1.本技术涉及矿井水害防治技术领域，尤其涉及一种基于多目标的矿井超前 疏放水方法及相关设备。
背景技术：2.传统疏放水局限于矿区小范围内，且以矿产的安全开采作为唯一目标，随 意布置疏放孔进行疏水，此过程在增加矿区疏水成本的同时，会造成整个地下 水系统内的水资源浪费，破坏矿区的生态环境。
[0003][0004]
针对煤层开采过程中顶板水害防控与地下水资源协同保护双重问题，相关 疏放水方法均未考虑含水层富水不均的性质和间接含水层的越流补给情况，且 将疏放标准定为煤层底板以下，未考虑直接含水层动静储量的比例，会过度疏 放水量导致水资源大量浪费，增加排水负担。
技术实现要素：[0005]
有鉴于此，本技术的目的在于提出一种基于多目标的矿井超前疏放水方法 及相关设备，以解决上述问题。
[0006]
基于上述目的，本技术的第一方面提供了一种基于多目标的矿井超前疏放 水方法，包括：
[0007]
基于所述矿井的富水性确定全部疏放水控制节点的位置；
[0008]
基于地下水系统的特征参数构建变结构水流模型；
[0009]
基于所述变结构水流模型和全部所述疏放水控制节点的位置确定决策变 量；
[0010]
基于预设的疏放水目标构建多个目标函数；
[0011]
基于多个所述目标函数和所述决策变量构建多约束条件下的分布参数地 下水管理模型；
[0012]
通过线性目标规划算法对所述分布参数地下水管理模型进行求解，得到所 述目标函数的最优解集；
[0013]
基于所述最优解集，构建所述矿井的疏放水执行方案。
[0014]
本技术的第二方面提供了一种基于多目标的矿井超前疏放水装置，包括：
[0015]
富水性分析模块，被配置为：基于所述矿井的富水性确定全部疏放水控制 节点的位置；
[0016]
水流模型构建模块，被配置为：基于地下水系统的特征参数构建变结构水 流模型；
[0017]
决策变量确定模块，被配置为：基于所述变结构水流模型和全部所述疏放 水控制节点的位置确定决策变量；
[0018]
目标函数构建模块，被配置为：基于预设的疏放水目标构建多个目标函数；
[0019]
管理模型构建模块，被配置为：基于多个所述目标函数和所述决策变量构 建多约束条件下的分布参数地下水管理模型；
[0020]
模型求解模块，被配置为：通过线性目标规划算法对所述分布参数地下水 管理模型进行求解，得到所述目标函数的最优解集；
[0021]
疏放水模块，被配置为：基于所述最优解集，构建所述矿井的疏放水执行 方案。
[0022]
本技术的第三方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存 储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如 本技术的第一方面提供的所述的方法。
[0023]
本技术的第四方面提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计 算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行本技术 的第一方面提供的所述方法。
[0024]
从上面所述可以看出，本技术提供的基于多目标的矿井超前疏放水方法及 相关设备，基于矿井的富水性和地下水系统的特征参数来确定决策变量，并根 据预设的疏放水目标构建多个目标函数。然后基于多个目标函数和决策变量构 建多约束条件下的分布参数地下水管理模型，并通过线性目标规划算法对分布 参数地下水管理模型进行求解，得到目标函数的最优解集，进而构建矿井的疏 放水执行方案。基于该执行方案，进行矿井的超前疏放钻孔布置、疏放水量及 疏放时间的综合管理，从而有效解决生态水资源保护与矿井安全开采之间的矛 盾，在减少矿区疏放水成本的同时，防止整个地下水系统内的水资源浪费，避 免了对矿区的生态环境的破坏，为实现生态脆弱区矿水-资源双开采提供新的 疏放水管理模式。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本技术或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相 关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附 图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳 动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]
图1为本技术实施例的基于多目标的矿井超前疏放水方法的流程图；
[0027]
图2为本技术实施例的非露天矿井疏放水控制节点确认流程图；
[0028]
图3a为本技术实施例的含水层厚度分区示意图；
[0029]
图3b为本技术实施例的岩心采取率分区示意图；
[0030]
图3c为本技术实施例的脆塑岩厚度比分区示意图；
[0031]
图3d为本技术实施例的冲洗液消耗量分区示意图；
[0032]
图3e为本技术实施例的非露天矿井的渗透系数分区示意图；
[0033]
图4为本技术实施例的非露天矿井的富水性评价分区示意图；
[0034]
图5为本技术实施例的露天矿井疏放水控制节点确认流程图；
[0035]
图6a为本技术实施例的含水层饱和度分区示意图；
[0036]
图6b为本技术实施例的单位涌水量分区示意图；
[0037]
图6c为本技术实施例的露天矿井的渗透系数分区示意图；
[0038]
图7为本技术实施例的露天矿井的富水性评价分区示意图；
[0039]
图8为本技术实施例的基于多目标的矿井超前疏放水装置的结构图；
[0040]
图9为本技术实施例的电子设备的结构图。
具体实施方式
[0041]
为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例， 并参照附图，对本技术进一步详细说明。
[0042]
需要说明的是，除非另外定义，本技术实施例使用的技术术语或者科学术 语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术实 施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重 要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指 出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其 等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定 于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接 的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝 对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0043]
需要说明的是，矿井包括露天矿井和带有顶板的非露天矿井，相关技术中， 对于露天矿井疏放水的研究与方法相对较少。一些相关技术基于半固结砂岩含 水层的基础数据及煤层顶板上方覆岩破坏程度表征参数确定突水危险性，从而 确定超前疏放水方式及参数钻孔，含水层富水沿着采动裂缝钻孔排出以实现疏 水降压，主要是通过含水层采动裂隙对含水层地下水进行提前疏放，但由于未 考虑含水层动静储量的比例，容易造成地下水的过度疏放，破坏矿区生态环境。 一些相关技术提出一种煤矿疏水同层回灌方法，该方法基于构建封闭隔水边界、 搭建汇水和输水系统进行疏放孔布置及疏水作业，最终进行同层回灌。该方法 主要通过构建封闭的隔水边界，截断煤矿含水层的补给同时对于矿区含水层进 行疏放水，但在实现的过程中，构建封闭的隔水边界往往不容易实现或者要花 费大量的人力物力，造成资源的浪费。因此，如何在保证煤炭安全高效开采的 同时，最大限度的对于地下水资源进行保护，是本技术实施例研究的重点和难 点。
[0044]
而针对非露天矿井疏放水的研究，主要以保证矿井生产安全为唯一目标， 在一些相关技术中，在帷幕内均匀布置疏水孔，通过绘制含水层疏放后残余水 位等值线图，认为将残余水位降至煤层开采标高以下为疏放要求。在一些相关 技术中，未考虑含水层富水的不均质性，疏放钻孔布设过多，降低了疏放效率； 其次将疏放标准定为煤层底板以下，未考虑直接含水层动静储量的比例，过度 疏放水量导致水资源大量浪费，增加排水负担；最后未考虑间接含水层的越流 补给情况，激发增大第四系间接充水含水层越流量，造成第四系潜水水位大幅 下降，破坏矿区生态。
[0045]
本技术实施例提供的基于多目标的矿井超前疏放水方法，首先基于矿井的 富水性和地下水系统的特征参数来确定决策变量，并根据预设的疏放水目标构 建多个目标函数。然后，针对露天矿井和非露天矿井，分别基于多个目标函数 和决策变量构建多约束条件下的分布参数地下水管理模型，并通过线性目标规 划算法对分布参数地下水管理模型进行求解，得到目标函数的最优解集，进而 构建矿井的疏放水执行方案。其中，对于露天矿井和非露天矿井来说，其目标 函数不同和约束条件各不相同。基于执行方案，进行矿井的超前疏放钻孔布置、 疏放水量及疏放时间的综合管理，从而有效解决生态水资源保护与矿
井安全开 采之间的矛盾，在减少矿区疏放水成本的同时，防止整个地下水系统内的水资 源浪费，避免了对矿区的生态环境的破坏，为实现生态脆弱区矿水-资源双开 采提供新的疏放水管理模式。
[0046]
在一些实施例中，如图1所示，基于多目标的矿井超前疏放水方法，包括：
[0047]
步骤100：基于矿井的富水性确定全部疏放水控制节点的位置。
[0048]
在该步骤中，富水性是含水层的出水能力，一般以规定某一口径疏水钻孔 的最大涌水量表示。富水性是衡量地下水含水层出水量的标志。根据含水层中 一定降深条件下的井、孔涌水量，一般将含水层的富水性可划分为强富水：最 大涌水量大于10升/秒；富水：l～l0升/秒；弱富水：0 1～1升/秒；贫水：0 01～ 0 1升/秒；富水性复杂的，各井、孔、泉最大涌水量相差悬殊，也可以根据实 际情况自行设定区分富水性的边界值。也可以按每小时出水的吨数进行划分。 其中，本技术实施例中共设立m个疏放水控制节点。
[0049]
步骤200：基于地下水系统的特征参数构建变结构水流模型。
[0050]
在该步骤中，在变结构系统中，如果存在一个或几个切换函数(逻辑函数)， 当系统的状态达到切换函数值时，系统会从一个控制结构自动转换到一个确定 的控制结构的系统，这种系统结构就是用一组数学方程所描述的多模型模拟目 标的不同运动模式。可选地，可以通过modflow(模块化三维有限差分地 下水流动模型)来生成矿井的变结构水流模型。
[0051]
其中，将初始水位信息、源汇项信息、初始渗透系数输入到modflow 中，然后生成矿井的水流模型。可选的，还可以将矿井的边界条件一起输入到 modflow中，用于生成矿井的水流模型。需要说明的是，这里的水流模型 的渗透系数为常量。基于现场原位“两带”钻孔实测、室内岩石三轴流固耦合 试验、物理相似模拟及力学数值模拟手段研究矿井开采驱动下含水层结构渗透 性时空演化规律，基于含水层结构渗透性时空演化规律，通过软件二次开发建 立变结构水流模型，并通过实际水位监测数据和矿井涌水量识别验证模型准确 性，以确保最后得到的疏放水执行方案的准确性。
[0052]
步骤300：基于变结构水流模型和全部疏放水控制节点的位置确定决策变 量。
[0053]
在该步骤中，根据已建的变结构水流模型算出的区域水均衡中补给量的变 化，设置4个疏排水时间段。对于m个疏放水控制节点来说，根据决策变量的 数值来确定全部疏放水控制节点中开设疏放水钻孔的部分疏放水控制节点，为单个钻孔的疏水量。
[0054]
步骤400：基于预设的疏放水目标构建多个目标函数。
[0055]
在该步骤中，露天矿井和非露天矿井的疏放水目标并不相同，根据不同的 矿井类型设置不同目标函数。
[0056]
步骤500：基于多个目标函数和决策变量构建多约束条件下的分布参数地 下水管理模型。
[0057]
步骤600：通过线性目标规划算法对分布参数地下水管理模型进行求解， 得到目标函数的最优解集。
[0058]
步骤700：基于最优解集，构建矿井的疏放水执行方案。
[0059]
其中，通过构建并求解分布参数地下水管理模型来构建矿井的疏放水执行 方案，基于该执行方案，进行矿井的超前疏放钻孔布置、疏放水量及疏放时间 的综合管理，从而
有效解决生态水资源保护与矿井安全开采之间的矛盾，在减 少矿区疏放水成本的同时，防止整个地下水系统内的水资源浪费，避免了对矿 区的生态环境的破坏，为实现生态脆弱区矿水-资源双开采提供新的疏放水管 理模式。
[0060]
在一些实施例中，如图2所示，矿井为非露天矿井，矿井的顶板所在位置 的含水层由上至下至少包括以下结构：第一层是间接充水含水层；第二层是隔 水层；第三层是直接充水含水层；
[0061]
则步骤100：基于矿井的富水性确定全部疏放水控制节点的位置，具体包 括：
[0062]
步骤111：基于富水性和预设的矿井前期钻孔数据，获取直接充水含水层 的第一水层参数。
[0063]
步骤112：对第一水层参数进行插值，得到由多个第一分布区域构成的第 一规律分布图，其中，每个第一分布区域包括多个疏放水控制节点。
[0064]
步骤113：通过自然间断点分级法确定第一水层参数的第一分区阈值。
[0065]
步骤114：基于第一分区阈值对每个第一规律分布图进行分区，得到多个 第一参数分区图。
[0066]
步骤115：基于层次分析法，通过地理信息系统gis对全部第一参数分区 图进行融合，得到第一富水性评价分区图。
[0067]
步骤116：在第一富水性评价分区图中确定疏放水控制节点的位置。
[0068]
可选地，矿井顶板处水文地质结构为：间接充水含水层为第四系潜水含水 层；隔水层为保德组红土隔水层，不含水；直接充水含水层为风化基岩承压含 水层。
[0069]
其中，第一水层参数包括含水层厚度、岩心采取率、脆塑岩厚度比、冲洗 液消耗量和渗透系数。含水层厚度在富水性分区研究中较为重要，因为当影响 含水层富水性的其它诸多因素一定的情况下，含水层的富水程度与含水层的厚 度成正比例的关系。岩层中空隙越大其富存水的可能性就越大，其中，细中粗 粒砂岩及砾岩类就成为了含水层的主要构成部分。岩芯采取率指岩芯长度与实 际钻探进尺的比值，是反映岩体完整的指标。其值越低，表明岩石岩石破碎程 度越高，富水性越强。矿井顶板的含水层主要由砾岩、粗粒砂岩、中粒砂岩、 细粒砂岩和泥岩类组成，脆塑岩厚度比是指脆性岩(粗粒砂岩、中粒砂岩、细 粒砂岩)厚度与塑性岩(泥岩类)厚度的比值，其比值大小能够代表裂隙发育 程度，比值越大，裂隙发育越好，含水层富水性越好。钻孔冲洗液消耗量可以 作为钻孔所穿岩层水力性质的重要指标，同时也反映了岩石裂隙发育程度，冲 洗液漏失带通常表明该层段渗透系数高，富水性强。渗透系数是一个可以表示 岩层透水性能的重要水文地质参数，一般情况下，渗透系数越大，岩石透水性 能越强，富水性越好。
[0070]
对于第一水层参数中的每个参数：首先利用surfer插值功能对进行插值， 得到由多个第一分布区域构成的第一规律分布图，其中，每个第一分布区域包 括多个疏放水控制节点。在通过自然间断点分级法确定第一水层参数的第一分 区阈值后，基于第一分区阈值对第一规律分布图进行分区，得到第一参数分区 图。其中，图3a为含水层厚度对应的第一参数分区图，图3b为岩心采取率对 应的第一参数分区图，图3c为脆塑岩厚度比对应的第一参数分区图，图3d为 冲洗液消耗量对应的第一参数分区图，图3e为渗透系数对应的第一参数分区 图，其中，分区图中每个区域对应的分区边界值即为第一分区阈值。
[0071]
最后，如图4所示，基于层次分析法确定第一水层参数中各参数的权重， 对各主控
因素(第一水层参数包括的参数)归一化处理后，应用gis的空间信 息处理和分析功能，将影响含水层富水性的各主控因素和影响含水层富水性权 重耦合于一体，得到第一富水性评价分区图，在富水性较强的区域进行疏放水 控制节点位置的确定，有利疏放水的高效进行。
[0072]
在一些实施例中，非露天矿区对应的约束条件包括：
[0073]
第一约束条件：
[0074][0075]
其中，对含水层进行剖分，得到a个第一网格，m为非露天矿区的疏放水 控制节点总数，i表示第i个疏放水控制节点，t为管理期时间，j表示第j个第一 网格，通过变结构水流模型获位于第j个第一网格处的直接充水含水层的自然 水位间接充水含水层的自然水位单位脉冲响应函数α(i,j,3,t)、间接 脉冲响应β(i,j,1,t)和矿井涌水量响应脉冲γ(i,t)，为直接充水含水层各中第j 个第一网格处的水位，为间接充水含水层的水位，为疏水条件下的矿井 涌水量，εh
j+
为第一网格水位的正负偏差变量，εh
j-为第一网格水位的负偏差 变量，q0为初始涌水量，εq
y+
为涌水量的正偏差变量；
[0076]
第二约束条件：
[0077][0078]
其中，wb为疏放条件下的间接充水含水层的补给项，wp为为疏放条件下 的间接充水含水层的排泄项，εδw
+
为补排差的正偏差变量，εδw-为补排差的 负偏差变量。第二约束条件是为了保证间接充水含水层的水量均衡。
[0079]
其中，单位脉冲响应函数α(i,j,3,t)表示在第三层直接充水含水层中，第i个 疏放水控制结点疏放单位脉冲水量在第t时间第j网格上产生的降深，间接脉冲 响应β(i,j,1,t)表示在第t时间第i个疏放水控制结点直接充水含水层疏放单位 脉冲水量导致的间接含水层对应网格的降深，矿井涌水量响应脉冲γ(i,t)表示 在第t时间第i个疏放水控制结点直接充水含水层疏放单位脉冲水量导致的矿 井涌水量减少量。
[0080]
在一些实施例中，疏放水目标包括第一疏放水目标和第二疏放水目标，目 标函数包括：
[0081]
基于第一疏放水目标确定的第一目标函数：
[0082]
minz1＝εq
y+
[0083]
基于第二疏放水目标确定的第二目标函数包括：
[0084][0085]
minz3＝εδw
+
+εδw-。
[0086]
其中，疏放水的具体目标包括：
[0087]
1.保证疏排水条件下矿区涌水量小于排水能力，保证矿井安全,即取足 够小，最小化正偏差变量，就等价于最小化涌水量，对应第一目标函数： minz1＝εq
y+
。
[0088]
2.最大限度控制第四系潜水含水层水位，达到地下水资源疏补平衡，减轻 矿区生态破坏，即最优化控制地下水位，要求水位偏差量之和最小化，对应第 二目标目标函数：同时要求第四系潜水含水层补 给量等于排泄量，不出现负均衡，即要求水量均衡的偏差量之和最小化，对应 第二目标函数：minz3＝εδw
+
+εδw-。
[0089]
3.最优化疏水井时空分布，即可求解得到最优解集，根据含水层富水性评 价及区域水均衡补给量变化，选取满足目标1、2的钻孔数量和钻孔位置，其 中，钻孔数量小于或等于疏放水控制节点的数量。
[0090]
在一些实施例中，如图5所示，矿井为露天矿井，则步骤100：基于矿井 的富水性确定全部疏放水控制节点的位置，包括：
[0091]
步骤121：响应于确定矿井为露天矿井，基于富水性和预设的矿井前期钻 孔数据，获取对应整个露天矿井的管理区含水层的第二水层参数；
[0092]
步骤122：对第二水层参数进行插值，得到由多个第二分布区域构成的第 二规律分布图，其中，每个第二分布区域包括多个疏放水控制节点；
[0093]
步骤123：通过自然间断点分级法确定第二水层参数的第二分区阈值；
[0094]
步骤124：基于第二分区阈值对每个第二规律分布图进行分区，得到多个 第二参数分区图；
[0095]
步骤125：基于层次分析法，通过地理信息系统gis对全部第二参数分区 图进行融合，得到第二富水性评价分区图；
[0096]
步骤126：在第二富水性评价分区图中确定疏放水控制节点的位置。
[0097]
其中，露天矿井的第二水层参数的处理过程与非露天矿井的第一参数的处 理过程相同，此处不再过多赘述，其中，第二水层参数包括含水层饱和度、渗 透系数和单位涌水量，其中，图6a为含水层饱和度对应的第二参数分区图， 图6b为单位涌水量对应的第二参数分区图，图6c为渗透系数对应的第二参数 分区图，其中，分区图中每个区域对应的分区边界值即为第二分区阈值。
[0098]
最后，如图7所示，基于层次分析法确定第二水层参数中各参数的权重， 对各主控因素(第二水层参数包括的参数)归一化处理后，应用gis的空间信 息处理和分析功能，将影响含水层富水性的各主控因素和影响含水层富水性权 重耦合于一体，得到第二富水性评价分区图，在富水性较强的区域进行疏放水 控制节点位置的确定，有利疏放水的高效进行。
[0099]
在一些实施例中，露天矿井的管理区含水层包括位于露天矿区内的内含水 层和位于矿区外的外含水层，约束条件包括：
[0100]
第三约束条件：
[0101][0102]
其中，对内含水层进行剖分，得到b个网格，对外含水层进行剖为，得到 c个网格，则含水区包括b+c个第二网格，通过变结构水流模型获取位于第k个 第二网格处的含水层的自然水位单位脉冲响应函数α(i,k,t)，n为露天矿 区的疏放水控制节点总数，n表示第n个疏放水控制节点，k表示第k个第二网 格，在k∈c时为内含水层中第k个第二网格处的水位，在k∈b时为外含 水层含水层中第k个第二网格处的水位，为疏水总量，εq
y+
为疏水总量的的 正偏差变量；
[0103]
第四约束条件：
[0104]
δw＝wb-wp-εδw
+
+εδw-[0105]
其中，wb为疏放条件下的含水层的补给项，wp为为疏放条件下的外含水 层的排泄项，εδw
+
为补排差的正偏差变量，εδw-为补排差的负偏差变量。
[0106]
其中，单位脉冲响应函数α(n,k,t)表示在露天矿井的管理区含水层中，第n 个疏放水控制结点疏放单位脉冲水量在第t时间第k网格上产生的降深。其中， 第四约束条件是为了保证管理区含水层的水量均衡。
[0107]
在一些实施例中，疏放水目标还包括第三疏放水目标、第四疏放水目标、 第五疏放水目标和第六疏放水目标，目标函数包括：
[0108]
基于第三疏放水目标确定的第三目标函数：
[0109][0110]
其中，εh
k-为k∈b时内含水层中第k个网格的 水位的负偏差变量，h为露天矿井的底板高程；
[0111]
基于第四疏放水目标确定的第四目标函数：
[0112][0113]
其中，εh
′
k+
为k∈c时外含水层中第k个网格 的水位的正偏差变量；
[0114]
基于第五疏放水目标确定的第五目标函数：
[0115][0116]
基于第六疏放水目标确定的第六目标函数：
[0117]
minz7＝εq
y+
。
[0118]
其中，疏放水的具体目标包括：
[0119]
1.保证矿区内水位降到底板以下，达到露天矿井矿区的安全开采要求，即 要求矿区内水位低于底板高程h:εh
k-为矿区内网格 水位的负偏差变量，对应第三目标函数为：
[0120]
2.最大限度控制矿区外含水层水位，减轻矿区生态破坏，即要求矿区外含 水层水位降深最小，其中，εh
k+
为矿区外网格水位 的正偏差变量，对应第四目标函数：
[0121]
3.要求整个矿区范围内达到地下水资源疏补平衡，管理区含水层补给量等 于排泄量，不出现负均衡，即要求水量均衡的偏差量之和最小化，对应第五目 标函数：
[0122]
4.最大程度限制露天矿区的疏水量，即取足够小。最小化正偏差变量， 就等价于最小化疏水量，对应第六目标函数：minz4＝q
y+
。
[0123]
5.最优化疏水井时空分布，即可求解得到最优解集，根据含水层富水性评 价及矿区水均衡补给量变化，选取满足目标1、2、3、4的钻孔数量和钻孔位 置，其中，钻孔数量小于或等于疏放水控制节点的数量。
[0124]
需要说明的是，本技术实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算 机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互 配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执 行本技术实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交 互以完成所述的方法。
[0125]
需要说明的是，上述对本技术的一些实施例进行了描述。其它实施例在所 附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可 以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外， 在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望 的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有 利的。
[0126]
基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本技术还提供了一 种基于多目标的矿井超前疏放水装置。
[0127]
参考图8，所述基于多目标的矿井超前疏放水装置，包括：
[0128]
富水性分析模块10，被配置为：基于矿井的富水性确定全部疏放水控制节 点的位置；
[0129]
水流模型构建模块20，被配置为：基于地下水系统的特征参数构建变结构 水流模
型；
[0130]
决策变量确定模块30，被配置为：基于变结构水流模型和全部疏放水控制 节点的位置确定决策变量；
[0131]
目标函数构建模块40，被配置为：基于预设的疏放水目标构建多个目标函 数；
[0132]
管理模型构建模块50，被配置为：基于多个目标函数和决策变量构建多约 束条件下的分布参数地下水管理模型；
[0133]
模型求解模块60，被配置为：通过线性目标规划算法对分布参数地下水管 理模型进行求解，得到目标函数的最优解集；
[0134]
疏放水模块70，被配置为：基于最优解集，构建矿井的疏放水执行方案。
[0135]
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然， 在实施本技术时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
[0136]
上述实施例的装置用于实现前述任一实施例中相应的基于多目标的矿井 超前疏放水方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
[0137]
基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本技术还提供了一 种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计 算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上任意一实施例所述的基于多目标 的矿井超前疏放水方法。
[0138]
图9示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图， 该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口 1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通 信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。
[0139]
处理器1010可以采用通用的cpu(central processing unit，中央处理器)、 微处理器、应用专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、 或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实 施例所提供的技术方案。
[0140]
存储器1020可以采用rom(read only memory，只读存储器)、ram (random access memory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备 等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或 者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存 储器1020中，并由处理器1010来调用执行。
[0141]
输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输 入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备 以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类 传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。
[0142]
通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他 设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如usb、网线等)实现 通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、wifi、蓝牙等)实现通信。
[0143]
总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、 输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。
[0144]
需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/ 输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设 备还可以包括实现正常
运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以 理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件， 而不必包含图中所示的全部组件。
[0145]
上述实施例的电子设备用于实现前述任一实施例中相应的基于多目标的 矿井超前疏放水方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
[0146]
基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本技术还提供了一 种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指 令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的基于多目标 的矿井超前疏放水方法。
[0147]
本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒 体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据 结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变 内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、 其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编 程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储 器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁 带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被 计算设备访问的信息。
[0148]
上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行如上任 一实施例所述的基于多目标的矿井超前疏放水方法，并且具有相应的方法实施 例的有益效果，在此不再赘述。
[0149]
需要说明的是，本技术的实施例还可以以下方式进一步描述：
[0150]
针对非露天矿井：对矿井地下水系统富水性进行特征分析，基于富水性评 价分区设置疏水控制节点；基于所述地下水系统特征建立矿井变结构水流模型； 以变结构水流模型为一组约束条件，建立分布参数地下水管理模型；基于地下 水管理模型，进行矿井顶板超前疏放钻孔布置、疏放水量及疏放时间的综合管 理，从而有效解决生态水资源保护与矿井安全开采之间的矛盾，为实现生态脆 弱区矿-水双资源开采提供新的疏放水管理模式。
[0151]
针对露天矿井：对露天矿地下水系统富水性特征进行综合分析，基于富水 性分析分区设置疏水控制节点；基于所述地下水系统特征建立包括露天矿井在 内的整个独立水文地质单元的变结构水流模型；以露天矿井的变结构水流模型 为一组约束条件，建立分布参数地下水管理模型；基于地下水管理模型，进行 露天矿超前疏放钻孔布置、疏放水量及疏放时间的综合管理，从而有效解决生 态水资源保护与露天矿安全开采之间的矛盾，为实现生态脆弱区矿-水双资源 开采提供新的疏放水管理模式。
[0152]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的， 并非旨在暗示本技术的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本技术的思 路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可 以以任意顺序实现，并存在如上所述的本技术实施例的不同方面的许多其它变 化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0153]
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本技术实施例难以理解，在所 提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知 的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本技术实施 例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细 节是高度取决于将要实施本技术实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于 本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本 申请的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的
是，可以在 没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本技术实 施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
[0154]
尽管已经结合了本技术的具体实施例对本技术进行了描述，但是根据前面 的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是 显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使 用所讨论的实施例。
[0155]
本技术实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的 替换、修改和变型。因此，凡在本技术实施例的精神和原则之内，所做的任何 省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于多目标的矿井超前疏放水方法，其特征在于，包括：基于所述矿井的富水性确定全部疏放水控制节点的位置；基于地下水系统的特征参数构建变结构水流模型；基于所述变结构水流模型和全部所述疏放水控制节点的位置确定决策变量；基于预设的疏放水目标构建多个目标函数；基于多个所述目标函数和所述决策变量构建多约束条件下的分布参数地下水管理模型；通过线性目标规划算法对所述分布参数地下水管理模型进行求解，得到所述目标函数的最优解集；基于所述最优解集，构建所述矿井的疏放水执行方案。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矿井为非露天矿井，所述矿井的顶板所在位置的含水层由上至下至少包括以下结构：间接充水含水层、隔水层和直接充水含水层；所述基于所述矿井的富水性确定全部疏放水控制节点的位置，具体包括：基于所述富水性和预设的矿井前期钻孔数据，获取所述直接充水含水层的第一水层参数；对所述第一水层参数进行插值，得到由多个第一分布区域构成的第一规律分布图，其中，每个所述第一分布区域包括多个所述疏放水控制节点；通过自然间断点分级法确定所述第一水层参数的第一分区阈值；基于所述第一分区阈值对每个所述第一规律分布图进行分区，得到多个第一参数分区图；基于层次分析法，通过地理信息系统gis对全部所述第一参数分区图进行融合，得到第一富水性评价分区图；在所述第一富水性评价分区图中确定所述疏放水控制节点的位置。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述约束条件包括：第一约束条件：其中，对所述含水层进行剖分，得到a个第一网格，m为所述非露天矿区的疏放水控制节点总数，i表示第i个所述疏放水控制节点，t为管理期时间，j表示第j个所述第一网格，通过所述变结构水流模型获位于第j个所述第一网格处的直接充水含水层的自然水位间接
充水含水层的自然水位单位脉冲响应函数α(i,j,3,t)、间接脉冲响应β(i,j,1,t)和矿井涌水量响应脉冲γ(i,t)，为所述直接充水含水层各中第j个第一网格处的水位，为所述间接充水含水层的水位，为疏水条件下的矿井涌水量，εh
j+
为所述第一网格水位的正负偏差变量，εh
j-为所述第一网格水位的负偏差变量，q0为初始涌水量，εq
y+
为涌水量的正偏差变量；第二约束条件：其中，wb为疏放条件下的所述间接充水含水层的补给项，wp为为疏放条件下的所述间接充水含水层的排泄项，εδw
+
为补排差的正偏差变量，εδw-为补排差的负偏差变量。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述疏放水目标包括第一疏放水目标和第二疏放水目标，所述目标函数包括：基于所述第一疏放水目标确定的第一目标函数minz1：minz1＝εq
y+
基于所述第二疏放水目标确定的第二目标函数包括minz2和minz3：minz3＝εδw
+
+εδw-。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矿井为露天矿井，所述基于所述矿井的富水性确定全部疏放水控制节点的位置，包括：基于所述富水性和预设的矿井前期钻孔数据，获取对应整个所述露天矿井的管理区含水层的第二水层参数；对所述第二水层参数进行插值，得到由多个第二分布区域构成的第二规律分布图，其中，每个所述第二分布区域包括多个所述疏放水控制节点；通过自然间断点分级法确定所述第二水层参数的第二分区阈值；基于所述第二分区阈值对每个所述第二规律分布图进行分区，得到多个第二参数分区图；基于层次分析法，通过地理信息系统gis对全部所述第二参数分区图进行融合，得到第二富水性评价分区图；在所述第二富水性评价分区图中确定所述疏放水控制节点的位置。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述管理区含水层包括位于所述露天矿区内的内含水层和位于所述矿区外的外含水层，所述约束条件包括：第三约束条件：
其中，对所述内含水层进行剖分，得到b个第二网格，对所述外含水层进行剖为，得到c个第二网格，则所述含水区包括b+c个第二网格，通过所述变结构水流模型获取位于第k个所述第二网格处的所述含水层的自然水位单位脉冲响应函数α(i,k,t)，n为所述露天矿区的疏放水控制节点总数，n表示第n个所述疏放水控制节点，k表示第k个所述第二网格，在k∈c时为所述内含水层中第k个所述第二网格处的水位，在k∈b时为所述外含水层含水层中第k个所述第二网格处的水位，为疏水总量，εq
y+
为疏水总量的的正偏差变量；第四约束条件：δw＝wb-wp-εδw
+
+εδw-其中，wb为疏放条件下的所述含水层的补给项，wp为为疏放条件下的所述外含水层的排泄项，εδw
+
为补排差的正偏差变量，εδw-为补排差的负偏差变量。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述疏放水目标包括第三疏放水目标、第四疏放水目标、第五疏放水目标和第六疏放水目标，所述目标函数包括：基于所述第三疏放水目标确定的第三目标函数minz4：其中，εh
k-为k∈b时所述内含水层中第k个第二网格的水位的负偏差变量，h为所述露天矿井的底板高程；基于所述第四疏放水目标确定的第四目标函数minz5：其中，εh
′
k+
为k∈c时所述外含水层中第k个第二网格的水位的正偏差变量；基于所述第五疏放水目标确定的第五目标函数minz6：
基于所述第六疏放水目标确定的第六目标函数minz7：minz7＝εq
y+
。8.一种基于多目标的矿井超前疏放水装置，其特征在于，包括：富水性分析模块，被配置为：基于所述矿井的富水性确定全部疏放水控制节点的位置；水流模型构建模块，被配置为：基于地下水系统的特征参数构建变结构水流模型；决策变量确定模块，被配置为：基于所述变结构水流模型和全部所述疏放水控制节点的位置确定决策变量；目标函数构建模块，被配置为：基于预设的疏放水目标构建多个目标函数；管理模型构建模块，被配置为：基于多个所述目标函数和所述决策变量构建多约束条件下的分布参数地下水管理模型；模型求解模块，被配置为：通过线性目标规划算法对所述分布参数地下水管理模型进行求解，得到所述目标函数的最优解集；疏放水模块，被配置为：基于所述最优解集，构建所述矿井的疏放水执行方案。9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任意一项所述的方法。10.一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1至7任一所述方法。
技术总结本申请提供一种基于多目标的矿井超前疏放水方法及相关设备，基于矿井的富水性和地下水系统的特征参数来确定决策变量，并根据预设的疏放水目标构建多个目标函数，然后构建多约束条件下的分布参数地下水管理模型，并通过线性目标规划算法对分布参数地下水管理模型进行求解，得到目标函数的最优解集，实现矿井的疏放水执行方案的构建。基于该执行方案，进行矿井的超前疏放钻孔布置、疏放水量及疏放时间的综合管理，从而有效解决生态水资源保护与矿井安全开采之间的矛盾，在减少矿区疏放水成本的同时，防止整个地下水系统内的水资源浪费，避免了对矿区的生态环境的破坏，为实现生态脆弱区矿水-资源双开采提供新的疏放水管理模式。式。式。
技术研发人员：曾一凡 孟世豪 华照来 武强 常静 张晔 杨帆 王路 张池 吕杨 杨鹏飞 杜鑫 庞凯 梅傲霜 杨维弘
受保护的技术使用者：陕西陕煤曹家滩矿业有限公司 榆林市能源局 陕煤集团神木张家峁矿业有限公司 陕西华电榆横煤电有限责任公司
技术研发日：2022.05.05
技术公布日：2022/11/1
