一种现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法技术

本发明专利技术是一种现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法，包括如下步骤：进行岩体测试及其赋存环境的表征，并建立矿区三维数值模型；根据岩体测试结果对三维数值模型进行参数赋值，进行初步数值模拟计算，根据初步数值模拟计算结果确定现场监测手段和监测方案；基于实时监测数据和实时数值模拟结果进行灾害的实时预警；基于对监测数据的数据挖掘和超前数值模拟结果进行灾害的超前预测。本发明专利技术结合数值模拟方法与现场监测方法，既能实时反映现场情况，又可从机理上认识灾害发生过程。既能实现时间上的超前预测，又可达到空间上的总体把握。提高预警预测的时间、空间准确性，实现预警工作的实时性、超前性，达到预警方法的普适性。

A mine disaster prediction and early warning method based on field monitoring and numerical simulation

The invention relates to a mine disaster prediction and early warning method combining on-site monitoring with numerical simulation, which comprises the following steps: carrying out rock mass test and characterization of its occurrence environment, and establishing a three-dimensional numerical model of the mining area; assigning parameters to the three-dimensional numerical model according to the rock mass test results, and carrying out preliminary numerical simulation calculation. According to the results of preliminary numerical simulation, field monitoring means and monitoring scheme are determined; disaster real-time warning is carried out based on real-time monitoring data and real-time numerical simulation results; disaster prediction is carried out based on monitoring data mining and advanced numerical simulation results. The invention combines the numerical simulation method with the field monitoring method, which can not only reflect the field situation in real time, but also recognize the disaster occurrence process from the mechanism. It can achieve advanced prediction in time and achieve overall grasp in space. Improve the time and space accuracy of early warning forecast, realize the real-time and advance of early warning work, and achieve the universality of early warning methods.

【技术实现步骤摘要】
一种现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法
本专利技术属于矿山灾害预测预警领域，涉及一种现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法。
技术介绍
随着我国经济的快速发展，矿物资源的需求量与日俱增，矿业开发规模逐渐扩大。随之带来的是，矿山生产的安全问题日益突出，岩爆、透水、冒顶、塌陷等灾害日趋凸显，导致矿难频频发生。目前国内外尚缺乏行之有效、稳定可靠的矿山灾害预测预警方法。现场监测也一直都是管理矿山生产和预防矿山灾害的传统方法之一。这种方法优点在于：利用传感器能实时了解矿山的真实状态，持续不间断的监控，对异常现象做出及时有效的处理。而且，随着科学技术的不断发展，越来越多的监测传感器应运而生，各方面均满足矿山现场监测需求。近年来，基于监测数据的预警方法一般是采用数据挖掘算法分析监测数据与矿山灾害之间的隐含关系，建立矿山灾害预警算法模型，用于预警诊断矿山灾害。但这种方法存在三个方面严重的缺陷：其一，这种预警方法是对大量数据中隐含规律的挖掘，不能得出明确的作用机制和理论解释，对人们从根本上认识灾害具有很大的困难；其二，由于这种方法的基本条件是数据，由于岩体结构和开采扰动的复杂性，围岩损伤及变形的监测数据的准确性大打折扣，很难保证基本的预测准确性；其三，由于监测数据来源于各个散落布置的监测点传感器，这些数据仅能反映该监测点极小范围内的力学响应状态，并不能获得其他非监测点的响应状态。由于监测点布置不合理等原因，有可能导致非监测点的响应比监测点的响应更强烈，会导致非监测点先于监测点破坏，而监测预警任务失败。为了更好的进行矿山灾害的预测预警，需要在进行采动致灾过程分析基础上，认清各种矿山灾害发生的机理与前兆规律。实际上，借助于数值模拟方法，人们可以进行岩体损伤致灾过程的分析，在此基础上也可以实现岩体损伤区发展的分析预测，为灾害的预警提供了重要的理论与技术支撑。数值计算方法还能更直观地展示出整个研究区域内的力学响应状态，为解读监测数据提供了理论依据。基于此，数值模拟方法也可被用于灾害的预测。这种预测方法虽然可从理论上分析灾害的发生机理，一定程度上指导安全生产。但是，数值模拟方法也存在以下两方面的缺陷：其一，由于岩体的复杂性，无法完全真实的表征工程现场情况，数值模拟往往对岩体的现场情况进行简化，模拟的结果往往与现场真实情况有较大的误差，其预测预警的准确性也会大打折扣；其二，当前对于岩石尤其是岩体损伤与破裂的时间效应机理尚不是完全清楚，现有的数值模拟模型和数值模拟方法难以做到实时预警，更难以达到超前预警。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于数值模拟和现场监测相结合的矿山灾害预警方法，旨在提高矿山灾害预警方法的准确性、实时性、普适性。本专利技术提供一种现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法，包括如下步骤：步骤1：进行岩体测试及其赋存环境的表征，并建立矿区三维数值模型；步骤2：根据岩体测试结果对三维数值模型进行参数赋值，进行初步数值模拟计算，根据初步数值模拟计算结果确定现场监测手段和监测方案；步骤3：基于实时监测数据和实时数值模拟进行灾害的实时预警；步骤4：基于对监测数据的数据挖掘和超前数值模拟进行灾害的超前预测。在本专利技术的现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法中，步骤1包括：步骤1.1：对应用矿山及周边地区进行地质勘探和地质测量，获得反映矿区结构产状、地质构造及分布情况的地质剖面图与地质平面图；步骤1.2：钻取现场不同岩性的岩芯，对岩芯进行基本物理力学试验，可反演获得整个岩体的基本物理力学参数、岩石本构关系与破坏准则；步骤1.3：通过现场原位测试试验，获得各个区域的原位地应力参数；步骤1.4：根据地质剖面图、地质平面图、岩体的基本物理力学参数、岩石本构关系与破坏准则、原位地应力参数建立矿区三维数值模型。在本专利技术的现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法中，步骤2包括：步骤2.1：根据岩体测试结果选择本构模型、应力边界条件与自重条件；步骤2.2：进行初步数值模拟计算，根据初步数值模拟计算分析的结果确定现场监测手段和监测方案。在本专利技术的现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法中，所述步骤3包括：步骤3.1：对矿区进行现场监测获得实时监测数据，对实时监测数据进行分析获得实时监测预警结果；步骤3.2：以实时监测数据为依据对三维数值模型进行修正，利用修正后的三维数值模型进行实时数值模拟，获得实时模拟预警结果；步骤3.3：如果实时监测预警结果和实时模拟预警结果相一致，则向各预警终端发布警报，如果不一致则向决策者发出预警信息，由决策者判断是否发布预警警报。在本专利技术的现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法中，步骤3.1具体包括：步骤3.1.1：根据前期对灾害发生机理的研究与认识，设置监测点预警阈值；步骤3.1.2：对矿区进行现场监测，将实时监测数据和监测点预警阈值进行对比，获得实时监测预警结果；步骤3.1.3：实时监测预警结果判定标准为：当实时监测数据值低于阈值时判定为安全，超出阈值时判定为危险，并根据超出阈值程度区分危险等级；步骤3.1.4：当实时监测预警结果判定为“危险”时，系统则发出预警提示。在本专利技术的现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法中，步骤3.2具体包括：步骤3.2.1：根据前期对灾害发生机理的研究与认识，针对岩体强度与应力比值、岩体损伤表征量等参量，设置数值模拟预警阈值；步骤3.2.2：根据实时监测数据更新修改实时数值模拟三维数值模型的边界条件，动态更新间隔时间为5min；步骤3.2.3：利用修正后的三维数值模型，实时、动态地模拟整个矿区的应力应变响应状态，获得实时数值模拟数据；步骤3.2.4：将实时数值模拟数据和数值模拟预警阈值进行对比，获得实时模拟预警结果；步骤3.2.5：实时模拟预警结果判定标准为：当实时模拟结果的数据值低于阈值时判定为安全，超出阈值时判定为危险，并根据超出阈值程度区分危险等级；步骤3.2.6：当实时模拟预警结果判定为“危险”时，系统则发出预警提示。在本专利技术的现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法中，所述步骤4包括：步骤4.1：对实时监测数据和历史监测数据进行关联性分析数据挖掘，获得超前监测预警结果；步骤4.2：对实时监测数据和历史监测数据进行趋势性分析数据挖掘获得超前监测数据，以超前监测数据为依据对三维数值模型进行修正；同时利用修正后的三维数值模型进行超前数值模拟，获得超前模拟预警结果；步骤4.3：如果超前监测预警结果和超前模拟预警结果相一致，则发布预测结果内容，如果不一致则向决策者发出预测结果，由决策者判断是否发布预测结果。在本专利技术的现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法中，步骤4.1具体为：步骤4.1.1：利用人工神经网络算法、支持向量机算法或聚类分析算法对实时监测数据和历史监测数据进行数据挖掘，获得监测数据与灾害发生之间存在的隐含关系；步骤4.1.2：对数据挖掘结果进行分析，获得超前预测矿山发生灾害事故的可能性，预估灾害发生的地点、规模。在本专利技术的现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法中，步骤4.2具体包括：步骤4.2.1：利用时间序列分析法对实时监测数据和历史监测数据进行数据挖掘，获得超前监测数据；步骤4.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：进行岩体测试及其赋存环境的表征，并建立矿区三维数值模型；步骤2：根据岩体测试结果对三维数值模型进行参数赋值，进行初步数值模拟计算，根据初步数值模拟计算结果确定现场监测手段和监测方案；步骤3：基于实时监测数据和实时数值模拟进行灾害的实时预警；步骤4：基于对监测数据的数据挖掘和超前数值模拟进行灾害的超前预测。

【技术特征摘要】
1.一种现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：进行岩体测试及其赋存环境的表征，并建立矿区三维数值模型；步骤2：根据岩体测试结果对三维数值模型进行参数赋值，进行初步数值模拟计算，根据初步数值模拟计算结果确定现场监测手段和监测方案；步骤3：基于实时监测数据和实时数值模拟进行灾害的实时预警；步骤4：基于对监测数据的数据挖掘和超前数值模拟进行灾害的超前预测。2.如权利要求1所述的现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法，其特征在于，步骤1包括：步骤1.1：对应用矿山及周边地区进行地质勘探和地质测量，获得反映矿区结构产状、地质构造及分布情况的地质剖面图与地质平面图；步骤1.2：钻取现场不同岩性的岩芯，对岩芯进行基本物理力学试验，可反演获得整个岩体的基本物理力学参数、岩石本构关系与破坏准则；步骤1.3：通过现场原位测试试验，获得各个区域的原位地应力参数；步骤1.4：根据地质剖面图、地质平面图、岩体的基本物理力学参数、岩石本构关系与破坏准则、原位地应力参数建立矿区三维数值模型。3.如权利要求1所述的现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法，其特征在于，步骤2包括：步骤2.1：根据岩体测试结果选择本构模型、应力边界条件与自重条件；步骤2.2：进行初步数值模拟计算，根据初步数值模拟计算分析的结果确定现场监测手段和监测方案。4.如权利要求1所述的现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤3.1：对矿区进行现场监测获得实时监测数据，对实时监测数据进行分析获得实时监测预警结果；步骤3.2：以实时监测数据为依据对三维数值模型进行修正，利用修正后的三维数值模型进行实时数值模拟，获得实时模拟预警结果；步骤3.3：如果实时监测预警结果和实时模拟预警结果相一致，则向各预警终端发布警报，如果不一致则向决策者发出预警信息，由决策者判断是否发布预警警报。5.如权利要求4所述的现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法，其特征在于，步骤3.1具体包括：步骤3.1.1：根据前期对灾害发生机理的研究与认识，设置监测点预警阈值；步骤3.1.2：对矿区进行现场监测，将实时监测数据和监测点预警阈值进行对比，获得实时监测预警结果；步骤3.1.3：实时监测预警结果判定标准为：当实时监测数据值低于阈值时判定为安全，超出阈值时判定为危险，并根据超出阈值程度区分危险等级；步骤3.1.4：当实时监测预警结果判...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱万成，代风，任敏，张鹏海，杨天鸿，程关文，刘洪磊，牛雷雷，王卫东，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21