（采矿工程专业论文）软岩巷道变形灰色神经网络预测模型及应用.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 软岩巷道变形灰色神经网络预测模型及应用 采矿工程 王小朋 邓广哲 摘要 ( 签名) 巷道围岩的变形综合反映了开挖引起围岩形态的变化，是判断巷道稳定性最直观的 依据。根据现场监测到的历史变形位移值，运用变形预测理论进行建模以对其未来演化 规律、发展趋势进行预测，可以及时掌握巷道的变化规律，并根据需要采取必要的控制 措旖，以最小的代价保证工程的稳定与安全。 本文以云南恩洪煤矿软岩巷道作为研究背景，首先分析了巷道失稳原因，论述了巷 道变形失稳的力学机制；并根据围岩的变形监测数据，绘制收敛时间变化曲线图，观察 围岩收敛的发展趋势，评价巷道围岩的稳定状态。 其次论述了灰色系统模型和神经网络模型的建立、模型的特征及其建模过程；研究 了两者组合的灰色神经网络g n n m 0 ，1 ) 模型及其优化g n n m 0 ，1 ) 模型的方法和学习算 法。 最后利用m 蛆l a b 进行编程，结合恩洪煤矿软岩巷道的历史监测数据，建立最优 灰色神经网络g n l 心l ( 1 1 ) 模型，并对巷道后期韵变形进行预测，将预测值与实测值进行 误差对比，分析结果表明o n n m 0 , 1 ) 模型在预测软岩巷道变形时优于g m ( i ，1 ) 模型和b p 神经网络模型，精度高，误差小，与实测值更接近，能满足实际的需要，具有广阔的工 程应用前景。 关键词：软岩巷道；变形预测；灰色理论；b p 神经网络；组合模型 研究类型：应用研究 s u b j e c t：a p p l i c a t i o no fg r e yn e u r a ln e t w o r ki np r e d i c t i o no nt h e d e f o r m a t i o no ft h es o f tr o c kt u n n e l s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：w a n gx i a o - p e n g ( s i g n a t n 哟避争业牮咎一 i n s t r u c t o r ：d e n gg u a n g - z h e ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h ed e f o r m a t i o no ft u n n e ls l m - o u n d i n gr o c kc a nr e f l e c tt h ec h a n g e a b l eh a b i t u e so ft h e t u n n e ls m r r o u n d i n gr o c k , a n dp r o v i d er a t i o n a ly o uf o rj u d g i n gt h es t a b i l i t yo fr o c kn m l s s e n g i n e e r i n g w ec a na t t a i nt h eh a b i t u e so fs t a b i l i t yo fr o c km 躐m v 锄c e db yf o r e c a s t i n gt h e d e f o r m a t i o n , a n dw ec a n 越l o p tn e c e s s a r yc o n t r o lm e t h o d s ，a n di n s u r et h es t a b i l i t ya n ds a f e t y o f r o c km a s se n g i n e e r i n g t h e s i si sb a s e do nt h ed r i v i n gt u n n e lo fe n h o n gc o a lm i n ei ny u n n a m f i r s t l yi tg i v e s a n a l y s i sd e e p e rd i s s c u s s i o no nf a i l i u r ec a u s 铭o fs o f tr o c kt u n n e l i ta l s os h o w st h e m e c h a n i s mo fd e f o r m a t i o na n df a i l u r e a n da c c o r d i n gt ot h em o n i t o rd a t e ，d r a wt o r e f r a i n - t i m ec u r v ed i a g r a m o b s e r v i n gt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fs u r r o u n d i n gr o c ka n d e v a l u a t i o no f i t ss t a b i l i t y t h e ne x p o u n dg r e ys y s t e mt h e o r ya n db u i l d i n 8m o d e ，f e a t u r eo fm o d e ，a n db u i l d i n g p r o c e s sa n db a s i ca x i o mo fn e m r a ln e t s t u d ym o d e l i n gt h o u g h t , n e t w o r kc o n f i g u r a t i o n , m a j o r i z eg n n m ( 1 ，1 ) m o d ec o m b i n e dg r e ys y s t e mt h e o r ya n dn e u r a ln e t w o r k a tl a s tm a k i n gu s eo ft h em a t l a bs o f t w a r ep r o c e e d st ow e a v et h ep r o c a x u l r e , b a s e do n t u n n e lm o n i t o r i n go fe r i l l o n gc o a lm i n eo fy u n n a n , s i m u l a t ea n df o r e a c a s tm o n i t o r i n gd a t a b yg m ( 1 ，1 ) m o d e 、b pn e l a _ a 1n e t w o r km o d ea n dg n 0 4 ( 1 ，1 ) m o d e a n dc o n t r d s tt h e 刚i c 血1 9r e s u l tw i t ha c t u a lm o n i t o r i n gd a r e ，w ec a ns e et h a tg n n m ( 1 ，1 ) m o d eh a v e q u i c k l y , s t r o n g t yf u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s , t h em e t h o r dc a ng i v e s o m er e f e r e n c et ot h e s u b s e q u e n te n g i n e e r i n g sc o n s t r u c tp l a n k e y w o r d s ：s o f tr o c kt u n n e l sd e f o r m a t i o np r e d i c t i n g g r e ys y s t e m b pn e u r a ln e t w o r kc o m b i n e dm o d e 妻料技大学 学位论文独创性说明 羲人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 萁泌褥研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：互小朋日期：孙刁牟易月 ；目 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：至j j 蝴 ：邓岁世 州年f 月7 日 l 绪论 l 绪论 1 1 选题背景和研究意义 随着岩体工程规模的扩大，地质条件和开挖条件更加复杂，受天然和人为因素的影 响，岩体稳定问题成为矿山岩体力学或岩土工程中的重要研究课题。为了保证岩体工程 结构的稳定性，需要研究地下结构周围岩体在时间和空间上的变化规律。自然界中的岩 体被各种构造行迹( 如断层、节理、层理、破碎带) 切割成既连续又不连续的地质体。因 切割程度的不同，形成松散体一弱面体一连续体的一个序列，这一岩体序列要比迄今为 止人类熟知的任何工程材料都复杂，它几乎到处都在变化着。所涉及的力学问题是多场 ( 应力场、温度场、渗流场) ，多相( 气、固、液) 影响下的地质构造与工程结构相互作用 的耦合问题。因此，工程岩体的变形破坏特征是极为复杂的，且多半是高度非线性的。 岩体力学面对最大困难就是“数据有限的问题”，不仅输入给模型的基本参数很难准确 给出，而且能够对过程( 特别是非线性过程) 的演化提供反馈信息或者能校正模型的测量 并不多；另一方面，对岩体的破坏机理尚不能清晰的理解。“参数给不准”和“模型给 不准”已成为岩石力学理论分析与数值模拟的“瓶颈问题”。因此有必要采用新方法新 理论来解决这些问题。人工智能、神经网络、遗传算法、进化算法、非确定性数学、非 线性力学、系统科学等新兴学科的兴起，为我们提供了全新的思维方式和研究方法，为 突破岩石力学的确定性研究方法提供了强有力的理论基础。 岩体的变形特性是岩体工程在稳定与不稳定演变过程中所反馈出的重要信息之一， 综合反映了开挖引起围岩形态的变化，而就岩体失稳本身的表现形式而言，也可归结为 岩( 土) 体变形或移动问题。因此，岩体变形成为判断岩体工程稳定性最直观的依据。地 下矿山开采过程中，随着矿石的不断采出，围岩变形、移动和破坏逐步加剧，岩体移动 范围不断扩大并引起围岩冒落和地表塌陷。由于地下开采及其诱发的围岩变形是一个渐 进过程，它直接影响采场周围及井巷工程的稳定，因此加强岩体移动、破坏机理的研究 对于维持矿山的正常生产具有实际意义。通过预测岩体工程的变形，可以事先了解岩体 工程的稳定状态，从而可以根据需要采取必要的控制措施。因此，用现场监测到的历史 变形位移值，通过变形预测理论进行建模以对其未来演化规律、发展趋势等进行预测， 及时掌握岩体工程的变化规律，在工程上具有十分重要的意义。 采用新的理论、方法，系统地研究巷道围岩的变形特征，并利用现有的岩石力学研 究成果，根据矿山的实际情况，预测工程开挖产生的巷道围岩变形，并根据预测结果对 巷道变形进行支护控制，有效的预防岩体破坏所带来的巨大灾害。在保证开采系统稳定 和生产安全的前提下，最大限度地减少支护工作量，减少支护成本和开拓成本，最大限 西安科技大学硕士学住论文 度的提高采矿强度和生产效率，增加矿石产量，大幅提高企业的经济效益、社会效益和 环境效益。 1 2 软岩研究现状及发展方向 1 2 1 软岩的研究现状 软岩工程技术的研究属于岩石力学的范畴，在岩石力学的发展过程中，有其明显的 研究重点。在6 0 年代，重点研究完整岩块；7 0 年代的研究重点是岩体和不连续面；8 0 年代，计算机数值分析蔚然成风；9 0 年代，十分强调综合研究分析，即将岩石材料性质 的确定，大尺寸原位测试、计算机分析和工程作用规律相结合。到2 0 世纪末叶，由于 无法测试到准确的岩体力学参数，使人们怀疑计算机模拟是否可靠l l 捌。 软岩在试验研究方面，研究了软岩物质成分及微观结构，包括软岩生成条件、粒度 成分、矿物组成、化学成分、颗粒组构及分形结构模型；水岩作用规律，包括膨胀性、 崩解性、冲蚀效应、长期渗压水作用的演变趋势和稳定性；流变性，包括蠕变速度的强 度效应。因此，软岩工程的研究对象是多相、各向异性的裂隙岩土介质体。这就决定了 它是由多学科相互交叉、渗透、依赖和补充的学科。这些特点决定着软岩工程必须采用 多种方法、多种技术来进行综合性研究。 软岩在理论研究方面，科学的发展将促使工程技术与智能科学相交叉结合，进而从 根本上改变单纯依靠硬科学来解决工程实际问题的现状，这方面的前景是喜人的。近年 来，对岩石力学非线性反演的随机理论与方法的研究也取得了一定的进展。主要表现在： 其一，在岩石力学与工程中对各类逆问题的系统建模原理和方法，包括处理观测工作中 诸多不确定性因素需用的最优目标函数，以及对模型的不确定性与最佳信息准则目标函 数拟定等方面的问题有了较为系统的研究成果。其二，在岩体变形随机预报理论及其工 程应用方面，着重讨论了对地下工程周边岩土介质变形作随机预报的原理和方法，包括 岩土体稳定的可靠性评价以及循环更新监测技术的采用。其三，采用扩张卡尔曼滤波器 a l m 缸f i l t e r ) 有限元法反分析地下工程岩土体介质非确定性动态响应问题，开拓了采用 扩张卡尔曼滤波器有限元法的基本原理和方法实施，及其在岩土介质变形时间历程和最 终塑性区大小部位与范围的估计等方面的工程应用。以上三方面的工作还包括，针对水 电、矿山地下工程和公路隧道等方面的工程许多处进行了实例分析。此外，并已研制了 若干可便于工程推广的专用计算机程序软件州 软岩体及其围岩的稳定性问题已成为岩石力学近年来主要研究的课题之一。1 9 9 5 年中国岩石力学与工程学会成立了软岩工程专业委员会，是我国软岩工程技术研究繁荣 的标志【1 1 国家重点工程的软弱岩体地下工程的迫切需要向地下工程研究工作者提出了 一系列的重要研究课题，如地下工程在开挖期和运行期的围岩稳定性、岩体变形力学机 2 1 绪论 制，围岩稳定性评价、位移监测预报、合理化支护等问题。如何运用岩体力学中理论与 方法解决软岩中上述问题，以便合理的分析和采取正确的施工方法和治理方案，是当前 岩石力学工作者面临的重要任务。紧密配合规模巨大、介质复杂的软岩地下工程开展力 学研究工作，对于推动岩石力学工程的应用，加强学科的工程实用性，具有重大的经济 和现实意义。 1 2 2 软岩的研究发展方向 软岩以其大变形、大地压、难支护的特征引起岩石力学工作者的关注，在地应力较 小的地区，结构疏松，强度较低的岩石表现为软岩的变形力学特性，结构致密、强度较 高的岩石则表现为硬岩的变形力学特性，但在高地应力地区，一些较硬的岩石也表现为 软岩的变形力学特性，如三峡工程永久船闸高边坡的花岗岩体 4 1 。同一岩石在不同条件 下的变形力学性质的改变给软岩定义带来了一定的难度，国际岩石力学学会前任主席 j o h n a h u d s o n 讲过：“岩石力学是研究在工程扰动力作用下岩石介质响应规律的一门学 科”【5 】。根据岩石介质在工程力作用下的变形、破坏等力学响应特点，可以将岩石介质 划分两类，即在达到破坏状态之前发生显著大变形的延性材料和不产生显著变形的脆性 材料。可以说，软岩力学是研究工程扰动力作用下具有显著塑性变形的岩石介质的力学 响应规律的一门学科。 由于软岩的大变形，易膨胀，流变性等特点，以及软岩构成的复杂性，在软岩流变 学的研究方面尚不充分，而对软岩的大变形研究和软岩的支护理论研究等还需做大量的 工作l l ，o 】当前软岩研究的主要发展方向可归纳如下： ( 1 ) 分叉与突变理论在岩体稳定理论中的应用研究的总体目标是：系统的稳定性 评价，稳定性的发展趋势及失稳预测。岩体工程变形是动态的，系统内部的力学参数也 是动态变化的。因而可将软岩系统视为一个非线性动力系统。系统的失稳就是系统中的 某些关节点发生质变的机理，它既可以获得系统丧失稳定时的临界参数，还可以对系统 分叉以后的特性进行追踪估计。突变理论主要是研究非线性系统如何从连续渐变状态走 向系统行为的突变。 ( 2 ) “浑沌”理论及应用。“浑沌”的基本特性是：系统的行为具有随机性，轨道永 不重复；系统的行为对初始条件的敏感依赖性；分维性是系统的运动轨道在相空间中一 分形吸引子；以及标准度性分形法和流形法是处理浑沌的有力工具。 ( 3 ) 岩体断裂、损伤的细观非线性力学应用。岩体的损伤、破坏是一类非平衡、非 线性的动态演化过程，其破坏结果对初始损伤及结构分布有敏感依赖性。从细观上讲， 岩石的损伤、演化至破坏这个过程应建立相应的非线性动力学演化模型来加以描述，才 能反映这种过程的本质特性。因此，把岩石的破坏与远离平衡条件下的非线性动力学系 统理论联系起来可能成为岩石破坏理论的突破v i l 7 j 。 3 西安科技大擘硕士学位论文 ( 4 ) 基于环境工程的非线性理论的岩石力学计算方法的应用，其包含两方面的内容： 第一，数值计算方法的研究，包括系统力学行为及其转化的分叉点的跟踪计算，尤其是 在分叉点附近系统出现奇变的计算方法，以及非线性动力学系统的反分析方法等；第二， 仿真计算，在计算机上模拟岩体的非线性发展过程或行为机制。 目前软岩研究的重点是，扩容膨胀效应问题，流变和粘性时效问题，非线性理论的 数值分析，软弱层的结构数学模型。总之，越来越高的软岩工程设计要满足施工上的迫 切需要，不仅要求软岩的研究方法要综合应用，而且从单一的正向思维走向全方位的系 统思维。 1 3 软岩的主要研究方法 岩石力学本身是一门实践性很强的学科，对于岩石力学的研究脱离不了工程实践， 岩石力学的一切设想、假定和理论，都必须到实践中去检验，岩石力学必须紧密结合工 程实际，解决工程出现的问题，岩石力学才能发展。软岩的研究也必须以工程实践为基 础，解决工程实际问题，才能更好，更快的发展。软岩的研究方法有试验方法、理论分 析方法、模型方法、反分析方法等。 1 - 3 1 试验方法 试验方法是最基本的研究方法，也是最常用的方法，是岩石力学发展的基础，也是 对岩石材料性能认识的手段，它包括室内岩石力学参数的测定，现场岩体原位试验及监 测技术和施工技术，地应力的测定和岩体构造的测定等。岩土工程问题的广泛性使得科 学试验涉及的范围越来越广，手段也越来越先进，新的试验技术己不断应用到岩土工程 领域。 1 3 2 理论分析方法 理论分析方法具体来说就是简化结构模型的解析求解和复杂结构的数值分析，基于 计算机技术而发展的计算力学，如有限元、边界元、离散元块体力学和反演分析等多种 方法己应用于岩土研究工作。在经典弹性和塑性的理论基础上，流变力学、粘弹塑性理 论、断裂力学和损伤力学等也在岩土工程中得到应用和发展。 1 3 3 模型方法及监测技术 分析与解决岩土工程中问题，首先必须对岩土工程中的主体对象岩土的性质要有充 分的认识，通过力学模型试验等手段来建立物理模型并进一步确定岩土的本构关系，然 后利用本构关系模型及已有的理论知识与技术手段建立岩土的结构模型，并用解析或数 值方法求解对应的初值和边值问题，再分析结果指导工程设计与旌工。由于岩体是一复 4 1 绪论 杂体，具有很多不确定因素，因此，在施工过程中要进行动态位移及应力监测，通过反 馈信息结合反分析技术，对岩体结构进行再认识，及时调整原设计参数与施工方案，指 导工程顺利进行。 1 3 4 反分析方法 反分析方法是实践与理论结合的产物，该方法是根据地下工程围岩的位移来反算岩 体初始应力场及力学参数的方法称之为位移反分析方法。k a v a m g h 等i s 利用有限元法根 据位移测值计算了岩体力学参数，樱井春辅用解析法根据围岩蠕变位移计算岩体初始应 力和粘弹性参数。我国学者在位移反分析的理论及方法等方面也作出了不少贡献，具有 代表性的有：杨志法、杨德林、冯紫良、朱维申、郑颖人 9 1 等。 1 4 变形预测理论研究现状 地下工程施工变形的主要研究方法有安全系数法、经验公式法、数值方法( 正分析 与反分析1 、系统分析法，经历了从较早的土压力理论和板桩分析理论到二维、三维有 限元分析到反分析再到系统论的各个理论发展阶段。到目前为止，以上各种方法在实际 工程中均有应用，对于大型复杂的地下工程，则以数值方法为主，但由于岩土介质的特 殊性和传统数值方法的局限性，使得计算结果与实际结果有很大的出入 既然岩土工程都带有非确定性( 随机性、模糊性、信息不完全性和不确定性等) ，对 许多带全局性、综合性的问题都要求作出系统分析。因而，系统分析方法已显示出广阔 的应用前景。刘建航院士提出了基坑开挖的时空效应理论【1 0 n 】全面阐述了上海地铁车站 旌工变形预测与控制方法，提出了。分层、分步、对称、平衡、限时”的软土地区基坑 开挖的总体方针。许多新理论、新方法也被引入到岩土工程中来，这些理论和方法包括 灰色系统理论、时间序列分析、随机介质理论以及人工神经网络等。 1 4 1 传统模型预测方法及数值分析方法 经验类比、回归分析等传统的预测模型需要大量的监测数据，且局限于用差分方程 来建立离散的随机模型，不便于描述系统变化过程的本质和内在规律。数值法具有数学 方法上的精确性，但由于巷道变形影响因素的复杂性、物理机制的模糊性以及参数的多 变和不确定性，使得在使用该方法时过分概化，降低了实用价值，难以提供及时可靠的 分析结果【1 2 1 。 1 4 2 时间序列分析 时间序列分析是目前对动态数据处理的一种有效方法。它不要求考虑影响观测值的 各种力学因素，而只分析这些观测数据的统计规律性。通过对时间序列统计规律的分析， 5 西安科技大擘硕士学位论文 构造拟合出这些规律的最佳数学模型，并预报时间序列未来的可能数值，最后给出预报 结果的精度分析。 时间序列分析在岩土工程方面已有一些应用，但还不是很多。最典型的时间序列模 型是p 阶自回归窖阶滑动4 r m a ( p ，g ) 模型。潘国剿1 3 】利用a r ( q ) 和顾及l l 缶近点变形因素 项的动态模型c a r ( q ) 对上海地铁盾构隧道地表和隧道内沉降进行了分析和预测，但模 型较为简单，预测精度有待进一步提高。若采用动态数据处理系统或趋势函数模型加 a r m a ( p ，口) 自回归滑动平均模型预测效果较好1 1 4 1 。 应用时间序列建模时需要大量的历史统计数据，至少需要5 0 个以上的数据，这对 实际中按月、按季或按年记录的资料，往往难以得到。如果数据少于5 0 个，即所需建 模的数据不充分，那么得到的预测模型往往精度比较差。 1 4 3 灰色理论 部分信息已知、部分信息未知的系统为灰色系统，系统的行为现象尽管是朦胧的， 数据是杂乱的，但它是有序的，具有整体功能，杂乱无章的数据后面必然潜藏着内在规 律，通过科学的处理，可以找出其规律性，并且所需样本数据少、不要求典型的概率分 布等特点，这就为巷道变形预测奠定了理论基础，可以通过建立位移灰色预测动态模型 进行未来变形预测【1 2 1 。 岩土工程的变形预测问题所属的系统一般是灰色系统。这类系统的特点是：同时含 有已知因素和众多未知或不确定的因素，使这类问题在查清物理机制，建立相应的数学 模型的基础上进行分析计算有一定的局限性。为了解决这一困难，在对这类问题进行分 析的基础上可采用灰色系统理论，即根据已知按时间顺序发生的一组观测数据，建立描 写其变化规律的数学模型，并据此对系统的未来行为进行预测。 灰色理论应用于矿业工程中的时间还不是很长，但却取得了多方面的研究成果。李 长洪【1 5 】将岩体稳定系统视为一个灰色系统，利用灰色聚类法，研究了矿区的岩体稳定性 分类。邓广哲【1 6 】在巷道变形监测数据的基础上，利用灰色系统理论建立巷道支护时效序 列中任一点支护可靠性评价随机预报模型。苏美德、赵忠明、李德海、李东升i l ”，利用 灰色系统理论中的费尔哈斯模型，建立灰微分方程模型，模拟地表移动的时间过程，求 得地表移动的时间响应模型。闫吉太、梁广锋等【嘲在现场实测的基础上，采用灰色等维 拓扑方法对四面为采空区的“孤岛”综采工作面的矿压显现进行了近、中期预报。周希圣、 陈启辉【1 9 】在现场实测的基础上，利用灰色系统理论对未曾揭露过的岩层进行了松动圈灰 色预测研究，获得了较高的预测精度。李文秀刚针对复杂地形条件下工程开挖的实际情 况，利用f u z z y 数学和灰色系统理论建立了预测山区地下开挖引起岩体及自然边坡失稳 的数学模型。李庶林1 2 l 】对矿山试验采场上覆岩层位移进行了现场监测，并采用灰色预测 法和时间序列分析法对试验采场上覆岩层的下沉规律进行了分析与预测。徐虎、钟新谷 6 1 绪论 瞄l 以软岩巷道收敛变形实测数据为例建立了灰色微分方程，对巷道围岩稳定性实施灰色 预测，继而为二次支护时间的确定及支护效果的评判提供了科学依据。韩晓东、贺兆礼 2 3 1 将灰色理论的g m ( 1 ，1 ) 模型和线性回归模型组合起来进行变形预测，改善了原线性回 归模型中没有指数增长趋势及灰色g m ( 1 ，1 ) 模型中没有线性因素的不足，使组合模型更 适用于变形的一般情况。孙奇涵、王永岩、张永利、张香梅 2 4 1 利用灰色系统理论，用少 量的非等时的实测数据，建立非等时的灰色g m ( l 1 ) 模型，同时将实测数据经拉格朗日插 值后形成等时时序，建立等时的灰色g m ( 1 ，1 ) 模型，通过模型预测结果的比较，得到了在 利用灰色模型进行巷道围岩变形预测时比较理想的模型。毕向阳、王永岩、冯长建【2 习， 陈云浩冈结合实例给了灰色模型在预测巷道变形趋势，预测软岩巷道合理的二次支护时 间等方面的应用。周洪文【2 7 】以现场测试数据为基础，从位移时序曲线的特征出发，提出 并验证用加速度作为状态稳定识别判据的可行性。对于稳定情况，讨论了用灰色系统 g m ( 1 ，1 ) 模型预测最终收敛位移；对一于失稳的情况，探讨了用黄金分割法”预测失稳 时间。 灰色系统理论在岩土工程施工变形预测中已有不少成功应用的例子【2 8 弓o 】，但也遇到 一些问题 3 1 , 3 2 ，其原因是灰色建模要求非负时间序列的累加生成具有灰指数规律，然而， 事实上岩土工程中许多观测值的累加生成常常不具有指数规律，因而造成预测误差很 大，使得预测结果不可靠。 1 4 4 神经网络预测 神经网络是采用物理可实现的器件或通过计算机来模拟人脑中神经网络的某些结 构与功能，并反过来应用于工程或其他领域。它由大量而简单的处理单元( 神经元) 广泛 地相连接而形成复杂系统，具有很强的容错能力和学习功能，它不需要任何数学模型， 只靠过去的经验来学习，其本身具有的自适应性、非线性和容错性等特性，特别适合于 处理模糊的、非线性的、含有噪声的数据。可用于预测、分类、模式识别、非线性回归、 过程控制等各种数据处理的场合。而且在大多数情况下，应用效果大大优于传统的数据 处理方法。目前应用较多的是b p 网络印j 。 在神经网络这种预测方法的研究领域，国内众多学者已经取得了可喜的成绩，在国 内，张清教授是较早将神经网络引入地下工程领域的先行者。1 9 9 2 年，张清等人首次利 用神经网络对岩土的力学行为进行了预测0 4 1 。王旭东等人以b p 神经网络为基础，建立 深基坑支护结构最大侧向位移的预测模型，袁金荣等人利用b p 神经网络建立起的基坑变 形时间序列预测的神经网络模型，刘占魁，来兴平利用b p 神经网络建立起的地下工程围 岩稳定性评价模型阅，显示了神经网络进行预测的有效性。 在国外，1 9 9 0 年，g h a b o u s s i 等人提出利用神经网络建立材料的本构模型吲。1 9 9 3 年y i c h e r n gy t i h 发表了基于神经网络进行桩身质量诊断的专家系统一文1 3 ”，从而将神 7 西安科技大擘硕士学位论文 经网络逐步引入到岩土工程实践中来。1 9 9 4 年g h a b o u s s i 较为系统地阐述了基于神经网络 的岩土力学问题的处理，从而将神经网络在岩土工程的应用研究引向广泛和深入例。近 几年来，国外有关人工神经网络在岩土工程中的应用文章出现增多的趋势【孙4 2 】。 就目前研究状况来看，神经网络主要应用于地下下程领域中以下几个方面： ( 1 ) 预测：刘春( 1 9 9 8 ) 【4 3 】采用模糊处理和神经网络相结合的方法，实现了对建筑物 变形的短期预测。何玉敖等( 1 9 9 9 ) m l 从已知震陷资料出发，利用神经网络对液化震陷进 行了预估。 ( 2 ) 评估与分析：夏元友等( 1 9 9 6 ) 4 5 】利用神经网络将影响边坡稳定性的因素与边坡 的稳定性状态之问建立了非线性关系，给出了边坡稳定性评价的一种新方法。刘和元等 ( 1 9 9 8 ) m 】基于神经网络对桩动测数据进行分析，利用建立的神经网络模型检测数据的合 理性。 ( 3 ) 分类与识别：王明年等( 1 9 9 5 ) 【4 7 】以岩性，岩石结构类型、节理、构造影响、风 化指标、地下水等几个公认的因素作为分类标准，利用4 层b p 网络进行分类。冯夏庭等 ( 1 9 9 7 ) 4 8 1 认为岩石工程中的力学问题多为动态、不可逆的非线性问题，有些现象的数学 模型极难建立，有些根本无法建立，而将神经网络与有限元方法结合起来可以对岩体区 域等价本构模型进行合理的识别。 1 5 本文的主要研究内容 本文以云南省东源煤业集团恩洪煤矿掘进巷道作为工程实例和研究背景，在认真总 结前人试验的基础上，将开展以下研究工作： ( 1 ) 对恩洪煤矿软岩巷道破坏进行详细的写实，得出巷道失稳的变形力学机制。 ( 2 ) 采用现场监测技术对软岩巷道支护后的围岩变形进行监测，根据巷道围岩的变 形监测数据，绘制收敛时间变化曲线图，观察围岩收敛的发展趋势，评价软岩巷道围岩 的稳定状态。 ( 3 ) 论述了灰色系统模型和神经网络模型的建立、特征及其建模过程；研究了两者 组合的灰色神经网络g n n m ( 1 ，1 ) 模型的建模思想及其优化g n n m ( i ，1 ) 模型的方法和学 习算法。 ( 4 ) 利用m a t l a b 进行编程，结合恩洪煤矿软岩巷道的历史监测数据，建立最优灰 色神经网络6 斛联i ，1 ) 模型，并对后期变形进行预测，将预测值与实测值进行误差对比， 分析结果表明g n n m ( i ，1 ) 模型在预测软岩巷道变形时优于o m ( 1 ，1 ) 模型和b p 神经网络 模型。 8 2 软岩巷道变形规律 2 1 巷道围岩地质概况 2 1 1 巷道围岩地质条件 2 软岩巷道变形规律 恩洪矿区位于断续相循的昆明山字型构造第三道前弧东翼逼近反射弧的部位，印支 期定型的师宗至弥勒褶断带控制矿区古地理环境，而燕山期定型的新华夏构造体系经喜 马拉雅运动改造使构造复杂化。 恩洪矿区主要受控于华夏构造体系，富源至弥勒断裂，营上至阿岗断裂和恩洪复式 向斜是矿区一级构造，它制约含煤地层厚度，作为区内主干断层和褶皱的二级构造是井 田划分的自然因素，由主干断层和褶皱影响派生的三级构造，对煤层厚度和煤质的变化 影响重大。 恩洪煤矿掘进巷道处于晚二叠系龙潭煤组，是由细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、菱 铁质粉砂岩和煤层组成的岩( 煤) 层组合。其岩石的抗压强度普遍不高，一般都在 2 0 0 k g c m 2 4 0 0 k g c m 2 ，抗压强度较高的菱铁质粉砂岩及菱铁岩以不规则状赋层于软岩 层之中，在地下水沿层面浸入或受外力震动( 如放炮等) 后极易从中脱落，顶、底板岩 层坚实系数和软化系数值普遍偏低，属极易软化岩石，岩层节理十分发育。 巷道岩性特征表如表2 1 所示。 巷道地质剖面图如图2 1 所示。 巷道综合柱状图如图2 2 所示。 表2 1 巷道岩性特征表 9 西安科技大学硕士学住论文 ( 3 ) 匡! ；i 弓炭质掘岩巨i i 呈虽糟砂岩夹戗层状菱铁岩 口糟砂岩 目触石粘土岩口细砂岩 图2 1 巷道地质剖面见图 地层媒( 岩) 层厚度i ) 系群 拄状 岩性描述 t 小t 大平均熏犀 翼 。ll0 n 不要蒜妊 侏 1 产? 0 l n糟砂岩夹似虚机囊蚨岩 粉砂岩、 l3 n 不规斟羹# 喈 罗 廷 06 n攥 系 安 2 0 n 糟廿岩 0 1 n 高峰石牯土岩 j 群 糟砂岩， l 3 0 n 不规羹_ 睹 04 n珥 _ _ i 0p n畸石秸土岩翼曩铌岩 0 8 n燃 萎 吲， l j ”糟砂岩，不规剜羹羲岩 0 1 ”耪砂岩夹戗层状菱铁岩 舞 三 兰 i ：肃f ， 0 8 1糟酚署_ 幂矗划差目e 岩 期 02 n曩 0 1 1 迭一一 量 1 l n 糟砂岩失聃状羹t 岩 系 羹 由 0 j n 膏蜂石粘土岩 t 譬 o 2 nl ，岩不麓孵雌者 西 08 n糟砂岩臭似层状菱- e 岩 00 2 n自色方- 石 33 n神岩夹h 层状羹羲岩 图2 2 巷道综合柱状图 1 0 2 软岩巷道变形规律 2 1 2 巷道节理裂隙调查 裂隙结构统计采用视窗法嗍，在巷道的掘进头分两次取了两个长5 米，宽l 米的视 窗进行了统计，如图2 3 所示。 由视窗统计法可知，巷道岩层结构面发育，掘进头主要岩性为泥质粉砂岩，纵横方 向裂纹交错切割，但多以水平层理发育，厚度大部分平均l o 3 0 c m ，视窗内岩石节理 组数大于3 组，岩石完整系数k , o 3 以下，按照节理化软岩的分级，属于破碎软岩、极 破碎软岩之间。 蓥道裂瞳结扭捏宣图 比例：l ：5 0 鲞道裂照结掏援宣凰 比例：l ：5 0 1 可 日1 刁i 习 d 1 9 4 0 2 2 8 0 2 4 9 0 说明：表现为泥质粉砂岩 图2 3 巷道围岩裂隙统计 2 1 3 巷道岩体质量分级评价 按岩石质量指标分类【划是笛尔( d e e r ) 于1 9 6 4 年提出的，它是根据钻探时的岩芯完好 程度来判断岩体的质量，对岩体进行分类。即把长度在l o e m ( 含l o c m ) 以上的岩芯累计 长度占钻孔总长的百分比，称为岩石质量指标r q d ( r o c kq u a l i t yd e s i g n a t i o n ) 睁塑些篙产慨 根据岩芯质量指标大小，将岩体分为5 类，详见表2 2 。 西安科技大学硕士学位论文 表2 2 岩石质量指标 根据多次在掘进巷道迎头取岩芯，并由上式计算可知，巷道岩石质量属于差。 2 2 巷道变形破坏特征 恩洪煤矿软岩巷道围岩裂隙发育，围岩松动圈比较大，岩体的整体强度明显降低。 矿体、围岩节理发育，有遇水泥化、崩解、砂化现象。巷道围岩揭露初期，受节理影响， 局部掉碴块，巷道成形差；后期则由于泥质岩裂隙发育、吸水风化围岩膨胀，巷道顶板 形成块体冒落，巷道侧帮形成块体滑落，底部底臌。局部出现大量冒落。部分巷道破坏 形式如下图所示。 巷道变形严重段变形实录如表2 3 所示。 表2 3 巷道不同埋藏深度下变形实录 喜霁誓差茎 变形程度变形素描备注 p 1 措屋1 i ；f 塔持罾 l i j 牒，百j 臾_ x 眦j l 米， 厂i i 。 薄层似层状灰白色 1 变黧： 表现为顶压 il “ 凌铁质粉砂与鳞片 4 ( 米) 状灰黑色砂质泥岩 互层 ，卞 c 1 5 煤层顶板位置。 霉f顶为煤，底为碎块状 “l灰黑色粉砂质泥岩 z 变麓、( 米) f ，i “4 ”1 “ ： 鼠帻硅接f 岙将砂岩 、：- c 1 5 煤层顶板位置 。篆受剖叫毳罴薹 1 2 2 软岩巷道变形规律 罴雾嚣仃 顶为似层状磷铁质 n “粉砂岩( 灰白色) 与 i 灰黑色粉砂质泥岩 互层，底为煤 由含煤薄层似层状 5 黧雾一广 力大 j “ 磷铁质粉砂岩( 灰白 色) 与灰黑色粉砂质 5 1 ( 米)l 口 l ! ：垫 j 泥岩互层 一卜s i 顶板为含煤薄层。夹 ! h c 米 f：1 鼍l 孬二；。：茹荔砂羞 6 变形曼。 表现为顶压 ： 1 菇岩，夹薄层菱铁质 ，4 、 i 坏l i 粉砂岩 弋煤层厚度2 5 c m 顶 。慕。衣现州删压 、蓦l 板为粉砂质泥岩，夹 7 变形段： 顶向上拱f l 薄层菱铁质粉砂岩， 8 2 ( 米)i 勺顶e 有4 0 c m 煤层 8 ：表现为左帮受厂i 恻 灰色砂质粉土岩，夹 8 变形曼。 力，左肩受力 ； “f 厚层状菱铁质粉砂 l j 米亡兰l 白- f ￥l 刚7 c r 巧l 田l ，矗 层 ，l t顶上有4 0 煤层 表现为侧压，现为侧压，鲁l 、高i 色砂质粘土岩，夹岩，夹 9 变形曼。 顶向上拱 fi 嚣i 厚层状菱铁质粉砂 i3米 石丹j 叫犬碌臻，其问夹煤线， 1 3 西安科技大学项士学位论文 8 8 4 ( 米) l o 变形段： 8 ( 米) 表现为左帮受 力，左肩受力 表现为侧压， 顶向上拱 9 1 4 ( 米) 1 2变形段：表现为顶压 3 ( 米) 巷道上部灰色砂质 粘土岩，夹厚层状菱 铁质粉砂岩；底部有 煤层 顶为灰色细砂岩与 灰白色菱铁质粉砂 岩互层，底为煤层， 厚度l o - , 1 5 0 n 顶为灰色细砂岩与 灰白色菱铁质粉砂 岩互层，底为煤厚度 1 0 - , 1 5 c m 2 3 巷道变形规律 巷道变形力学机制可分为三大类：物化膨胀类o 型) 、应力扩容类( i i ) 和结构变形类 ( n o ，具有1 3 种基本类型。软岩巷道的变形力学机制通常是三种以上变形力学机制的复 合类型。经过现场工程地质调查和室内试验分析，巷道变形主要原因在于【5 1 】： 2 3 1 围岩的岩性 恩洪煤矿煤层抗压强度为6 1 5 2 3 2m p a ，泥岩抗压强度为0 6 1 2m p a ，砂岩的抗 压强度为0 4 6 2m p a 。单轴抗压强度这样低的岩石做为井巷围岩，势必出现冒顶、底 臌片帮现象。 2 3 2 软岩的强膨胀性 恩洪煤矿巷道岩石成份里面多含蒙脱石这种膨胀性颗粒和介质，这些成分吸水后 体积膨胀，产生很大的膨胀力，致使巷道变形破坏。井下水的来源有裂隙渗水、底板积 水和空气含水。 1 4 愀慨 蛐交， 2 软岩巷道变形规律 2 3 3 巷道布置方式 恩洪煤矿井底车场各硐室及联络巷等工程相距很近，空间上形成了一个立体交叉的 硐室群，施工时又相互影响，它们的位移影响区相互叠加，更加剧了各单位工程的变形 和破坏。 2 3 4 地应力的作用 巷道在未开挖之前，岩层处于三维应力控制状态，此时岩体具有一定的强度，并有 较好的完整性和稳定性，处于相对平衡状态。巷道周边应力状态改变时，隅角部位应力 将比其他部位更加集中，如巷道的曲线部分较平直周边更容易受到破坏；片帮抽顶致使 作用在支护体上的不均匀地应力也会使巷道过早的出现局部变形而破坏。 2 3 5 温度变化及空气风化作用 巷道温度的变化及空气的风化作用，也会引起巷道变形巷道温度的变化对围岩膨胀 的强弱具有一定的影响作用。风流对巷道围岩会产生风化作用，发生风化裂隙，并进一 步破坏岩体的完整性。 2 3 6 采动的影响 巷道受采动影响后，更易发生变形，这种情况多出现在回采工作面上下两道超前支 护地段及返修地段。 2 4 本章小结 在广泛收集该地区地质勘察资料的基础上，重点对恩洪煤矿掘进巷道的工程地质进 行了详细的调查，对巷道变形破坏情况进行了详细的写实，从而得出巷道的变形规律。 由本章可知，软岩巷道变形与多种因素有关，如围岩岩性、地应力以及支护形式等 因素。而各种因素对软岩巷道变形的影响是极为复杂的，而且由于施工的动态的特点， 要搞清楚巷道的变形机理是很困难的，而已有的历史变形监测数据是一个宏观物理量， 是各类影响因素的综合反映，并且易于量测，所以，采用历史位移观测资料，去预测今 后一定时间内的位移值是十分有效而且必要的。 1 5 西安科技大学硕士学位论文 3 1 概述 3 基于软岩巷道变形监测预报方法研究 根据恩洪煤矿软岩巷道围岩收敛变形监测数据绘制“时间一位移交形曲线”和“时 间速率变形曲线”，可以直观地了解巷道变形过程与趋势，要更深入地对巷道变形趋 势进行分析并对未来变形进行预报，就要研究巷道变形监测分析与预报的理论与方法。 变形监测数据分析与预报的范畴较广，属于多学科的交叉，有关的理论和方法也较 多，常用的分析理论包括：确定函数法、神经网络、多元线性回归分析、趋势分析法、 模糊线性回归、自适应过滤法、时间序列分析、马尔柯夫模型、卡尔曼滤波、灰色系统 理论、突变理论等。 3 2 灰色系统理论 灰色系统理论是我国著名学者邓聚龙教授1 9 8 2 年创立的一门新兴横断学科，与研究 “随机不确定性”的概率统计和研究“认知不确定性”的模糊数学不同，它主要研究概 率统计和模糊数学所不能解决的“部分信息己知，部分信息未知”的“小样本”、“贫信 息”问题，主要通过对“部分”已知信息的生成、开发、提取有价值的信息，去了解、认 识现实世界，从而实现对运行行为和演化规律的正确把握和描述。灰色系统模型对实验 观测数据及其分布没有什么特殊的要求和限制。当前，灰色系统理论在众多科学领域中 得以成功应用赢得了国际、国内学术界的肯定和关注。但由于灰色系统理论作为- - i 1 正 处于不断发展、不断完善的新兴学科，仍然存在许多有待于进一步研究的问题见文献1 5 2 】。 3 2 1 灰色系统理论主要内容与基本原理 客观世界，既是物质的世界又是信息的世界。它包含大量的己知信息，也包含大量 的未知信息与非确知信息。未知的或非确知的信息称为黑色信息；已知信息称为白色信 息。既含有已知信息又含有未知的、非确知的信息系统，称为灰色系统。 灰色系统理论经过多年的发展，已基本建立起一套完整的结构体系，形成了- - f 新 兴学科。其主要内容包括以灰色朦胧集、灰色代数