(zhì)勘探資料，確定礦區(qū)巖性分布、斷層褶皺等地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布情況，根據(jù)采礦設(shè)計(jì)圖紙資料確定采場(chǎng)分布，建立研究區(qū)域的三維地質(zhì)和幾何模型；②基于巖石室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)面調(diào)查成果進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)，確定巖體物理力學(xué)參數(shù)及其本構(gòu)關(guān)系；③基于礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)、地下水滲流場(chǎng)、地溫場(chǎng)等巖體賦存環(huán)境資料，設(shè)定三維計(jì)算模型的邊界條件和初始條件，在該環(huán)節(jié)，需要利用AutoCAD、3Dmine、Hypermesh 等軟件建立三維幾何及數(shù)值計(jì)算模型。

2.2 初步數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

將獲取的巖體參數(shù)、本構(gòu)參數(shù)和邊界條件輸入到巖石力學(xué)數(shù)值模擬軟件，可初步進(jìn)行研究區(qū)域的采動(dòng)巖體力學(xué)響應(yīng)的三維數(shù)值模擬。根據(jù)力學(xué)模型的不同，數(shù)值模擬可選擇的數(shù)值軟件分為基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的軟件和基于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的軟件兩類，可以在這些軟件中嵌入事先研究確定的巖體本構(gòu)關(guān)系，以便開(kāi)展更為貼合工程實(shí)際的力學(xué)分析。

為對(duì)整個(gè)采區(qū)進(jìn)行大規(guī)模數(shù)值模擬分析，由于無(wú)法對(duì)每條節(jié)理信息都調(diào)查清楚，在這種情況下，可采用基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的軟件，如RFPA、Comsol Multiphysics、Ansys、Abaqus、FLAC2D/3D 等常見(jiàn)的有限元或有限差分軟件，將巖體等效稱為均勻連續(xù)介質(zhì)，分析開(kāi)采帶來(lái)的應(yīng)變擾動(dòng)和圍巖的損傷與破裂。如果是關(guān)注單個(gè)巷道頂板圍巖的冒落，此時(shí)需要注重局部節(jié)理分布與關(guān)鍵塊的穩(wěn)定性分析，可采用基于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的軟件，如UDEC、3DEC、PFC、DEM 等軟件等，對(duì)巷道頂板塊體滑落進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

根據(jù)初步的數(shù)值模擬結(jié)果，可直觀地得出礦區(qū)中的某些高應(yīng)力和易發(fā)生損傷、出現(xiàn)塑性變形的部位，根據(jù)礦山結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位（如巷道頂板、采空區(qū)頂板等）的變形、應(yīng)力以及損傷區(qū)的分析，確定最佳的監(jiān)測(cè)手段以及傳感器布置方案。例如，微震傳感器應(yīng)該布置在具有巖爆風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域，這樣有利于捕捉更多的微震信息；多點(diǎn)位移計(jì)等變形監(jiān)測(cè)儀應(yīng)該布置在發(fā)生變形較為明顯的圍巖中。目前，可供選擇的監(jiān)測(cè)參量主要有圍巖及結(jié)構(gòu)應(yīng)力（內(nèi)部或表面）、位移（內(nèi)部或表面）、應(yīng)力變化率、變形速率、微震、含水率、滲透壓力、涌水量、風(fēng)速、溫度、濕度、有害氣體含量、聲波速率、電阻率、紅外信息、視頻信息等。相應(yīng)可供選擇的監(jiān)測(cè)設(shè)備較多，在此不進(jìn)行詳細(xì)敘述。

近年來(lái)，礦山監(jiān)測(cè)技術(shù)取得了較大發(fā)展，其中微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是其中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)方法之一。目前，多通道微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在南非的深井金礦及美國(guó)、加拿大、澳大利亞、智利等采礦大國(guó)的金屬礦山和波蘭等國(guó)的煤礦得到了普遍使用，成為礦山動(dòng)力地壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)和安全生產(chǎn)管理的主要手段。由于微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以反映巖體內(nèi)部微裂隙的萌生、擴(kuò)展過(guò)程，進(jìn)而間接反映出巖體損傷情況與巖體基本力學(xué)參數(shù)弱化情況，從而可以根據(jù)實(shí)時(shí)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演分析巖體的實(shí)時(shí)損傷情況。

巖體損傷變量可以定義為

式中，Ud為受力過(guò)程中的耗散能；Uc為巖石單元強(qiáng)度在完全喪失時(shí)的臨界能量耗散值，是一個(gè)材料常數(shù)，并且與巖石單元的應(yīng)力情況無(wú)關(guān)，由巖石的單軸拉壓或剪切試驗(yàn)得到［24］；ΔU 為巖石損傷釋放的彈性應(yīng)變能；E0為初始彈性模量；v 為泊松比；σ1、σ2、σ3分別最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。

巖體損傷區(qū)域半徑為

式中，b 為修正系數(shù)；M 為地震距，表示微震事件強(qiáng)度大??；E為微震事件能量；μ為剪切模量［24］。

2.3 數(shù)值模擬方法

目前，數(shù)值模擬普遍作為特定條件下的機(jī)理分析手段，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)改變條件時(shí)的實(shí)時(shí)模擬分析?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段可有效獲取巖體位移以及微破裂信息，通過(guò)進(jìn)行反演分析來(lái)實(shí)時(shí)獲取巖體力學(xué)參數(shù)與邊界位移條件。因此，融合現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)、水壓監(jiān)測(cè)等監(jiān)測(cè)手段獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為巖體實(shí)時(shí)力學(xué)參數(shù)、區(qū)域?qū)崟r(shí)位移邊界、區(qū)域?qū)崟r(shí)水壓邊界等數(shù)值模擬初始條件，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)值模擬分析?；谖⒄鸨O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表征巖體損傷實(shí)時(shí)更新數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)進(jìn)行的礦山實(shí)時(shí)數(shù)值模擬分析過(guò)程如圖2 所示。通過(guò)對(duì)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行震源參數(shù)分析，可以獲得震源位置、能量損失和震級(jí)等參數(shù)，基于一定的能量耗散準(zhǔn)則可以實(shí)現(xiàn)基于微震數(shù)據(jù)的巖體損傷表征，并對(duì)數(shù)值計(jì)算模型的中的巖體參數(shù)進(jìn)行更新。同時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲取的位移、水壓信息表征到數(shù)值模型中，可以實(shí)時(shí)校正計(jì)算模型的邊界條件。如此反復(fù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正數(shù)值模擬模型，可使得數(shù)值模型不斷地接近工程實(shí)際，從而實(shí)現(xiàn)基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)值模擬分析，可以對(duì)礦山未來(lái)的微震活動(dòng)性及圍巖發(fā)生破壞情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警。

此外，當(dāng)前的數(shù)值模擬主要是小范圍（通常是單個(gè)巷道）的分析，要實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)、采區(qū)乃至整個(gè)礦區(qū)的大規(guī)模計(jì)算分析，使用云計(jì)算平臺(tái)成為突破數(shù)值模擬計(jì)算容量瓶頸的必然選擇。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面，人們通過(guò)對(duì)采動(dòng)巖體的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、微震活動(dòng)性等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，每天通過(guò)各類傳感器可以獲取多達(dá)GB 字節(jié)量級(jí)的數(shù)據(jù)。隨著傳感器采樣精度的提高和傳感器數(shù)量的增加，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量劇增，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法已無(wú)法勝任，借助于大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘成為必由之路。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的圍巖破壞預(yù)測(cè)預(yù)警方法

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的預(yù)測(cè)預(yù)警方法實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

一方面，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可以采用多種設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦山巖體微震、位移、水壓等多種響應(yīng)信息。在實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，借助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法以及非線性回歸分析方法可以對(duì)數(shù)據(jù)的后續(xù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)，針對(duì)不同的礦山災(zāi)害，可以通過(guò)影響因素分析確定出關(guān)鍵監(jiān)測(cè)指標(biāo)，參考已有的設(shè)計(jì)規(guī)程中給出的變形等參數(shù)閾值，同時(shí)利用工程類比法對(duì)比具備相同條件的其他案例以確定合理的監(jiān)控閾值。最后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依據(jù)監(jiān)控閾值和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)礦山安全條件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判別。

另一方面，利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲取的微震信息可以反演巖體參數(shù)弱化情況，圍巖位移信息可以表征模型的邊界條件，裂隙水壓信息可以表征模型的滲流初始條件。將這些實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息均表征到數(shù)值模型中，實(shí)現(xiàn)數(shù)值模型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新，以便開(kāi)展礦山實(shí)時(shí)數(shù)值模擬分析。實(shí)時(shí)數(shù)值模擬可以進(jìn)一步分析礦區(qū)損傷區(qū)的演化規(guī)律，結(jié)合生產(chǎn)進(jìn)度模擬后續(xù)礦區(qū)損傷區(qū)的擴(kuò)展情況，可以預(yù)測(cè)研究區(qū)域內(nèi)巖體損傷破壞區(qū)的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，根據(jù)礦山災(zāi)害類型確定合理的安全系數(shù)計(jì)算方法，利用實(shí)時(shí)數(shù)值模擬分析結(jié)果計(jì)算得出礦山安全系數(shù)。根據(jù)安全系數(shù)所處的閾值范圍，可進(jìn)一步確定出礦山災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

最終，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法與實(shí)時(shí)數(shù)值模擬方法分別得出災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的條件下，采用專家評(píng)判系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)判，得出災(zāi)害預(yù)警等級(jí)，利用信息發(fā)布平臺(tái)及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息及避險(xiǎn)建議。

預(yù)警系統(tǒng)的可視化展示平臺(tái)不僅可以展示出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還可以顯示整個(gè)區(qū)域的數(shù)值模擬結(jié)果。既能獲取特定監(jiān)測(cè)點(diǎn)反映的礦山實(shí)際情況，又能清楚了解到其他非監(jiān)測(cè)部分的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，使得決策者對(duì)礦山的總體安全狀態(tài)有一個(gè)更全面的認(rèn)識(shí)。此外，前期可通過(guò)數(shù)值模擬生產(chǎn)工況，理論上認(rèn)識(shí)礦山整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中安全狀態(tài)的變化，從力學(xué)角度分析災(zāi)害發(fā)生原因，推斷災(zāi)害發(fā)生的條件，以便制定出科學(xué)的防災(zāi)救災(zāi)措施。

3 露天礦邊坡失穩(wěn)災(zāi)害預(yù)警應(yīng)用實(shí)例

以大孤山露天礦西北幫邊坡變形破壞為例，詳細(xì)闡述本研究提出的礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警方法性能。大孤山鐵礦是深凹露天礦，礦場(chǎng)封閉圈標(biāo)高+90 m，沿走向長(zhǎng)1 700 m，寬1 500 m，現(xiàn)已開(kāi)采到-330 m 境界。礦山采用汽車運(yùn)輸與皮帶運(yùn)輸相結(jié)合的方式，西北幫坡體內(nèi)部開(kāi)掘有皮帶運(yùn)輸巷道。如圖4所示，多年以來(lái)，西幫皮帶巷道、風(fēng)井均不同程度地出現(xiàn)細(xì)微開(kāi)裂，皮帶巷道襯砌混凝土沿巷道出現(xiàn)多處規(guī)模不等的裂縫，裂縫寬度從數(shù)厘米至十?dāng)?shù)厘米不等。主裂縫分布在71#、83#皮帶架處，兩處寬度約60 mm，其中69#～72#皮帶架處巷道明顯向坑內(nèi)方向錯(cuò)位，巷道基底混凝土面伴有擠壓隆起，主裂縫橫向展布與巷道縱向交角大于60°，部分區(qū)段也可見(jiàn)到豎向開(kāi)裂變形現(xiàn)象。以上現(xiàn)象表明，大孤山西北幫已出現(xiàn)不同程度的變形破壞現(xiàn)象，為保證礦山正常生產(chǎn)、運(yùn)輸，故選擇西北幫邊坡為本研究穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)預(yù)警的重點(diǎn)研究區(qū)域。

3.1 地質(zhì)勘探、測(cè)繪與三維幾何建模

基于早期勘探、測(cè)繪獲取的地質(zhì)資料對(duì)礦區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)三維地質(zhì)建模。三維模型中主要包含了開(kāi)采境界模型、斷層和巖性分界面模型以及地層模型。本研究三維模型主要通過(guò)AutoCAD和3Dmine兩款軟件構(gòu)建，大孤山整體模型及西北幫三維幾何模型如圖5所示。

3.2 初步數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案制定

根據(jù)選取的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)范圍以及防范災(zāi)害類型，在該區(qū)域布置了一套包含9 傳感器（8 個(gè)單軸傳感器和1個(gè)三軸傳感器）、12通道的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)置了3 個(gè)深孔測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)，5 個(gè)GPS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)和3 個(gè)測(cè)量機(jī)器人測(cè)點(diǎn)，采用3GSM、無(wú)人機(jī)、激光掃描、鉆孔電視等多種手段對(duì)邊坡表面及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)使用超聲波測(cè)試儀測(cè)定巖體波速、合成孔徑雷達(dá)干涉（INSAR）獲取邊坡沉降場(chǎng)、合成孔徑雷達(dá)（SAR）獲取邊坡位移場(chǎng)、紅外獲取邊坡溫度場(chǎng)，對(duì)大孤山露天邊坡進(jìn)行空—天—地—內(nèi)一體化的持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備布置情況、微震監(jiān)測(cè)結(jié)果與深孔測(cè)斜結(jié)果如圖6所示。

3.3 數(shù)據(jù)集成與預(yù)警平臺(tái)

現(xiàn)場(chǎng)布置的多種監(jiān)測(cè)手段形成了一套多源信息、多維度協(xié)同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為有效利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警工作與數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，將所有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)同步上傳至云端數(shù)據(jù)庫(kù)，利用預(yù)警云平臺(tái)統(tǒng)一管理，調(diào)用多源異構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，云平臺(tái)總體構(gòu)架如圖7所示。該平臺(tái)基于開(kāi)源云計(jì)算管理軟件OpenStack進(jìn)行底層搭建，融合了Hadoop和Spark大數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)、MySQL 等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、Kafka 等高級(jí)消息隊(duì)列服務(wù)系統(tǒng)、以Django 為框架的Web 服務(wù)器系統(tǒng)等?，F(xiàn)場(chǎng)不同傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)由Kafka 或RabbitMQ生成不同的Topic，以消息隊(duì)列的形式傳輸至云端訂閱對(duì)應(yīng)Topic 的各類存儲(chǔ)計(jì)算系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)計(jì)算處理，并將處理結(jié)果以同樣的方式傳輸至客戶端及Web服務(wù)器端進(jìn)行可視化展示。

3.3.1 滑坡預(yù)測(cè)

為實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)，可針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲取的地表變形數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)。礦山采用了測(cè)量機(jī)器人定點(diǎn)觀測(cè)西北幫邊坡表面變形，共有A、B、C 3個(gè)測(cè)點(diǎn)均布置于-138 m 平臺(tái)，布置情況如圖6（a）所示。本研究采用支持向量機(jī)算法，對(duì)2017 年8 月14 日—2017 年9 月19 日測(cè)點(diǎn)B 所觀測(cè)到的坡表變形數(shù)據(jù)進(jìn)行了趨勢(shì)預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可知：2017年在9 月16 日以后坡表變形呈現(xiàn)急速增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明后期在-138 m平臺(tái)處存在發(fā)生滑坡災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。

另一方面，微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以反映邊坡巖體內(nèi)部微裂隙的萌生、擴(kuò)展過(guò)程，進(jìn)而間接反映出巖體損傷情況與巖體基本力學(xué)參數(shù)弱化情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲取的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行了邊坡巖體損傷及力學(xué)參數(shù)弱化演化規(guī)律分析，并結(jié)合礦山后期生產(chǎn)安排，進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖9 所示。由圖9 可知：此時(shí)西北幫-68～-138 m平臺(tái)間、-170～-210 m平臺(tái)間出現(xiàn)了大范圍的損傷集中區(qū)，說(shuō)明隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，該區(qū)域后期有發(fā)生滑坡災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。

2017 年9 月22 日，在連續(xù)降雨影響下，-68～-138 m 平臺(tái)礦巖交界面F14斷層附近發(fā)現(xiàn)一處結(jié)構(gòu)面控制型表層滑坡，如圖10 所示。由兩組交叉節(jié)理切割而成的楔形巖體沿節(jié)理面發(fā)生了短距離滑移，所幸?guī)r體未完全滑出，未造成人員與財(cái)產(chǎn)損失?？傮w上，前期的預(yù)測(cè)結(jié)果與發(fā)生滑坡的位置一致，但是，預(yù)警的指標(biāo)及預(yù)警閾值尚需進(jìn)一步研究，以期實(shí)現(xiàn)滑坡的實(shí)時(shí)預(yù)警。

3.3.2 預(yù)測(cè)預(yù)警與可視化平臺(tái)

本研究采用虛擬可視化軟件Unity3D建立了大孤山在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，采用云服務(wù)器和客戶端的模式，發(fā)送和接受軟件采用主從式架構(gòu)（Client/Server）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，客戶端的程序運(yùn)行在手機(jī)或普通電腦上，服務(wù)端的程序運(yùn)行在云服務(wù)器上。瀏覽發(fā)布模塊采用瀏覽器服務(wù)器（Browser/Serve）模式［25］。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化結(jié)果與數(shù)值模擬分析可視化結(jié) 果可通過(guò)圖11所示的方式進(jìn)行展示。

基于礦山監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及礦山三維模型，建立了多平臺(tái)客戶端，用于手機(jī)端、Web 端、PC 端以及大屏幕顯示。客戶端將集成礦山地表現(xiàn)狀、礦體、工藝流程等模型，客戶登錄獲得權(quán)限后，能訂閱服務(wù)器信息，在線查詢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖12所示。

4 結(jié) 論

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警與數(shù)值模擬手段均有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將兩種方法有效結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以在很大程度上改善礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警的效果。本研究提出了一種現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的礦山災(zāi)害分析預(yù)測(cè)預(yù)警方法，以期有效提高礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)和預(yù)警的可靠性。該方法總體上存在以下特點(diǎn)：①該方法可實(shí)現(xiàn)基于初期數(shù)值模擬結(jié)果預(yù)測(cè)采動(dòng)引起的高應(yīng)力和發(fā)生損傷與破裂的潛在區(qū)域，依據(jù)該結(jié)果可以合理而有效地選擇和制定監(jiān)測(cè)方案并布置傳感器；②該方法基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行巖體重新表征和數(shù)值模型修正，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更接近于開(kāi)采現(xiàn)實(shí)情況的數(shù)值模擬，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)巖體變形、損傷與破裂的狀態(tài)；③該方法實(shí)現(xiàn)了數(shù)值模擬方法與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法的有機(jī)結(jié)合，用于災(zāi)害趨勢(shì)預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)警，實(shí)時(shí)數(shù)值模擬可全面直觀了解研究區(qū)域的變形與損傷等力學(xué)狀態(tài)，給出合理的風(fēng)險(xiǎn)判別，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)閾值監(jiān)控的風(fēng)險(xiǎn)判別，最終由經(jīng)驗(yàn)豐富的專家綜合評(píng)判，科學(xué)合理地給出預(yù)警警情判別結(jié)果以及對(duì)應(yīng)的應(yīng)急避險(xiǎn)方案；④該方法是在摸清致災(zāi)機(jī)理的前提下進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，可以獲取更多、更全面的有用信息，包括定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)信息與區(qū)域數(shù)值模擬的信息，不僅可以提高預(yù)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性，還可以認(rèn)清災(zāi)害發(fā)生原因，為針對(duì)性地采取防災(zāi)措施提供了技術(shù)支撐。

本研究提出的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的礦山災(zāi)害分析預(yù)測(cè)預(yù)警方法，雖然正積極應(yīng)用于大孤山露天礦西北幫邊坡變形破壞的預(yù)測(cè)預(yù)警工作，但由于礦山前期數(shù)據(jù)資料保存不完善、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段不全面等原因，該方法尚未得以全面實(shí)施，目前尚無(wú)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)警災(zāi)害發(fā)生的成功案例，有待于進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)來(lái)源，保證預(yù)測(cè)預(yù)警方法的全面實(shí)施，以期獲得更好的預(yù)測(cè)預(yù)警效果。