一種基于貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預(yù)警方法，屬于巖爆預(yù)警領(lǐng)域，適用于深部硬巖礦山、隧道等巖(石)體類工程領(lǐng)域的巖爆預(yù)警。

背景技術(shù)：

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)對礦產(chǎn)資源的需求量增大以及礦山淺部資源的減少，采礦工程開始向深部擴(kuò)展，巖爆等動力災(zāi)害頻繁。巖爆危害大，難以預(yù)測，影響礦井生產(chǎn)建設(shè)的規(guī)模和進(jìn)度。

目前，在巖爆傾向性判別及預(yù)警等方面，主要基于單一巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行判別，準(zhǔn)確性不足，難以實現(xiàn)對巖爆的準(zhǔn)確預(yù)警。

鑒于現(xiàn)有巖爆災(zāi)害傾向性判別及預(yù)警方法不完善。因此亟需提出一種新的巖爆災(zāi)害傾向性判別及預(yù)警方法，既要操作簡單，又要能夠?qū)崿F(xiàn)巖爆的準(zhǔn)確預(yù)警。

本發(fā)明提出的一種基于貝葉斯理論的巖爆傾向性判別方法，主要采用巖石強(qiáng)度指標(biāo)R_b、圍巖應(yīng)力指標(biāo)R_θ和能量指標(biāo)W_et作為基本因子，建立多參量、多維度的巖爆預(yù)警模型，對巖爆傾向性進(jìn)行判別并預(yù)警。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對礦山、公路、鐵路隧道和水電站等領(lǐng)域中巖爆傾向性判別方式參數(shù)單一、效果差和預(yù)警結(jié)論不準(zhǔn)確等問題，提出一種基于貝葉斯理論的巖爆預(yù)警方法，實現(xiàn)巖爆傾向性簡單、有效的判別和預(yù)警。

一種基于貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預(yù)警方法，其特征在于：

本發(fā)明中的巖爆傾向性判別及預(yù)警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)、貝葉斯模型判別系統(tǒng)和巖爆預(yù)警系統(tǒng)等組成。通過井下巖石力學(xué)試驗獲取需要進(jìn)行巖爆傾向性判別和預(yù)警區(qū)域的巖石試樣的物理力學(xué)參數(shù)，將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，導(dǎo)入貝葉斯模型進(jìn)行巖爆傾向性判別，明確監(jiān)測區(qū)域巖爆等級，預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)巖爆等級適時對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行預(yù)警。

一種基于貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預(yù)警方法的主要實施步驟如下：

選擇需要進(jìn)行巖爆傾向性判別和預(yù)警的區(qū)域，在所選預(yù)警區(qū)域范圍內(nèi)，確定巖石試樣的取樣位置及數(shù)量，并通過井下巖石力學(xué)試驗獲取預(yù)警區(qū)域巖石試樣的物理力學(xué)參數(shù)，將獲取的巖石力學(xué)參數(shù)通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸至地表巖爆傾向性判別及預(yù)警系統(tǒng)，根據(jù)貝葉斯判別模型，按照設(shè)定的巖爆等級確定巖爆傾向性級別，并據(jù)此做出是否進(jìn)行巖爆預(yù)警的決定。

基于貝葉斯理論的巖爆傾向性判別模型的實現(xiàn)過程如下：

(1)計算巖樣力學(xué)參數(shù)的先驗概率：設(shè)有n個觀測樣本，共分為k個分類G₁,G₂,…G_k，分別服從m維正態(tài)總體分布，其樣本數(shù)為n_i；樣本觀測量矩陣i＝1,2,3,...k，j＝1,2,3,...n_i。

先驗概率：

式中，n_i為第i個樣本分類的樣本數(shù)，n₁+n₂+,...,n_k為樣本總體。

(2)求解巖樣力學(xué)參數(shù)的均值及協(xié)方差：由于G_i服從m維正態(tài)總體分布，第i個分類的總體分布特征可以用樣本均值和樣本協(xié)方差進(jìn)行矩估計：

式中，為第i組分類的樣本方差矩陣，Σ為樣本協(xié)方差矩陣。

(3)建立巖樣力學(xué)參數(shù)各分類的判別函數(shù)：

式中，p_i為G_i出現(xiàn)的先驗概率，μ_i為第i組樣本均值矩陣，

Σ為樣本總體協(xié)方差矩陣，X＝(x₁,x₂,…x_m)^T為某一個樣本觀察值，i＝1,2,3,...k。

判別規(guī)則為：對于X，若則X∈G_i。

(4)計算各分類判別函數(shù)的后驗概率：

定義d_j²(X)為樣品X到第i組的廣義平方距離函數(shù)：

d_j²(X)＝(X-μ_j)^TΣ^-1(X-μ_j)-2ln p_j

則X屬于第i組的后驗概率：

按判別函數(shù)值最大原則進(jìn)行歸類，并計算相應(yīng)的后驗概率。如果后驗概率大于50％，

可以認(rèn)為先前的歸類準(zhǔn)確。

本發(fā)明中巖爆等級及預(yù)警模型的判定和建立過程如下：

(1)以R_b(X₁)、R_θ(X₂)和W_et(X₃)作為判別因子，將巖爆等級分為強(qiáng)巖爆(G₁)、中等巖爆(G₂)、弱巖爆(G₃)和無巖爆(G₄)，即以G＝(X₁,X₂,X₃)^T為三元總體，建立多參量、多維度的貝葉斯巖爆傾向性判別及預(yù)警模型。

(2)根據(jù)獲取的巖樣物理力學(xué)參數(shù)可以得到單一參數(shù)指標(biāo)下的預(yù)警區(qū)域的巖爆傾向性判別結(jié)果。其中，基于巖石強(qiáng)度指標(biāo)R_b、圍巖應(yīng)力指標(biāo)R_θ和能量指標(biāo)W_et參量的巖爆傾向性判別等級范圍如下：

(3)根據(jù)礦井巖石力學(xué)參數(shù)以及建立的貝葉斯模型獲取監(jiān)測區(qū)域的巖爆傾向性判別結(jié)果，設(shè)X＝(x₁,x₂,...x_m)^T為某一個樣本觀察值，i＝1,2,3,...k，則判別規(guī)則為：對于X，若則X∈G_i。其中，按判別函數(shù)最大值原則進(jìn)行歸類，如果后驗概率大于50％，則巖爆傾向性判別準(zhǔn)確。

本發(fā)明基于貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預(yù)警方法與傳統(tǒng)巖爆傾向性判別方法的不同，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)傳統(tǒng)巖爆傾向性判別方法往往只采用單一參量進(jìn)行巖爆的傾向性判別。巖爆是多重因素綜合作用的結(jié)果，如果僅考慮一方面或者單一因素，難免會產(chǎn)生較大偏差，多元因子的考量可以克服單一因子帶來的局限性。

(2)本發(fā)明基于貝葉斯理論的巖爆傾向性判別方法對樣本參數(shù)進(jìn)行多元考察，巖石強(qiáng)度指標(biāo)R_b、圍巖應(yīng)力指標(biāo)R_θ和能量指標(biāo)W_et被直接采用作為基本因子，而圍巖應(yīng)力σ₁，σ_θ和巖石強(qiáng)度σ_c，σ_t也被間接考慮。所以，本發(fā)明對樣本參數(shù)進(jìn)行了多元考量，增強(qiáng)了巖爆預(yù)警的準(zhǔn)確性。

(3)本發(fā)明基于貝葉斯理論的巖爆預(yù)警方法整個判別預(yù)警系統(tǒng)及過程是對傳統(tǒng)巖爆預(yù)警方法的完善和提高，簡單易行且可靠性強(qiáng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預(yù)警過程示意圖；

圖2為本發(fā)明基于貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預(yù)警原理示意圖。

圖中：1—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；2—數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；3—井下數(shù)據(jù)交換中心；4—地表貝葉斯模型判別及預(yù)警系統(tǒng)。

具體實施方式

本發(fā)明基于貝葉斯理論的巖爆傾向性判別及預(yù)警方法具體實施過程如下：

(1)選擇需要進(jìn)行巖爆傾向性判別和預(yù)警的區(qū)域，重點關(guān)注地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域以及曾發(fā)生過巖塊彈射的區(qū)域；

(2)在所選預(yù)警區(qū)域范圍內(nèi)，根據(jù)對貝葉斯模型判別精度的要求，調(diào)整確定巖石試樣的取樣位置及數(shù)量，確保目標(biāo)預(yù)警區(qū)域的監(jiān)測技術(shù)指標(biāo)滿足預(yù)警要求；

(3)通過井下巖石力學(xué)試驗獲取預(yù)警區(qū)域巖石試樣的物理力學(xué)參數(shù)，將獲取的巖樣力學(xué)參數(shù)通過工業(yè)電腦轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)交換中心，通過數(shù)據(jù)交換中心將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號并傳輸至地表巖爆傾向性判別及預(yù)警系統(tǒng)；

(4)通過計算機(jī)對獲取的巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)警區(qū)域巖體的巖石強(qiáng)度指標(biāo)R_b、圍巖應(yīng)力指標(biāo)R_θ和能量指標(biāo)W_et，根據(jù)單一參數(shù)判別模型對監(jiān)測區(qū)域的巖爆傾向性進(jìn)行判別；

根據(jù)貝葉斯判別模型，計算出每個分類的先驗概率和協(xié)方差，代入判別函數(shù)進(jìn)行判斷，再進(jìn)行后驗概率計算和回代驗證，根據(jù)得到的后驗概率，按照設(shè)定的巖爆等級確定巖爆傾向性級別，并據(jù)此做出是否進(jìn)行巖爆預(yù)警的決定。