一种力学和数据双驱动地质灾害发生时间预测方法

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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冲击地压、岩爆、滑坡、地震等严重地质灾害发生时间预测一直以来是富有挑战性的极端重要的科学和技术难题。这些灾害虽然表现各异，但有诸多共同点。下文以冲击地压发生时间预测为例进行介绍，其研究思路或许对其他地质灾害发生时间预测有借鉴意义。冲击地压是煤矿最严重的动力灾害之一，是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象，能造成重大的经济损失和人员伤亡。冲击地压这只主要出现在巷道里的“地老虎”无时无刻不威胁井下人员和设备的安全。

我曾有诗云：

地老虎（新韵）

冲击如猛虎，夺命势汹汹。

要想少灾难，多多出武松。

冲击地压（新韵）

冲击地压猛如虎，一贯恃强向弱冲。

倘若偏心亏两巷，专挑这里去发生。

行业痛点

一些冲击地压预测方法无法和应力建立起联系，多种预测结果相互矛盾，冲击地压理论和预测方法脱节。
利用微震成功预测冲击地压需要较多的经验，微震信息未被充分使用，未进入数值模型以发挥更大作用。
传统数值计算结果完全依赖于计算模型本身，计算效率低，计算规模小，计算功能有限。

解决思路

力学+物理+计算机等多学科交叉融合，利用与公认的冲击地压发生机理紧密联系的先进理论和技术手段，解决长期困扰的冲击地压发生时间预测难题。具体而言，利用历史及当前微震数据做为岩层运动GPU并行计算系统StrataKing中计算模型的持续输入，跟踪实际破裂（将现场微震位置映射到计算模型的节点上，迫使节点分离—详见数据驱动并行计算力学—灾害实时预测有潜力方法），随后，在无外界信息输入下进行预测性计算，从严格岩石结构稳定性角度出发，对巷道的临界应力达到时间进行科学预测。

研究特色

机理清晰冲击地压属于岩石结构失稳问题。潘一山院士提出的冲击地压扰动响应失稳理论认为，一旦达到临界应力（结构或系统的最大承载能力）且小于实际应力，在微小扰动下岩石结构会产生极大的响应，即结构失稳发生冲击地压。临界应力达到距今时间即为巷道冲击地压发生所剩时间。

技术先进矿业领域首个岩层运动GPU并行计算系统StrataKing（王之岩层），适于高效率模拟大规模连续介质向非连续介质转化和非连续介质进一步演化，矿业特色鲜明（例如，具备可破断锚杆、可伸缩液压支架、可收缩钢支架模拟等功能）。在某型号单一GPU下，StrataKing计算单元可达到600万+，1万个单元1万个时步的计算时间一般不到2s，具有行业领先优势。

准确性高采用微震数据驱动不断修正StrataKing计算模型，确保破裂相关的计算结果更接近于实际情况。之所以选择微震是由于微震与岩石结构的失稳密切相关，微震定位技术较为成熟。

简化处理

平面应变假定目前利用StrataKing主要进行二维平面应变模型计算。计算模型所在平面的选择主要根据微震较多的位置。换言之，如果并无微震或微震数量极小或计算位置选择失误，可能无法得到准确的预测结果。三维模型的计算量较大，为此，需要利用多GPU并行计算技术，这有待努力。
准静力计算动力计算难以应付时间较长的冲击地压孕育过程。准静力计算不涉及时间问题，StrataKing中各种方程运行一遍为1个时步。需要探索时步数目和真实时间的关系，这样，才能对冲击地压的发生时间进行预测。

具体案例

工程背景以红庆河煤矿2018年11月30日3-1103新辅运顺槽冲击地压为背景开展研究。

计算模型及过程巷道为矩形，采用锚杆和锚索支护。模型中共包括4个岩层。计算在静水压力下进行。先在模型的左、右、上表面施加10MPa的初始应力，期间，开挖巷道，再在左、右和上表面施加微小的速度，以获得巷道的临界应力。同时，选取冲击地压发生前1个月（从11月1日到11月30日）的微震数据驱动StrataKing计算。将巷道开挖完成（对应的时步数目N=50000）的时刻，设定为第1天微震数据驱动的开始点，计算bs（时间等效系数）个时步，即完成第1天的驱动。然后，导入第2天的微震数据，计算bs个时步。以此类推，共驱动30次。

计算方案共设计了5个计算方案：方案1为无微震数据驱动；方案2~方案5为有微震数据驱动，bs分别为8000、10000、12000和14000。bs设置不同是为了探索1天该用多少个时步来等效模拟。
计算结果展示了巷道围岩的最大主应力云图（应力以拉为正，以压为负）和应力-时步数目曲线，其中，应力是模型上表面的压应力的绝对值，其峰值点即为巷道的临界应力。

在方案1中，无数据驱动，临界应力=38.5MPa（d点）。

在方案2中（bs=8000），预测的冲击地压发生时间是12月10日，而微震数据驱动完成于11月30日。也就是说，微震数据驱动后10天临界应力（26.76 MPa，d点）才达到，这与实际情况相差较大。

方案3中（bs=10000），预测的冲击地压发生时间是12月5日。也就是说，微震数据驱动后5天临界应力（31.85 MPa，d点）才达到，这一预测效果比方案2中的好。

在方案4中（bs=12000），预测的冲击地压发生时间是11月30日，而微震数据驱动完成也恰位于当天。具体而言，第30天微震数据驱动完成的时步数目是41万，而临界应力（33.48 MPa，c点）达到的时步数目是40.2万，后者与前者之差是-0.8万，折合实际时间约-0.7天。也就是说，预测的冲击地压发生于第30次微震数据驱动过程中，这与实际情况相差很小。

在方案5中（bs=14000），预测的冲击地压发生时间是11月28日。也就是说，微震数据驱动完成晚临界应力（34.25 MPa，c点）2天，这说明bs取值偏大。

由此可见，bs取值过小时，微震数据驱动在计算过程中很快会完成，冲击地压发生时间预测效果不好；反之，bs取值过大时，预测的冲击地压发生了，而微震数据驱动在计算中尚未完成。从这一角度讲，bs需要适当取值。

在冲击地压发生时间预测方面，精确到0-1天并无太大的实际意义。即便预测结果显示，几天或本周内冲击地压会发生，这对于安全生产都无比重要。这给bs的取值提供了宽松的条件。

研究展望

巷道冲击地压预测从此将变得原理上简单，但技术上有要求较高，例如，要用到StrataKing并行计算技术（提供强大算力和模拟某些特殊功能）和微震数据驱动（沟通物理世界与数值模型，以不断修正数值模型）。
精准、高效的微震定位方法及仪器将备受青睐。
在已有大量StrataKing算例情况下，可直接基于AI进行巷道冲击地压发生时间的快速预测。

共同打虎

历史洪流滚滚向前，新兴技术不断涌现！巷道冲击地压发生时间预测无需采购昂贵的新设备，利用“无用的”微震数据+StrataKing即可完成。同时，还需要巷道所处位置围岩的力学参数、地应力和支护条件等必要信息。

欢迎提供冲击地压发生前的必要信息，用于方法检验（免费），以积累更多的预测经验，或用于直接保障煤矿安全生产。

欢迎批评指导，共促行业进步！（通讯作者wxbbb@236.net）

作者简介

王学滨教授

博导，辽宁工程技术大学计算力学研究所所长，辽宁大学煤矿冲击地压机理与防控技术国家矿山安监局重点实验室研究人员、高性能计算室负责人，中国煤炭学会首席科学传播专家。1994-1998年，本科就读于机械设计与制造专业；2000-2006年，硕士、博士就读于工程力学专业；2009-2015年，做博士后于地质学、力学专业。2010年，开始从事原创的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法（一种与国内外流行的有限元与离散元耦合连续-非连续方法相平行的非线性断裂力学计算方法）研究。2020年，成功研发岩层运动GPU并行计算系统StrataKing（王之岩层）。主持国家自然科学基金多项，7次入围全球前2%顶尖科学家-终身榜，2次入围中国知网Top1%高被引学者（力学），获得数字仿真科技奖（杰出贡献奖+卓越应用奖+自主软件创新奖）、省五一劳动奖章等奖励。第17-18届中国CAE工程技术分析年会之论坛“地质体材料破坏和稳定性仿真分析”主席（海口、厦门），第20届中国CAE工程技术分析年会之论坛“工程软件研发及应用论坛”主席（北京），第21届中国CAE工程技术分析年会之论坛“土木矿业地质仿真技术论坛”主席（长春）。2025年，作为指导教师，指导研究生获得“一带一路”暨金砖国家技能大赛工程仿真创新设计赛一等奖。近年来培养的学生主要在数字仿真、工业软件领域大国重器（飞机、航母等）和高科技产品（汽车、风电等）研发单位工作，把个人追求和国家利益紧密结合，有些已经成为技术骨干。

王学滨隶属于潘一山院士团队，从事计算岩石力学、岩层运动并行计算、微震数据驱动地质灾害数值预测方面的研究。历时15年，开发并逐步完善了矿业领域首个岩层运动GPU并行计算系统StrataKing（王之岩层），适于高效率模拟大规模连续介质向非连续介质转化和非连续介质进一步演化，矿业特色鲜明（例如，具备冒落单元膨胀、可破断锚杆、可伸缩液压支架、可收缩钢支架模拟等功能）。在某型号单一GPU下，StrataKing计算单元可达到600万+，1万个单元1万个时步的计算时间一般不到2s，具有行业领先优势，明显优于国外通用串行商业软件，并形成了云平台，为煤炭行业科技工作者提供了一种具备岩层运动模拟基本功能的新的研究手段。StrataKing和云平台可为矿山灾害防治和生态环境治理、煤炭行业数字化转型升级和高质量发展提供强大算力支撑。

来源：仿真秀App

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首次发布时间：2026-01-19