多因素交互作用下巖爆主控因素辨識

郭 立

(中國鋁業公司， 北京 100082)

多因素交互作用下巖爆主控因素辨識

郭 立

(中國鋁業公司， 北京 100082)

巖爆主控因素辨識是有效防治巖爆的關鍵。簡要介紹了巖爆發生的影響因素，引入RES理論建立了多因素交互作用下巖爆主控因素辨識的模型分析方法。通過VCR法采場巖爆實例分析，辨識出了交互作用下巖爆傾向性8個影響因素的作用大小，展示了該法的實際應用。

巖爆；主控因素;交互作用;辨識

巖爆的發生是由復雜地質因素、工程環境因素和人為開挖因素等多因素交互作用的結果，深入研究導致巖爆發生的影響因素,并辨識出哪些因素在巖爆啟動的過程中起了主導作用，可以幫助人們更好地進行礦山開采優化設計，避免或降低巖爆給礦山生產帶來的危害[1]。巖石工程系統理論(RES理論)是采用系統分析的方法，通過構造交互作用矩陣列舉工程影響因素,并研究其交互作用的機理[2],將其應用于巖爆傾向性預測并實現主控因素辨識，可以起到預防和控制巖爆災害的作用。

1 巖爆發生的主要影響因素

巖爆的發生雖帶有一定的隨機性、模糊性和不確定性，但國內外對巖爆機理的研究表明，巖爆的發生與工程地質因素、工程環境因素和人為開挖因素的共同作用密切相關[3]。

1.1 地質因素

(1) 巖體結構。巖體結構由結構面和結構體兩個要素組成，結構面和結構體的特性決定了巖體結構特征,巖體工程是否會發生巖爆以及巖爆的烈度大小，主要取決于結構面性質及其空間組合和結構體的性質及其立體形式。

(2) 地質構造。復雜的地質構造帶容易發生巖爆,特別是向斜的軸部巖層存在較大的地應力，聚積有大量的彈性變形能，一旦開挖或開采，就有可能產生巖爆。

(3) 不連續面性狀。不連續面的光滑或粗糙程度，不連續面的組合狀態及其充填物的性質，都反映了不連續面的性質，直接影響著結構面的抗剪特性。結構面越粗糙，其抗剪強度中的摩擦系數越高，對塊體運動的阻抗能力越強，越容易發生巖爆；結構面的寬度或充填物的厚度越大且其組成物質越軟弱，則壓縮變形量越大，巖爆發生的可能性則較小。

(4) 巖石質量指標RQD。巖石質量的優劣直接影響著巖體的變形特性和變形量的大小，巖石質量越好，巖體的剛性越大，發生巖爆的可能性越大。

1.2 環境因素

(1) 工程埋深。工程埋深決定著原巖應力的大小、方向與分布狀態，進而影響著工程的地質和環境狀況。而巖爆的發生與地應力集聚特性有著密切的關系，具有較高地應力的巖石，其彈性模量也較高，巖石具有較大的彈性變形能，也最易發生巖爆。

(2) 滲流量。通常情況下，巖爆一般發生在干燥的巖體中，而比較濕潤的巖體較難發生巖爆，這是因為滲流對巖石的作用造成的。

(3) 地溫及其變化。深部巖體工程處于高溫度場控制之下，由于開采的擾動和人為通風降溫措施的應用，開挖周圍一定范圍內的圍巖產生明顯的溫度梯度區。而巖體溫度變化可產生地應力變化，再加上一定量的溫度升高可導致巖性變脆，增加了巖爆的發生幾率。而異常的溫度升高，又可導致巖性變得延展，塑性增加，從而降低了巖爆的發生幾率。

(4) 地震。當巖體工程處于多震區，由地震產生的巨大的彈性波迅速傳播，可使得處于臨界狀態的巖體受到擾動而發生突然失穩破壞，從而導致巖爆的發生。

1.3 開挖因素

(1) 巖體工程的規格形狀。巖體工程的開挖打破了巖體中原始應力平衡狀態，在其周圍一定范圍的巖體中發生應力重分布，一旦某些部位的應力值達到或超過發生巖爆的臨界值，容易發生巖爆。

(2) 工程布置。彈塑性力學分析與工程巖爆的實際表明，同樣規格形狀的巖體工程如果布置方法不一樣，造成圍巖的應力集中與分布規律不一樣，發生巖爆的幾率也就不一樣。

(3) 開挖工藝。開挖工藝主要指工作面的開挖方式與爆破方法。工作面是采用一次開挖工藝還是分步開挖工藝，其實施效果不同。當采用分步開挖時，積聚在巖體內的彈性變形能能夠以較小的速率釋放出來，從而降低巖爆的發生幾率。另一方面，采用不同的爆破方式，工程巖體的外載荷在爆破的瞬間差異很大，并以P波和S波的方式在巖體內傳播，既導致了圍巖的損傷演化結果有明顯區別，又成為鄰近工程巖體發生巖爆的誘發因素。

(4) 支護工藝。良好的工作面支護一般表現為開挖后靠近工作面的支護及時，安設可靠和初始剛性高以便限制巖體的早期位移和體積閉合量，同時還表現為具有一個可控制快速屈服的能力以使支護體盡可能多地吸收巖體變形釋放的能量，降低巖爆發生的幾率。

2 RES理論的基本原理

RES理論是應用模型分析的方法，通過構造交互作用矩陣列舉工程影響因素并研究其交互作用的機理。

2.1 模型分析方法

交互作用矩陣構造的基本原理如圖1所示，將所有狀態變量(表示工程主控因素)列于矩陣的自左上至右下的主對角線單元內，以非對角線單元描述變量間交互作用機理，并按順時針旋轉規則表示—個狀態變量對其他狀態變量的作用方向，這樣狀態變量間通過一定的法則相互作用并決定工程系統的最終性態。

2.2 交互作用矩陣的構造

(1)

2.3 各參數的交互作用強度和優勢分析

為了深入研究巖石工程系統中各狀態變量及其交互作用，定量評價交互作用的強度和優勢，RES理論通過對交互作用矩陣進行編碼來實現這一目的。在RES理論中，基于ANN編碼方式，推導并給出了整體相對作用強度GRSE，見式(2):

圖1 交互作用矩陣的基本原理

(2)

GRSEji的物理意義為：

(1) 表示各輸入參數對輸出的相對作用，具有動態特性;

(2) |GRSEji|≤1，該值的大小表示輸入對輸出的作用強弱，值越大作用越強，反之則越弱;

(3)GRSEji>0表示輸入與輸出之間的關系正相關,GRSEji<0表示輸入與輸出之間的關系負相關。

3 實例分析

結合VCR法采場巖爆傾向性研究，選取8個影響因素即埋深、傾角、結構面類型、采礦方法、區域支護、采場寬度、走向跨度和臨時支護，運用RES理論辨識其主控因素。所選50個巖爆實例源自文獻[3]，根據這些巖爆實例，作者在文獻[5]建立了輸入層為8個節點(表示8個影響因素)、隱層為20個節點、輸出層為1個節點(表示巖爆傾向性)的3層巖爆傾向性智能分析模型，并構造出了整體交互作用矩陣，見式(3)。圖形表達可見圖2。

(3)

圖2 各因素的相對交互作用強度和優勢

可知，在上述8個因素共同作用下，VCR法開采巖爆的發生按影響順序大小排序為：采場寬度>走向跨度>開采深度>結構面類型>礦體傾角>臨時支護方法>區域支護>采礦方法。此外，開采深度、結構面類型等5個因素在巖爆發生的過程中主要起正向作用，即這些因素的輸入參數值越大，對巖爆的誘發作用越大。

4 結 論

(1) 簡要介紹了巖爆發生的影響因素，引入RES理論建立了多因素交互作用下巖爆主控因素辨識的模型分析方法。

(2) 運用所構造的分析模型對50個VCR法開采巖爆發生的實例進行研究，按影響順序大小辨識出了巖爆主控因素，可以為有效防治巖爆提供指導。

[1] Durrheim R J. Roberts M K C. Haile A T,etc. Factors influencing the severity of rockburst damage in South African gold mines[J]. The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy, 1998,98(3/4):53-57.

[2] Yang Y, Zhang Q. The application of neural networks to rock engineering systems[J]. Int J Rock Mech Min Sic, 1998,35(6):727-745.

[3] 馮夏庭. 智能巖石力學導論[M]. 北京：科學出版社，2000.

[4] 劉曉輝,吳愛祥,王春來，等.某深井礦山巖爆預測模式研究[J].采礦與安全工程學報,2012(1):78-83

[5] 郭 立. 深部硬巖巖爆傾向性動態預測模型及應用[D].長沙：中南大學，2004.

2013-10-30)

郭 立(1969-)，男，安徽阜南人，高工， 博士，主要從事礦業開發與管理工作，Email: guoli872@126.com。