资源描述：
分类号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． U DC ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 密级⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 十初大学 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目多一罐毅皴曩瓣妻媾_ 监冽U 仅狈警仅不针冗 学科、专业⋯⋯⋯安全披本翟王程⋯⋯⋯． 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯崔秀敦⋯⋯⋯⋯⋯ 导师姓名及 专业技术职称⋯⋯⋯亚⋯红⋯里⋯．割熬攘⋯⋯ 分类号V D C 硕士学位论文 密级 多灾源地下矿山开采过程灾害监测及预警技术研究 D i s a s t e rM o n i t o r i n ga n d W a r n i n g i nM i n i n gP r o c e s s o fM u l t i d i s a s t e r sU n d e r g r o u n dM i n e 作者姓名崔秀敬 学科专业安全技术及工程 学院 系所 资源与安全工程学院 指导老师邓红卫副教授 论文答辩日期丝 刁答辩委员会主席 中南大学 2 0 11 年1 1 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者繇雀秀放日期．硎年，／月多汐日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 硕士学位论文 摘要 摘要 论文以多灾源地下矿山为研究对象，论述了多灾源地下矿山的范 畴和灾害特点，分析了多灾源矿山的灾害、致灾因素以及灾害衍生链 等，基于灾害监测技术、预警理论，并结合工程实例，构建了多灾源 地下矿山的灾害监测及预警系统，其主要工作包括以下几个方面 1 阐述了多灾源地下矿山的基本范畴，分析了多灾源地下矿 山的灾害种类、灾害孕育机理以及开采扰动条件下的灾害衍生关系 盘蟹 寸o 2 依据多灾源地下矿山的灾害及灾害衍生特点，探讨了多灾 源地下矿山灾害监测及预警系统的总体构建模式。运用模糊多属性决 策法确定了某多灾源地下矿山监测系统的监测对象，同时，基于总体 构建模式，并选用Z i 曲e e 技术及无线传感网络，构建了该矿山的灾 害子监测系统。 3 基于多灾源地下矿山灾害监测及预警系统的构建模式，构 建了某多灾源矿山采矿环境再造工程的地压监测及预警子系统。综合 运用B P 神经网络、灰色G M 1 ，1 预测法，在软件M a t l a b 、E a s 讣N ．p l u s 中构建了再造结构体位移的B P ＆灰色G M 1 ，1 组合预测模型及应 力的预测模型，同时，利用遗传算法的随机全局搜索优化功能，通过 M a t l a b 编程，实现了对B P 灰色G M 1 ，1 组合预测模型的优化， 进一步提高了地压灾害预测模型的预测性能。 4 综合参考人工结构体的稳定性数值模拟分析及相关参数等， 设计了采矿环境再造工程地压监测及预警子系统的预警指标 位移、 应力 的预警警限、地压预报方法及地压灾害报警模式。利用构建的 地压灾害监测及预警系统，实现了对再造结构体某点在未来时刻地压 灾害的预警，论证了该再造结构体地压灾害监测及预警系统的可靠 性。 关键词多灾源地下矿山，灾害监测及预警系统、监测监控，预测预 报，模型优化 硕士学位论文 A B S T R A C T A B S T R A C T F o c u s e do nu 1 1 d e 增 o u n dm i n ew 洫H 1 u l t i d i s a s t e r s ， t h e p a p e r d i s c u s s e di t sc a t e g o 巧a n dc h a r a c t e r i s t i c s ，a n a l y z e dt h ed i s a s t e r s ，t h em l e s o fd i s a s t e rd e V e l 叩m e n ta n dm e i rp r o c e d _ u r e sa sw e l la st h ed e r i V a t i V e c h a i n s ．B a s e do nm em o n i t o r i n g t e c h n 0 1 0 9 yo fd i s a s t e r sa n de a r l y w 锄i n gm e o r y ’c o m b i n i n gw i ms o m ee n g i n e e r i n gc a s e s ，e s t a b l i s h e dt h e d i s a s t e r sm o n i t o r i l l ga n de a r l y - w a m i n gs y s t e mw h i c hi sa p p r o p r i a t ef o r m i n ew i t hm u l t i ．d i s a s t e r s ．T h em a i nc o n t e m sa n dr e s u l t sa r ea sf 1 0 1 l o w s 1 T h e d e f i n i t i o no fu n d e I g r o u n dm i n eo fm u l t i - d i s a s t e r sw a s e l a b o r a t e d ．】Ⅵo r e o v e r ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa J l dt 1 1 ei n o c u l a t i o nm e c h a n i s m o fd i s a s t e r s ，a sw e l la si t sd e r i b a t i V er e l a t i o n s h i p st 1 1 a tw e r em l d e rt 1 1 e c o n d i t i o no fd i s n 拍a n c e ，w e r ea n a l y z e di nt h i sk i n do fu n d e 呵o u n dm i n e ． 2 D 印e n d i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i s a s t e r sa I l dd e r i v a t i V ec h a i n s o fd i s a s t e r s ，m eo V e r a l lf } a m e w o r ko fm es y s t e mo fd i s a s t e r sm o n i t o r i l l g a n de a r l y w 锄i 1 1 9b e i n g 印p r o p r i a t ef o rm i n ew i mm u l t i - d i s a s t e r sw e r e s t u c 饥l r e d ．T h em o n i t o r i n go b je c t so fc o m p r e h e n s i V em o n i t o r i n gs y s t e m o fd i s a s t e r sw e r ed e t e m i n e db a S e do nf b z z ym u h i a t t I ．i b l 】t ed e c i s i o n m a k i n gm e t h o d ．B a s e do nm eo V e r a nf } a m e w o r k ，m ec o n l p r e h e n s i V e s y s t e mo fd i s a S t e r sm o n i t o r i n ga d o p t i n gZ i 曲e et e c h n 0 1 0 9 ya n dw i r e l e s s s e n s o rn e t 、v o r kw e r eb u i l ti nam i n ew i t l lm u l t i ．d i s a s t e r s ． 3 T h eo m e rm o n i t o r i n gs y s t e mo fg r o u n dp r e s s u r ew e r eb u i l ti n u 1 1 d e r 伊o u n da r t i f i c i a ls 仃u c t u r eo fs o m em i n ew i mm u l t i - d i s a s t e r s ，o nt 1 1 e b a s i so fc h a r a c t e r i s t i c so fm er e c o n s 仃u c t e dm i n i n ge n V i r o n m e n ta n dt 1 1 e o V e r a l l仔a m e w o r ko ft h e s y s t e m o fd i s a s t e r s m o n i t o r i n g a n d e 2 u r l y w 踟i n g ．T h eB Pn e u r a ln e t w o r k G M 1 ，1 m o d e lc o m b i n a t i o n f o r e c a s t m gm o d e lf o rd i s p l a c e m e n tp r e d i c t i o no fu n d e r 铲o u l l da r t i f i c i a l s t m c t u r e 觚dp r e d i c t i n gm o d e lf o rs t r e s so fu n d e 玛r o u l l da n i f i c i a l s t I u c t l l r eb a s e do nB Pn e u r a ln e t w o r l w e r ec o n s t I u c t e di n 】Ⅵa t l ￡L ba n d E a s y N N - p l u s ．B yu s i n gt 1 1 e r a n d o m9 1 0 b a ls e a r c ha n do p t i m i z a t i o n 劬c t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h I n ，t oo p t i m i z em eB Pn e u r a ln e 僦o r k ＆ G ] M 1 ，1 m o d e l c o m b i n a t i o n f o r e c a s t i n gm o d e l i 1 1 M a t l a b ，w h i c h i m p r o V e dm ep r e d i c t i o np e r f o r m a n c eo fc o m b i n a t i o nf o r e c a s t i n gm o d e l ． I I 硕士学位论文 A B S T R A C T 4 、 I na c c o r d a n c ew i mt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np a r a m e t e r so f u n d e r j g r o u n d 抓i f l c i a ls t m m l r e ，t h ee a r l yw 踟l i n gd e 棚i n eo fe a r l y w 锄i n gi n d e x e s ，t h ep r e d i c t i o nm e t h o do fg r o u n dp r e s s u r e ，a n d t h e a l a m i n gm o d e lo f ；r r o u n dp r e s s u r e w e r ed e v i s e d ．T h ed i s a s t e r s m o n i t o r i n ga n de a r l y - w a m i n gs y s t e m c a ne a r l yw a m i n gt h eg r o u l l d p r e s s u r eo fu n d e r 擘，o u 】1 da r t i f i c i a ls t m c t u r e ，、池i c hd e m o n s 廿a t e dt h e r e l i a b i l i t yo ft h es V s t e m ． K E YW o R D S U n d e r g r o u n dm i n ew i mm u l t i d i s a s t e r s ，D i s a s t e r s m o n i t o r i n g a n d e a r l y - w a m i n gs y s t e m ，M o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n g ， D i s a s t e rp r e d i c t i o n 觚df o r e c a s t ，M o d e lo p t i m i z a t i o n 硕士学位论文目录 目录 摘 要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 ．1 研究背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． 第二章 2 ．1 2 ．2 2 ．3 2 ．4 第三章 3 ．1 3 ．2 3 ．3 3 ．4 第四章 4 ．1 4 ．2 4 ．3 4 ．4 4 ．5 第五章 1 ．2 ．1 灾害监测研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 灾害预警研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 本文的主要研究内容及研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 ．2 研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 多灾源地下矿山灾害分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 基本范畴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 灾害特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 灾害衍生分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 多灾源地下矿山灾害监测及预警系统总体构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 灾害监测监控技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 预测预报理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 安全监测与预警系统总体构建探讨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3 ．1 地下矿山监测监控环境的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3 ．2 系统总体构建原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 ．3系统总体构建模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 多灾源矿山灾害监测系统构建研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 ．1 矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 ．2 矿区地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 ．3 水文地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 灾害及危险有害因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 监测对象、监测手段的确定及通讯方式选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．3 ．1 监测对象的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．3 ．2 监测内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．3 ．3 通讯方式选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 基于z 谵b e e 技术的无线传感器网络构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 ．4 ．1 各类传感器布设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．4 ．2 监测监控中心、基站布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．4 ．3 监测通讯网络设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．4 ．4 监测系统结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 多灾源矿山地压安全监测及预警子系统实证研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 I1 1 2 硕士学位论文 目录 5 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 基于数值模拟的人工结构稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．3 地压监测系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．3 ．1 监测内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 - 3 ．2 监测仪器选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．3 ．3 监测系统布设及安装⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．3 ．4 监测数据采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．4B P ＆灰色G M 1 ，1 组合算法地压预测预报模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．4 ．1 地压预测预报方法遴选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．4 ．2 监测数据的预处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．4 ．3 基于时间序列的位移组合预测预报模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．4 ．4 位移组合预测模型在M a t I a b ＆E a s y N N - p I u s 中的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 5 ．4 ．5 位移预测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ，4 ，6G A 对组合预测模型的优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 5 ．4 ．7 应力预测模型在E a S y N N ．p I u s 中的构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 s ．5 地压灾害预报及报警实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．5 ．1 地压灾害预警指标警限设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．5 ．2 地压灾害预报⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．5 ．3 超限报警设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．5 ．4 基于预测模型的地压灾害预报及报警⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 6 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 4 攻读硕士期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 V 硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 研究背景与意义 第一章绪论 矿产资源是人类社会生存与发展的重要支柱之一，也是国民经济和社会发展 的物质保障。当前，我国已进入工业化、现代化阶段，国民经济的发展对矿产资 源的需求越来越多，资料表吲M J ，我国9 5 ％以上的能源、8 0 ％以上的工业原料、 7 0 ％以上的农业生产资料都来源于矿产资源。在矿产资源方面，虽然我国矿产资 源相对较为丰富，但是由于人口数量巨大，我国人均矿产资源拥有量较低，人均 资源量仅为世界平均水平的5 8 ％，相对来说，我国是一个资源贫乏的国家【4 J 。再 者，国民经济发展需求量大的矿产储量相对不足【5 j ，4 5 种主要矿产资源人均占有 量不到世界平均水平的一半，铁、铜、铝等大宗矿产资源储量只有世界人均水平 的1 ／6 、1 ／6 和1 ／9 。第三，我国矿产贫矿多，富矿少，开发利用难度大。资料显 示【6 、7 j ，铁矿平均品位为3 3 ．5 ％，比世界平均品位低1 0 ％以上，且贫矿占有率达 9 7 ．5 ％；铜矿资源平均品位0 ．8 7 ％，大于1 ％的资源储量仅占3 5 ％。第四，中小 型矿床多峭J ，矿山规模偏小，同时我国对矿产粗放式开采与利用，在一定程度上 造成了矿产资源的浪费。一方面，大宗矿产资源可利用储量不足，另一方面，现 阶段国民经济的快速发展造成对矿产资源的需求量成倍的增加，加剧了我国矿产 资源的供需矛盾。 一直以来，金属非金属矿山行业是事故多发领域，随着安全科学技术的快速 发展、政府安监部门对矿山安全的高度重视以及作业人员安全意识的逐步提高， 我国安全形势有所好转，但是由于该行业的特点1 9 J ，矿山伤亡事故总量过大，重 大、特大事故多发的势头还没有得到有效遏制，安全生产形势较为严峻。据统计 【1 0 、1 1 】，2 0 0 1 ～2 0 1 0 年，全国非煤矿山累计发生事故1 6 7 9 l 起，死亡2 1 2 5 1 人， 平均每年发生事故1 6 7 9 起、死亡2 1 2 5 人。2 0 0 9 年、2 0 1 0 年全国非煤矿山共发 生生产安全事故有所降低，具体见下图1 ．1 所示。同时，我国金属非金属矿山种 类繁多、所有制成分复杂、现有的矿山安全生产水平总体不高、技术力量薄弱， 这些在一定程度上制约了我国矿山整体安全生产水平的提高。 有关资料表明，我国浅部矿产资源被逐步开采殆尽，部分露天矿山已转入地 下开采，而地下矿山也陆续转入深井开采，国内部分矿山的开采深度已达1 0 0 0 m 之多。在矿产资源需求量大，而国内矿产资源储量逐渐减少、易采矿产逐步枯竭 的情况下，矿山逐渐转向对深部资源、残矿资源、松软破碎矿体、含水破碎带及 断层临近矿体、大水矿床或水体下矿床等的开采。但是，对这些深部资源、隐患 1 硕士学位论文 第一章绪论 资源进行开采、回采的过程将面临高井深、高地压、高地热、突水等多种灾害的 威胁，开采过程安全生产无保障。因此，在当前资源紧缺、国内安全生产形势严 峻的情况下，如何保障深部资源、隐患资源等的安全丌采已成为亟待解决的问题。 事故起数 ■死亡人数 图1 1非煤矿山2 0 0 0 2 0 1 0 年、2 0 1 0 、2 0 0 9 年事故起数与死亡人数对比图 近年来，随着计算机技术、传感技术、通讯技术、预测预报技术等的快速发 展，灾害监测监控及预警技术逐步被应用于矿山行业，在一定程度上实现了矿山 灾害的监测监控、灾变的预测预报，为矿山安全生产提供了较强的技术支持。但 是，国内研发及矿山使用的监测监控仪器、综合监测系统等在灾害监测、灾变预 测预报等方面存在较多不足，同时，针对金属非金属矿山深部开采、隐患资源开 采面临的灾害特点的研究较少。 为此，依据我国金属非金属地下矿山的特点，分析深部资源、残矿资源、松 软破碎矿体、含水破碎带及断层临近矿体、大水矿床或水体下矿床等的开采过程 灾害特征，立足矿山灾害监测监控及预警技术的不足，构建适合于对深部资源、 残矿资源、松软破碎矿进行开采的多灾源矿山的灾害监测及预警系统具有重要的 意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1灾害监测研究现状 国外对监测监控技术的研究起步较早，目前，国外的灾害监测监控技术远远 领先于我国的监测监控技术水平。2 0 世纪6 0 年代，国外开始了对矿山灾害的监 测监控技术的研究，矿山灾害监测监控技术的发展至今经历了主要经历了五个阶 段I l 2 ‘1 5 J 第一阶段研制的监测监控系统主要采用空分制的传输方式，监测对象主 要针对煤矿环境，其代表系统为法国的C T T 6 3 ／4 0 系统、波兰的C M M ．2 0 系统及 C M C ．1 系统；2 0 世纪6 0 年代后期，随着频分制传输技术被引入到矿山监测监控 系统，矿山灾害监测监控技术的发展进入了第二阶段，该阶段的代表为德国的 T F ．2 0 0 系统；2 0 世纪7 0 年代，大规模集成电路的出现，推动了以时分制传输和 2 硕士学位论文第一章绪论 分布式微处理器技术为基础的第三代监控系统的形成及发展，监测监控技术有了 大幅度的进步，该阶段的监测监控系统抗干扰能力强、结构简洁、配置灵活，其 代表为美国的S C A D A 系统、英国的M I N O S 系统以及德国的G E A ．M A T I C ．2 0 0 0 全矿井监控系统等；第四阶段，在通信技术、计算机技术、网络技术、自动化技 术高速发展的推动下，第四代煤矿监控系统逐步涌现，该系统具有集成性、开发 性等优点，该阶段具有代表性的监控系统为加拿大的森透里昂系统；近年来，矿 山灾害监测监控技术逐步朝向智能化、综合化、自动化、开放性等方向发展，很 多国家在不同程度、不同方向进行了相关研究，标志着矿山灾害监测监控技术的 发展迈向第五个阶段，目前综合监测监控系统代表为美国的D A N 6 4 0 0 系统、德 国的P R O M O S 系统等，同时加拿大从2 0 世纪9 0 年代初开始研究遥控采矿技术， 目标是实现整个采矿过程的遥控操作，实现从地面对地下矿山进行控制【1 刚。芬 兰、瑞典等国家采矿业也实施了自己的智能采矿长期规划【1 7 】，内容涉及采矿实 时过程控制、新机械应用和自动控制等多个方面。 我国监测监控技术的研究与应用较晚，2 0 世纪8 0 年代初期，我国从国外引 入了一些监控系统，并将其应用与我国的矿山生产。但是，由于这些系统不符合 我国矿山的特点，应用过程存在多方面不足，为此，我国一些科研单位在消化、 吸收国外先进监测监控技术的同时，结合我国矿山特点，先后研制出Ⅺ2 、Ⅺ4 、 Ⅺ8 、Ⅺ1 0 、Ⅺ1 3 、Ⅺ1 9 、Ⅺ3 8 、Ⅺ6 6 、Ⅺ7 5 、Ⅺ8 0 、Ⅺ9 2 等煤矿安全监控系 统【1 8 】。随着电子技术、计算机技术的迅猛发展和企业自身发展的需要【1 9 、2 0 1 ，国 内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了Ⅺ9 0 、Ⅺ9 5 、Ⅺ1 0 1 、砌F 2 0 0 0 、 Ⅺ4 ／Ⅺ2 0 0 0 和ⅪG 2 0 0 0 等监控系统，以及M S N M 、W E B G I S 等煤矿安全综合化 和数字化网络监测管理系统。但是，由于研究单位与生产厂家等不同，受技术水 平的限制，我国的监测监控系统也存在多方面的不足没有统一的通讯规范、数 据接口不规范、设备及系统间无法兼容、智能传感器性能差、系统诊断功能较差、 系统监控性能不高且技术水平有待提升等。 随着计算机技术、传感技术、无线通讯技术等的迅速发展，我国逐步开始了 对矿山监测监控智能化、综合化方面的研究【2 M8 1 。卢振龙等探讨了针对矿井地压、 水害、火灾、瓦斯等的综合监测监控系统；彭立军依据监测监控发展趋势指出， 针对环境安全、轨道运输、皮带运输、提升运输、供电系统、排水系统、矿山压 力、瓦斯突出、自燃发火、大型机电设备的运行状况等多方面的综合监控系统是 其发展方向；闫静杰等对基于无线传感器网络的井下水位监测监控系统的设计进 行了研究；张国盛、林安栋在探讨矿井监测监控系统的发展趋势中提出，基于第 五代人工智能和数据库技术的煤矿安全远程监测监控信息系统将数据库、数据通 信等技术融合，成功实现了远程实时数据采集终端、数据库存储、组态控制、大 硕士学位论文第一章绪论 型门户集成平台、超常延时免充后备电源系统等全套解决方案，可以实时采集煤 矿井下传感器的原始数据，动态监控，在线提供远程报警信息，初步实现了危险 源的在线监测和事故隐患的动态跟踪；邓明、陈蕴等采用无线传感器网络及射频 技术对监测监控系统进行改造，实现了矿山安全监控系统的网络互联。 1 ．2 ．2 灾害预警研究现状 18 8 8 年，在巴黎统计学会上，法国经济学家福里利对经济运行指数进行了 气象式描述，极大了促进了预警理论在各行业的研究及应用。二战期间，预警在 军事领域得到了快速发展。预警技术最早被应用于军事领域，二战后，美国将预 警理论逐步引入到经济领域【2 9 ．3 0 】1 9 5 0 年，美国全国经济研究所研究并建立了 经济的景气监测系统；2 0 世纪5 0 年代，美国兰德公司创建了新的经济分析方法 等；2 0 世纪8 0 年代中期，美国开始了关于企业危机管理的研究。2 0 世纪8 0 年 代末和9 0 年代初，日本也逐步开始了企业危机管理的研究。2 0 世纪9 0 年代之 后，预警理论的研究及应用领域进一步拓宽，逐渐被应用于经济、灾害防治、医 疗、生态、社会治安等方面，并取得较好的预防效果。 我国对预警理论的研究开始于2 0 世纪8 0 年代中期。1 9 8 8 年以前，我国引 入西方的经济发展理论及经济波动周期理论【3 1 - 3 4 ] ，以此分析我国经济的波动及波 动原因，1 9 8 8 年之后，引入西方景气循环指数法，研究我国经济的短期变化， 并逐步转向微观经济的研究。2 0 世纪9 0 年代，以武汉理工大学的佘廉教授主持 的两个国家自然科学基金项目为代表，提出了通过预警预控来规范管理行为和管 理周期，在国内率先系统地提出了企业预警管理的理论体系，并把预警管理理论 运用到交通灾害领域。随后，我国对预警的研究逐步扩展到交通安全、社会安全、 粮食安全、铁路安全、矿山安全等领域。 近年来，预警技术在矿山灾害防治方面有了快速的发展，国内一些学者对其 进行了研究[ ”‘4 1 】李春民、王云海等针对矿山综合监测监控系统构建了灾害预测 及报警模型；王绪本等人利用I 江I D 射频识别技术及G I S 技术等构建了具有综合 预警算法、联动控制的灾害预警管理系统；尹盼等利用Z i g B e e 技术实现井下环 境、关键设备等的监测，同时运用各种专家系统、B P 神经网络算法以及一些规 则库构建了监测结果的预测预警模块；沈红心等针对矿产资源开采造成的生态破 坏等因素构建了预警模型及评价标准；刘振平、张教福利用灰色预测理论，针对 金属矿山生产过程中人、物的状态构建了安全评价预警体系；韩伟民等在探讨预 警模型的基础上，研究了矿山地质灾害预警模型；陆秋琴等针对矿山灾害特点， 设计了灾害预警指标体系，并基于主成分信息扩散理论研究构建了灾害预警指标 的警度计算模式等；孙恩吉等基于I u I D 及w S N 技术构建了井下灾害无线实时 监测系统，并探讨了灾害分析及预警系统。 4 硕士学位论文第一章绪论 综上所述，我国对监测监控技术的研究有了较快的发展，同时监测监控技术 在矿山的利用在一定程度上提高了矿山的安全生产水平。但是，目前应用于矿山 的监测监控系统没有统一的行业标准，各厂家生产的监测监控系统不能互通与兼 容，从而导致资源的浪费；再者，井下采集数据的传输方式多为有线传输，由于 矿山井下生产环境的复杂性与特殊性，在很大程度上限制了监测监控系统对数据 采集的广度与深度；第三，我国对矿山无线传感网络的研究还处于起步阶段，矿 山企业的监测监控系统还没有真正做到信息化与网络化；第四，不管是综合型监 测监控系统还是单一型监测监控系统，国内监测监控系统多是针对煤矿的安全生 产特点研发的，针对我国金属非金属矿山安全生产特点的监测监控技术的研究很 少。 另一方面，现阶段对煤矿灾害预警的研究较多，针对金属矿山开采过程灾害 综合预警的研究较少，相关预警的研究更多的侧重于冲击地压、设备或管理方面 的预警。随着矿山逐步转向对深部资源、隐患资源、海底资源等难采矿产的开采， 国内金属非金属矿山的安全形势日益严峻，那么，如何依据深部资源、隐患资源 等的特点，利用监测监控技术、预警技术，实现对开采过程中的各种隐患实时、 精确、全方位地监测监控，并采用合理、科学的预测预报模型分析各隐患的发展 趋势，进而采用相应的安全措施，消除或控制隐患的发展，成为我们要解决的技 术难题之一。 鉴于此，本论文在分析国内多灾源地下矿山开采过程所面临的安全问题的基 础上，探讨应用先进监测监控技术、灾害预警理论等，构建适合我国多灾源地下 矿山的灾害监测及预警系统，以实现对开采过程中危险有害因素变化状态的实时 掌握，同时对灾变进行及时的预警，为矿山控制或消除隐患提供技术支持，从而 达到减少或杜绝事故发生的目的，以保障多灾源地下矿山的安全生产。 1 ．3 本文的主要研究内容及研究思路 1 ．3 ．1 研究内容 本论文主要研究内容包括以下方面 1 主要阐述了研究背景、研究内容及研究思路。 2 明确多灾源地下矿山的定义及范畴，分析多灾源地下矿山的基本特点， 基于多灾源地下矿山潜在灾害类型、致因因素及灾变表现形式，对多灾源地下矿 山生产过程的灾害及灾害衍生过程进行研究。 3 综述矿山监测监控涉及的传感技术、无线通讯技术以及先进的无线传 感器网络，并对多种预测预报理论进行对比分析，依据多灾源地下矿山监测监控 硕士学位论文第一章绪论 环境特点，探讨多灾害地下矿山灾害监测及预警系统的总体构建模式、灾害监测 与预警的流程以及系统的优化方法。 4 依据某地下矿山工程实际情况，分析井下生产系统的灾害及危险有害 因素，采用模糊多属性决策法确定了监测对象，通过对比分析，选定本矿的通讯 方式及监测监控系统，依据灾害监测布设原则，布设井下各中段监测点，进而构 建该矿山的综合监测监控系统。 5 基于某多灾源矿山的采矿环境再造工程特点，构建再造工程结构体的 地压监测监控系统，同时，采用B
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