基于机器学习可解释性算法的岩爆指标分析

为探究弹性能指数、应力系数、脆性系数、埋深四种岩爆指标与岩爆等级之间的相关关系,解决复杂机器学习算法的黑盒问题。本文引入LIME(local interpretable model agnostic explanations)算法,完善岩爆机器学习预测过程中的可解释性。文章搜集国内外190组岩爆实例工程构建数据集经过预处理后,通过9种机器学习算法比较获得最优算法并采用贝叶斯优化获得算法最优参数,建立岩爆预测模型。基于LIME可解释性算法,对四种岩爆指标进行相关、回归及阈值分析,最后采用弹性能指数及应力系数两种指标阈值对终南山隧道竖井工程进行岩爆预测。研究结果表明：(1) 岩爆等级与弹性能指数、应力系数呈线性相关,且弹性能指数线性关系更明显;(2) 岩爆等级与脆性系数、埋深呈非线性相关,且脆性系数非线性关系更明显;(3) 4个岩爆指标对岩爆等级影响程度依次为：弹性能指数、应力系数、埋深、脆性系数;(4) LIME算法可以准确地表达岩爆等级与岩爆指标之间的相关关系且得到的两种指标阈值与终南山隧道竖井工程实例具有一致性。     

基于未确知均值分类理论的岩爆发生和分级预测方法

为解决岩爆预测中的不确定性问题,将未确知均值分类理论应用于岩爆综合评判中,建立了岩爆发生和分级预测的未确知均值分类理论分析模型.模型选用最大切应力、单轴抗压强度、单轴抗拉强度和弹性能量指数4个指标作为岩爆发生和分级预测的判别因子.将岩爆烈度分为4个等级并作为未确知均值分类理论分析的4个类别.以国内外岩爆工程实测数据作为建立分类标准和模型的样本,以各等级的指标均值作为分类标准.求取未确知测度函数.采用信息熵确定权重,用置信度识别准则进行等级判定.将本研究建立的模型应用到隧道和矿山工程的岩爆预测中,结果表明.未确知均值分类分级预测方法预测结果与实际情况吻合较好,预测精度高,因而是岩爆发生和分级预测的一种有效方法,可在岩爆工程判别中应用和推广.     

引汉济渭工程秦岭隧洞岩爆数值模拟与岩爆预测研究

以引汉济渭秦岭隧洞工程为研究对象,针对工程埋深大、地应力高和地质条件复杂的特点,进行高地应力条件下超长深埋隧洞岩爆的数值模拟预测研究。基于隧洞围岩工程力学性质和原始地应力反演数据,通过数值模拟技术,运用离散元法软件(3DEC),对研究区域的五个代表性埋深段进行隧洞开挖数值模拟,分析开挖后围岩的二次应力、位移变化和破坏情况。选择五种不同的岩爆判据对围岩岩爆等级进行预测,并将综合评判结果与实际岩爆发生情况对比。研究表明,基于离散元计算预测岩爆的方法是可行的,预测岩爆等级与实际岩爆发生情况基本吻合。     

成兰铁路特长深埋隧道岩爆段应力特征

为了探究高地应力环境下深埋隧道岩爆发生机理,掌握岩爆孕育规律,本文通过现场测试、数值分析及室内实验,对平安特长深埋隧道岩爆段围岩的二次应力场进行了分析,探明了隧道岩爆发生的力学机制,并运用经典应力岩爆判据指标,预测判断出岩爆发生强度及位置。研究表明隧道侧壁处存在较大的压应力,是造成岩爆发生的主要原因；高地应力条件下,由于结构面等不利因素的存在,造成掌子面中部处原岩应力突发释放而引发高烈度的岩爆；在岩爆区段进行应力释放孔的布置,能够有效地释放原岩应力,减少岩爆发生的可能性。相关研究成果能够深化人们对于高地应力环境下岩爆发生机制的认识,为类似工程岩爆的防控及建设提供科学依据。     

基于决策树模型的岩爆烈度预测

综合分析了岩爆的主要影响因素,选取岩石应力系数σ_θ/σ_c、岩石脆性系数σ_c/σ_t和弹性能量指数Wet作为评价指标,采用决策树方法进行岩爆烈度预测。以国内外比较典型的32个岩石地下工程实例作为基础样本数据,结合ID3算法建立了判定岩爆烈度的决策树模型。再选取15个工程实例,运用建立好的决策树模型对其岩爆烈度进行分级,并与实际岩爆等级以及采用模糊灰关联法、距离判别法、ν-SVR算法的评判结果进行对比。结果表明,本文提出的决策树方法具有计算简单、准确可靠、预测效率高的特点。     

双江口水电站深埋地下隧洞微震活动特征分析

双江口水电站尾调交通洞埋深大,围岩主要由花岗岩组成,地应力高,地应力与岩体强度比值大,开挖卸荷作用下围岩极易发生岩爆现象。本文结合地质资料、开挖形式,对岩爆分布及破坏特征进行了分析。并利用微震监测,采集并分析微震事件特征,揭露了岩爆与微震事件的内在联系,研究结果发现：双江口尾调交通洞微震事件主要聚集于靠山侧,在岩爆发生前24小时突然聚集;高应力围岩在开挖作用下的应力调整是岩爆发生的根本原因。该研究结果可为类似工程中岩爆的监测与预报提供一定的借鉴作用。     

双江口水电站深埋地下隧洞微震活动的特征分析

双江口水电站尾调交通洞埋深大,围岩主要由花岗岩组成,地应力高,地应力与岩体强度比值大,开挖卸荷作用下围岩极易发生岩爆现象。结合地质资料、开挖形式,对岩爆分布及破坏特征进行了分析。并利用微震监测,采集微震事件频次并分析微震事件特征,揭露了岩爆与微震事件的内在联系。研究结果发现:双江口尾调交通洞微震事件主要聚集于靠山侧,在岩爆发生前24 h突然聚集;高应力围岩在开挖作用下的应力调整是岩爆发生的根本原因。该研究结果可为类似工程中岩爆的监测与预报提供一定的借鉴作用。     

高地应力隧道岩爆实验及模拟预测

为了深入了解高应力区岩爆机理、围岩失稳特征与应力场的变化关系,以黑石岭隧道岩爆为研究背景,运用强度准则理论分析、物理实验和三维应力场数值模拟的方法进行综合研究。研究发现,脆硬性岩体开挖卸荷后应力场σ_1、σ_3的变化态势对岩体破坏特征有直接影响,围岩σ_3值的增长抑制岩石的径向位移,造就应力场环向梯度的偏大,加上岩体聚集的较高的弹性应变能,是诱发岩爆的主要原因。掌握岩体岩性及破坏过程中应力-应变关系,研究分析开挖卸荷应力场的变化趋势,是预测判别岩爆及其发生位置的重要方法。     

深埋公路隧道高地应力场特征分析及岩爆预测

深埋隧道岩体中有较高地应力,在岩石强度较高的围岩处易发生岩爆,影响围岩稳定性。笔架山公路隧道埋深大,为降低其安全建设风险,本文通过工程区岩样岩体力学实验对围岩性质进行研究,结合地应力资料建立三维有限元地质模型反演隧址区地应力场,最终利用谷-陶岩爆判据和强度应力比岩爆判据对笔架山隧道岩爆状态进行预测。结果表明：隧道工程区内岩体有中等-强烈岩爆倾向;隧道沿线地应力场由自重应力场主导,大多数区段岩体处于极高应力状态,且水平最大主应力与隧道夹角较小,有利于围岩稳定;开挖后沿线围岩最大主应力峰值为63.2MPa,均发生在断面侧壁,因此在该部位发生岩爆的可能性较大;隧道沿线24%区段有发生岩爆的可能,且以中等-高岩爆活动为主,岩爆预测结果可为隧道开挖施工和灾害防治提供参考。     

冬瓜山铜矿深井开采岩爆危险区分析与预测

根据冬瓜山矿床典型岩石的抗拉试验、全应力应变试验和峰值强度变形状态下的松弛试验结果以及矿床构造、岩性分布,研究了该矿床岩层的岩爆倾向性分布特征,分析了已发生的井巷岩爆特征;采用数值模拟方法,以硐室周边最大切向应力与岩石的抗压强度之比为判别指标,对采场围岩岩爆危险区进行了预测.研究结果表明矿体和矿体上盘岩石具有中等岩爆倾向,矿体下盘岩石具有弱岩爆倾向,它们都属于诱导性的岩爆;岩爆发生于具有岩爆倾向、应力大且能够产生能量突然释放的区域,主要集中于工程的交叉处附近、不同岩层的接触带附近的较坚硬岩体以及采场顶板、矿柱和采场四角的局部区域.     

基于多重判据的高楼山隧道岩爆倾向性判别

为探究不同层理倾角对岩体岩爆倾向性的影响,以武九高速土建工程高楼山隧道的层理灰岩为研究对象,通过室内单轴加载与加卸载试验,结合弹性应变能岩爆指标、临界埋深岩爆指标、陶振宇岩爆指标和Russense岩爆指标对不同层理角度的岩样进行了岩爆倾向性综合分析.结果表明:不同岩爆指标的判别结果之间存在一定差异;层理角度对岩爆倾向性有显著性影响,当层理角度为60°时岩爆倾向性最高,层理角度为45°时岩爆临界埋深最浅;基于多重判据的岩爆倾向性判别法为在具有层理结构岩体的地下工程中进行岩爆灾害的预测预报提供了有益参考.     

岩爆灾害的灰类白化权函数聚类预测方法

岩爆是高应力岩石地下工程中的地质灾害.将岩爆与其影响因素之间的关系作为灰色系统,提出采用灰类白化权函数聚类的预测方法对岩爆灾害进行预测.选取岩石弹性能量指数、脆性系数和围岩最大切向应力与岩石单轴抗压强度的比值作为岩爆灾害预测的主要影响因子,并构造了适于岩爆预测的各聚类指标的白化权函数.采用本文提出的方法对国内外一些岩石地下工程实例进行了分析,并与工程实际情况进行了对比,研究结果表明,本文提出的基于灰类白化权函数聚类的岩爆灾害预测方法具有较高的预测精度.     

大岗山深埋硬岩公路隧道岩爆预测

位于川西和青藏高原接触带的长大深埋硬岩公路隧道建设面临极大的岩爆危害，对其岩爆倾向性的准确预测是解决这一瓶颈问题的关键手段。以泸石高速大岗山隧道为工程背景，基于地勘中地形地貌、地质构造、岩石力学参数和地应力实测数据资料，采用数值模拟和数理统计相结合的方法，反演分析隧址区全线初始地应力场，系统分析了大岗山隧道各断面开挖洞周围岩二次应力，基于应力判据法对其岩爆发生情况进行了综合预测。结果表明：隧道全线地应力场分布规律以竖向应力为主，竖向应力量值最大达33.25 MPa，且局部地应力复杂，水平构造作用明显，以NWW-SEE向挤压作用为主，具备发生岩爆条件；隧道埋深大于408 m时有中等、强烈岩爆活动，中等岩爆段长度占隧道全长的13.8 %，强烈岩爆段长度占隧道全长的39.7%，且埋深大于450 m时岩爆在边墙部位发生；岩爆发生受地形地貌、地质构造影响显著，由于地应力在软弱岩体中得到释放，断裂带、辉绿岩脉内部无岩爆活动，而断裂带和沟谷地形会使其附近完整花岗岩段内出现地应力集中现象，从而加剧其岩爆烈度。     

地下工程岩爆灾害预测的属性综合评价模型

 针对地下工程岩爆灾害预测各种方法的局限性以及预报准确率低的现状,基于属性数学理论与方法,选取围岩最大切向应力与岩石单轴抗压强度之比、脆性系数和弹性能量指数作为岩爆灾害预测的主要评价指标,建立了岩爆灾害预测的属性综合评价模型,对岩爆的发生与否及其烈度进行了预测。应用属性数学理论,构造了各评价指标的属性测度函数,并利用相似数定义相似权的方法确定各指标的权重以计算综合属性测度,最后应用置信度准则进行属性识别,给出评价结果。以10 组典型地下工程为例,对该模型进行了验证,结果表明,该模型评价结果与实际情况有较好的一致性,验证了属性综合评价在岩爆灾害预测中的可行性和适用性,为地下工程岩爆灾害的预测提供了一种新途径。     

深部开采岩爆预测的神经网络方法

岩爆是深部高地应力岩石地下工程中的一种常见灾害,其影响因素之间存在着极其复杂的非线性关系。在综合分析基础上,选取开采深度、围岩最大切向应力与岩石单轴抗压强度比值、岩石单轴抗压强度和抗拉强度比值、岩石冲击性倾向指数作为岩爆预测的评判指标。应用人工神经网络方法,建立了岩爆预测的计算模型,利用国内外一些深部开采、岩石地下工程资料作为学习样本和测试样本对模型进行训练。该模型成功应用于某矿巷道的岩爆预测,预测结果与实际情况一致,此研究为深部开采岩爆预测提供了新的途径。     

基于改进层次法与CRITIC法的 多维云模型岩爆预测

在高地应力区域,岩爆是严重影响地下工程建设的重大地质灾害,如何进行有效而准确的岩爆预测是有待解决的问题.综合考虑指标数据的客观信息和岩爆预测中主观评判、决策的重要作用,采用改进层次分析法和基于指标相关性的CRITIC法分别获得各指标的主观权重和客观权重,并依据最小鉴别信息原理进行融合,求得综合权重.对原始云模型和预测指标分类区间进行修正,弥补原始云模型对等级区间均值过于敏感的不足,并通过云算法生成各指标的等级综合云模型.最后,通过岩爆实例验证模型的可靠性和有效性,并与熵权-云模型、CRITIC-云模型和集对分析-多维云模型对比.结果表明:该模型可以描述区间值指标的各种不确定性,快速、有效地判定岩爆烈度等级.     

地质动力区划在新汶潘西矿的应用

为了解决潘西矿区冲击地压对安全生产带来的威胁,对该矿区的活动断裂进行了研究.应用地质动力区划方法,确定了区域内活动断裂,划分出区域内块断结构.通过地应力测量,结合数值计算方法确定了区域岩体原地应力分布状态与分布特点.分析表明活动断裂对该矿区冲击地压有重要影响.该法还可应用余石油、地震等其他工程,投资少见效快,经济和社会效益明显.