一种矿山采空区失稳风险评估方法及系统与流程

本发明涉及矿山开采安全防控领域，具体涉及一种矿山采空区失稳风险评估方法及系统。

背景技术：

1、金属非金属矿山地下开采通常会形成大量采空区。由于开采不规范或历史原因，很多采空区没有得到及时有效治理，成为制约矿山安全生产的重大隐患。采空区一旦发生破坏失稳，将会影响矿山正常生产，甚至造成安全事故，严重时还会诱发冲击气浪、矿震、井下突水以及地面沉陷、地裂缝等重大灾害和环境破坏问题。因此，开展矿山采空区安全稳定性评价工作，为采空区合理管理和有效治理提供依据，对矿山安全生产和环境保护具有重要意义。

2、目前，矿山采空区稳定性相关研究和评价方法众多，例如数值模拟方法、综合评价方法等。由于影响采空区稳定性的因素较多，各种因素又具有一定的不确定性和隐蔽性，导致现有方法多具有一定的应用限制和不足之处。数值模拟方法虽然能够得到采空区围岩应力分布的定量结果，但在进行采空区稳定性分析时，没有考虑岩体破坏的力学机制；而综合评价法虽然结合了多种已有方法，但也缺乏对采空区围岩破坏的内在力学机制进行考虑。

3、从力学机制来看，采空区失稳的主要原因是采空区围岩应力重分布导致岩体发生剪切破坏或张拉破坏。然而，无论是数值模拟方法还是采用综合评价法，都仅关注采空区围岩的剪切破坏机制，而对采空区围岩的张拉破坏机制考虑不够全面，导致评价结果不够准确。

技术实现思路

1、本申请通过提供一种矿山采空区失稳风险评估方法及系统，解决了现有矿山采空区稳定性对采空区围岩的张拉破坏机制考虑不够全面，导致评价结果不够准确的技术问题。

2、为达到上述目的，本申请采用如下技术方案。

3、一方面，提供一种矿山采空区失稳风险评估方法，包括如下步骤：

4、s1、根据矿山采空区围岩的岩石力学参数，确定岩石力学参数的概率分布形式；其中，岩石力学参数包括矿山采空区围岩的弹性模量、泊松比、抗压强度、启裂强度和抗拉强度；

5、s2、对岩石力学参数的概率分布形式进行随机采样，得到随机参数样本；

6、s3、将随机参数样本输入到基于损伤起裂极限方法建立的采空区力学稳定性分析数值模型，输出得到矿山采空区围岩的最大主应力σ1和最小主应力σ3；

7、s4、根据矿山采空区围岩的最大主应力σ1和最小主应力σ3，确定采空区稳定性安全系数sf：

8、

9、

10、

11、

12、σtmax＝|σ3|；

13、其中，sf1为剪切破坏安全系数，τf为采空区围岩剪切破坏强度，τmax为采空区围岩最大剪应力，sf2为张拉破坏安全系数，σt为岩体抗拉强度，σtmax为采空区围岩最大拉应力；s5、根据采空区稳定性安全系数sf的数值大小确定采空区失稳风险等级；sf的数值越大，采空区失稳风险等级越低；

14、s6、重复步骤s2-s5，得到多个随机参数样本及其对应的采空区失稳风险等级；

15、s7、利用多个随机参数样本及其对应的采空区失稳风险等级对lightgbm算法进行训练，得到采空区失稳风险等级评估模型。

16、在一些实施例中，s7之后还包括如下步骤：s8、对待评估矿山采空区的围岩的岩石力学参数的概率分布形式进行多次随机采样，输入到采空区失稳风险等级评估模型，输出得到多个采空区失稳风险等级以及各失稳风险等级的概率，将概率值最大的采空区失稳风险等级作为该矿山采空区的失稳风险评估结果。

17、在一些实施例中，步骤s2中，对岩石力学参数的概率分布形式进行随机采样的方法包括：在[0,1]区间产生均匀分布伪随机数，基于确定的概率密度函数或累积概率密度函数，逆变换进行随机采样。

18、在一些实施例中，步骤s7还包括如下步骤：采用随机搜索和交叉验证法对采空区失稳风险等级评估模型的模型参数进行优化。

19、在一些实施例中，步骤s8中，各失稳风险等级的概率通过如下公式计算：

20、

21、其中，pl为等级l的概率，cl为失稳风险等级为l的次数，l＝i,ii,iii,iv，n为采样总次数。

22、又一方面，提供一种系统，该系统包括计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器和存储在存储器中可供处理器运行的程序指令，其中所述处理器执行所述程序指令以实现上述矿山采空区失稳风险评估方法的步骤。

23、本申请至少具有如下技术效果或优点：

24、1、本发明通过定量计算采空区稳定性安全系数，并同时考虑了采空区围岩发生剪切破坏和张拉破坏两种破坏机制，实现了对采空区失稳风险的科学定量分级评价，对采空区围岩的张拉破坏机制考虑全面，评价结果准确。

25、2、本发明通过随机模拟方法对采空区岩石力学参数进行随机采样，充分考虑了参数本身的不确定性，基于大量的随机采样参数及其风险等级智能评价结果，可以统计确定采空区不同位置失稳风险等级的概率分布情况。

26、3、本发明适用于采空区顶板、拱肩、拱脚、侧壁等所有关键位置，可根据需要建立相应的采空区仿真计算模型，在研究位置部署相应的测点/测量球即可。

27、4、根据本发明计算得到矿山采空区不同位置失稳风险等级以及相应风险等级的统计概率，可以绘制稳定性安全系数sf等值线图和概率分布云图，为失稳风险防治提供可视化参考。

技术特征：

1.一种矿山采空区失稳风险评估方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的矿山采空区失稳风险评估方法，其特征在于，s7之后还包括如下步骤：s8、对待评估矿山采空区的围岩的岩石力学参数的概率分布形式进行多次随机采样，输入到采空区失稳风险等级评估模型，输出得到多个采空区失稳风险等级以及各失稳风险等级的概率，将概率值最大的采空区失稳风险等级作为该矿山采空区的失稳风险评估结果。

3.根据权利要求1或2所述的矿山采空区失稳风险评估方法，其特征在于，步骤s2中，对岩石力学参数的概率分布形式进行随机采样的方法包括：在[0,1]区间产生均匀分布伪随机数，基于确定的概率密度函数或累积概率密度函数，逆变换进行随机采样。

4.根据权利要求1或2所述的矿山采空区失稳风险评估方法，其特征在于，步骤s7还包括如下步骤：采用随机搜索和交叉验证法对采空区失稳风险等级评估模型的模型参数进行优化。

5.根据权利要求2所述的矿山采空区失稳风险评估方法，其特征在于：步骤s8中，各失稳风险等级的概率通过如下公式计算：

6.一种系统，该系统包括计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器和存储在存储器中可供处理器运行的程序指令，其中所述处理器执行所述程序指令以实现如权利要求1-5任一项所述的步骤。

技术总结
本发明公开了一种矿山采空区失稳风险评估方法及系统。与现有技术相比，本发明通过定量计算采空区稳定性安全系数，并同时考虑了采空区围岩发生剪切破坏和张拉破坏两种破坏机制，实现了对采空区失稳风险的科学定量分级评价，对采空区围岩的张拉破坏机制考虑全面，评价结果准确。

技术研发人员：雷显权,刘福春,熊有为,刘恩彦,施耘
受保护的技术使用者：长沙有色冶金设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15