羅周全，李艷艷，秦亞光，文 磊

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0 引言

巖體失穩(wěn)是指在應(yīng)力作用下巖體內(nèi)部微裂隙不斷發(fā)育形成斷裂面，斷裂面貫通后巖體瞬間破壞脫落的過程[1-3]。深部開采巖體失穩(wěn)災(zāi)害發(fā)生頻率高、破壞性強，開展巖體失穩(wěn)預(yù)警研究對于保障礦山經(jīng)濟效益和人員安全意義重大[3-6]。目前對巖體失穩(wěn)災(zāi)害的預(yù)警多借助于微震監(jiān)測、聲發(fā)射檢測、紅外熱像、微重力檢測等手段[7-11]。其中，利用微震監(jiān)測技術(shù)采集并分析巖體變形破壞時釋放的彈性波，提取特征參數(shù)對巖體失穩(wěn)進行預(yù)警的方法被廣泛應(yīng)用。李瑞等[12]對大量微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)視體積、能量指數(shù)等參數(shù)在巖體失穩(wěn)之前會呈現(xiàn)異常變化趨勢，利用這些參數(shù)的特性可以進行巖體失穩(wěn)預(yù)警。王俊光等[13]通過對微震統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行時序分析，揭示了微震能量、頻次、振動速度和幅值等參數(shù)在沖擊地壓發(fā)生前的活動規(guī)律，對礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警具有一定的指導(dǎo)意義。張楚旋等[14]結(jié)合沙壩礦實際微震監(jiān)測參數(shù)，利用b值、能量指數(shù)、施密特數(shù)和累積視體積建立了巖體失穩(wěn)的智能預(yù)報模式。

上述研究明確了一系列對巖體穩(wěn)定狀態(tài)敏感的微震特征參數(shù)，但是利用其進行巖體失穩(wěn)預(yù)警時多偏向于定性分析，預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性均有待進一步提高。尖點突變理論能夠有效利用巖體失穩(wěn)災(zāi)害具有的突發(fā)性特點，定量分析巖體的穩(wěn)定狀態(tài)并對失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警。張欽禮等[15]通過尖點突變理論對建立的簡化力學(xué)模型進行分析，推導(dǎo)出采場頂板-礦柱系統(tǒng)失穩(wěn)的臨界條件。付成華等[16]應(yīng)用能量、熵、位移模等參數(shù)建立了5種判據(jù)對圍巖穩(wěn)定性進行分析，從不同方面對巖體失穩(wěn)進行預(yù)警。劉新榮等[17]結(jié)合有限元方法分析邊坡強度折減過程中能量的變化規(guī)律，建立了適用于邊坡失穩(wěn)預(yù)警的能量突變判據(jù)。綜上，利用尖點突變預(yù)警模型能實現(xiàn)對巖體穩(wěn)定性進行定量分析，且模型具有自適應(yīng)魯棒性，缺點是突變判據(jù)單一時預(yù)警準(zhǔn)確性難以保障，突變判據(jù)較多時又易發(fā)生沖突，以致模型的預(yù)警結(jié)果準(zhǔn)確性難以保障。

D-S證據(jù)融合理論是一種可以有效解決證據(jù)沖突的多參數(shù)評價模型。袁四化等[18]依據(jù)時空觀和借助D-S證據(jù)融合理論建立了穩(wěn)定性評價多指標(biāo)體系和多信息融合評價模型，為礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價提供了借鑒。LUO Z Q等[19]從巖體失穩(wěn)的內(nèi)部機理和外部表現(xiàn)入手，通過將多場耦合分析得到損傷指標(biāo)并與微震特征參數(shù)指標(biāo)作證據(jù)融合建立起巖體失穩(wěn)預(yù)警模型。羅小燕等[20]采集單軸壓縮實驗各階段的聲發(fā)射特征參數(shù)，運用敏感度特征提取法等方法選定證據(jù)體，將各證據(jù)體融合后獲得各證據(jù)體于各階段的信任度權(quán)重，建立加權(quán)證據(jù)體融合的失穩(wěn)預(yù)警模型。綜上，D-S證據(jù)融合理論可以用于巖體失穩(wěn)災(zāi)害的預(yù)警，但是D-S證據(jù)融合理論在運用時仍存在魯棒性較差、模型抗干擾能力弱的缺點。

鑒于尖點突變理論與D-S證據(jù)融合理論兩種方法在運用時呈現(xiàn)出各有不足卻優(yōu)缺點互補的現(xiàn)象。筆者提出一種將尖點突變分析與D-S證據(jù)融合預(yù)警綜合運用的新的預(yù)警方法，力求提高巖體失穩(wěn)預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文依托廣東某地下金屬礦山為研究背景，基于由尖點突變理論和D-S證據(jù)融合理論形成的綜合預(yù)警方法對-550 m采礦中段至-650 m采礦中段的巖體穩(wěn)定性進行分析與預(yù)警，以期對礦山巖體失穩(wěn)災(zāi)害的有效預(yù)警提供新的研究思路。

1 基本原理

1.1 尖點突變模型

尖點突變模型是突變理論中的一種初等突變模型，它可以忽略系統(tǒng)尚未可知的內(nèi)部作用而直接處理飛躍式的不連續(xù)變化。主要用于研究復(fù)雜的非線性變化過程，判斷系統(tǒng)突變發(fā)生的條件，評價系統(tǒng)的穩(wěn)定性[21-24]。該方法在巖體穩(wěn)定性評價及失穩(wěn)災(zāi)害的預(yù)警中廣泛應(yīng)用。巖體在破裂時會通過微地震活動釋放能量[25]，因此微震事件的活動性參數(shù)與巖體狀態(tài)變化之間具有密切相關(guān)性，巖石狀態(tài)的突變也對應(yīng)著微震活動性參數(shù)的突變。能量指數(shù)EI作為微震活動性參數(shù)之一，亦具有突變性，符合尖點突變分析的使用條件。

根據(jù)微震能量指數(shù)EI的監(jiān)測序列獲得能量指數(shù)的巖體失穩(wěn)突變函數(shù)，并推導(dǎo)出尖點突變模型的突變特征值Δ的表達式為：

Δ=8u3+27v2

(1)

式中，u和v為基于能量指數(shù)的巖體失穩(wěn)尖點突變勢函數(shù)的系數(shù)參數(shù)。詳細推導(dǎo)過程見孫建等[25]的研究。Δ值的大小，代表巖石處于不同的穩(wěn)定狀態(tài)，即：

(1)Δ>0時，巖體只對應(yīng)一種狀態(tài)，即穩(wěn)定狀態(tài)。代表此時巖體承受的應(yīng)力未達到峰值，微裂隙正在發(fā)育中，巖體變形還處于連續(xù)變化狀態(tài)，穩(wěn)定性相對較強；

(2)Δ=0時，巖體處于臨界狀態(tài)，稍加干擾就可能從穩(wěn)定狀態(tài)突跳到不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生失穩(wěn)風(fēng)險，巖體穩(wěn)定性欠佳。

(3)Δ<0時，巖體發(fā)生突變的可能性較大，巖體穩(wěn)定性較差。

利用尖點突變模型進行巖體失穩(wěn)預(yù)警時，判據(jù)Δ<0且Δ值越小失穩(wěn)風(fēng)險越大，在一段時間內(nèi)Δ<0且Δ值最小的時間內(nèi)巖體失穩(wěn)發(fā)生的可能性最大。

1.2 D-S證據(jù)融合理論

D-S證據(jù)理論是于1967年被提出的一種不精確推理理論。該理論是在證據(jù)理論的基礎(chǔ)上利用一定的證據(jù)組合規(guī)則將各個證據(jù)體進行融合，并根據(jù)相應(yīng)規(guī)則做出最終決策[26]。作為一種處理不確定信息的方法，D-S證據(jù)融合理論近年來被廣泛應(yīng)用于邊坡、巖體穩(wěn)定性評價方面[27]。因此，本文采用D-S融合理論對巖體穩(wěn)定性評價是完全可行的。

日最大巖層振動速度(Vmax)、日視體積增量(δVA)與施密特指數(shù)(Sc)是微震監(jiān)測常用的參數(shù)，也被廣泛應(yīng)用到礦巖活動性評價中[28]。本文選取這三個參數(shù)作為證據(jù)體進行融合分析。利用微震監(jiān)測結(jié)果獲取三個參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，依據(jù)D-S證據(jù)融合理論建立多參量數(shù)學(xué)預(yù)警模型，以科學(xué)合理地評價對象區(qū)域的巖體穩(wěn)定性。

(1)風(fēng)險辨識框架設(shè)定

設(shè)定證據(jù)集Ω={ Λ1，Λ2，Λ3}，其中，Λ1代表Vmax，Λ2代表δVA，Λ3代表Sc。

根據(jù)巖體失穩(wěn)風(fēng)險等級分為3個級別，各個證據(jù)體的不同取值對應(yīng)不同的巖體失穩(wěn)風(fēng)險等級，即：

Ⅰ級風(fēng)險：表示監(jiān)測對象區(qū)域巖體屬于低失穩(wěn)風(fēng)險，巖體失穩(wěn)發(fā)生的概率非常小；

Ⅱ級風(fēng)險：表示監(jiān)測對象區(qū)域巖體屬于中等失穩(wěn)風(fēng)險，巖體失穩(wěn)發(fā)生的概率較?。?/p>

Ⅲ級風(fēng)險：表示監(jiān)測對象區(qū)域巖體屬于高失穩(wěn)風(fēng)險，巖體失穩(wěn)發(fā)生的概率較大。

設(shè)αn，βn為證據(jù)Λn所對應(yīng)的劃分Ⅰ級風(fēng)險、Ⅱ級風(fēng)險和Ⅲ級風(fēng)險的臨界值(圖1)。

圖1 依據(jù)各參數(shù)的風(fēng)險等級劃分Fig.1 Risk level division according to the parameter

證據(jù)體Λn對應(yīng)于不同風(fēng)險等級的取值叫做不同證據(jù)體對應(yīng)于各風(fēng)險等級的基本可信度(BPA)，符號記做Λnk。

Λnk(n=1,2,3;k=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)

(2)

在式(2)中，n=1時，對應(yīng)的證據(jù)體為日最大巖層振動速度(Vmax)；n=2時，對應(yīng)的證據(jù)體為日視體積增量(δVA)；n=3時，對應(yīng)的證據(jù)體為施密特指數(shù)(Sc)；而(k=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)則分別對應(yīng)3種不同等級風(fēng)險。Λnk的求值公式如式(3)～式(5)。

(3)

(4)

(5)

根據(jù)Λnk的求值公式(3)～(5)求出的各證據(jù)體對應(yīng)各等級風(fēng)險的基本可信度取值，具體結(jié)果的表達見表1。

表1 基本可信度賦值Table 1 Basic possibility assignment

(2)證據(jù)融合

各個證據(jù)體的基本可信度賦值獲得后，兩個證據(jù)相互之間的相似系數(shù)ρ可以通過計算得到。ρ的取值區(qū)間為[0,1]，ρ值越大，表明兩個證據(jù)相互之間相互驗證性越強，對評價結(jié)果的支持度越高，可靠度越大。

證據(jù)Λ1和Λ2之間的相似系數(shù)計算如下：

(6)

將各證據(jù)之間的相似系數(shù)的計算結(jié)果以矩陣形式陣列出來，稱之為相似矩陣，即：

(7)

根據(jù)相似矩陣計算單個證據(jù)體對最終評價結(jié)果的支持度U(Λn)，然后進行歸一化處理，使得每個證據(jù)體所對應(yīng)所有等級風(fēng)險值之和為1，即可得到各個證據(jù)體的可信度C(Λn)，計算公式如下：

(8)

(9)

為了更準(zhǔn)確地評價巖體狀態(tài)，將可信度作為證據(jù)Λn的權(quán)重，結(jié)合證據(jù)體Ω中各個證據(jù)體的基本可信度值解得各個證據(jù)對結(jié)果的加權(quán)合成后的風(fēng)險概率值，即融合風(fēng)險概率Λ(k)：

(10)

當(dāng)Λ(k)值最大時，k所對應(yīng)的風(fēng)險等級即為風(fēng)險等級評價結(jié)果。利用D-S證據(jù)融合模型進行巖體失穩(wěn)預(yù)警時，若出現(xiàn)失穩(wěn)等級不斷上升并出現(xiàn)1次以上高等失穩(wěn)風(fēng)險，則可判斷高等失穩(wěn)風(fēng)險出現(xiàn)后的一段時間巖體失穩(wěn)發(fā)生的可能性較大。

1.3 綜合預(yù)警

風(fēng)險矩陣法是一種常用于風(fēng)險評估領(lǐng)域的風(fēng)險可視化方法，其核心是通過一個二維表格實現(xiàn)對風(fēng)險等級的綜合評估。上述尖點突變分析模型和D-S證據(jù)融合模型兩種模型的風(fēng)險等級評價結(jié)果均在一定程度上反映了對象區(qū)域的巖體失穩(wěn)風(fēng)險性，但是單依靠其中任一結(jié)果都無法保證巖體失穩(wěn)預(yù)警的準(zhǔn)確性。為了解決這個問題，進一步提高巖體失穩(wěn)預(yù)警的準(zhǔn)確性，以尖點突變分析模型和D-S證據(jù)融合模型的評價結(jié)果作為兩種評估依據(jù)，運用風(fēng)險矩陣對兩種結(jié)果進行融合，獲得綜合性預(yù)警模型的風(fēng)險等級表達。基于風(fēng)險矩陣法的巖體失穩(wěn)風(fēng)險等級綜合評價矩陣見表2。

表2 綜合預(yù)警模式Table 2 Comprehensive warning mode

1級：無風(fēng)險，表示巖體處于穩(wěn)定的狀態(tài)，是巖體失穩(wěn)的早期孕育期，微震活動性較弱。微震活動參數(shù)處于原有微裂隙被壓縮閉合階段，但是未產(chǎn)生塑性變形。階段應(yīng)對措施：正常生產(chǎn)。

2級：低等風(fēng)險，巖體處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，是巖體失穩(wěn)的緩慢發(fā)育期，微震活動性增強。階段應(yīng)對措施：正常生產(chǎn)，適當(dāng)加強排查。

3級：中等風(fēng)險，巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，是巖體失穩(wěn)的快速發(fā)育期，微震活動性較強。階段應(yīng)對措施：正常生產(chǎn)，加強排查，必要時加強支護與防控。

4級：高等風(fēng)險，巖體處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定的交叉臨界狀態(tài)，是巖體失穩(wěn)的發(fā)育峰值期，是巖體能量積聚達到承受極限的狀態(tài)。階段應(yīng)對措施：減緩生產(chǎn)，全范圍排查，必要時加強支護與防控。

5級：極高風(fēng)險，巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，是巖體失穩(wěn)的能量釋放期，極易發(fā)生失穩(wěn)災(zāi)害。階段應(yīng)對措施：對應(yīng)區(qū)域立即停產(chǎn)，同時加強支護與防控。

利用綜合預(yù)警模型進行巖體失穩(wěn)預(yù)警時，若出現(xiàn)失穩(wěn)等級不斷上升并出現(xiàn)1次以上4級(高等失穩(wěn)風(fēng)險)，則判斷高等失穩(wěn)風(fēng)險出現(xiàn)后的一段時間巖體失穩(wěn)發(fā)生的可能性較大；5級(極高等失穩(wěn)風(fēng)險)一旦出現(xiàn)，就要發(fā)出巖體失穩(wěn)災(zāi)害即將發(fā)生的警告，呼吁礦方立即采取相應(yīng)措施。

2 應(yīng)用實例

2.1 工程概況

廣東某地下金屬礦山開采已由淺部轉(zhuǎn)入深部，其深部采區(qū)的主礦體賦存于F3斷層的下盤，埋深-580～-880 m 之間，礦體以塊狀產(chǎn)出，上、下盤圍巖均為灰?guī)r。與淺部相比，深部礦巖較脆，應(yīng)力集中加劇，地壓活動增多，巖體失穩(wěn)風(fēng)險上升。且F3斷層的存在，加劇了礦區(qū)井下地壓活動特征的復(fù)雜性，增加了地壓災(zāi)害事故產(chǎn)生的概率。為了確保深部礦體安全、高效地開采深部礦體。該礦山構(gòu)建微震地壓監(jiān)測系統(tǒng)，對礦山地壓活動開展實時監(jiān)測，并對地壓災(zāi)害事件進行預(yù)警預(yù)報。

根據(jù)礦山實際生產(chǎn)情況，整個礦山總共布置44個通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，配置32個微震檢波器，覆蓋10個中段?？紤]到目前正開采-550～-650 m之間的3個中段，總段高100 m，控制礦體長度800 m，控制寬度約200 m，因此重點監(jiān)測該區(qū)域。監(jiān)測該區(qū)域的微震檢波器主要安裝在-550 m和-650 m兩個中段(圖2)。每個中段布置5個單向檢波器(U)和一個三向檢波器(T)，共12個檢波器，能完全實現(xiàn)該中段的監(jiān)測。

圖2 檢波器陣列分布圖Fig.2 Geophone array distribution

圖2中，紅色原點代表該中段工作站所在位置；三角形符號所位置即為檢波器布置位置，三角符號對應(yīng)編號代表檢波器的位置和屬性信息，如“-550S21U”即代表該檢波器為安裝在-550m中段，編號為S21的單向檢波器；黑色字體如“N10穿脈”、“S1穿脈”代表對應(yīng)穿脈的在中段中的編號。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

系統(tǒng)建成后5個月的統(tǒng)計結(jié)果顯示，地壓活動性最強的區(qū)域為-550 m中段～-650 m中段，同時該區(qū)域于2017年7月26日發(fā)生了具有一定規(guī)模的冒頂片幫事件，并且微震震級達1.4級。因此，選取該中段為研究對象，并將“7·26”事件作為已知事件進行尖點突變分析與D-S證據(jù)融合分析，以反向驗證本文所建立模型的有效性。依據(jù)該思路，選擇6月31日～7月27日時間段內(nèi)能量指數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)做尖點突變分析，統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。選擇6月31日～7月27日時間段內(nèi)最大巖層振動速度、日視體積增量與施密特指數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)做D-S證據(jù)融合分析，統(tǒng)計結(jié)果見表3。

圖3 各組能量指數(shù)對應(yīng)序列擬合曲線圖Fig.3 Fitting curve corresponding to energy index

2.2.1尖點突變公式擬合

以能量指數(shù)為狀態(tài)變量進行尖點突變分析時,首先要選定用于擬合突變函數(shù)的原始數(shù)據(jù)序列。選定規(guī)則為：

(1)以微震系統(tǒng)10天的監(jiān)測值形成原始數(shù)據(jù)序列，且序列隨日期更新。

(2)更新時剔除前一組序列中最早日期的監(jiān)測值，添加最新日期的監(jiān)測值至序列末尾形成新一組序列。

獲取2017年6月30日～2017年7月27日期間該礦山微震能量指數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并按照上述序列生成規(guī)則形成初始序列見表3。由表3可知，能量指數(shù)在所選時間段內(nèi)的監(jiān)測值所處區(qū)間為[-0.25，0.3]，且存在前期隨時間逐漸增大，后期隨時間逐漸減小的規(guī)律，即監(jiān)測數(shù)據(jù)序列存在尖點，符合尖點突變分析方法的使用條件。

表3 能量指數(shù)序列Table 3 Sequences of energy index

根據(jù)表3各組數(shù)據(jù)的序列次序變化繪制折線圖，并對其進行四次多項式擬合，得到如圖3所示的一系列擬合曲線。從圖3可以看出，7月21日之前各組序列均呈持續(xù)上升趨勢，7月22日開始序列開始先上升后下降，出現(xiàn)尖點，進一步說明能量指數(shù)具有進行尖點突變分析的可行性。

從曲線擬合的報表中可以得到擬合曲線對應(yīng)的函數(shù)表達式以及擬合度R2。從R2的值均大于0.9可知，曲線的擬合效果較優(yōu)，滿足進行尖點突變分析的需要。根據(jù)上述分析，采用尖點突變方法，擬合函數(shù)表達式進行計算，求出突變方程控制變量u、v的值見表4。

將表4中的控制變量u、v按照式(10)計算突變特征值Δ(圖4)。由圖4可知，7月9日～7月18日期間，突變特征值Δ持續(xù)大于0，說明該監(jiān)測時間段-600 m中段巖體正處于穩(wěn)定狀態(tài)。7月18日～7月27日期間，Δ值多次出現(xiàn)負值，且負值最小值出現(xiàn)在7月22日。由此判斷，7月22日發(fā)生巖體失穩(wěn)的可能性最大，但7月22日并未發(fā)生巖體失穩(wěn)事件。這說明尖點突變模型對巖體失穩(wěn)的預(yù)警效果較差。

圖4 能量指數(shù)突變分析結(jié)果Fig.4 Analysis results of energy index based on Cusp catastrophe theory

表4 擬合結(jié)果Table 4 Fitting results

2.2.2D-S證據(jù)融合預(yù)警

統(tǒng)計礦山2017年1月～2017年6月的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析證據(jù)體Vmax、δVA、Sc每日監(jiān)測值與日最大震級之間的對應(yīng)關(guān)系，確定劃分失穩(wěn)風(fēng)險等級的臨界值αn，βn，具體取值見表5。

以表5中的αn，βn值為參考，將各個證據(jù)體不同時期的數(shù)據(jù)代入公式3～5計算Λnk，獲得的Λnk的值即為各證據(jù)體不同時期對應(yīng)的基本可信度取值。結(jié)合圖5中各證據(jù)體于6月30日～7月27日期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算得到各個證據(jù)體的基本可信度并作出其隨時間變化的曲線(圖6)。由圖6知，3個證據(jù)體對各級風(fēng)險的基本可信度取值不同，即不同證據(jù)體對風(fēng)險等級的評估結(jié)果存在差別。只有將所有孤立的評估結(jié)果綜合起來進行分析才能實現(xiàn)直觀的、準(zhǔn)確的、系統(tǒng)的風(fēng)險預(yù)警。圖7所示即為將3個證據(jù)體的基本可信度依據(jù)式(6)～(10)綜合計算得到的融合結(jié)果。

圖5 各證據(jù)體演化規(guī)律圖Fig.5 Variation of the evidences

圖6 證據(jù)體基本可信度變化規(guī)律Fig.6 Variation of basic possibility of evidences

表5 不同證據(jù)體劃分各級失穩(wěn)風(fēng)險等級的臨界值Table 5 Critical values based on different evidence for risk levels of rock mass failure

圖7所示為將證據(jù)體Vmax、δVA、Sc的等級評價結(jié)果融合后得到的各級別風(fēng)險的融合概率。落入灰色方框區(qū)域內(nèi)的點對應(yīng)的風(fēng)險等級即判定為當(dāng)天的失穩(wěn)風(fēng)險等級。從圖7中可以得到如下判斷：6月30日～7月20日巖體一直處于低失穩(wěn)風(fēng)險狀態(tài)；7月21日失穩(wěn)風(fēng)險上升至中等后，于7月22日轉(zhuǎn)換為低風(fēng)險，又于7月23日～7月25日之間上升至中等風(fēng)險，據(jù)此無法判斷7月25日之后是否會發(fā)生巖體失穩(wěn)災(zāi)害。進一步驗證了D-S證據(jù)融合方法魯棒性較差，無法保證巖體失穩(wěn)災(zāi)害的預(yù)警效果。

圖7 D-S證據(jù)融合預(yù)警結(jié)果Fig.7 Warning results based on D-S fusion evidence

2.2.3綜合預(yù)警

基于尖點突變分析與D-S證據(jù)融合的風(fēng)險評價結(jié)果，按照表2中的風(fēng)險矩陣法對巖體失穩(wěn)風(fēng)險等級進行綜合預(yù)警，預(yù)警結(jié)果與當(dāng)日最大微震等級見表6。

表6 綜合預(yù)警結(jié)果與實況Table 6 Comprehensive warning results and theactual situations

從表6中可以看出：綜合預(yù)警模型的預(yù)警結(jié)果顯示7月9日～7月14日以及7月16日～7月17日失穩(wěn)風(fēng)險等級為1(無風(fēng)險)，僅7月15日失穩(wěn)風(fēng)險等級為2(低風(fēng)險)，表明該段時間內(nèi)監(jiān)測中段的巖體穩(wěn)定性較好，無失穩(wěn)風(fēng)險；7月18日～7月23日時間段內(nèi)，失穩(wěn)風(fēng)險等級在2級(低風(fēng)險)和3級(中等風(fēng)險)之間轉(zhuǎn)換3次，表明該段時間內(nèi)巖體穩(wěn)定性變化頻繁，且失穩(wěn)風(fēng)險等級整體上升；7月24日、7月25日兩天時間內(nèi)巖體失穩(wěn)風(fēng)險均上升至4級(高等風(fēng)險)，已經(jīng)達到巖體失穩(wěn)的發(fā)育峰值期，表明巖體的穩(wěn)定狀態(tài)可能已經(jīng)比較脆弱，因此判斷7月25日之后監(jiān)測區(qū)域發(fā)生巖體失穩(wěn)災(zāi)害的可能性極大。

實際情況為：2017年7月26日下午16∶50分左右，礦山監(jiān)測到一個里氏震級1.4級的特大震級微震事件。礦方在圖2中N5、N6穿脈附近發(fā)現(xiàn)了具有一定規(guī)模的冒頂和片幫現(xiàn)象，巷道頂板有新鮮斷面和剝落痕跡(圖8)。此外，表5中7月27日失穩(wěn)風(fēng)險等級降低至高等風(fēng)險，這與大震級事件發(fā)生后，對應(yīng)區(qū)域的應(yīng)力和能量得到了部分釋放，巖體穩(wěn)定性上升的現(xiàn)象相一致。

圖8 破壞現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.8 Photos of rock mass failure

3 結(jié)論

井下礦山巖體失穩(wěn)的準(zhǔn)確預(yù)警對于礦山安全生產(chǎn)具有重要的意義。本文針對尖點突變分析、D-S證據(jù)融合理論兩種方法綜合預(yù)警巖體失穩(wěn)災(zāi)害，得到如下結(jié)論：

(1)分別基于尖點突變分析和D-S證據(jù)融合理論對巖體失穩(wěn)災(zāi)害進行預(yù)警分析，結(jié)果表明兩種方法的預(yù)警都有一定的缺陷。

(2)針對尖點突變分析預(yù)警指標(biāo)過于單一和D-S證據(jù)融合理論普適性較弱的缺陷，在利用實時微震監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合獲得突變分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合D-S證據(jù)融合方法構(gòu)建了關(guān)于巖體失穩(wěn)風(fēng)險的綜合預(yù)警模型。

(3)綜合預(yù)警模型實現(xiàn)了巖體失穩(wěn)風(fēng)險等級的定量化表達，重新設(shè)計了失穩(wěn)風(fēng)險等級。

(4)結(jié)合微震監(jiān)測數(shù)據(jù)對綜合預(yù)警模型的預(yù)警效果進行驗證，結(jié)果表明：綜合預(yù)警模型有效克服了尖點突變分析和D-S證據(jù)融合理論模型單獨應(yīng)用時存在的缺陷，預(yù)警效果準(zhǔn)確度更高且時效性也更好。

綜上，尖點突變與D-S證據(jù)融合的失穩(wěn)綜合預(yù)警模型為巖體穩(wěn)定性評價與失穩(wěn)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)警提供了新的技術(shù)支撐。