非线性科学在矿山灾害及控制研究中的应用.pdf

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1、第 26 卷 第 1 期 岩石力学与工程学报 Vol.26 No.1 2007 年 1 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2007 收稿日期：收稿日期：20051211；修回日期：修回日期：20060122 作者简介：作者简介：朱旺喜(1961)，男，博士，1982 年毕业于东北工学院冶金工程专业，现任研究员，主要从事轻金属冶金与材料制备方面的研究与科研管理工作。E-mail： 非线性科学在矿山灾害及控制研究中的应用非线性科学在矿山灾害及控制研究中的应用 国家自然科学基金矿业学科资助项目分析国家自然科学基金矿业学科

2、资助项目分析 朱旺喜(国家自然科学基金委员会 工程与材料科学部，北京 100085)摘要：摘要：回顾国家自然科学基金委员会工程与材料科学部工程科学一处近 6 a 资助非线性科学在矿山灾害与控制中应用项目的基本情况，该类基金资助项目的主要研究内容为岩体结构稳定性分析、灾害预测预报、灾害系统协同演化和煤、岩体结构分形。依据非线性系统科学基本观点，探讨矿山灾害的非线性性质、非线性演化全过程以及描述和求解方法等方面的研究趋势。关键词：关键词：采矿工程；矿山灾害；非线性；系统；演化 中图分类号：中图分类号：TD 32 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2007)01021

3、104 APPLICATION OF NONLINEAR SCIENCE TO MINE CALAMITY AND CONTROL RESEARCH ANALYSIS OF PROJECTS THAT FUNDED BY DIVISION I OF ENGINEERING SCIENCE，NATIONAL NATURAL SCIENCE FOUNDATION OF CHINA ZHU Wangxi(Department of Engineering and Materials Sciences，National Natural Science Foundation of China，Beiji

4、ng 100085，China)Abstract：Reviewed the basic situation of projects about nonlinear science application to mine calamity and control that funded by Division I of Engineering Science，National Natural Science Foundation in the past six years.Main research contents of those projects include analysis of r

5、ock structure stability；calamity prediction and forecast；synergetic evolution of calamity system and structure fractal of coal(rock).According to basic concepts of nonlinear system science，the author discussed the research trend of mine calamity nonlinear nature，the whole course of nonlinear evoluti

6、on and description and solving methods.Key words：mining engineering；mine calamity；nonlinear；system；evolution 1 近近 6 a 资助非线性科学在矿山灾害与控制中应用项目基本情况资助非线性科学在矿山灾害与控制中应用项目基本情况 从 19982003 年 6 a 期间，国家自然科学基金委员会工程与材料科学部工程科学一处共资助矿业方向 118 项，资助资金总额 3 239 万元；与矿山灾害相关的项目 76 项，占项目总数的 64.4%，其资金额度 1 749 万元，约占资金总额的 54%。其中

7、，非线性科学在矿山灾害与控制中的应用类研究方向 12项，占项目总数的 10.2%，占矿山灾害相关项目总数的15.8%；资金额度 191 万元，占资金总额的 6%，所资助的该类项目均为面上项目。非线性科学在矿山灾害及控制中已形成工程科学领域重要的资助方向之一13，近 6 a 来国家自然科学基金资助非线性科学在矿山灾害与控制中应用类项目见表 1。资助的非线性科学在矿山灾害与控制中的应用类项目主要包括以下几类：(1)岩体结构稳定性分析类(表 1 中 212 岩石力学与工程学报 2007 年 表 1 近 6 a 国家自然科学基金资助非线性科学在矿山灾害 与控制中应用项目一览表 Table 1 Depa

8、rtment of engineering and materials sciences，national natural science foundation subsidizing application projects of nonlinear science in mine calamity and control in the past six years 序 号 项目编号 项目名称 负责人 依托单位 1 59774001 薄隔水层采场底板突水机制与预测预报方法研究 宋 扬 山东科技大学 2 59804005 冲击地压孕育过程中的混沌性及可预测尺度研究 谭云亮 山东科技大学 3 5

9、9874029 采动区建筑物地基、基础、结构协同作用理论及应用研究 邓喀中 中国矿业大学 4 50074032 岩体中节理断层形貌的生成与模拟研究 谢和平 中国矿业大学(北京)5 50074002 基于非线性动力学的采空区稳定性监测、分析与预报系统研究 蔡美峰 北京科技大学 6 50174051 开采沉陷非线性动态力学模型预测理论及应用研究 邓喀中 中国矿业大学 7 50104013 岩盐溶腔形态及其稳定性的非线性理论探讨与实验研究 刘新荣 重庆大学 8 50274048 煤层底板突水非线性预测预报理论研究与应用 宋 扬 山东科技大学 9 50274060 矿井安全非线性动力学评价理论研究 施

10、式亮 湘潭工学院 10 50204009 高应力硬岩突变孕育过程的非线性智能力学分析与控制 周 辉 中国科学院武汉岩土力学研究所 11 50274044 岩体破坏的分维裂隙协同演化模型与计算机实现 于广明 青岛建筑工程学院 12 50274043 岩体力学参数智能化位移反分析方法及其应用研究 丁德馨 南华大学 项目序号 5，7，10)；(2)灾害预测预报类(表 1 中项目序号 1，2，5，6，8，9)；(3)系统协同演化类(表 1 中项目序号 3，11，12)；(4)煤、岩体结构分形类(表 1 中项目序号 4，11)。2 资助非线性科学在矿山灾害与控制中应用项目主要研究内容资助非线性科学在矿山

11、灾害与控制中应用项目主要研究内容 2.1 岩体结构稳定性分析岩体结构稳定性分析(1)采用现场监测、理论分析、室内实验和数值模拟等多种手段对采空区的稳定性进行综合分析和预报研究。在监测手段方面，特别是声发射和微震监测技术及其数据处理方法方面以及在数值分析和人工智能、灰色理论等相结合进行采空区稳定性分析方面，将取得重大创新和突破。同时，运用非线性动力学的分析方法，对现场监测、室内实验和数值模拟的结果进行综合分析，得到采空区非线性动力系统的独立变量，给出采空区稳定性的可预报时间尺度，对采空区非线性动力学、采空区稳定性监测、分析与预报进行系统研究。(2)在岩石力学特性实验研究基础上，用三维相似模拟和数

12、值分析等研究手段，着重探讨岩盐溶腔形态发展和溶腔稳定性规律及其主要影响因素；突破传统思维方式，用非线性科学进行理论探讨；用自组织理论研究溶腔形态发展及演化失稳规律；用突变理论和非线性动力力学等研究溶腔失稳规律。(3)通过岩石的宏观、细观力学和 CT 实时扫描实验及大规模三维进化矢量细胞自动机模拟，系统研究不同几何尺度的硬岩突变孕育过程的分形和混沌性特征及其尺度效应，确定不同条件下硬岩突变发生前分维显著变化的典型区域和相应的分维演化规律；进而提出高应力硬岩突变行为的混沌控制理论，为高应力条件下矿山工程安全提供有效的分析方法。2.2 灾害预测预报灾害预测预报(1)从多个角度深入探讨薄隔水层采场底板

13、突水机制；分析底板灰岩的岩溶发育规律和水压在底板突水中的力学作用；进行底板突水案例统计、突水类型划分、采场底板变形破坏观测和唯一反分析研究；提出突水优势面理论；揭示煤田重力滑动构造在底板突水中的作用；提出底板突水预测预报的“突水概率指数法”；研究底板变形破坏过程的混沌特性；建立断层破裂的重整化群变换关系方程；研究证明底板突水属于尖点突变型；建立突水量预测的人工神经网络模型；进行矢量渗流场形成地下水网络理论和底板变形声波 CT 探测研究。(2)采用理论研究、实验研究、数值模拟和现场测试研究为一体的方法，对煤岩破坏和冲击地压孕育过程中的混沌性及评价方法、可预测尺度和非线性反演预测理论等进行了研究，

14、取得了用描述混沌程度的李雅普诺夫指数来表达冲击地压可预测尺度的方法、选取独立变量数目及类型的准则、模拟岩体破坏演化和混沌性物理细胞自动机模型、非线性动力学反演预测模型、冲击地压声发射前兆特征和非线性小波神经网络预测模型等。(3)从采动破裂岩体的本构关系研究入手，建第 26 卷 第 1 期 朱旺喜.非线性科学在矿山灾害及控制研究中的应用国家自然科学基金矿业学科 213 立连续介质与非连续介质的耦合关系；采用逐层逐次计算方法，建立采动岩体动态力学模型，使该模型能同时计算开采沉陷、覆岩的破裂高度、离层时空发育位置等，从而形成全新的采动岩体移动破坏预测理论。(4)基于大量实测信息，对底板岩层运动性态进

15、行分析和采用重整化群、分叉理论与损伤力学、断裂力学相结合，深入探讨底板岩层在矿压及承压水作用下导水裂隙的形成、扩展机制；结合突变学、遗传算法及人工神经网络理论，探讨底板突水的非线性特征，进行底板突水可能性及底板突水量预测预报研究。(5)根据系统工程、安全科学、非线性动力学理论，以理论分析和计算机仿真技术相结合，研究矿井的适应性，构建安全评价指标体系，建立安全非线性动力学评价和预测理论模型、数值分析模型；开发评价系统软件，为矿井安全状态的确定和过程管理提供理论依据，这些对实现矿井事故“事先预防”的理想目标有重大意义。2.3 灾害系统协同演化灾害系统协同演化(1)基于系统论和协同论的观点，通过现场

16、实测与室内实验相结合的方法，研究采动区建筑物地基、基础、结构协同变形动态模型和采动区建筑物附加内力实时计算理论，以此为基础，提出采动区建筑物设计与保护的新方法，为矿区建筑物下采煤提供合理途径。(2)研究天然岩体内部结构缺陷的分形分布性质、岩体受力自发远离平衡态而产生热机械不稳定的自组织性质和岩体破坏过程中的结构缺陷间非线性协同效应，并建立岩体破坏的分维裂隙协同演化模型，实现岩体破坏预测的定量化和可视化。(3)研究和建立位移反分析遗传算法、模糊神经网络方法和进化模糊神经网络方法，进而对三者进行比较研究，提出能在庞大的解空间快速逼近最优解的智能化位移反分析方法，解决边坡滑移、开采沉陷、采场冒落等灾

17、害预测模型岩体力学参数的确定问题。2.4 岩体结构分形岩体结构分形(1)建立非规则网格下岩石节理断层表面形态生成和模拟的分形插值理论与方法。从理论上严格推导分形表面形态的维数定理，改进现有的测试手段，对断裂表面形态进行各向异性的系统测试来验证理论研究成果，提高节理和断层表面的形态生成和模拟精度，使之成为一种高精度的可靠表面形态生成方法，从而应用于土木和采矿工程稳定性预测和评价中。(2)研究天然岩体内部结构缺陷的分形分布性质、岩体受力自发远离平衡态而产生热机械不稳定的自组织性质和岩体破坏过程中的结构缺陷间非线性相互作用；建立岩体破坏的分维裂隙协同演化模型，并软件化，实现岩体破坏预测的定量化和可视

18、化。3 研究趋势与展望研究趋势与展望 3.1 非线性科学的基本观点非线性科学的基本观点 非线性科学是近 20 a 来发展起来的科学前沿，从广义的角度理解，非线性科学与系统科学、复杂性科学密不可分。依据系统思想建立完整科学体系被称为系统科学，系统科学是研究系统演化、发展的一般规律。广义系统科学理论体系包括一般系统科学和非线性科学。一般系统科学包括系统论、控制论和信息论。非线性科学包括耗散结构论、协同学、突变理论、超循环论、自组织理论、混沌动力学、分叉理论、分形理论、神经网络理论、重正化群方法、细胞自动机模拟方法、遗传算法、小波分析等。系统的复杂性具有以下特点：(1)整体性、系统性；(2)多组成性

19、，即有多种多样的子系统和子子系统，每个子系统有相对独立的结构、功能与行为；(3)复杂和多层次结构，反映在时间与空间尺度两个方面，既是网络体系，又是不均一的介质；(4)各组成之间、不同层次组成之间相互关联、相互制约、并有复杂的多种多样的非线性相互作用；(5)开放性，系统与外部是相互关联、相互作用的，系统与外部环境是统一的；(6)高度的动力系统，导向有序化发展；(7)系统的演化过程是阶段性的，有渐变与突变，整个过程是非线性的。系统具有整体性、层次性、开放性、目的性、突变性、稳定性、自组织性、相似性、支配性等特征。对于一个开放的系统，它与外界有能量、物质及信息的交换与传递。系统选定后，该系统可以是更

20、高或更大层次上的一个子系统，同时它又是更低或更小层次上的总系统。系统在演化过程中，各子系统具有自我调节、自我协调的自组织能力，形成系统的整体状态，而且具有整体结构形式和功能特性；同时系统中每一个子系统具有各自的结构功能特性，它既受到总系统总体功能特性的影响，又反作用于总系统。系统在结构形式、存在方式、功能特性、演化过程以及演化规律等方面具有差异的相 214 岩石力学与工程学报 2007 年 似性。在外界扰动作用下，系统通过各种方式来释放或保存系统的能量，具有自身保护稳定性的功能和趋向，从而完成该系统整体目的。如果系统最终不能保持稳定状态，它的失稳往往就以突变的方式来实现。在系统失稳前的孕育、演

21、化过程中，其功能特性受到系统某些控制参量的支配，在到达临界状态时，这些控制参量发生连续微小变化，可使系统状态发生突变，形成系统的正反馈效应。3.2 矿山灾害的非线性性质矿山灾害的非线性性质 矿山灾害包括煤(岩)体、水体、大气及其相互耦合形成的环境灾害4，是一个复杂的非线性演化过程，具有介质不均匀、参数不独立、过程不可逆等特征，大都是多目标、多输入、多输出、多变量、多干扰的复杂系统。非线性体现在以下方面：(1)灾害系统边界存在和演化过程非线性；(2)灾害系统几何结构赋存、演化过程非线性；(3)灾害系统参数演化过程非线性；(4)外界环境作用的模糊性、随机性、非稳定性、非线性等；(5)系统环境的激扰

22、和系统结构响应的非线性；(6)在与环境的相互作用下，系统结构不断发生演化，其结果可以出现失稳、突变、相变、分叉、混沌等现象。3.3 矿山灾害的非线性演化全过程研究矿山灾害的非线性演化全过程研究 矿山灾害的发生是一个复杂的非线性演化过程，要治理、控制灾害的发生，达到防灾减灾的目的，必须统筹考虑灾害的孕育、潜伏、爆发、持续、衰减等演化过程、来龙去脉和前因后果，寻找支配矿山灾害演化的控制变量，建立矿山灾害发生与控制的基础理论，进一步对矿山灾害演化全过程进行深入研究。(1)煤(岩)固体、瓦斯等气体、水体等介质结构构成是灾害形成和发生的内因。内因是本质的决定性因素。从煤(岩)介质结构构成、水在煤(岩)介

23、质中的赋存状态、瓦斯在煤体中的吸附解吸、扩散、渗流及煤在氧化时物理化学作用下的能量、质量变化等角度研究矿山灾害形成的内因。(2)外界环境作用是矿山灾害形成的外因。外因可能是机械的、物理的、化学的、生物的等单独或耦合、确定或随机、线性或非线性作用，需通过内因起作用。从煤体周围的温度、湿度、应力状态、风流中可燃、可爆气体含量、流速、机械等外界环境扰动研究矿山灾害形成的外因。(3)矿山灾害演化过程可包括固体、液体、气体的演变或相变。内因和外因均在适时调整、变化。从煤(岩)体的初始状态、扰动状态、中间状态和最终状态的角度研究矿山各种灾害的内在联系和演化过程。因此，矿山灾害是复杂介质在复杂环境多种、多相

24、因素耦合作用下不断演化而形成的一种自然现象。一种灾害，可能由多个因素引起；也可能由一种因素，诱发多种灾害；或几种灾害，互为因果。同时，一种灾害可能诱发其他灾害，形成灾害链。3.4 描述和求解方法描述和求解方法 如何描述、求解矿山灾害演化过程的规律性，是进行机制化、定量化研究的重要标志，由于数学模型往往是高维、高阶的，求解的难度和工作量都会迅速增高。因此，在对矿山灾害演化全过程进行深入研究的基础上，探讨描述和求解方法。(1)矿山灾害演化过程中发生突变、相变等现象，出现不连续状态；同时多种、多相和物理、化学等耦合作用，使描述、求解过程及其复杂，需将矿山灾害演化过程划分成几个阶段分别进行定量化、半定

25、量化描述。(2)建立灾害发生的条件和判据，确定数学、力学模型，进行解析或数值求解。寻找支配矿山灾害演化的控制变量，建立矿山灾害与控制的基础理论。(3)对矿山灾害演化过程进行预测、预报，同时依据测试结果，对建立的数学、力学模型适时调整，建立信息化的控制模型。参考文献参考文献(References)：1 周世宁，鲜学福，朱旺喜.煤矿瓦斯灾害防治理论战略研讨M.徐州：中国矿业大学出版社，2001.(ZHOU Shining，XIAN Xuefu，ZHU Wangxi.Discussion on theory of coal mine gas calamityM.Xuzhou：China Univer

26、sity of Mining and Technology Press，2001.(in Chinese)2 国家自然科学基金委员会.自然科学学科发展战略调研报告：冶金与矿业学科M.北京：科学出版社，1997.(National Natural Science Foundation of China.The strategy research report of natural sciences：metallurgy and mining scienceM.Beijing：Science Press，1997.(in Chinese)3 国家自然科学基金委员会.“十五”优先资助领域论证报告集M

27、.北京：原子能出版社，2002.(National Natural Science Foundation of China.Proceedings of priority support fields in“the Tenth Five-Year Plan”M.Beijing：Atomic Energy Press，2002.(in Chinese)4 朱旺喜，王来贵，王建国，等.资源枯竭城市灾害形成机制与控制战略研讨M.北京：地质出版社，2003.(ZHU Wangxi，WANG Laigui，WANG Jianguo，et al.Strategy discussion on calamity formation and control in resources exhausted citiesM.Beijing：Geological Publishing House，2003.(in Chinese)