權(quán)利要求

1.基于傾向度和未確知測度的巖爆預(yù)測方法，其特征在于：預(yù)測方法包括如下步驟：

1)確定應(yīng)力指標(biāo)值體系

根據(jù)數(shù)值模擬得到不同水平采場及周邊圍巖的最大主應(yīng)力σ1指標(biāo)值、切向應(yīng)力σθ指標(biāo)值和彈性應(yīng)變能We指標(biāo)值，并將這三項(xiàng)指標(biāo)值和室內(nèi)試驗(yàn)所測得的單軸抗壓強(qiáng)度Rc指標(biāo)值和彈性能指數(shù)Wet指標(biāo)值結(jié)合，計(jì)算得到圍巖切向應(yīng)力系數(shù)σθ/σc指標(biāo)值和強(qiáng)度應(yīng)力比σc/σ1指標(biāo)值，即應(yīng)力指標(biāo)值體系包括最大主應(yīng)力σ1指標(biāo)值、切向應(yīng)力σθ指標(biāo)值、彈性應(yīng)變能We指標(biāo)值、單軸抗壓強(qiáng)度Rc指標(biāo)值、彈性能指數(shù)Wet指標(biāo)值、圍巖切向應(yīng)力系數(shù)σθ/σc指標(biāo)值和強(qiáng)度應(yīng)力比σc/σ1指標(biāo)值；

2)構(gòu)建評價對象的評價指標(biāo)體系

令不同深度巖爆對象空間為R，若R中的任一樣本集Ri(i＝1,2,…n)與m個影響因素M1，M2，...Mm有關(guān)，記集合M＝(M1，M2，...Mm)為指標(biāo)集；并選取步驟1)應(yīng)力指標(biāo)值體系中的圍巖切向應(yīng)力系數(shù)σθ/σc指標(biāo)值、強(qiáng)度應(yīng)力比σc/σ1指標(biāo)值、彈性能量指數(shù)Wet指標(biāo)值和彈性應(yīng)變能We指標(biāo)值作為巖爆災(zāi)害等級的評價指標(biāo)體系；

3)對樣本集進(jìn)行分類

將樣本集按研究對象特征分為k類，組成分類集U＝{C1,C2,…,Ck}，其中Ck為巖爆評價指標(biāo)的第k個等級，且高于第k-1個等級，即Ck>Ck-1；

4)確定未確知測度函數(shù)和單指標(biāo)測度矩陣、確定巖爆傾向度

根據(jù)單指標(biāo)測度函數(shù)定義及評價指標(biāo)體系中各評價指標(biāo)的分類等級計(jì)算各評價指標(biāo)的未確知測度函數(shù)和評價對象的單指標(biāo)測度矩陣；

5)計(jì)算多指標(biāo)綜合測度

令wik＝p(Ri∈Ck)為待評價樣本Ri屬于第k個巖爆評價等級Ck的程度，則可由公式(3)求得多指標(biāo)綜合測度：

式中：0≤wik≤1以及

6)確定評價對象所屬等級

設(shè)λ為置信度且若C1>C2>…>Ck>…>Cp、λ≥0.5，且

則判定巖爆評價對象Ri為第k0評價等級，判定巖爆評價對象等級后，對巖爆傾向性大小進(jìn)行順序排列；

7)預(yù)測結(jié)果

如果C1>C2>…>Cp，令Cl的分值為Il，則Il>Il+1，且有

記qRi為評價因素Ri未確知重要度，稱q＝{qR1,qR2,…,qRi}未確知重要度向量，按其大小對其巖爆災(zāi)害傾向性進(jìn)行排序。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于傾向度和未確知測度的巖爆預(yù)測方法，其特征在于：所述步驟4)中，單指標(biāo)測度函數(shù)定義為：令wijk＝w(xij∈Ck)為樣本集Ri的第j個指標(biāo)Mj的測量值xij屬于第k個分類Ck的程度，wijk即為單指標(biāo)測度，且wijk應(yīng)該滿足公式(1)：

非負(fù)有界性0≤w(xij∈Ck)≤1

歸一性w(xij∈U)＝1

可加性

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于傾向度和未確知測度的巖爆預(yù)測方法，其特征在于：所述步驟4)中，巖爆傾向度：根據(jù)公式(2)計(jì)算預(yù)測單元中的第j個因子的巖爆傾向度；

pj為預(yù)測單元中的第j個因子的巖爆傾向度；mj為預(yù)測單元中第j個因子實(shí)際測量計(jì)算值；Lj為第j個因子的標(biāo)準(zhǔn)限值。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于地下礦山巖爆災(zāi)害預(yù)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于傾向度和未確知測度的巖爆預(yù)測方法。

背景技術(shù)

目前對巖爆發(fā)生機(jī)制的研究主要由理論分析與現(xiàn)場探測結(jié)合的方法。其理論研究主要有強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論、失穩(wěn)理論、突變理論以及斷裂損傷理論等，并確定了相應(yīng)的巖爆判據(jù)與巖爆分級標(biāo)準(zhǔn)，最常見巖爆判據(jù)主要有應(yīng)力判據(jù)、能量判據(jù)、臨界深度判據(jù)等。但由于巖爆發(fā)生具有突發(fā)性、不確定性等特點(diǎn)，學(xué)者們大多應(yīng)用數(shù)學(xué)方法與實(shí)際工程相結(jié)合的方法進(jìn)行巖爆災(zāi)害預(yù)測研究，如模糊數(shù)學(xué)綜合評價法、粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、支持向量機(jī)法、AHP-TOPSIS評判法等。這些數(shù)學(xué)方法在指標(biāo)評價分析中發(fā)揮了積極的作用，其中有些方法在指標(biāo)權(quán)重確定問題中存在一定的不足，如層次分析法主觀性較強(qiáng)；模糊數(shù)學(xué)綜合評判法過度強(qiáng)調(diào)極值作用，易忽略有效信息；熵權(quán)法依賴于指標(biāo)變異程度，數(shù)據(jù)較少的情況下偏差較大；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受樣本的容量影響較大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是針對深部開采巖爆頻發(fā)影響礦山高效生產(chǎn)這一難題，提供一種保證礦山采場和巷道施工的正常進(jìn)行、從而提高礦山企業(yè)生產(chǎn)的安全性和高效性的基于傾向度和未確知測度的巖爆預(yù)測方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于傾向度和未確知測度的巖爆預(yù)測方法，包括如下步驟：

1)確定應(yīng)力指標(biāo)值體系

根據(jù)數(shù)值模擬得到不同水平采場及周邊圍巖的最大主應(yīng)力σ1指標(biāo)值、切向應(yīng)力σθ指標(biāo)值和彈性應(yīng)變能We指標(biāo)值，并將這三項(xiàng)指標(biāo)值和室內(nèi)試驗(yàn)所測得的單軸抗壓強(qiáng)度Rc指標(biāo)值和彈性能指數(shù)Wet指標(biāo)值結(jié)合，計(jì)算得到圍巖切向應(yīng)力系數(shù)σθ/σc指標(biāo)值和強(qiáng)度應(yīng)力比σc/σ1指標(biāo)值，即應(yīng)力指標(biāo)值體系包括最大主應(yīng)力σ1指標(biāo)值、切向應(yīng)力σθ指標(biāo)值、彈性應(yīng)變能We指標(biāo)值、單軸抗壓強(qiáng)度Rc指標(biāo)值、彈性能指數(shù)Wet指標(biāo)值、圍巖切向應(yīng)力系數(shù)σθ/σc指標(biāo)值和強(qiáng)度應(yīng)力比σc/σ1指標(biāo)值；

2)構(gòu)建評價對象的評價指標(biāo)體系

令不同深度巖爆對象空間為R，若R中的任一樣本集Ri(i＝1,2,…n) 與m個影響因素M1，M2，...Mm有關(guān)，記集合M＝(M1，M2，...Mm)為指標(biāo)集；并選取步驟1)應(yīng)力指標(biāo)值體系中的圍巖切向應(yīng)力系數(shù)σθ/σc指標(biāo)值、強(qiáng)度應(yīng)力比σc/σ1指標(biāo)值、彈性能量指數(shù)Wet指標(biāo)值和彈性應(yīng)變能We指標(biāo)值作為巖爆災(zāi)害等級的評價指標(biāo)體系；

3)對樣本集進(jìn)行分類

將樣本集按研究對象特征分為k類，組成分類集 U＝{C1,C2,…,Ck}，其中Ck為巖爆評價指標(biāo)的第k個等級，且高于第 k-1個等級，即Ck>Ck-1；

4)確定未確知測度函數(shù)和單指標(biāo)測度矩陣、確定巖爆傾向度

根據(jù)單指標(biāo)測度函數(shù)定義及評價指標(biāo)體系中各評價指標(biāo)的分類等級計(jì)算各評價指標(biāo)的未確知測度函數(shù)和評價對象的單指標(biāo)測度矩陣；

5)計(jì)算多指標(biāo)綜合測度

令wik＝p(Ri∈Ck)為待評價樣本Ri屬于第k個巖爆評價等級Ck的程度，則可由公式(3)求得多指標(biāo)綜合測度：

式中：0≤wik≤1以及

6)確定評價對象所屬等級

設(shè)λ為置信度且若C1>C2>…>Ck>…>Cp、λ≥0.5，且

則判定巖爆評價對象Ri為第k0評價等級，判定巖爆評價對象等級后，對巖爆傾向性大小進(jìn)行順序排列；

7)預(yù)測結(jié)果

如果C1>C2>…>Cp，令Cl的分值為Il，則Il>Il+1，且有

記qRi為評價因素Ri未確知重要度，稱q＝{qR1,qR2,…,qRi}未確知重要度向量，按其大小對其巖爆災(zāi)害傾向性進(jìn)行排序。

進(jìn)一步地，所述步驟4)中，單指標(biāo)測度函數(shù)定義為：令wijk＝w(xij∈Ck)為樣本集Ri的第j個指標(biāo)Mj的測量值xij屬于第k個分類Ck的程度，wijk即為單指標(biāo)測度，且wijk應(yīng)該滿足公式(1)：

非負(fù)有界性0≤w(xij∈Ck)≤1

歸一性w(xij∈U)＝1

可加性

進(jìn)一步地，所述步驟4)中，巖爆傾向度：根據(jù)公式(2)計(jì)算預(yù)測單元中的第j個因子的巖爆傾向度；

pj為預(yù)測單元中的第j個因子的巖爆傾向度；mj為預(yù)測單元中第 j個因子實(shí)際測量計(jì)算值；Lj為第j個因子的標(biāo)準(zhǔn)限值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)巖爆預(yù)測理論和特點(diǎn)，及其與巖性、地應(yīng)力、巖體儲能之間的關(guān)系，建立了以圍巖切向應(yīng)力系數(shù)σθ/σc、強(qiáng)度度應(yīng)力比σc/σ1、彈性能量指數(shù)Wet、彈性應(yīng)變能We作為巖爆災(zāi)害等級評價指標(biāo)的預(yù)測數(shù)學(xué)模型；提出巖爆傾向度概念確定權(quán)重，并結(jié)合未確知測度理論，在參考巖爆分級標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，對礦區(qū)不同深度巖體進(jìn)行巖爆傾性預(yù)測，得出-530m至-550m 水平開采時，巖爆傾向較高，為中等巖爆，為礦山安全生產(chǎn)和巖爆治理提供科學(xué)的參考。

附圖說明

圖1為-517.5m水平開采最大主應(yīng)力分布云圖；

圖2為-535m水平開采最大主應(yīng)力分布云圖；

圖3為-552.5m水平開采最大主應(yīng)力分布云圖；

圖4為-570m水平開采最大主應(yīng)力分布云圖；

圖5為采場巷道沿Y＝930m方向剖面最大主應(yīng)力云圖；

圖6為采場巷道沿Y＝940m方向剖面最大主應(yīng)力云圖；

圖7為采場巷道沿Y＝950m方向剖面最大主應(yīng)力云圖；

圖8為采場巷道沿Y＝960m方向剖面最大主應(yīng)力云圖；

圖9為采場巷道沿Y＝970m方向剖面最大主應(yīng)力云圖；

圖10為采場巷道沿Y＝980m方向剖面最大主應(yīng)力云圖；

圖11為采場巷道沿Y＝990m方向剖面最大主應(yīng)力云圖；

圖12為采場巷道沿Y＝1000m方向剖面最大主應(yīng)力云圖；

圖13為采場巷道沿Y＝1010m方向剖面最大主應(yīng)力云圖；

圖14為采場巷道沿Y＝1020m方向剖面最大主應(yīng)力云圖；

圖15為切向應(yīng)力系數(shù)預(yù)測指標(biāo)單指標(biāo)側(cè)度函數(shù)圖；

圖16為強(qiáng)度應(yīng)力比預(yù)測指標(biāo)單指標(biāo)側(cè)度函數(shù)圖；

圖17為彈性能量指數(shù)預(yù)測指標(biāo)單指標(biāo)側(cè)度函數(shù)圖；

圖18為彈性應(yīng)變能預(yù)測指標(biāo)單指標(biāo)側(cè)度函數(shù)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例

1)確定應(yīng)力指標(biāo)值體系

如圖1～14所示，根據(jù)數(shù)值模擬得到不同水平采場及周邊圍巖的最大主應(yīng)力σ1指標(biāo)值、切向應(yīng)力σθ指標(biāo)值和彈性應(yīng)變能We指標(biāo)值，并將這三項(xiàng)指標(biāo)值和室內(nèi)試驗(yàn)所測得的單軸抗壓強(qiáng)度Rc指標(biāo)值和彈性能指數(shù)Wet指標(biāo)值結(jié)合，計(jì)算得到圍巖切向應(yīng)力系數(shù)σθ/σc指標(biāo)值和強(qiáng)度應(yīng)力比σc/σ1指標(biāo)值，即應(yīng)力指標(biāo)值體系包括最大主應(yīng)力σ1指標(biāo)值、切向應(yīng)力σθ指標(biāo)值、彈性應(yīng)變能We指標(biāo)值、單軸抗壓強(qiáng)度Rc指標(biāo)值、彈性能指數(shù)Wet指標(biāo)值、圍巖切向應(yīng)力系數(shù)σθ/σc指標(biāo)值和強(qiáng)度應(yīng)力比σc/σ1指標(biāo)值，如表1；

表1 巖爆應(yīng)力指標(biāo)值匯總

2)構(gòu)建評價對象的評價指標(biāo)體系

選取步驟1)應(yīng)力指標(biāo)值體系中的圍巖切向應(yīng)力系數(shù)σθ/σc指標(biāo)值、強(qiáng)度應(yīng)力比σc/σ1指標(biāo)值、彈性能量指數(shù)Wet指標(biāo)值和彈性應(yīng)變能We指標(biāo)值作為巖爆災(zāi)害等級的評價指標(biāo)體系；

3)對樣本集進(jìn)行分類

參考近年來巖爆判據(jù)成果，確定巖爆評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建各單指標(biāo)測度及多指標(biāo)綜合測度的集合為U＝{C1，C2，C3，C4}，即將巖爆評價指標(biāo)分為I、II、III、IV四個等級，即無巖爆(C1)、弱巖爆(C2)、中等巖爆(C3)、強(qiáng)烈?guī)r爆(C4)，具體見表2；

表2 巖爆評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

4)確定未確知測度函數(shù)和單指標(biāo)測度矩陣、確定巖爆傾向度

結(jié)合單指標(biāo)測度函數(shù)及各評價指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)，利用線性分布關(guān)系對巖爆傾向性指標(biāo)構(gòu)造單指標(biāo)測度函數(shù)，得到各參數(shù)的未確知測度函數(shù)(見圖15～18)，進(jìn)而可得出各個評價對象的單指標(biāo)測度矩陣如下：

其中，單指標(biāo)測度：令wijk＝w(xij∈Ck)為樣本集Ri的第j個指標(biāo)Mj的測量值xij屬于第k個分類Ck的程度，wijk即為單指標(biāo)測度，且wijk應(yīng)該滿足公式(1)：

非負(fù)有界性0≤w(xij∈Ck)≤1

歸一性w(xij∈U)＝1

可加性

巖爆傾向度：根據(jù)計(jì)算得出的巖爆單指標(biāo)測度評價矩陣以及利用巖爆傾向度計(jì)算公式可計(jì)算出不同深埋水平各巖爆傾向度即權(quán)重；

pj為預(yù)測單元中的第j個因子的巖爆傾向度；mj為預(yù)測單元中第 j個因子實(shí)際測量計(jì)算值；Lj為第j個因子的標(biāo)準(zhǔn)限值(以第II級為標(biāo)準(zhǔn))。

以R3為例，得出R3的各指標(biāo)巖爆傾向度為：wr3＝{0.1753，0.2621， 0.2900，0.2726}，同理，可得到其他深埋水平的各巖爆傾向度；

5)計(jì)算多指標(biāo)綜合測度

令wik＝p(Ri∈Ck)為待評價樣本Ri屬于第k個巖爆評價等級Ck的程度，則可由公式(3)求得多指標(biāo)綜合測度：

式中：0≤wik≤1以及

6)確定評價對象所屬等級

設(shè)λ為置信度且若C1>C2>…>Ck>…>Cp、λ≥0.5，且

則判定巖爆評價對象Ri為第k0評價等級，判定巖爆評價對象等級后，對巖爆傾向性大小進(jìn)行順序排列；

根據(jù)置信度判別規(guī)則，取置信度為0.5，有λ＝0.5。對于對象R4由多指標(biāo)綜合測度向量和置信度準(zhǔn)則公式有： 0.0436+0.4172+0.5392>λ＝0.5，可得k0＝3，可以判斷出-530m水平開采礦體巖爆傾向等級為III級，同樣地，可以得到其他水平礦體的巖爆傾向等級，詳見表3。

表3 巖爆評價結(jié)果匯總

由表3可知，-510m以上無巖爆傾向，隨著開采深度增加，巖爆傾向越來越明顯，其中弱巖爆傾向有四處，中等巖爆傾向有兩處，分別在-530m和-550m水平，因此，根據(jù)巖爆現(xiàn)象，在開采-530m至 -550m水平礦體時，采區(qū)會出現(xiàn)弱～中等巖爆的可能，采場及周邊圍巖極有可能出現(xiàn)變形并發(fā)展的跡象，局部區(qū)域巖體可能會有一定的巖片松脫和彈射現(xiàn)象，并會伴隨輕微～強(qiáng)的聲發(fā)射現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，在該區(qū)域進(jìn)行采礦時應(yīng)布置監(jiān)測點(diǎn)，完善地壓監(jiān)測系統(tǒng)，加強(qiáng)地壓監(jiān)控和預(yù)警。

7)評價結(jié)果

除了要判斷Ri屬于哪個評價等級外，有時需要對Ri的巖爆傾向性大小程度排出順序。如果C1>C2>…>Cp，令Cl的分值為Il，則Il>Il+1，且有

記qRi為評價因素Ri未確知重要度，稱q＝{qR1,qR2,…,qRi}未確知重要度向量，按其大小可以對其巖爆災(zāi)害傾向性進(jìn)行排序。

根據(jù)未確知重要度公式可知：如果C1>C2>C3>C4，令C1＝4，C2＝3， C3＝2，C4＝1計(jì)算其相對重要度，則有q＝{qR1，qR2，…，qRi}＝{3.5467， 2.8346，2.6675，2.5043，2.9454，2.4890，3.2768，2.6900}，對各深度水平采場的巖爆傾向性按重要度排序，則危險程度從大到小依次為R6、R4、R3、R8、R2、R5、R7、R1。因此，由計(jì)算結(jié)果可知在不同深度水平中，-550m水平巖爆傾向較為突出，且圍巖穩(wěn)定的臨界重要度數(shù)值大小趨近于3，即重要度大于3時，無巖爆現(xiàn)象，重要度小于3時，會出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。