灰色模型在矿区沉降预测中的应用.pdf

第 5期 2 0 1 2年 5月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i ne Au t oma t i o n N0 ． 5 M a y 2 O1 2 ’。 实验研究 1．◆◆◆◆ ’ 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 2 0 5 0 0 4 6 0 4 鲍金杰 ， 汪云甲． 灰色模型在矿区沉降预测 中的应用[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 2 5 4 6 4 9 ． 灰色模型在矿区沉降预测中的应用 鲍 金 杰 ， 汪 云 甲 1 ． 中 国矿业大 学江 苏省 资源环境 信息 工程 重点实 验室 ，江苏 徐州 2 2 1 1 】 6 ； 2 ． 中 国矿 业大 学 国土环境 与灾 害监测 国家测 绘局 重点 实验室 ， 江 苏 徐 卅 I 2 2 1 1 1 6 摘要 为了准确掌握矿山的沉降变化规律， 预测沉降发展趋势， 提 出一种采用灰 色模型进行矿 区沉 降预 测的方 法 。结合沉 降观 测 实例 ， 采 用灰 色模 型精度 检验 和数 理 统计 的 F分布 两种 方 法对灰 色模 型 的预 测 结 果进行检 验 和分析 。结 果表 明 ， 灰 色模 型 能够 满足矿 区沉 降预测 的精度要 求 ， 且预 测精度 随 着采 用数 据 量的 增 加 而提 高。 关键 词 矿 区沉降预 测 ；灰 色模 型 ；G M 1 ， 1 模 型 ； 模 型精 度检验 ； F分布理 论 中图分类 号 TD 3 2 7 ／ 6 7 文 献标识 码 A 网络 出版 时间 2 0 1 2 0 4 2 7 1 6 5 3 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP． 2 0 1 2 0 4 2 7 ． 1 6 5 3 ． 0 1 3 ． h t ml App l i c a t i o n o f Gr a y M o d e l i n Pr e d i c t i o n o f M i n i n g Ar e a Sub s i d e nc e BAO J i n j i e 一． WANG Yu n ～ j i a 1 ． J i a n g s u Ke y L a b o r a t o r y o f Re s o u r c e s a n d En v i r o n me n t a l I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g o f CUM T Xu z ho u 2 21 1 1 6，Chi na．2． Ke y La b o r a t o r y f o r Re s o ur c e s En v i r o nme n t a n d Di s a s t e r M o ni t o r i n g o f SBS M ．of CUM T ． ，Xuz ho u 2 21 1 1 6，Ch i na Ab s t r a c t I n or d e r t o a c c ur a t e l y gr a s p v a r i a t i o n l a w o f mi ne s u bs i d e nc e a nd pr e d i c t t r e nd of s u bs i d e nc e， t h e p a p e r p r op o s e d a p r e d i c t i o n me t h od of mi n e a r e a s u bs i d e nc e by u s e of g r a y m o de 1 ．Combi n i n g wi t h a n i ns t a nc e of s u bs i d e nc e o bs e r v a t i on，i t us e d t wo me t ho ds of p r e c i s i on t e s t o f g r a y mo de l a n d F di s t r i b ut i on o f ma t he ma t i c a l s t a t i s t i c s t o t e s t a nd a na l y z e p r e d i c t i ng r e s u l t s of t he gr a y mod e 1 ．The r e s ul t s s ho we d t ha t t h e g r a y mo de l me e t s p r e c i s i o n r e q u i r e me n t s o f p r e di c t i on of m i ne a r e a s ub s i de nc e a n d i mpr o v e s p r e d i c t i on pr e c i s i o n wi t h i nc r e a s e of a d o pt e d d a t a a mo un t ． Ke y wo r d s p r e d i c t i o n o f m i ne a r e a s u bs i de nc e，gr a y mod e l ，GM 1， 1m o d e l ，t e s t of mo d e l p r e c i s i o n， F di s t r i b ut i on t he o r y 0 引 言 随 着对 大 型 矿 山 的开发 ， 矿 山安全 性 日益受 到 国家和 生产部 门的重视 。矿 山的开 采将会 导致地 面 和 建筑 物产生 不均 匀沉 降 ， 影 响正 常使 用 ， 所 以对 矿 山变 形 的分析 和预测 越来 越受 到 国内外专 家 的广 泛 关 注 J 。只有定 期对 矿 区进 行沉 降观 测 ， 掌 握 其 沉 降规律 ， 才能正确预测矿山沉降变化的大小 ， 及时采 取 预 防和善后 措施 ， 确保 矿 山生 产 的安 全 进 行 。矿 山的沉 降观测 即对矿 山上 的观测 点进 行定期 重 复观 测 ， 得到大量的野外观测数据。在沉降观测工作实 践 中 ， 应根 据实 际情 况选用 最有 效 的方 法 ， 科 学分 析 收 稿 日期 2 0 1 2 0 2 1 0 基金项 目 国家公益性行业专项资金支持项 目 2 0 0 8 0 9 1 2 8 ；国家自然科学基金项 目 5 0 7 7 4 0 8 0 ， 4 0 9 7 1 2 7 5 作者简介 鲍金杰 1 9 8 6 一 ， 男 ， 山东临沂人， 硕士研究生 ， 主要研 究方 向为 I n S A R技 术及 矿区沉陷监测预报 。E ma i l ． b a 0 j l n j i e q i n g f e n g 1 6 3 COm 2 0 1 2年 第 5期 鲍金 杰等 灰 色模 型在 矿 区沉 降预测 中的应 用 4 7 和处理沉降观测数据 ， 准确掌握矿山的沉降变化规 律 ， 预测 沉 降发 展趋 势 ， 从 而保 证矿 山的安 全生 产 。 灰 色 系 统理 论 研究 的是信 息 不 完全 的 对象 、 内 涵不确 定 的概念 、 关 系不 明确 的机 制 。它 克 服 了概 率统计 的一 些弱 点 ， 能从 有 限的 、 离 散 的数 据 中寻找 规律 ， 建立 灰色 系统模 型 ， 然 后作 出相应 的分 析和 预 测[ 3 ] 。通过 分析 研究 发 现 ， 矿 区的沉 降 观 测 数 据 都 是有限的， 同时都是定期观测 的离散数据 ， 因此 ， 可 应用灰色系统理论 、 依据这些离散且有限的数据来 预测 矿 区的沉 降趋势 。 1 GM 1 ， 1 模 型预测 灰色 系统理 论 的 GM 1 ， 1 模 型 主 要 用 于 对数 列进行等时间间隔预测 ， 而矿 区的沉陷观测所得到 的最初数 据往 往是 一组非 等时 间间 隔的数 据 。通 过 简单 的插值方法， 可把非等时间间隔的数据变换为 等 时间 间隔 的数 据 ， 然 后采 用 G M 1 ， 1 模 型进 行 预 测L 。 1 ． 1 GM 1 ， 1 模 型 的建立 对等时间间隔数据 X∞ 一[ z 1 ， z ∞ 2 ， z ∞ 3 ， ⋯ ， z ] 进行一 次累加生 成 X“ t 一 [ z 1 ， z 2 ， “ 3 ， ⋯ “ ] ， 一 t i ， t 为观测时刻顺序， t 一1 ， 2 ， ⋯， 2 。对该生 二 j 一 1 成序列建立一阶微分方程 I_ 。 z “ 一“ ， 其中n 代 表地表 沉 降 的发 展 态 势 ， u用 来 反 映矿 区 的沉 降 变 化 ， 它 们 的值 可 以用最小 二乘 法求 得 A E a u ] 日 B B Y 1 式 中 A 一 [ 一 一 丢 2 -- X 1 1 一 1 ／ 1 3 ㈩ 2 ； 一 号 ㈩ ．z ⋯ -- 1 z‘ 。 2 z‘ 。 ’ 3 i ‘ 。 B 求出 A后 ， 把 n 、 的值代 回一 阶微分方程， 解 出微 分方 程 即得 G M 1 ， 1 模 型 ㈩ 一 z 【o 1 一 e 2 对 z “ ￡ 作 累减可得 到最 初 的原始数 据 ， 即 ‘ 。 ￡ 一 z‘ 一 ‘ t 1 3 1 ． 2模型精 度检 验 为 了提 高预 测精度 和效果 ， 需 要检 验 GM 1 ， 1 模 型 的精度 。GM 1 ， 1 模 型 的精 度 一 般 采 用 后 验 方 差法 和小 误 差 概 率 P进 行 检 验 。后 验 方 差 法 按 照残差统计特性进行精度检验， 以各 点的预测误差 为基 础 ， 进 而评 定 模 型 的等 级 。模 型 精度 检 验 公 式 为 C S 2 ／ s 4 P一 { l e ～ l F 1 ， 一 2 时 ， 认 为观测 值和 观测 时刻之 间存 在必要 的关 系 ， 即建 立 的预测模 型有 实用 价值 ， 成果 可靠 ， 否则认 为 效果 不显 著 。 2 ． 2 GM 1 ， 1 模 型 的相 关性分析 对 表 2中的数据 进行 分析 ， 限 于篇幅 ， 这里 仅选 用 沉 降 观 测 点 S Z 2的沉 降 观 测 值 作 为 分 析 数 据 ， 见 表 3 。 0 5 O 5 0 5 O 5 O ～ 一 澳 ／ 一 观 ＼、 ～ 2 0 1 2年第 5期 鲍金 杰等 灰 色模型在矿 区沉降预测中的应用 4 9 表3 点S Z 2 原始观测值和预测值 势， 并且能够较好地反 映矿 区沉降的实际情况 。但 矿区沉降是一个动态缓慢 的过程， 不断受到矿山 内 外多方面因素的综合作用 ， 使得 以前的观测数据能 够反映矿山的真实程度 逐步降低， 所 以应及时增加 新的观测数据 ， 以提高矿山沉降预测精度。 矿 区 的沉 降 由线 性 分 析发 展 到非 线性 分 析 ， 由 静态分析发展到动态分析 ， 变形分析 的模式也逐步 多样化 。因此 ， 在针对具体的矿 区沉降数据处理时 ， 应 采用 多种模 型进 行 对 比 ， 从 而选 择 出 比较好 的预 测模 型 ， 进而 指导矿 区 的安全生 产 。 令 Y 表示原始观测值 ， 表示预测值 ， 表示 参考文献 原始观测值的平均值 ， 则有 Q E 一∑ 一 。 一0 ． 0 0 6 8 Q R 一∑ 一歹 。 一0 ． 1 5 6 3 7 1 F一 一 一4 ． 9 8／ n QE 一 2 Q ／ 7 2 ⋯ 。 由数 理统计 中 假设 检 验 可 知 ， 取 a 0 ． 0 5进行 检验 即 可 满 足 要 求 。 经 查 表 可 得 F。 ． 。 1 ， 5 一 6 ． 61， FF。 ．。 。 1 ， 5 ， 可 见所建 立 的 GM 1 ， 1 模 型 是可靠 的 ， 在矿 区沉 降预测方 面有 一定 的实用 价值 。 3 结语 采用灰色模型精度检验和数理统计的 F分 布 两种 方法来 检验 GM 1 ， 1 灰 色模 型 的预测 效 果 ， 结 果显 示 GM 1 ， 1 模 型 能够 预 测 矿 山地 表 的沉 降趋 肖海平 ， 陈兰兰． 灰色理论模型在矿 山变形监测 中的应 用E J ] ． 金属矿山 ， 2 0 0 9 1 1 5 4 1 5 5 ． 王有 良， 唐跃 刚． 曲线 拟合 与 GM 1 ， 1 模 型沉降预测 及相关 性分析[ J ] ． 测绘科学 ， 2 0 0 8 ， 3 3 5 9 8 - 9 9 ． 郭广礼 ， 张 国 良． 灰 色系统 模 型在沉 陷预测 中的应用 E J ] ． 中国矿业大学学报 ， 1 9 9 7 ， 2 6 4 6 2 6 5 ． 胡庆 国， 张可能 ， 何 忠明． 灰 色预测模 型在 基坑变 形中 的应用E J ] ． 矿冶工程 ， 2 0 0 6 ， 2 6 4 1 3 1 4 ． 邹 自力 ， 甘少权． 曲线 拟合在沉 降监测预报 中的可靠性 检验[ J ] ． 测绘通报 ， 1 9 9 8 8 3 2 3 3 ． 肖筱南． 新 编概 率论与 数理统 计术 E M] ． 北京 北京 大 学 出版社 ， 2 0 0 2 ． 肖新平． 关 于灰色关联 度量化模 型的理论 研究 和评论 E J ] ． 系统工程理论与实践 ， 1 9 9 7 8 7 6 8 1 ． 谷金锋 ， 高振森． 概率积分法在矿区开采沉 陷中的应用 E J ] ． 矿 山测量 ， 2 0 1 1 2 4 9 - 5 0 ． “ 基于 I P协议的井下无线 网络互联关键技术研 究“ 项 目通过验收 2 0 1 2 一O 4 1 9 ， 由天地 常州 自动化股 份有 限公 司承担 的“ 基 于 I P协议 的井 下 无线 网络 互 联 关键 技 术 研究 ” 项 目通过 天地科 技股 份有 限公 司验收 。 该项 目提出了井下通信统一接入软件平台的概念 ， 设计并实现 了基于 I P协议的井下通信统一接入平台 软件与通用网络设备配置系统， 将井下联网设备集中到地面平 台进行远程管理 ， 为各类子系统对井下通信信 道的分配和共享提供了统一的管理途径 ， 便于设备维护 ， 降低设备维护成本； 设计并验证了以太网、 无线局域 网络 、 Z i g B e e 、 R S 4 8 5总线和 C AN总线的通信数据转换 网关 ， 申请并获得一项实用新型专利授权 专利号 ZL 2 01 1 2 02 4 2 3 8 4． X 。 该项 目设计并实现的井下通信统一接人平台已应用于 K J 6 9 J矿用人员定位系统中， 使具有 E t h e r n e t 接 口的 KJ F g 0 B、 C F C 2等设 备能够 无缝 接人人 员定 位软 件系 统 ； 嵌 入式 L WI P协 议栈 、 通用 网络设 备 配置 管 理 系统 已应 用于 KX T2 3矿用 I P广播 系统 中 ， 取 得 了 良好 的经济 效益 。 徐向成 ] ] ] ] ] ] ] ] 口 口 I J