基于Info-gap理论的...)道围岩岩爆稳健可靠性预测_张晓君.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-08-22基金项目 山东省自然科学基金项目(编号:ZR2020ME098);国家自然科学基金项目(编号:51904178)。作者简介 张晓君(1975),男,副教授,博士。基于 Info-gap 理论的巷(隧)道围岩岩爆稳健可靠性预测张晓君1,2 魏金祝3 刘 啸1 王宇晨1(1.山东理工大学资源与环境工程学院,山东 淄博 255000;2.山东理工大学矿山工程技术研究所,山东 淄博 255000;3.山东省冶金设计院股份有限公司,山东 济南 250101)摘 要 鉴于岩爆倾向性围岩对其参数变化的强敏感性,考虑巷(隧)道围岩物理、力学、环境等参数的变化幅度,建立了基于 Info-gap 理论的 Info-gap 模型、稳健函数及评价模型,定义了具有明确含义的安全系数。采用抗力荷载模型,基于岩爆烈度分级标准,建立了岩爆预测的功能函数。通过工程实例验证了基于 Info-gap 理论的岩爆预测模型的可靠性,并探讨了各参数对岩爆预测结果的影响。结果表明:基于 Info-gap 理论的岩爆预测模型是合理和适用的;通过岩爆预测评价模型,可实现对强烈岩爆、中等岩爆、弱岩爆和无岩爆的连续评价预测;若评价结果为强烈岩爆,则中等岩爆和弱岩爆必发生,若评价结果为中等岩爆,则弱岩爆必发生;随支护力的增加,稳健可靠度指标增加,支护对岩爆烈度降低及岩爆发生与否有重要控制性作用;对于巷(隧)道围岩内部而言,所处位置不同,稳健可靠度指标不同,代表其岩爆烈度不同,通过稳健可靠性分析可得出不同岩爆烈度的岩爆深度;地应力值的变化对岩爆烈度及岩爆发生与否有重要影响。研究结果可为岩爆预测及控制提供依据。关键词 岩爆 Info-gap 模型 功能函数 稳健可靠度指标 侧压系数 中图分类号TU452 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-043-06DOI 10.19614/ki.jsks.202302007Robust Reliability Prediction of Roadway(Tunnel)Surrounding Rock Burst Based on Info-gap TheoryZHANG Xiaojun1,2 WEI Jinzhu3 LIU Xiao1 WANG Yuchen1(1.School of Resources and Environment,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China;2.Institution of Mining Engineering and Technology,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China;3.Shandong Province Metallurgical Engineering Co.,Ltd.,Jinan 250101,China)Abstract In view of the strong sensitivity of rockburst prone surrounding rock to its parameter variation,the Info-gap model,robust function and evaluation model based on Info-gap theory are established considering the variation range of physi-cal,mechanical and environmental parameters of roadway(tunnel)surrounding rock,and the safety factor with clear meaning is defined.Based on the classification standard of rockburst intensity,the performance function of rockburst prediction is estab-lished by using the resistance-load model.The reliability of rock burst prediction model based on Info-gap theory is verified by engineering examples,and the influence of various parameters on rock burst prediction results is discussed.The results show that the rock burst prediction model based on Info-gap theory is reasonable and applicable.Through the rock burst prediction and evaluation model,the continuous evaluation and prediction of strong rock burst,medium rock burst,weak rock burst and no rock burst can be realized.If the evaluation result is strong rock burst,medium rock burst and weak rock burst will occur.If the evaluation result is medium rock burst,weak rock burst will occur.With the increase of supporting force,the robust reliability index increases,and the supporting plays an important role in controlling the decrease of rockburst intensity and the occurrence of rockburst.For the surrounding rock of roadway(tunnel),the location is different,the robust reliability index is different,which represents the different intensity of rock burst.Through the robust reliability analysis,the rock burst depth of different rock burst intensity can be obtained.The change of ground stress value has an important influence on rockburst intensity and rockburst occurrence.The research results can provide a basis for rockburst prediction and control.34Keywords rockburst,Info-gap model,functional function,robust reliability index,side pressure coefficient 岩爆是深部地下空间开挖与资源开采过程中亟待解决的问题,是前沿研究的热点和难点。岩爆的发生源于其内因和外因的共同作用,很多学者结合内外因,开展了岩爆预测研究。仝跃等1基于 PSO-SVM算法和岩爆实测数据,对岩爆预测参数的敏感性做出了分析;轩俊杰等2基于应力场反演和弹性应变能积聚、汤志立等3基于过采样和客观赋权法、谭文侃等4基于 LOF 与改进 SMOTE 算法组合、李明亮等5基于变异系数与序关分析法多维正态云模型、何佳其等6通过引入梯度应力强度、吴枋胤等7基于萤火虫投影寻踪算法(FA-PP)、田睿等8基于 RF-AHP-云模型、孙臣生9基于改进 MATLAB-BP 神经网络算法开展了岩爆等级预测工作。当前岩爆预测工作基本上是以确定性参数值代入模型的方法来得出结果,其严格依赖于物理力学等参数的准确性。实际上巷(隧)道围岩的物理力学参数值存在较大的变异性,作为荷载的应力场在不同位置也存在差别,加之室内、现场测试数据有限,对岩爆预测结果的可靠性造成较大影响。鉴于巷(隧)道围岩的物理、力学及环境等参数的不确定性及现有岩爆预测方法对数据准确性的依赖性较强,需要探寻定量处理参数不确定性问题的新方法。不确定性问题可以用概率论和模糊理论来处理,但概率和模糊预测模型需要较多的数据且相关计算量较大,同时概率可靠性对概率模型参数也很敏感,工程中难以获得大量的测试数据,且数据存在明显变异性,在一定程度上影响了该方法在岩爆预测方面的应用。岩爆常发生在完整或比较完整的岩体中,具有岩爆倾向性的巷(隧)道围岩对损伤有很强的临界敏感性,因此参数值的微小变化都可能引发岩爆。而工程岩体物理、力学、环境等参数的变化范围存在或大或小的波动,这种波动对于具有岩爆倾向性的围岩是不可忽视的。很多情况下,工程岩体物理、力学、环境等参数的变化范围可大体确定,因此,基于区间理论的非概率可靠性的方法来解决参数不确定性问题具备一定优势10-12。综上可见,考虑工程岩体物理、力学、环境等参数波动幅度的岩爆预测方法将更符合实际,预测结果也更可靠。基于 Info-gap 理论的稳健性分析方法正好解决上述问题13-14,目前尚未应用此方法开展岩爆预测研究的报道。本研究基于 Info-gap 理论,考虑巷(隧)道围岩物理、力学、环境等参数的波动变化,建立岩爆烈度预测模型,通过工程实例探讨各参数对岩爆预测结果的影响,为岩爆预测及控制提供依据。1 基于 Info-gap 理论的岩爆预测1.1 Info-gap 模型影响岩爆预测结果的因素有很多,存在很多不确定性变量,可分为两大类。一类是与防控岩爆措施有关的可控变量,比如岩爆解危参数、岩爆支护参数、岩爆智能调控参数等,这些参数可以根据具体情况进行调整,使其处于正常的防控工作状态,属于设计变量,用向量 u 表示。另一类是巷(隧)道本身受到的荷载及自身的物理力学参数等变量,这些参数天然具有不确定性,难以根据具体情况进行调整,属于设计参数,这些不可控变量用向量 v 来表示。综合以上,可得到岩爆预测的巷(隧)道围岩状态功能函数 M(u,v),即为含有设计变量 u 和设计参数 v 的岩爆预测响应模型。巷(隧)道围岩系统抵抗不确定性的能力越强,也就越稳定。建立 Info-gap 模型来描述巷(隧)道围岩系统不确定因素的波动变化,当模型不确定时:U(,F-)=F:F-F-,0,(1)式中,F 为描述某因素的真实函数;F-为已知近似函数;为不确定性参数,用以反映不确定因素的波动幅度,即近似函数 F-与真实函数 F 的偏离程度,其值越大,偏离程度越大,反之越小。当参量不确定时:U(,G-)=G:Gi-G-iGi-,i=1,2,n,0,(2)式中,G 和 G-为 不 确 定 参 量 的 向 量;且 G=G1,G2,Gn,G-=G1-,G2-,Gn-。Gi和 G-i分别表示 n 个不确定参量中第 i 个的真实值和名义值。1.2 Info-gap 稳健函数及评价 作为不确定性参数,也是稳健性的度量指标,这一量 值 取 决 于 巷(隧)道 围 岩 状 态 功 能 函 数M(u,v)是否满足稳定性要求,针对具有岩爆倾向性的巷(隧)道围岩可得:M(u,v)0,(3)表明具