基于矿山开采工程的水文地质灾害预警系统设计

汪 洋

（江西省煤田地质局一九五地质队，江西 南昌 330200）

针对矿山资源的需求量也逐步增多，对于矿山工程的安全问题的关注度愈加提高。

当下国内在实施开采矿山工程时由于水文地质灾害等因素造成的人员伤亡人数一直高居不下，除了相关开采工作人员的安全意识较薄弱以外，主要原因在于有关水文地质灾害的预警系统设计不够完善。以江西某地区为例，地质灾害因素与其他矿山事故存在差异，可通过提前监测实现灾害预警，采用多种方式的防护措施降低地质灾害带来的破坏，将损失量降至最低。基于矿山开采工程的水文地质灾害预警系统的实现对社会经济发展存在较大效益，但以往的预警系统设计均停留在理论基础阶段，对于其实用性需要进一步完善。

1 基于矿山开采工程的水文地质灾害预警系统设计

以江西某地区为例，此系统是针对灾害监测平台对信息数据的收集，并对收集的信息进行分析研究，结合水文地质灾害模型，将整合的数据与灾害警戒线做出对比报告，对江西某矿山的水文地质灾害进行预测。该系统的设计主要分成硬件设计与软件设计两大部分，其中硬件的设计包括收集信息的感知器，交换机和数据反馈的显示器，软件系统设计包括水文地质灾害预测算法设计及对数据的处理子系统等[1]。整体系统框架如下图1。

图1 水文之地灾害预警系统设计

如上述图1所示，灾害预警系统主要通过在监控地点使用对应的灾害探测器，对传感器收集的数据进行整理汇总分析，结合系统的整体框架，对突发性水文地质灾害进行实时的预测，对警戒参数设置最高值和最低值，将传感器收集的数据进行计算机的实时成像，通过系统的软件设计实现数据的参数分析，将整理的参数反馈至硬件传感设备，与设定的参数范围进行比对，若参数数值高于阈值的最高线，即触动预警系统发生警报，提醒相关工作人员立刻采取有效措施，若参数数值低于阈值最低线，近似看做该数值为无效数值。数值处于参数范围内，表示存在水文地质灾害，但不会造成较大影响，可提前采取对应的防范措施。

1.1 系统运行环境及探测器设置

水文地质灾害预警系统包含灾害监测仪器、天气预警管理站、突发因素预报显示器等硬件设备，结合江西某地区的矿山工程需要和灾害发生频繁地段划分，综合当地板块移动较频繁地区和人口居住相对密集区域等状况，灾害预警站点以自动化形式为主，使用遥感的形式与计算机网络形成资源共享，并对反馈信息实现应答，满足预警的条件。当下系统采用较成熟的集成式结构体系，包含检测站点/服务器双层结构体系模式和客户端浏览器/服务端口三层结构体系模式。综合两种模式结构，使用以太网络下的服务器，构建成一个完整的基于矿山开采工程的水文地质灾害预警系统的局域网。在该局域网落下，包含系统的信息感知器，数据信息交换机和相关的网关设备，均在统一的HTTP协议下统一实现资源的开放性。为保证资源共享的前提下，多方面保证系统的硬件不受到外界攻击，添加一个多层次结构的安全框架，用来维持整体系统硬件设施的安全[2]。灾害信号采集器作为矿山开采工程的水文地质灾害预警硬件系统中的主要构成元件，通过信号采集器设备可实现对信号的收集及判断，判断是否存在水文地质灾害危险信号，若不存在将数据输出，存储至数据库，进行数据整理，若数据存在危险信号，分析数据，超过设定参数即触发警报。

1.2 预警系统运行软件开发

预警系统设计主要采用数学结构下的灾害预警法和基于突发性灾害的机制预测算法两种方法。由于江西地区地势复杂，气候变化较快，使用单一的数学算法进行灾害预测存在预警结果过于简化，在其基础上使用突发灾害机制预测算法，预测的结果通常使用单条或多条线性函数来表达水文地质灾害的影响元素与灾害突发概率之间的关系，使计算具有系统化又降低其难度。包含突发灾害系数法，矿山应力关系法，板块型论证法等作为关键元素，探讨其关系是否存在线性函数关系，用一元一次方程式即可表达。

灾害预警系统中由于要表述的数据信息数量过于庞大，主要包含网络数据，多语言的空间数据等，针对计算机的运行环境要求相对较高，若在同一时间段内信息显示量较多，易导致系统的运行出现卡顿现象，为此对数据处理的子系统发挥其作用，将子系统添加至软件系统中，超负荷的数据根据其收集数据的动态需求实现对数据的缓存或删除功能，保证软件系统的稳定可持续性。对数据的管理可通过建立对应的数据库来实现，现有的数据库主要以原始发生过水文地质灾害资源为主，探测器设备对满足水文地质灾害信息的采集，可对其统一建表分析，设置文件夹格式为.txt，将收集的数据进行格式上的统一，对数据进行书否存在危险信号的归类，整体数据库的建立遵循完整可实施原则，根据Matlab软件格式，对数据根据危害程度的不同进行不同层次的划分，具体可表现为无危险信号层、轻度危险信号层、中度危险信号层等。各个层次之间存在相互独立互不干扰的关系，通过建立水文地质灾害预警数据库可实现基于硬件设备收集数据的实时处理功能。具体结构图如下述图2所示。

图2 软件关系图

1.3 水文地质灾害预警系统功能

基于矿山开采工程的水文地质灾害预警系统的设计需求，结合硬件软件的设计，系统可实现对江西某地区矿山的实时图像、音频等进行统一化对比，总结出由于环境因素造成的变化规律的功能。对江西整体地区的水文地质灾害数据进行更新或填充，对所有出现过的水文地质灾害进行统计报表分析，实现在固定平台定期发布灾害预报，满足信息的检索和查询等功能。

2 仿真实验

为了保证基于矿山开采工程的水文地质灾害预警系统设计的有效性，对江西某地区矿山的预警效果进行了多次对比试验，为保证整体实验的严谨性，多次试验均在同一地区相同环境下进行。首先采用传统预警系统对矿山进行监测，再用文章设计的基于矿山开采工程的水文地质灾害预警系统对相同矿山再次进行监测，采集五组数据，将数据进行分析处理，如表1所示。

通过表1分析两种方法对于水文地质灾害的预警能力，可以得出结论：在相同地区同种环境下，经过多次对灾害的预警检测，基于矿山开采工程的水文地质灾害预警系统比传统的方法对灾害预警的准确率要高。

表1 水文地质灾害预警准确率对比

3 结语

文章对基于矿山开采工程的水文地质灾害预警系统的设计开展研究，通过对系统的软件及硬件两方面进行设计，实现了整体系统的优化。未来随着矿山资源市场的不断发展，对矿山的开采量也将逐步提高，为此对于水文地质灾害预警系统的设计是具有十分现实的意义的，希望文章的设计提高矿山勘察或开采人员的安全性，为国家矿物资源的开发提供帮助。