非线性科学在矿山灾害及控制研究中的应用

第26卷第1期岩石力学与工程学报Vol.26No.12007年1月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJan.，2007收稿日期：2005–12–11；修回日期：2006–01–22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：[e-mail]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：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6a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：采矿工程；矿山灾害；非线性；系统；演化中图分类号：TD32文献标识码：A文章编号：1000–6915(2007)01–0211–04APPLICATIONOFNONLINEARSCIENCETOMINECALAMITYANDCONTROLRESEARCH——ANALYSISOFPROJECTSTHATFUNDEDBYDIVISIONIOFENGINEERINGSCIENCE，NATIONALNATURALSCIENCEFOUNDATIONOFCHINAZHUWangxi(DepartmentofEngineeringandMaterialsSciences，NationalNaturalScienceFoundationofChina，Beijing100085，China)Abstract：ReviewedthebasicsituationofprojectsaboutnonlinearscienceapplicationtominecalamityandcontrolthatfundedbyDivisionIofEngineeringScience，NationalNaturalScienceFoundationinthepastsixyears.Mainresearchcontentsofthoseprojectsincludeanalysisofrockstructurestability；calamitypredictionandforecast；synergeticevolutionofcalamitysystemandstructurefractalofcoal(rock).Accordingtobasicconceptsofnonlinearsystemscience，theauthordiscussedtheresearchtrendofminecalamitynonlinearnature，thewholecourseofnonlinearevolutionanddescriptionandsolvingmethods.Keywords：miningengineering；minecalamity；nonlinear；system；evolution1近6a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1998～2003年6a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3239万元；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1749万元，约占资金总额的54%。其中，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[1～3]，近6a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6a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Table1Departmentofengineeringandmaterialssciences，nationalnaturalsciencefoundationsubsidizingapplicationprojectsofnonlinearscienceinminecalamityandcontrolinthepastsixyears序号项目编号项目名称负责人依托单位159774001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259804005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359874029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450074032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)550074002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650174051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750104013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850274048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950274060矿井安全非线性动力学评价理论研究施式亮湘潭工学院1050204009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1150274044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1250274043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2.1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(1)从多个角度深入探讨薄隔水层采场底板突水机制；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，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(1)基于系统论和协同论的观点，通过现场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、采场冒落等灾害预测模型岩体力学参数的确定问题。2.4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化。3研究趋势与展望3.1非线性科学的基本观点非线性科学是近20a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，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