岩体采动裂隙时空演化与突水危险性决策模型研究成果

采动覆岩突水溃砂形成的影响因素与机理非常复杂，人们对其的认识也是一个渐进的过程，国内外学者在此方面开展了大量的研究并不断深入，取得了一系列重要的进展和研究成果，从本质上阐明了裂隙覆岩在采动过程中移动变形的基本规律，揭示了采动裂隙覆岩突水溃砂的内因条件，并基于此提出近水体采煤的安全决策评价，制定相关的安全技术措施，对于降低采动覆岩突水溃砂灾害危险性有重要的指导意义。

对采动覆岩突水溃砂灾害科学、准确的评价决策需要建立精确科学的决策模型，以便于准确识别灾害与加强过程防范。1993年，Simon W.Houlding率先提出了三维矿山建模[93-97]的概念，Simon W.Houlding三维矿山建模的简要过程是与地质统计分析技术相结合，并运用计算机技术，将空间信息数据、预测技术、地质数据解译分析、地学统计分析、实体内容分析以及图形可视化等工具在三维环境下结合起来而形成的一门新兴学科。我国在20世纪80年代初开始对矿山三维可视化进行研究和应用，主要是利用AntoCAD对矿区进行简单的绘制并利用Basic语言开展地学信息的管理。目前，我国已利用CAD并结合GIS开发出了一些在采矿、地质、测量等领域方面应用且专业应用性很强的软件。例如，中国矿业大学、东北大学、北京科技大学、中国地质大学（武汉）等设计开发了各自的基于CAD的矿山系统。

美国、加拿大、澳大利亚等煤矿开采技术先进的国家都开发出了具有多种功能的三维矿山软件。例如：Micromine三维矿山软件系统是由澳大利亚Micromine公司开发的，其主要用途包括：对地表、地层、地下各种地质数据和信息进行三维演示和解释分析。其主要的功能模块有：钻孔的分析模块、等高线及格网的绘制模块、地质的统计分析模块、常用统计分析模块、测量地质建模模块、品位的控制模块、三维的演示及分析模块等。并且，该系统具有对地质数据信息处理分析与建模的功能，为地下矿产开采设计、品位估值、地质统计分析及储量计算等提供有力的技术支持，但前期的研究主要集中在建模统计管理方面[98-103]。

到20世纪80年代后期，随着一些新技术、新方法的引入，矿井突水决策评价有了较大的发展，出现了许多决策评价方法，王树元[104]采用模糊集合论与移动平均数预测法相结合的方法，首次提出了矿井突水事件的模糊预测方法，该方法预测结果较为可靠，并证明了事件发生的可能性高，不一定概率值也高。

许延春以我国顶板水（地表水体和松散层含水体）和底板薄层灰岩水体引起矿井水灾害事故的统计资料为依据，应用灰色理论的宏观预测矿井水灾害可能发生的时间和严重程度[105]。

陈秦生、蔡元龙用模式识别方法预测底板突水并取得了一定的成效，其首先利用大量已开采过煤矿的多种水文地质资料模式分类的训练样本集，对待定的判别函数进行训练，确定出对训练样本集有最优分类结果的分类器，然后对分类器进行准确性和可靠性检验，最后将被检验有高准确性和稳定性的分类器作为预测器对待开采的煤矿进行突水预测[106]。

武强在20世纪80年代后期针对我国华北型煤田及其复杂的充水水文地质条件，建立了我国华北型煤田立体充水地质结构模式，并建立了矿井涌水量立体预测的水文地质概念模型，对四个具有不同内边界类型典型煤矿的矿井涌水量进行了立体数值预测[107]。

张大顺、郑世书和孙亚军等在底板突水预测中首次引入地理信息系统来组织和管理与矿井突水有关的各类数据，建立突水模式和突水预测的多元信息拟合预测系统，并对焦作东部矿区和微山湖下采煤进行了突水危险性预测[108]。

张敏江、王延福首次将专家决策系统方法运用于煤矿区突水预报领域，初步建立了煤层底板突水预报专家系统（简称WIFDCM系统），通过运用专家系统的方法，考虑到影响突水的多方面因素，融入预测预报领域知名专家的防治水经验和知识，建立底板突水预测专家系统，从而提高预测预报的成功率与准确性[109]。

王延福、靳德武等开发了突水预报人工神经网络系统（简称ANNWIF系统），针对煤矿矿井煤层底板突水系统为一非线性系统的特性，以实际数据为基础，建立神经网络系统，并对系统、建模方法、适用条件和应用问题进行了阐述，并在焦作矿务局演马庄矿、焦作金科尔集团方庄煤矿对所建立的煤层底板突水预测神经网络进行生产性检验，取得良好的结果，说明该系统应用于煤层底板突水预测的可靠性[110]。

随着计算机技术的发展，专家系统、地理信息系统、人工神经网络等软科学决策方法，对突水的评价决策也进入了一个信息化决策时代[111-112]。越来越多的研究人员致力于将机器学习的方法应用于矿井突水评价决策中。基于机器学习的矿井突水评价中不仅能够客观地分析现有信息而且能够对多方信息进行有效的融合，对矿井水害的防治工作有着积极意义。魏军等将灰色聚类评估方法应用于煤矿突水预测中，不但拓展了灰色聚类理论的应用范围，而且为矿井突水提供了一种有效的准确预报方法[113]。雷西玲等综合水源、隔水层等多种因素建立基于遗传神经网络突水预测模型，是较早地将神经网络应用于矿井水害预测的方法[114]。曹庆奎等将模糊隶属度与支持向量机结合，并应用于煤层底板的突水危险性评价中，较好地解决了突水预测中的小样本及非线性问题[115]。闫志刚等提出了支持向量机-粗集（SVM-RS）模型并将其应用于矿井突水预测，该模型同时综合了支持向量机的良好的泛化性能和粗糙集较强的提取规则能力，使突水信息得到了充分利用。它首先采用主成分分析法对突水因素进行特征选择，并用挑选的特征对极速学习机进行训练，是一种基于极速学习机的煤矿突水预测方法，取得良好的预测结果[116]。

经过多年的发展，各种适用于生产的决策评价理论与方法[117]逐渐形成，其中比较完善的是武强院士等针对煤层底板突水受多种因素影响的特点，提出以多元信息集成理论为指导，基于信息融合技术，综合分析煤层底板突水相关因素，给出相应的权重比例，得出不同区域的煤层底板突水危险性评价方法，由此提出了脆弱性指数法，三图-双预测法等[118-120]理论方法，并指导实际生产。基于信息融合技术的方法是从煤层顶板涌（突）水条件定性地分析，到回采工作面工程涌（突）水量和采前预疏放量的定量模拟预测，形成了一整套系统的研究思路与研究方法。该方法的扩展模型非常强大，结合不同的非线性或线性函数便可得到不同的方法，目前已有的方法包括：基于GIS的人工神经网络型脆弱性指数法、基于GIS的证据权型脆弱性指数法、基于GIS的层次分析法型脆弱性指数法等等。该方法已被成功地应用于开滦东欢坨矿、大同燕子山矿等矿山的煤层底板突水问题评价。脆弱性指数法能够有效地结合多种突水因素进行分析，是目前煤层底板突水评价的新型方法。随后，武强、Zhou Wanfang等研发了基于地理信息系统（GIS）与人工神经网络耦合技术等模型的煤层底板突水脆弱性定量分区评价系统[121-122]。

在突水评价决策系统方面，刘雪艳等从矿井突水机理的角度出发，分析煤层底板突水，以及突水通道等的形成原因，总结出影响煤层底板突水的主要因素，最后提出了基于图的半监督集成学习算法，并搭建煤层底板突水预警系统平台[123]。孙亚军教授等应用模糊聚类分析得到的含水层背景值，通过建立模糊综合评判模型，进行矿井突水水源快速判别，再利用GIS可视化技术将判别结果直观地显示出来，研发了基于GIS的矿井突水水源判别系统研究[124]。靳德武等研发的基于光纤光栅通信和传感技术的新型煤层底板突水监测预警系统[125]。黄国军搭建的基于GIS的矿井水害预测系统，在分析矿井突水影响因素的基础上，应用信息化手段集成GIS组件技术构建突水影响因素数据库，实现了突水点预测、矿井顶板突水预测等功能[126]。所有上述研究成果都及时捕捉到了软科学发展的重要信息，把软科学解决问题的决策方法和研究思路用于煤矿水害问题的预测预报当中，这对加强矿井防治水害工作、降低矿井水害事故的发生概率以及确保新形式下矿井高产高效安全生产具有重要意义。(www.xing528.com)

综上所述，由于地理信息系统（GIS）强大的空间决策及可视化功能，在矿井突水危险性评价方面具有重要的应用价值。地理信息系统经过近半个世纪的发展，已从传统的空间数据管理系统发展成为空间数据分析系统，并将最终向空间决策支持系统过渡，从而实现空间数据管理向空间思维的转变。空间数据管理系统侧重于空间数据结构、计算机制图等基本内容的研究，实现空间数据的存储、查询，空间分析是基于地理对象的位置形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息[127-128]。

而多准则决策（multi criteria decision making，MCDM）的概念，其最早前身为Pareto优化，是在1896年由Pareto提出的。Koopmans、Kuhn和Tucker等在1952年引入的有效点和优化向量概念才进一步有所发展，到20世纪60年代后期，随着Charnes和Cooper对多目标规划的研究以及Roy提出的Electre方法等，多目标决策才有了明确的发展。在过去的几十年里，多准则决策分析已经有了惊人的使用量，它在不同应用领域的作用显著增强，特别是随着新方法的发展和旧方法的改进，多准则决策作为一种处理复杂工程问题的模型和工具被广泛应用。决策者面对的许多问题是不完整和模糊的多目标决策问题，因为这些问题的特点，决策者往往需要这类信息的具体因素[129-130]。

在进行多准则决策时，由于许多因素的影响，并且各个因素基本上都具有空间分布特征，各个因素之间可能存在矛盾与冲突，因此多准则决策中，这些因素要相互之间进行权衡。比如在地震预报中，决策过程中，不但要考虑发布预报造成的经济损失，还要考虑不发布预报而地震却发生了，由此而造成的经济损失和人员伤亡更严重。这两个准则之间具有矛盾特征。因此，多准则决策具有以下基本内容和特点，详见表1-2。

多准则决策的实质是利用现有的决策信息通过一定的方法对目标进行决策，其主要包含两部分：决策信息及其确定。一般有两方面的内容包含在决策信息里面：

①准则值和准则权重。其中准则值主要包含三种类型：区间数、实数和语言。其中准则权重是确定多准则决策的一个重要的研究内容，其确定方法可以分为客观方法，此方法不含人的主观信息，主要是利用已有的信息。主观方法是利用经验等的一种赋权方法。

表1-2　多准则决策的内容与特点

②决策信息需要采用一定的方法进行集结才能对结果进行决策。目前应用比较广泛的有WLC（weighted linear combination）方法、TOPSIS方法、ELECTRE方法、LINMAP方法以及OWA（ordered weighted averaging）方法。

多准则决策分析是现代决策科学的一个重要组成部分，尽管多准则决策支持系统和地理信息系统能够独立地解决一些简单问题，但是许多复杂问题就需要两者结合起来提供更好的解决方案。在20世纪80年代后期，多准则决策分析已经与地理信息系统相结合来增加空间多准则决策的应用。多准则决策分析和地理信息系统这两个独特的研究领域，在彼此的应用中互相得益：一方面，多准则决策分析（MCDA）提供了丰富的聚集技术和程序结构的决策问题，设计、评估和优化选择决定，通过运用参与评价的标准及其权重来辅助决策者从大量备选方案中选取最合适的一个；另一方面，地理信息系统技术刚好和多准则决策分析具有互补的特点，即地理信息系统具有良好的数据管理、空间分析、可视化系统平台和收敛型决策支持模式，多准则决策分析与地理信息系统（GIS）走向集成化，形成所谓的GIS-MCDA模式[131-134]。

与地理空间信息有关的决策问题统称为空间决策问题。地下空间灾害防治中的许多决策问题都是多准则空间决策问题，如地下工程的围岩稳定性问题，需要考虑工程因素、岩体结构、地下水以及岩石性质等准则；高承压水体上煤层开采，目前主要通过注浆加固技术对煤层底板进行改造，加厚底板隔水层厚度，封闭底板裂隙。因此对其安全开采进行评价时，需要考虑含水层富水性、地质构造、矿山压力、工作面尺寸、开采方法以及煤层厚度等，特别是注浆改造效果准则，主要作用在于提高底板隔水层的阻抗水能力。而在厚松散含水层下采煤，随着煤矿开采上限的提高，覆岩厚度越来越薄，开采条件越来越复杂，采动产生的力学环境、岩体结构和破坏特征等与其他明显不同，导致采动覆岩应力场的时空关系更加复杂，突水溃砂等动力灾害容易发生，对这些灾害发生的评价决策，将需要考虑覆岩厚度、导水裂隙带高度、松散含水层富水性等多个准则，由于灾害发生的随机性、突发性和破坏形式的多样性，多个不同的判断准则需要被考虑，进而对灾害的发生进行决策与预报。

多准则决策日益成为人们评估分析的衡量尺度，基于GIS的多准则决策分析正发挥着重要作用。GIS作为数据管理与分析的平台，结合MCDA定量化的决策评价方法，为采动覆岩突水溃砂评价决策研究提供了良好的技术手段，具有空间维度与时间维度等空间信息的采动覆岩突水溃砂危险性评价能够考虑采动裂隙覆岩的时空演化特征，对于采动覆岩突水溃砂决策有重要的意义。