一種基於貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預警方法與流程
2023-05-21 00:02:11 3
一種基於貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預警方法，屬於巖爆預警領域，適用於深部硬巖礦山、隧道等巖(石)體類工程領域的巖爆預警。
背景技術：
近年來，隨著國民經濟對礦產資源的需求量增大以及礦山淺部資源的減少，採礦工程開始向深部擴展，巖爆等動力災害頻繁。巖爆危害大，難以預測，影響礦井生產建設的規模和進度。
目前，在巖爆傾向性判別及預警等方面，主要基於單一巖石力學參數進行判別，準確性不足，難以實現對巖爆的準確預警。
鑑於現有巖爆災害傾向性判別及預警方法不完善。因此亟需提出一種新的巖爆災害傾向性判別及預警方法，既要操作簡單，又要能夠實現巖爆的準確預警。
本發明提出的一種基於貝葉斯理論的巖爆傾向性判別方法，主要採用巖石強度指標Rb、圍巖應力指標Rθ和能量指標Wet作為基本因子，建立多參量、多維度的巖爆預警模型，對巖爆傾向性進行判別並預警。
技術實現要素：
本發明針對礦山、公路、鐵路隧道和水電站等領域中巖爆傾向性判別方式參數單一、效果差和預警結論不準確等問題，提出一種基於貝葉斯理論的巖爆預警方法，實現巖爆傾向性簡單、有效的判別和預警。
一種基於貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預警方法，其特徵在於：
本發明中的巖爆傾向性判別及預警系統主要由數據採集系統、數據傳輸系統、數據預處理系統、貝葉斯模型判別系統和巖爆預警系統等組成。通過井下巖石力學試驗獲取需要進行巖爆傾向性判別和預警區域的巖石試樣的物理力學參數，將獲取的數據進行預處理，導入貝葉斯模型進行巖爆傾向性判別，明確監測區域巖爆等級，預警系統根據巖爆等級適時對監測區域進行預警。
一種基於貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預警方法的主要實施步驟如下：
選擇需要進行巖爆傾向性判別和預警的區域，在所選預警區域範圍內，確定巖石試樣的取樣位置及數量，並通過井下巖石力學試驗獲取預警區域巖石試樣的物理力學參數，將獲取的巖石力學參數通過數據傳輸系統傳輸至地表巖爆傾向性判別及預警系統，根據貝葉斯判別模型，按照設定的巖爆等級確定巖爆傾向性級別，並據此做出是否進行巖爆預警的決定。
基於貝葉斯理論的巖爆傾向性判別模型的實現過程如下：
(1)計算巖樣力學參數的先驗概率：設有n個觀測樣本，共分為k個分類G1,G2,…Gk，分別服從m維正態總體分布，其樣本數為ni；樣本觀測量矩陣i＝1,2,3,...k，j＝1,2,3,...ni。
先驗概率：
式中，ni為第i個樣本分類的樣本數，n1+n2+,...,nk為樣本總體。
(2)求解巖樣力學參數的均值及協方差：由於Gi服從m維正態總體分布，第i個分類的總體分布特徵可以用樣本均值和樣本協方差進行矩估計：
式中，為第i組分類的樣本方差矩陣，Σ為樣本協方差矩陣。
(3)建立巖樣力學參數各分類的判別函數：
式中，pi為Gi出現的先驗概率，μi為第i組樣本均值矩陣，
Σ為樣本總體協方差矩陣，X＝(x1,x2,…xm)T為某一個樣本觀察值，i＝1,2,3,...k。
判別規則為：對於X，若則X∈Gi。
(4)計算各分類判別函數的後驗概率：
定義dj2(X)為樣品X到第i組的廣義平方距離函數：
dj2(X)＝(X-μj)TΣ-1(X-μj)-2ln pj
則X屬於第i組的後驗概率：
按判別函數值最大原則進行歸類，並計算相應的後驗概率。如果後驗概率大於50％，
可以認為先前的歸類準確。
本發明中巖爆等級及預警模型的判定和建立過程如下：
(1)以Rb(X1)、Rθ(X2)和Wet(X3)作為判別因子，將巖爆等級分為強巖爆(G1)、中等巖爆(G2)、弱巖爆(G3)和無巖爆(G4)，即以G＝(X1,X2,X3)T為三元總體，建立多參量、多維度的貝葉斯巖爆傾向性判別及預警模型。
(2)根據獲取的巖樣物理力學參數可以得到單一參數指標下的預警區域的巖爆傾向性判別結果。其中，基於巖石強度指標Rb、圍巖應力指標Rθ和能量指標Wet參量的巖爆傾向性判別等級範圍如下：
(3)根據礦井巖石力學參數以及建立的貝葉斯模型獲取監測區域的巖爆傾向性判別結果，設X＝(x1,x2,...xm)T為某一個樣本觀察值，i＝1,2,3,...k，則判別規則為：對於X，若則X∈Gi。其中，按判別函數最大值原則進行歸類，如果後驗概率大於50％，則巖爆傾向性判別準確。
本發明基於貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預警方法與傳統巖爆傾向性判別方法的不同，主要表現在以下幾個方面：
(1)傳統巖爆傾向性判別方法往往只採用單一參量進行巖爆的傾向性判別。巖爆是多重因素綜合作用的結果，如果僅考慮一方面或者單一因素，難免會產生較大偏差，多元因子的考量可以克服單一因子帶來的局限性。
(2)本發明基於貝葉斯理論的巖爆傾向性判別方法對樣本參數進行多元考察，巖石強度指標Rb、圍巖應力指標Rθ和能量指標Wet被直接採用作為基本因子，而圍巖應力σ1，σθ和巖石強度σc，σt也被間接考慮。所以，本發明對樣本參數進行了多元考量，增強了巖爆預警的準確性。
(3)本發明基於貝葉斯理論的巖爆預警方法整個判別預警系統及過程是對傳統巖爆預警方法的完善和提高，簡單易行且可靠性強。
附圖說明
圖1為本發明基於貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預警過程示意圖；
圖2為本發明基於貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預警原理示意圖。
圖中：1—數據採集系統；2—數據傳輸系統；3—井下數據交換中心；4—地表貝葉斯模型判別及預警系統。
具體實施方式
本發明基於貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預警方法具體實施過程如下：
(1)選擇需要進行巖爆傾向性判別和預警的區域，重點關注地質構造複雜區域以及曾發生過巖塊彈射的區域；
(2)在所選預警區域範圍內，根據對貝葉斯模型判別精度的要求，調整確定巖石試樣的取樣位置及數量，確保目標預警區域的監測技術指標滿足預警要求；
(3)通過井下巖石力學試驗獲取預警區域巖石試樣的物理力學參數，將獲取的巖樣力學參數通過工業電腦轉變為模擬信號，經數據傳輸系統傳輸到數據交換中心，通過數據交換中心將模擬信號轉變為數位訊號並傳輸至地表巖爆傾向性判別及預警系統；
(4)通過計算機對獲取的巖石力學參數進行預處理，得到預警區域巖體的巖石強度指標Rb、圍巖應力指標Rθ和能量指標Wet，根據單一參數判別模型對監測區域的巖爆傾向性進行判別；
根據貝葉斯判別模型，計算出每個分類的先驗概率和協方差，代入判別函數進行判斷，再進行後驗概率計算和回代驗證，根據得到的後驗概率，按照設定的巖爆等級確定巖爆傾向性級別，並據此做出是否進行巖爆預警的決定。