一种基于贝叶斯理论的岩爆倾向性判别及预警方法与流程

一种基于贝叶斯理论的岩爆倾向性判别及预警方法，属于岩爆预警领域，适用于深部硬岩矿山、隧道等岩(石)体类工程领域的岩爆预警。

背景技术：

近年来，随着国民经济对矿产资源的需求量增大以及矿山浅部资源的减少，采矿工程开始向深部扩展，岩爆等动力灾害频繁。岩爆危害大，难以预测，影响矿井生产建设的规模和进度。

目前，在岩爆倾向性判别及预警等方面，主要基于单一岩石力学参数进行判别，准确性不足，难以实现对岩爆的准确预警。

鉴于现有岩爆灾害倾向性判别及预警方法不完善。因此亟需提出一种新的岩爆灾害倾向性判别及预警方法，既要操作简单，又要能够实现岩爆的准确预警。

本发明提出的一种基于贝叶斯理论的岩爆倾向性判别方法，主要采用岩石强度指标R_b、围岩应力指标R_θ和能量指标W_et作为基本因子，建立多参量、多维度的岩爆预警模型，对岩爆倾向性进行判别并预警。

技术实现要素：

本发明针对矿山、公路、铁路隧道和水电站等领域中岩爆倾向性判别方式参数单一、效果差和预警结论不准确等问题，提出一种基于贝叶斯理论的岩爆预警方法，实现岩爆倾向性简单、有效的判别和预警。

一种基于贝叶斯理论的岩爆倾向性判别及预警方法，其特征在于：

本发明中的岩爆倾向性判别及预警系统主要由数据采集系统、数据传输系统、数据预处理系统、贝叶斯模型判别系统和岩爆预警系统等组成。通过井下岩石力学试验获取需要进行岩爆倾向性判别和预警区域的岩石试样的物理力学参数，将获取的数据进行预处理，导入贝叶斯模型进行岩爆倾向性判别，明确监测区域岩爆等级，预警系统根据岩爆等级适时对监测区域进行预警。

一种基于贝叶斯理论的岩爆倾向性判别及预警方法的主要实施步骤如下：

选择需要进行岩爆倾向性判别和预警的区域，在所选预警区域范围内，确定岩石试样的取样位置及数量，并通过井下岩石力学试验获取预警区域岩石试样的物理力学参数，将获取的岩石力学参数通过数据传输系统传输至地表岩爆倾向性判别及预警系统，根据贝叶斯判别模型，按照设定的岩爆等级确定岩爆倾向性级别，并据此做出是否进行岩爆预警的决定。

基于贝叶斯理论的岩爆倾向性判别模型的实现过程如下：

(1)计算岩样力学参数的先验概率：设有n个观测样本，共分为k个分类G₁,G₂,…G_k，分别服从m维正态总体分布，其样本数为n_i；样本观测量矩阵i＝1,2,3,...k，j＝1,2,3,...n_i。

先验概率：

式中，n_i为第i个样本分类的样本数，n₁+n₂+,...,n_k为样本总体。

(2)求解岩样力学参数的均值及协方差：由于G_i服从m维正态总体分布，第i个分类的总体分布特征可以用样本均值和样本协方差进行矩估计：

式中，为第i组分类的样本方差矩阵，Σ为样本协方差矩阵。

(3)建立岩样力学参数各分类的判别函数：

式中，p_i为G_i出现的先验概率，μ_i为第i组样本均值矩阵，

Σ为样本总体协方差矩阵，X＝(x₁,x₂,…x_m)^T为某一个样本观察值，i＝1,2,3,...k。

判别规则为：对于X，若则X∈G_i。

(4)计算各分类判别函数的后验概率：

定义d_j²(X)为样品X到第i组的广义平方距离函数：

d_j²(X)＝(X-μ_j)^TΣ^-1(X-μ_j)-2ln p_j

则X属于第i组的后验概率：

按判别函数值最大原则进行归类，并计算相应的后验概率。如果后验概率大于50％，

可以认为先前的归类准确。

本发明中岩爆等级及预警模型的判定和建立过程如下：

(1)以R_b(X₁)、R_θ(X₂)和W_et(X₃)作为判别因子，将岩爆等级分为强岩爆(G₁)、中等岩爆(G₂)、弱岩爆(G₃)和无岩爆(G₄)，即以G＝(X₁,X₂,X₃)^T为三元总体，建立多参量、多维度的贝叶斯岩爆倾向性判别及预警模型。

(2)根据获取的岩样物理力学参数可以得到单一参数指标下的预警区域的岩爆倾向性判别结果。其中，基于岩石强度指标R_b、围岩应力指标R_θ和能量指标W_et参量的岩爆倾向性判别等级范围如下：

(3)根据矿井岩石力学参数以及建立的贝叶斯模型获取监测区域的岩爆倾向性判别结果，设X＝(x₁,x₂,...x_m)^T为某一个样本观察值，i＝1,2,3,...k，则判别规则为：对于X，若则X∈G_i。其中，按判别函数最大值原则进行归类，如果后验概率大于50％，则岩爆倾向性判别准确。

本发明基于贝叶斯理论的岩爆倾向性判别及预警方法与传统岩爆倾向性判别方法的不同，主要表现在以下几个方面：

(1)传统岩爆倾向性判别方法往往只采用单一参量进行岩爆的倾向性判别。岩爆是多重因素综合作用的结果，如果仅考虑一方面或者单一因素，难免会产生较大偏差，多元因子的考量可以克服单一因子带来的局限性。

(2)本发明基于贝叶斯理论的岩爆倾向性判别方法对样本参数进行多元考察，岩石强度指标R_b、围岩应力指标R_θ和能量指标W_et被直接采用作为基本因子，而围岩应力σ₁，σ_θ和岩石强度σ_c，σ_t也被间接考虑。所以，本发明对样本参数进行了多元考量，增强了岩爆预警的准确性。

(3)本发明基于贝叶斯理论的岩爆预警方法整个判别预警系统及过程是对传统岩爆预警方法的完善和提高，简单易行且可靠性强。

附图说明

图1为本发明基于贝叶斯理论的岩爆倾向性判别及预警过程示意图；

图2为本发明基于贝叶斯理论的岩爆倾向性判别及预警原理示意图。

图中：1—数据采集系统；2—数据传输系统；3—井下数据交换中心；4—地表贝叶斯模型判别及预警系统。

具体实施方式

本发明基于贝叶斯理论的岩爆倾向性判别及预警方法具体实施过程如下：

(1)选择需要进行岩爆倾向性判别和预警的区域，重点关注地质构造复杂区域以及曾发生过岩块弹射的区域；

(2)在所选预警区域范围内，根据对贝叶斯模型判别精度的要求，调整确定岩石试样的取样位置及数量，确保目标预警区域的监测技术指标满足预警要求；

(3)通过井下岩石力学试验获取预警区域岩石试样的物理力学参数，将获取的岩样力学参数通过工业电脑转变为模拟信号，经数据传输系统传输到数据交换中心，通过数据交换中心将模拟信号转变为数字信号并传输至地表岩爆倾向性判别及预警系统；

(4)通过计算机对获取的岩石力学参数进行预处理，得到预警区域岩体的岩石强度指标R_b、围岩应力指标R_θ和能量指标W_et，根据单一参数判别模型对监测区域的岩爆倾向性进行判别；

根据贝叶斯判别模型，计算出每个分类的先验概率和协方差，代入判别函数进行判断，再进行后验概率计算和回代验证，根据得到的后验概率，按照设定的岩爆等级确定岩爆倾向性级别，并据此做出是否进行岩爆预警的决定。