一种边坡变形预测方法
【专利摘要】本方法主要应用于露天矿开采、边坡工程治理等领域。在单项预测模型、组合预测模型及边坡监测线整体变形预测等研究成果基础上提出了一种新的边坡变形预测方法，该方法结合了静态建模方法与动态建模方法，解决了三维实体边坡整体预测的难点，可对边坡长期的变形情况做出预测。同时，在预测中采用了灰色系统模型及时间序列ARMA模型，得到了精度较高的预测结果。
【专利说明】一种边坡变形预测方法【技术领域】[0001]本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及露天矿开采、边坡工程治理领域，具体涉及边坡单位实体变形的预测原理与方法。同时本专利得到国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAK09B06)、国家自然基金项目(41172250)、国家自然基金项目(41202214)、北京市科技新星计划项目(Z121106002512008)和北方工业大学青年拔尖人才项目(BJRC201308)资助。【背景技术】[0002]目前，预测边坡实体变形的方法有很多，但是大都属于二维预测方法，不能充分和直观地反映出边坡三维实体的变形情况，这对露天矿边坡的治理是很不利的。[0003]对露天矿边坡的长期监测使矿山企业积累了大量的边坡位移历史数据，从而为边坡实体三维变形预测方法的研究提供了一个充足的数据库。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是研究出一种满足实际精度要求的边坡三维实体变形预测方法，对露天矿边坡的长期变形情况进行预测，帮助矿山企业从整体上掌握露天矿边坡的整体发展趋势，从而设计出更加经济有效的露天矿开采方案，保障工作人员的安全。[0005]为了达到上述目的，本发明建立了一种新型边坡变形的预测方法。这种方法的预测原理如下:[0006]I)用三次曲面对监测点历史位移值依次进行拟合，依次得到多个某个时刻模型变形值的数学模型。设边坡上有m个监测点，每个监测点观测η个周期，则第t周期边坡三维实体变形曲面函数为:[0007][0008]三次曲面中包含10个待定参数，因此设第k个模型参数的时间序列集合为:[0009]Mk = {alk, a2k, ank} ；k=0,1,2,...,9[0010]可以得到与曲面模型集合等价的模型参数序列集合为[0011]M= {M0, M1, M2,...,Mj[0012]根据历史位移值求出各待定参数值之后，根据其影响大小进行加权平均，从而实现边坡三维实体变形预测。要想得到边坡上某点的变形预测值可以通过曲面插值的方法计算得到。例如，边坡上i点第t周期的变形值?(0(χ,,兄)或预测值为[0013][0014]式中‘，…，at9的估值或预测值。η为参与建模的变形序列长度，当t>n时，雄)(U)为预测值，当t<η时为模型模拟值，(xi，yi)是第i点坐标，qi为权系数。[0015]预测方法的具体步骤包括:
[0016]I)边坡三维实体变形模型参数序列计算。根据边坡历史位移监测数据，用三次曲面拟合边坡监测点变形值，采用最小二乘法对模型参数进行估值，获取拟合曲面的函数参数序列。
[0017]2)对边坡三维实体模型参数序列Mk进行预测。每个模型有10个参数，因此模型集合包括10个参数序列。对模型参数序列Mk，应用本研究提出的最佳维数灰色模型动态建模法和ARMA模型预测法对模型参数进行滚动组合长期预测。
[0018]3)边坡三维实体变形长期预测。根据预测得到的曲面模型参数，对曲面模型进行插值计算，从而得到变形区域范围内任意一点的变形预测值。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为2010年10月边坡变形观测值与预测值对比图；
[0020]A边坡变形实测值等值线；B边坡变形预测值等值线；
[0021]图2为2011年6月边坡三维实体变形预测值与实测值的等值线对比；
[0022]A水平位移预测值等值线；B水平位移实测值等值线；
[0023]图3为2012年9月边坡三维实体水平位移预测值等值线；
[0024]图4为2012年11月边坡三维实体水平位移预测值等值线。
【具体实施方式】
[0025]本方法的具体实施方法，可以结合附图和实例说明如下。
[0026]露天矿西帮剖面监测线共有12个，危险区域监测点共有48个，2008年5月至2011年6月共40期观测数据。随着时间的推移，其中部分监测点由于变形较大等原因被破坏。根据边坡治理工程的需要，分别进行边坡三维实体变形的短期预测和长期预测。考虑到点数多少决定了曲面的拟合程度，因此，根据点数确定权值大小。
[0027]进行三维实体变形短期预测详细步骤如下:
[0028]I)模型参数序列计算。根据40期水平位移监测数据，用三次曲面拟合边坡监测点变形值，采用最小二乘法对模型参数进行估值，结果如表I所示，因数据量较大只列出两个周期的拟合曲面的函数参数。
[0029]表I拟合曲面模型参数
[0030]
【权利要求】
1.一种边坡三维实体变形预测方法，采用三次曲面拟合边坡变形历史记录，并对拟合结果的精度进行评价，其主要步骤包括: 1)确定边坡三维实体模型参数序列； 2)对边坡三维实体模型参数序列进行预测； 3)对边坡三维实体变形进行长期预测。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于: 步骤I)中，边坡三维实体模型参数序列的求解，采用近期边坡位移值的三次曲面拟合反分析方法，应用最小二乘法对模拟参数进行优化计算，求出最佳参数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于: 步骤2)中，运用最佳维数灰色模型动态建模法和ARMA模型预测法对模型参数加权平均，然后进行滚动组合长期预测。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于: 步骤3)中，根据预测得到的曲面模型参数序列，对曲面模型进行非线性加权插值计算，得到变形区域范围内任意一点的变形预测值，然后进行边坡三维实体变形预测并对预测结果进行误差分析。
【文档编号】G06F19/00GK103473810SQ201310450744
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】孙世国, 宋志飞, 冯少杰, 辛晓平 申请人:北方工业大学