一种巷道围岩稳定性评价预测与动态调控方法

本发明涉及地下空间掘进安全领域，特别涉及一种巷道围岩稳定性的评价预测与动态调控方法。

背景技术：

1、目前，随着我国浅部资源的不断减少，深部矿产资源开发逐渐成为我国矿产资源的开采趋势。而建设深部巷道是实现深部地下资源开发的关键。但是深部巷道较浅部巷道而言，更容易受到采动、回采作业、爆破作业的影响发生变形，进而导致巷道围岩裂化破坏直至失稳。

2、深部巷道周围岩体失稳造成的顶板和冲击地压事故是巷道掘进过程中发生的重大灾害之一。顶板和冲击地压事故往往导致人员压埋、砸伤等直接伤害，或造成窒息等间接伤害，也容易造成巷道堵塞使人员被困。采取有效措施降低巷道围岩失稳现象的发生概率可有效减少掘进过程中顶板和冲击地压事故的发生。对巷道围岩进行实时稳定性评价具有重要的工程实际价值。

3、目前研究多采用人工神经网络对巷道围岩稳定性进行评价，大多都是从单一影响因素出发进行评价、预测，较少考虑到各因素之间的关系及其在巷道掘进过程中对周围岩体产生的影响。影响巷道稳定的因素多而复杂，它们之间相互影响、相互制约，及时准确的对巷道围岩稳定性做出预评价，对发现和采取措施控制围岩的失稳有着重要意义。此外，巷道的岩层条件复杂多变，地应力、岩层物理力学参数动态演化，导致巷道围岩稳定性类型繁杂，判断其稳定性成为巷道掘进过程中的一大难题。随着开采深度的增加，掘进一系列复杂的巷道易使围岩失去原有的平衡状态，造成巷道失稳，威胁人员的生命安全以及造成重大财产损失。

4、因此，亟需开发一种巷道围岩稳定性评价预测与动态调控方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种巷道围岩稳定性实时判识与动态调控方法，以解决现有技术中存在的问题。

2、为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种巷道围岩稳定性评价预测与动态调控方法，包括以下步骤：

3、1)获取巷道现场作业条件下的巷道围岩稳定性判别指标数据。其中，所述巷道围岩稳定性判别指标包括静态评价指标和动态评价指标。所述静态评价指标包括煤岩层倾角、岩层结构、岩体天然应力状态、巷道埋深、巷道断面设计尺寸、巷道施工工艺、巷道掘进方式和巷道设计长度。所述动态评价指标包括温度、湿度、压力、围岩变形量、地下涌水量影响、围岩裂隙开度、实际巷道宽度和实际巷道高度。

4、2)对巷道围岩稳定性判别指标数据进行标准化处理。

5、3)依据标准化处理后的巷道围岩稳定性判别指标实现对围岩稳定性的等级划分。将巷道围岩稳定性划分为稳定、中等稳定、不稳定和极不稳定四个等级。

6、4)构建巷道围岩稳定性实时评价模型。所述巷道围岩稳定性实时评价模型包括静态评价模型和动态评价模型。

7、5)采用巷道围岩稳定性实时评价模型实现对当前时刻巷道围岩稳定性的实时评价。

8、5.1)将当前时刻静态评价指标值代入到静态评价模型得到当前时刻静态评价结果pj。将当前时刻动态评价指标值代入到动态评价模型中，得到当前动态评价结果pdt。

9、5.2)将得到的当前时刻静态评价指标pj与动态评价指标pdt按如下方式进行加权得到当前时刻的巷道围岩稳定性评价结果pt。

10、6)构建巷道围岩稳定性动态评价指标值预测模型。所述围岩稳定性动态评价指标值预测模型选用lstm模型。所述lstm模型包括输入门、输出门、遗忘门、细胞状态和隐藏状态。

11、7)采用巷道围岩稳定性动态评价指标值预测模型实现对未来时刻围岩稳定性动态评价指标值的预测，将动态评价指标的历史数据与超前探测数据代入到围岩稳定性动态评价指标值预测模型中，得到未来t+1、t+2、t+3、t+4时刻动态评价指标值。所述超前探测数据包括软弱围岩范围、节理密度和地层裂隙水含量等。

12、8)将步骤7)得到的动态评价指标值代入巷道围岩稳定性实时评价模型中，得到未来t+1、t+2、t+3、t+4时刻围岩稳定性动态评价结果。将得到未来t+1、t+2、t+3、t+4时刻围岩稳定性动态评价结果与静态评价结果进行加权相加，得到未来t+1、t+2、t+3、t+4时刻围岩稳定性评价结果。

13、9)基于t+1、t+2、t+3、t+4时刻围岩稳定性评价结果的等级划分，得到未来围岩稳定性状态。当未来t+1、t+2、t+3或t+4时刻围岩稳定性状态为中等稳定、不稳定或极不稳定时，制定动态调控方案。

14、进一步，巷道围岩稳定性实时评价模型选用贝叶斯网络评价模型，将上述得到未来t+1、t+2、t+3和t+4时刻的围岩稳定性判别指标代入到贝叶斯网络评价模型中得到未来t+1、t+2、t+3和t+4时刻的围岩稳定性状态。

15、进一步，巷道围岩稳定性实时评价模型的构建过程包括以下子步骤：

16、a)将巷道围岩稳定性判别指标用于构建贝叶斯网络节点。

17、b)构建有向无环图，得到巷道围岩稳定性模型结构。

18、c)进行巷道围岩稳定性贝叶斯网络模型参数学习，得到巷道围岩稳定性指标间的条件概率。将步骤b)得到的巷道围岩稳定性贝叶斯网络结构和条件概率结合，得到巷道围岩稳定性贝叶斯静态评价网络。

19、d)对巷道围岩稳定性状态等级进行统计，得到巷道围岩贝叶斯转移网络的转移概率值。将步骤c)得到的巷道围岩稳定性静态贝叶斯静态评价网络和转移概率值结合，得到巷道围岩稳定性动态贝叶斯网络。

20、进一步，步骤9)中采用金鹰智能优化算法搜索最优动态调控值。

21、本发明的技术效果是毋庸置疑的：

22、a.提出了考虑时序性的评价模型和预测模型来实现对围岩稳定性的实时评价及预测，弥补了现有难以实时了解巷道围岩稳定性的技术难题；

23、b.将静态评价结果与动态评价结果进行加权相加，实现对当前时刻围岩稳定性状态的评价；将动态评价指标的历史数据与节理密度、地层裂隙水含量等巷道掘进超前探测数据带入到围岩稳定性动态评价指标值预测模型中实现对未来时刻围岩稳定性动态评价指标值的预测；最后将预测得到的动态评价指标值代入到动态评价模型中得到的动态评价结果与静态评价结果进行加权相加，实现对未来时刻围岩稳定性状态的评价；

24、c.基于巷道围岩稳定性的评价预测结果，进一步结合金鹰优化算法，实现了对当前时刻作业状态的动态调控，保障下一时刻巷道掘进过程中的围岩处于稳定状态。

技术特征：

1.一种巷道围岩稳定性评价预测与动态调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种巷道围岩稳定性作业协调状态实时判识与动态调控方法，其特征在于：巷道围岩稳定性实时评价模型选用贝叶斯网络评价模型，将上述得到未来t+1、t+2、t+3和t+4时刻的围岩稳定性判别指标代入到贝叶斯网络评价模型中得到未来t+1、t+2、t+3和t+4时刻的围岩稳定性状态。

3.根据权利要求2所述的一种巷道围岩稳定性作业协调状态实时判识与动态调控方法，其特征在于，巷道围岩稳定性实时评价模型的构建过程包括以下子步骤：

4.根据权利要求1所述的一种巷道围岩稳定性作业协调状态实时判识与动态调控方法，其特征在于步骤9)中采用金鹰智能优化算法搜索最优动态调控值。

技术总结
发明提供一种巷道围岩稳定性状态实时判识与动态调控方法。该方法通过构建考虑时序性的评价模型和预测模型来实现对围岩稳定性的实时评价及预测。将静态评价结果与动态评价结果进行加权相加，实现对当前时刻围岩稳定性状态的评价。将动态评价指标的历史数据与节理密度、地层裂隙水含量等巷道掘进超前探测数据用于未来时刻围岩稳定性动态评价指标值的预测，将预测得到的动态评价指标值代入到动态评价模型中得到的动态评价结果与静态评价结果进行加权相加，实现对未来时刻围岩稳定性状态的评价。进一步结合金鹰优化算法，实现了对当前时刻作业状态的动态调控，保障下一时刻巷道掘进过程中的围岩处于稳定状态。

技术研发人员：邹全乐,陈春梅,陈子涵,湛金飞,梁金燕,马腾飞,王伟志,许博超
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13