● 研究亮点

（1）总结了现阶段基于现场监测和基于数值模拟的预测预警思路的优势及不足。

（2）发展形成了现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法，包括室内试验与理论建模、现场测量与监测、数据集成与数据挖掘、趋势预测与实时预警、警情发布及应急避险5个模块。大孤山露天矿西北帮边坡的试验成果佐证了该预测预警方法的科学性。

● 研究背景

随着我国经济的快速发展，矿产资源需求量与日俱增，矿业开发规模逐渐扩大。在国内矿产资源储量逐渐减少、易采矿产逐步枯竭的情况下，矿山逐渐转向对深部资源和复杂难采资源的开采。随之带来的问题是，矿山生产的安全问题日益突出，岩爆、透水、冒顶、塌陷等灾害凸显。为降低开采诱发的矿山动力灾害风险，保护从业者生命和企业财产安全，进行矿山灾害预测预警是当下采矿行业迫在眉睫的需求。然而，由于矿山地质条件的不确定性，灾害形成机理复杂，虽然众多的专家学者针对矿山灾害预警防控的课题进行了不断探索研究，到目前为止，无论是从空间上还是从时间上，国内外尚缺乏行之有效的矿山灾害预测预警方法，难以实现灾害的有效预警。

● 研究结论

（1）基于现场监测数据的预测预警方法存在的不足有：①工程现场致灾过程与演化机制不明确，该类预测预警方法是对大量数据中的隐含规律进行挖掘，无法明确得出灾害发生的致灾机理以及灾害从孕育到爆发的演化机制，对从根本上认识灾害的前兆无实质性推动作用。为更有效地进行矿山灾害的预测预警，需要在进行采动致灾过程分析的基础上，认清各种矿山灾害发生的机理与前兆规律。②数据质量依赖性强，由于该类方法实施的基本条件是数据，为实现更为准确地预测预警分析，往往需要更为全面、精确的数据。但矿山现场环境复杂多变，有时根本无法获取足量的优质监测数据，甚至已有的监测数据也可能因岩体结构破坏或开采扰动等因素导致数据中断及干扰失真。现场难以保证数据的全面性、连续性及优质性，易导致预测预警的准确性和可靠性降低。③现场监测多为点式监测，无法实现全面覆盖。由于监测数据来源于各个散落布置的监测点传感器，该类数据仅能反映该监测点极小范围内的力学响应状态，并不能获取其他非监测点的响应状态。由于监测点布置代表性差等原因，造成非监测点的响应比监测点的响应更强烈，会导致非监测点先于监测点破坏，进而使得预警任务失败。总之，虽然监测数据中含有灾害孕育的过程信息以及灾害爆发的可能前兆信息，但识别和提取这些信息是相当困难的，目前基于现场监测的预警方法尚无法完全实现灾害预测预警的目标。

（2）数值模拟方法用于灾害预测预警，虽然可以从机理上分析灾害的发生过程，在一定程度上指导安全生产，但也存在以下两方面的不足：其一，由于岩体的复杂性，无法完全真实表征工程现场情况，数值模拟往往对岩体的现场情况进行简化，模拟的结果往往与现场真实情况有较大差异，预测预警的准确性也会大打折扣；其二，当前的数值模拟方法均是基于前期勘探数据开展，不能基于时刻变化的现场实际情况进行实时动态的数值模拟，无法满足预警的实时性要求。

（3）现场监测预警与数值模拟手段均有其独特的优势，将两种方法有效结合起来，取长补短，可以在很大程度上改善矿山灾害预测预警的效果。本研究提出了一种现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害分析预测预警方法，以期有效提高矿山灾害预测和预警的可靠性。该方法总体上存在以下特点：①该方法可实现基于初期数值模拟结果预测采动引起的高应力和发生损伤与破裂的潜在区域，依据该结果可以合理而有效地选择和制定监测方案并布置传感器；②该方法基于现场监测数据进行岩体重新表征和数值模型修正，在此基础上进行更接近于开采现实情况的数值模拟，实时预测岩体变形、损伤与破裂的状态；③该方法实现了数值模拟方法与现场监测方法的有机结合，用于灾害趋势预测和实时预警，实时数值模拟可全面直观了解研究区域的变形与损伤等力学状态，给出合理的风险判别，同时结合现场数据实时阈值监控的风险判别，最终由经验丰富的专家综合评判，科学合理地给出预警警情判别结果以及对应的应急避险方案；④该方法是在摸清致灾机理的前提下进行预测预警，可以获取更多、更全面的有用信息，包括定点监测的实时信息与区域数值模拟的信息，不仅可以提高预测预警的准确性，还可以认清灾害发生原因，为针对性地采取防灾措施提供了技术支撑。

●主要附图●

● 基金项目

“十三五”国家重点研发计划项目（编号：2016YFC0801607）；

国家自然科学基金项目（编号：51525402，51874069，51761135102）；

中央高校基本科研业务费项目（编号：N170108028，N180115009，N180101028）；

辽宁省“兴辽英才计划”项目（编号：XLYC1802031）。

● 引用格式

朱万成，任 敏，代 风，等.现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法[J].金属矿山，2020（1）：151-162.

● 作者简介

朱万成，男，东北大学教授，采矿工程和工程力学专业博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，教育部“长江学者”特聘教授，“万人计划”科技创新领军人才，德国洪堡学者，中国青年科技奖获得者。2017年被评为辽宁杰出科技工作者，2018年入选“兴辽计划”科技创新领军人才。朱万成教授一直从事岩石损伤与破裂过程及其诱发矿山动力灾害的机理研究，主持国家自然科学基金等纵向课题30余项，出版学术专著两部、译著1部，发表论文260余篇论文（其中有70余篇被SCI收录），获得国家科技进步奖二等奖一项，省部级二等奖以上科技奖励16项，授权国家发明专利6项、计算机软件著作权登记14项。提出的岩石损伤与破裂过程本构关系及其数值模拟方法在国内外具有广泛的学术影响，相关成果被他引5700余篇次。研究成果在鞍钢、山东黄金、紫金矿业等企业的矿山得到了应用，经济及社会效益明显。现兼任国际岩石力学学会（ISRM）会员、中国岩石力学与工程学会常务理事，兼任《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》国际杂志副主编，兼任《金属矿山》等3本国内杂志的编委。