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地应力状态与围岩性质关系模糊识别
2012-05-18
用信息分配法进行了实测地应力中最大主应力与围岩关系的模糊识别研究,计算结果表明该方法是 可行的,具有良好的识别效果。
Series No. 295  金 属 矿 山 总 第 295 期   2001年 第 1 期 Junuary 2001 METAL MINE 地 应 力 状 态 与 围 岩 性 质 关 系 模 糊 识 别 赵奎 蔡 美 峰   南 方 冶 金 学 院 ) (北 京 科 技 大 学 ) ( 摘 要 用 信 息 分 配 法 进 行 了 实 测 地 应 力 中 最 大 主 应 力 与 围 岩 关 系 的 模 糊 识 别 研 究 ,计 算 结 果 表 明 该 方 法 是 可 行 的 ,具 有 良 好 的 识 别 效 果 。 关 键 词 地 应 力 围 岩 性 质 信 息 分 配 法 模 糊 关 系 Fuzzy Recognition of the Relationship Between Ground Stress Behavior and Surrounding Rock Properties Zhao Kui South Metallurgical Institute) Cai Meifeng ( University of Science and Technology Beijing)   ( Abstract   Study was made by means of information distribution method on the fuzzy recognition of the relationship between the greatest main stress in practically measured ground stresses and the surrounding rock properties. The calcula2 tion results show that this method is feasible and has good recognition effect. Keywords   Ground stress ,Surrounding rock property ,Information distribution method ,Fuzzy relationship 1 前 言 地 应 力 状 态 的 测 定 对 矿 山 开 发 、水 利 工 程 和 其 了 每 个 测 点 信 息 , 同 时 在 原 始 数 据 与 系 统 模 型 之 间 无 需 任 何 先 验 性 数 学 假 定 , 从 而 较 好 地 保 持 了 数 据 原 有 的 信 息 结 构 。该 方 法 的 实 质 就 是 首 先 通 过 信 息 它 地 下 工 程 及 区 域 稳 定 性 的 研 究 都 具 有 十 分 重 要 的 理 论 和 实 际 意 义 。由 于 地 应 力 测 量 费 用 昂 贵 ,在 工 程 实 际 中 一 般 不 进 行 大 量 的 地 应 力 测 量 工 作 , 通 常 是 根 据 经 验 结 合 现 场 情 况 进 行 估 计 或 进 行 少 量 的 测 量 工 作 。因 此 研 究 地 应 力 状 态 与 围 岩 性 质 之 间 的 关 系 , 在 一 定 范 围 内 根 据 围 岩 性 质 对 地 应 力 进 行 估 算 , 无 疑 具 有 重 要 的 实 际 意 义 。作 为 最 能 反 映 岩 体 中 应 力 积 累 程 度 的 最 大 主 应 力 值 与 围 岩 弹 性 模 量 之 间 的 关 WWW.KY114.CN 分 配 对 已 有 信 息 进 行 适 当 膨 胀 , 将 非 模 糊 数 据 变 成 模 糊 信 息 ,再 应 用 信 息 集 中 方 法 将 预 报 的 模 糊 信 息 变 成 非 模 糊 的 数 据 ,从 而 提 高 了 系 统 的 识 别 能 力 。 2   模 糊 关 系 识 别 方 法 211   模 糊 关 系 矩 阵 的 建 立 根 据 实 测 的 围 岩 性 质 参 数 ER 与 同 一 深 度 的 最 大 主 应 力 值 σ 1 范 围 ,确 定 ER 和 σ 1 的 论 域 分 别 为 : ER = { r1 , r2 ⋯ ⋯ rm } , σ 1 = { g1 , g2 ⋯ ⋯ gn} . (1) [ 1、3、4 ] 系 ,已 有 一 些 文 献 进 行 过 论 述 , 一 般 认 为 最 大 主 应 力 值 与 围 岩 弹 性 模 量 存 在 一 定 的 线 性 关 系 , 文 献 [1 ] 进 一 步 考 虑 了 岩 体 结 构 的 影 响 , 将 围 岩 弹 性 模 量 E 和 岩 石 质 量 指 标 RQD 的 乘 积 记 作 ER , 以 ER 作 为 评 价 岩 体 性 质 的 指 标 , 并 指 出 在 同 一 深 度 论 域 上 离 散 点 (控 制 点 ) 的 确 定 问 题 是 信 息 分 配 法 中 的 瓶 颈 问 题 ,目 前 仍 采 用 经 验 性 方 法 ,尽 管 该 方 法 有 不 足 之 处 , 但 在 工 程 中 的 应 用 和 数 学 分 析 结 果 表 明 :用 信 息 分 配 法 处 理 小 样 本 问 题 ,有 一 定 的 优 下 最 大 主 应 力 值 σ 与 ER 具 有 一 定 的 线 性 关 系 。 1 [ 2、5 ] 由 于 影 响 地 应 力 状 态 的 因 素 比 较 多 , 其 作 用 机 越 性 。这 里 考 虑 到 原 始 信 息 资 料 较 少 且 非 均 匀 理 目 前 尚 不 十 分 清 楚 ,就 同 一 矿 区 而 言 ,不 同 深 度 的 分 布 的 特 点 ,以 每 个 信 息 控 制 点 可 分 配 得 到 2 个 以 上 信 息 为 原 则 ,同 时 考 虑 精 度 要 求 和 预 报 曲 线 的 光 滑 性 ,经 过 若 干 次 试 算 最 后 确 定 论 域 上 的 离 散 点 。由 于 原 始 数 据 不 一 定 是 论 域 上 的 离 散 点 , 故 首 先 应 进 最 大 主 应 力 值 σ 与 弹 性 模 量 E 或 围 岩 性 质 参 数 ER 1 的 线 性 相 关 程 度 也 不 同 , 尤 其 是 在 测 点 数 较 少 的 情 况 下 ,采 用 最 小 二 乘 法 回 归 分 析 精 确 性 有 限 ; 同 时 , 不 能 反 映 因 素 间 比 较 细 致 的 性 质 。本 文 采 用 信 息 分 配 方 法 ,通 过 样 本 学 习 构 造 最 大 主 应 力 值 σ 与 围 岩 1 赵 奎 ,南 方 冶 金 学 院 建 工 系 ,博 士 研 究 生 ,341000 江 西 省 赣 州 市 。 性 质 参 数 ER 之 间 的 模 糊 关 系 矩 阵 , 不 仅 充 分 利 用 方 6 方 © 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net   赵 奎 等 :地 应 力 状 态 与 围 岩 性 质 关 系 模 糊 识 别 2001 年 第 1 期 m 行 二 维 信 息 分 配 , 用 ER 、σ 贮 存 原 始 数 据 信 息 ,设 ( r , g) 为 一 原 始 数 据 ,其 中 ri r ≤ ri +1 , gj ≤ g ≤ gj +1 ,则 信 息 分 配 公 式 为 : r - | g - gt | 单 元 形 式 的 矩 阵 Qm 总 n 1 μ 1 ( gj) = min{ 1 ,iΣ= 1μ 2 ( ri) bij} , (8) 式 中 ,μ 1 ( gj) 表 示 σ 在 控 制 点 gj 处 的 隶 属 度 ; 1 ≤ μ 2 ( rj) 表 示 ER 在 控 制 点 ri 处 的 隶 属 度 ,其 值 由 (6) | rs | ) (1 - Qs , t = (1 - ) , (2) 式 给 出 。 △ 1 △ 2 由 (7) 式 求 出 σ„ 为 可 能 性 分 布 多 值 预 报 式 , 当 1 推 论 因 素 为 不 可 测 因 素 或 精 度 要 求 不 高 时 , 可 按 照 式 中 , s = i , i + 1; t = j , j + 1; △ 1 = ri +1 - ri ; △ gj +1 - gj 。将 全 部 原 始 数 据 按 (2) 式 进 行 处 理 并 累 加 起 来 即 可 求 得 如 下 形 式 的 原 始 信 息 分 布 矩 阵 : 2 = 最 大 隶 属 度 原 则 得 出 最 可 能 的 预 报 值 。这 里 推 论 因 素 σ 为 可 测 因 素 , 且 要 求 有 一 定 的 精 度 , 故 采 用 信 1 a11 a21 a12 a22 ⋯ ⋯ a1 n a2 n 息 集 中 方 法 进 行 预 报 。令 Q = . (3) cj = μ 1 ( g1) 总 ꢀgj , d = max( cj) , ej = cj/ d , n ⋯ ⋯ ⋯ am1 am2 ⋯ am n pj = ej/ jΣ= 1 ej , ( j = 1 ,2 , ⋯ ⋯ , n) 1 (9) 由 (3) 式 求 出 正 规 化 因 子 即 Q 中 各 列 最 大 值 并 记 为 : g = ( ꢀg1 , ꢀg2 , ⋯ ⋯ , ꢀgn) . 由 (3) , (4) 式 ,令 bij = aij/ gj ( i = 1 ,2 , ⋯ , m ; 则 σ 最 终 预 报 分 布 可 视 为 如 下 离 散 型 随 机 变 量 : n 1 σ 1 = gj/ Pj ,jΣ= 1 Pj = 1 , ꢀ (4) ( j = 1 ,2 , ⋯ ⋯ , n) 1 (10) j = 1 ,2 , ⋯ , n) , 即 可 求 得 ER 与 σ 的 模 糊 关 系 矩 将 σ 1 的 数 学 期 望 值 作 为 信 息 集 中 预 报 结 果 ,即 1 n 阵 ,记 作 Q“ E(σ 1) = jΣ= 1 gj Pj . (11) b11 b21 ⋯ b12 b22 ⋯ ⋯ ⋯ b1 n b2 n ⋯ 3 应 用 实 例 表 1、表 2 列 出 了 测 点 深 度 分 别 推 算 至 235 m 和 310 m 若 干 矿 山 实 测 地 应 力 中 最 大 主 应 力 修 正 值 Q“ = . (5) bm1 bm2 ⋯ bm n [ 1 ] 和 围 岩 参 数 ER ,应 用 上 述 方 法 ,确 定 深 度 为 235 WWW.KY114.CN 2 12   模 糊 推 论 m 的 围 岩 参 数 ER 和 最 大 主 应 力 值 σ 为 : ER = { 5. 5 ,10. 35 ,20. 05 ,29. 75 ,39. 45 ,44. 30 , 的 论 域 分 别 1 对 任 一 给 定 的 围 岩 性 质 参 数 ER , 按 线 性 分 配 将 ER 分 配 到 其 论 域 离 散 点 上 ,即 当 ri ≤ ER ≤ ri +1 4 8 9. 15 ,54} ,σ 1 = {10. 33 ,12. 28 ,12. 475 ,12. 67 ,12. 时 , 65 ,13. 06 ,13. 255 ,13. 45 ,13. 645 ,13. 84 ,14. 62} ; ( ri +1 - ER) / ( ri +1 - ri) + 0 r1 ER = + ⋯ + 确 定 深 度 为 310 m 的 围 岩 参 数 ER 和 最 大 主 应 力 值 σ 1 的 论 域 分 别 为 ER = { 8 ,20 ,26. 5 ,35 ,37. 5 ,55 , ri ( ER - ri) / ( ri +1 - ri) + 0 . (6) ⋯ + ri +1 rm 70} ,σ 1 = { 13. 86 ,14. 89 ,15. 92 ,16. 94 ,17. 97 ,19 , 根 据 (5) , (6) 式 进 行 最 大 主 应 力 值 σ 推 论 公 式 为 : σ„1 = ERÞσ 1 , 式 中 运 算 符 号 Þ定 义 为 : 的 推 论 , 20. 03 ,21. 05 ,22. 08 ,23. 11} 。 1 为 了 显 示 本 文 方 法 实 用 效 果 , 将 信 息 集 中 预 报 [ 1 ] (7) 结 果 与 用 最 小 二 乘 法 线 性 回 归 结 果 表 3、表 4;回 归 曲 线 及 散 点 图 见 图 1、图 2 ,图 中 曲 线 进 行 比 较 ,见 表 1 深 度 为 235 m 的 围 岩 参 数 和 修 正 后 的 最 大 主 应 力 值 编 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 围 岩 参 数 ER 39. 79 13. 23 36. 61 13. 32 42. 65 13. 05 8. 18 5. 57 18. 57 12. 34 53. 06 14. 62 28. 98 13. 69 47. 54 12. 99 51. 74 13. 60 36. 33 12. 58 36. 74 12. 80 最 大 主 应 力 值 / MPa 13. 06 10. 33 表 2 深 度 为 310 m 的 围 岩 参 数 和 修 正 后 的 最 大 主 应 力 值 编 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 围 岩 参 数 ER 24. 37 18. 39 36. 00 18. 50 35. 40 23. 10 67. 69 23. 11 49. 75 22. 96 38. 24 19. 34 19. 04 18. 56 8. 50 34. 35 18. 02 25. 38 16. 33 最 大 主 应 力 值 / MPa 13. 86 方 7 方 © 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 总 第 295 期 金 属 矿 山 2001 年 第 1 期 表 3 深 度 为 235 m 的 最 大 主 应 力 / MPa 编 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 实 测 修 正 值 13. 23 13. 23 13. 01 13. 32 13. 10 13. 06 13. 05 13. 37 13. 03 13. 06 11. 81 11. 83 10. 33 11. 69 11. 20 12. 34 12. 28 12. 43 14. 62 13. 84 14. 07 13. 69 12. 75 13. 26 12. 99 13. 59 13. 35 13. 60 13. 78 13. 87 12. 58 13. 08 13. 07 12. 80 13. 10 13. 06 线 性 回 归 计 算 值 信 息 集 中 预 报 值 表 4 深 度 为 310 m 的 最 大 主 应 力 值 / MPa 编 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 实 测 修 正 值 18. 39 17. 76 17. 67 18. 50 19. 54 20. 00 23. 10 19. 44 19. 96 23. 1 23. 37 23. 06 22. 96 21. 63 21. 55 19. 34 19. 88 20. 14 18. 56 16. 95 17. 90 13. 86 15. 34 14. 45 18. 02 19. 28 19. 44 16. 33 17. 92 17. 42 线 性 回 归 计 算 值 信 息 集 中 预 报 值 ER 之 间 局 部 的 比 较 细 致 的 关 系 ,预 报 曲 线 呈 起 伏 状 上 升 ,这 与 实 测 资 料 是 吻 合 的 。 因 而 ,在 影 响 地 应 力 状 态 各 因 素 作 用 不 十 分 清 楚 的 情 况 下 ,图 中 曲 线 更 能 反 映 客 观 实 际 情 况 。 4 结 论 采 用 信 息 分 配 法 构 造 模 糊 关 系 矩 阵 的 信 息 集 中 预 报 结 果 可 以 达 到 良 好 的 效 果 ,不 仅 体 现 在 平 均 标 准 偏 差 小 ,而 且 可 以 通 过 信 息 矩 阵 得 出 更 为 丰 富 的 信 息 ,这 就 为 今 后 研 究 工 作 提 供 了 有 益 的 启 示 。 由 于 文 中 方 法 还 适 用 于 多 因 素 包 括 不 可 测 因 素 的 分 析 ,而 围 岩 地 应 力 状 态 是 受 多 种 因 素 共 同 作 用 的 ,因 此 ,在 分 析 多 种 因 素 包 括 不 可 测 因 素 对 地 应 力 状 态 图 1 深 度 为 235 m 最 大 主 应 力 与 参 数 ER 的 关 系 WWW.KY 共 1 同 作 1 用 时 4 ,本 文 方 . 法 C 的 优 越 N 性 就 更 为 突 出 ,这 有 待 作 进 一 步 深 入 研 究 。 参 考 文 献 图 2 深 度 为 310 m 最 大 主 应 力 与 参 数 ER 的 关 系 是 本 文 方 法 结 果 ,直 线 是 最 小 二 乘 法 线 性 回 归 结 果 。 由 表 3、4 计 算 得 出 深 度 为 235 和 310 m 的 信 息 集 中 预 报 平 均 标 准 偏 差 为 01514 5 和 11387 3 ;最 小 二 乘 法 线 性 回 归 得 出 的 平 均 标 准 偏 差 为 01694 7 和 1 2 3 蔡 美 峰 ,王 双 红 1 地 应 力 状 态 与 围 岩 性 质 的 关 系 1 中 国 矿 业 , 1 997 ,6(6) :38~ 41 黄 崇 福 ,王 家 鼎 1 模 糊 信 息 优 化 处 理 技 术 及 其 应 用 1 北 京 :北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ,1995 高 莉 青 ,陈 宏 德 1 岩 体 应 力 状 态 的 影 响 因 素 - 地 应 力 测 量 理 论 研 究 与 应 用 ,国 家 地 震 局 地 壳 应 力 研 究 所 情 报 室 编 译 ,北 京 :地 质 出 版 社 ,1987 :86~ 97 1 1655 9。 因 此 ,就 最 大 主 应 力 值 回 归 的 精 确 性 而 言 ,采 用 本 文 方 法 是 可 以 得 到 比 较 好 的 结 果 。 其 次 , 图 1、2 均 显 示 了 最 大 主 应 力 值 σ 随 围 岩 参 数 ER 4 5 孙 广 忠 1 工 程 地 质 与 地 质 工 程 1 北 京 :地 震 出 版 社 ,1993 :96~ 1 1 14 增 加 而 增 加 的 总 的 变 化 趋 势 ,这 是 本 文 方 法 与 最 小 二 乘 法 线 性 回 归 得 出 的 相 同 结 论 , 然 而 徐 祥 文 ,黄 崇 福 1 结 构 动 力 反 应 与 震 害 关 系 的 模 糊 识 别 1 地 震 工 程 与 工 程 振 动 ,1989 ,9 (2) :57~ 66 用 本 文 方 法 还 显 示 了 最 大 主 应 力 值 σ 与 围 岩 参 数 1 ( 收 稿 日 期 2000208208) ( 上 接 第 5 页 ) 参 考 文 献 中 提 取 所 需 金 属 的 化 学 采 矿 工 艺 。 细 菌 开 采 所 需 的 设 备 简 单 、成 本 低 廉 ,适 用 于 处 理 贫 矿 、废 矿 和 某 些 难 采 的 矿 床 ,为 充 分 利 用 地 下 矿 产 资 源 开 辟 了 一 条 很 有 前 途 的 道 路 。 1   陈 顺 方 ,桑 正 林 1 生 物 技 术 在 矿 业 上 的 应 用 1 湿 法 冶 金 ,1999 2) :1~ 陈 顺 方 ,钟 文 远 1 应 用 细 菌 浸 出 技 术 回 收 利 用 低 品 位 铜 矿 资 源 1 湿 法 冶 金 ,1999(2) :5~ 徐 浩 1 工 业 微 生 物 学 基 础 及 其 应 用 1 北 京 :科 学 出 版 社 ,1991 : 00~ 504 ( 4 2 3 8 5 ( 收 稿 日 期 2000208204) 方 8 方 © 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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