劉磊磊,張紹和,王曉密,郝志斌
(1.中南大學(xué)有色金屬成礦預(yù)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410083; 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)
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變權(quán)靶心貼近度在巖爆烈度預(yù)測(cè)中的應(yīng)用
劉磊磊1,2,張紹和1,2,王曉密2,郝志斌1,2
(1.中南大學(xué)有色金屬成礦預(yù)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410083; 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)
針對(duì)巖爆烈度預(yù)測(cè)的不確定性和影響巖爆發(fā)生的各單個(gè)指標(biāo)間互不相容的問(wèn)題,將變權(quán)理論和靶心貼近度相結(jié)合,進(jìn)行巖爆烈度預(yù)測(cè)。首先,該方法在考慮評(píng)判者偏好度的基礎(chǔ)上,引入了一種均衡函數(shù),給出了一種變權(quán)模式,用來(lái)計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重;然后,該方法構(gòu)造了一種區(qū)間關(guān)聯(lián)函數(shù),將單指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)的最大值作為靶心坐標(biāo),根據(jù)樣本與靶心的貼近度來(lái)預(yù)測(cè)巖爆烈度,即靶心貼近度值越大,則巖爆烈度越接近該貼近度所對(duì)應(yīng)的巖爆烈度等級(jí);最后,將該方法應(yīng)用于靈寶東峪礦區(qū)、冬瓜山銅礦和秦嶺隧道巖爆預(yù)測(cè)等實(shí)例中,結(jié)果表明:該方法不僅可以準(zhǔn)確、合理地預(yù)測(cè)巖爆烈度,而且相比其他方法,該方法不需要任何先驗(yàn)知識(shí),使用起來(lái)更直接、更方便。
爆炸力學(xué);靶心貼近度;層次分析法;烈度預(yù)測(cè);巖爆;關(guān)聯(lián)函數(shù);變權(quán)
巖爆是在高地應(yīng)力地區(qū)地下工程開(kāi)挖過(guò)程中比較常見(jiàn)的一種動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象,由于在發(fā)生過(guò)程中常常伴隨著巨大的能量釋放且其孕育過(guò)程緩慢不易察覺(jué),因而極具災(zāi)難性和突發(fā)性,容易造成設(shè)備損壞和人員傷亡,不僅影響工期,而且對(duì)工程造成不可估量的損失。巖爆預(yù)測(cè)能夠?qū)?shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工起指導(dǎo)作用,為巖爆防治提供時(shí)間、地點(diǎn)以及危險(xiǎn)程度等信息。巖爆發(fā)生機(jī)理是有效預(yù)測(cè)巖爆的理論基礎(chǔ)。
自18世紀(jì)40年代以來(lái),在巖爆的理論研究方面成果頗豐,提出了強(qiáng)度理論、能量理論、失穩(wěn)理論、損失理論、巖爆傾向理論、微觀破裂機(jī)制理論、分形理論以及突變理論等,可謂百家爭(zhēng)鳴。但是,各個(gè)理論的出發(fā)點(diǎn)和考慮的因素各不相同或者比較單一,導(dǎo)致對(duì)巖爆的作用機(jī)理至今未形成統(tǒng)一的定論,巖爆問(wèn)題已經(jīng)成為一個(gè)世界難題。
近年來(lái),在巖爆預(yù)測(cè)方面也有了一些新的進(jìn)展,各種預(yù)測(cè)理論在其相應(yīng)的適用條件下也取得了良好的效果,如:高瑋等[1]基于工程類(lèi)比的思想將改進(jìn)的蟻群聚類(lèi)算法應(yīng)用于巖爆預(yù)測(cè);劉曉輝等[2]提出了巖爆預(yù)測(cè)的微震監(jiān)測(cè)法;張志龍等[3]運(yùn)用地質(zhì)綜合分析法和Russense判據(jù)法成功預(yù)測(cè)了雪峰山隧道巖爆;羅磊等[4]建立了巖爆烈度預(yù)測(cè)的加權(quán)距離判別模型;馮夏庭等[5]研究了巖爆孕育的時(shí)空變化規(guī)律,對(duì)深埋隧道的巖爆預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)控提供了重要的基礎(chǔ)。
總的來(lái)說(shuō),以上方法不外乎分為理論判據(jù)法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法和工程類(lèi)比法。然而,理論法限于巖爆機(jī)理的復(fù)雜不確定性往往比較單一,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法一般滯后實(shí)際巖爆發(fā)生狀況,使得預(yù)測(cè)結(jié)果有一定的偏差。同時(shí),工程類(lèi)比法雖能較綜合地預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生,但大多忽略了巖爆各因素的影響不同或者不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)各因素的影響程度,如加權(quán)距離判別法也只是從常權(quán)評(píng)價(jià)的角度考慮了各因素的影響重要性,而并沒(méi)有考慮到各因素重要性隨巖爆狀態(tài)而變化的情況?;诖耍疚闹性诰C合考慮巖爆各個(gè)影響因素的基礎(chǔ)上,將變權(quán)靶心貼近度的方法引入巖爆預(yù)測(cè)中,以期能夠取得較好的效果,為巖爆烈度預(yù)測(cè)提供一種新的思路和方法。
1.1 巖爆發(fā)生與巖性有關(guān)
工程實(shí)踐表明,發(fā)生巖爆的巖石新鮮完整、質(zhì)地堅(jiān)硬或者基本沒(méi)有裂隙存在。一般情況下,當(dāng)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值后,巖質(zhì)越堅(jiān)硬,巖體越易存儲(chǔ)能量,巖爆越易發(fā)生。陸家佑[6]考慮到與巖爆發(fā)生有關(guān)的巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響,提出了以下判別準(zhǔn)則:
(1)
式中:σθ為洞室圍巖切向應(yīng)力;Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度;Ks取值與巖石的單軸抗拉強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度比Rt/Rc有關(guān),且當(dāng)Rt/Rc取值分別為0.25、0.5、0.75和1.0時(shí),Ks依次為0.3、0.4、0.45和0.5,中間值可采用插值法求得。
1.2 巖爆發(fā)生與地應(yīng)力有關(guān)
巖爆的發(fā)生與地應(yīng)力的量級(jí)有著密切的關(guān)系,因此,巖爆發(fā)生地區(qū)地應(yīng)力一般都較高。通常情況下,高地應(yīng)力地區(qū),巖石所具有的彈性模量越高,巖石越易聚集彈性能量,在巖體開(kāi)挖過(guò)程中也容易形成破碎區(qū),導(dǎo)致巖爆易發(fā)生。這是因?yàn)?,在開(kāi)挖卸荷過(guò)程中,改變了巖體賦存的空間環(huán)境,破壞了圍巖的初始地應(yīng)力,打破了洞室圍巖的平衡狀態(tài),引起周?chē)鷰r體應(yīng)力重分布,導(dǎo)致局部地方應(yīng)力集中,當(dāng)應(yīng)力聚集到一定程度達(dá)到巖爆臨界應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生巖爆[7]。學(xué)者們以地應(yīng)力為基礎(chǔ)建立了許多相關(guān)的巖爆應(yīng)力判據(jù),而且在實(shí)際中也取得了良好的效果,如Russenes判別法、Turchaninov判別法、Hook巖爆判別法、Barton判別法、陶振宇判別準(zhǔn)則、徐林生二郎山公路隧道判別法等。
1.3 巖爆發(fā)生與能量有關(guān)
A.Kidybinski[8]根據(jù)對(duì)煤的實(shí)驗(yàn)提出了彈性應(yīng)變能指數(shù)判據(jù),即巖爆和彈性應(yīng)變能與損耗應(yīng)變能之比有關(guān);趙本釣[9]通過(guò)巖石變形曲線將巖爆與峰值前巖石的變形能的積累和峰值后巖石破壞所需的能量密切聯(lián)系起來(lái),提出了巖爆的沖擊能量指數(shù)指標(biāo);在A.Kidybinski和趙本釣的基礎(chǔ)上,唐禮忠等[10]通過(guò)分析巖石破壞過(guò)程中的能量變化,提出以巖石在峰值強(qiáng)度前儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能和峰值強(qiáng)度后穩(wěn)定破壞所需的能量耗散之差(即剩余能量)與峰值強(qiáng)度后穩(wěn)定破壞所需的能量耗散之比作為剩余能量指數(shù),以反映巖石在峰值強(qiáng)度后區(qū)的動(dòng)態(tài)特性,結(jié)果表明該指標(biāo)能夠較好地反映巖石的巖爆傾向。因此,巖爆的發(fā)生與能量有著密切的聯(lián)系。
1.4 巖爆烈度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)上述對(duì)巖爆主要影響因素的分析,考慮巖爆發(fā)生的內(nèi)外條件,王元漢等[11]建立了一種巖爆烈度與各影響因子之間的綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1),將巖爆烈度分為4個(gè)等級(jí):無(wú)巖爆(Ⅰ級(jí))、輕微巖爆(Ⅱ級(jí))、中等巖爆(Ⅲ級(jí))和強(qiáng)巖爆(Ⅳ級(jí))。表中:σθ/σc為圍巖最大切向應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度比,σc/σt為巖石單軸抗壓強(qiáng)度與巖石單軸抗拉強(qiáng)度比,wet為彈性能量指數(shù)。
表1 巖爆烈度與各主控因子之間的關(guān)系
2.1 區(qū)間關(guān)聯(lián)函數(shù)
設(shè)有m個(gè)樣本,每個(gè)樣本包含n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),記第i個(gè)樣本在第j個(gè)指標(biāo)下的屬性值為xij。根據(jù)一定的規(guī)律或者法則,可以將所有樣本分成p個(gè)評(píng)價(jià)類(lèi)(如上述巖爆烈度可以分為4個(gè)等級(jí)),則在第j個(gè)指標(biāo)的取值區(qū)間內(nèi)插入p-1個(gè)分點(diǎn),將其分為以下p個(gè)子區(qū)間:[aj0,aj1],…,[ajk-1,ajk],…,[ajp-1,ajp]。則第i個(gè)對(duì)象在第j個(gè)指標(biāo)下關(guān)于第k個(gè)評(píng)價(jià)類(lèi)(區(qū)間)[ajk-1,ajk]的關(guān)聯(lián)函數(shù)為:
(2)
關(guān)聯(lián)函數(shù)值越大,說(shuō)明屬性值越接近分類(lèi)區(qū)間的中點(diǎn)。當(dāng)μijk>0時(shí),表示屬性值在分類(lèi)區(qū)間內(nèi);當(dāng)μijk<0時(shí),表示屬性值在分類(lèi)區(qū)間外;當(dāng)μijk=0時(shí),表示屬性值在分類(lèi)區(qū)間臨界值上[12]。
2.2 靶心貼近度
根據(jù)文獻(xiàn)[12],將上述單個(gè)指標(biāo)對(duì)各區(qū)間關(guān)聯(lián)函數(shù)值的最大值作為評(píng)價(jià)對(duì)象的靶心坐標(biāo),表示為:
(3)
式中:μij表示單指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)的最大值;i∈[1,m],j∈[1,n],k∈[1,p]。則第i個(gè)樣本的靶心可以表示為:(μi1,μi2,…,μin)。因此,設(shè)第i個(gè)評(píng)價(jià)樣本關(guān)于第k個(gè)評(píng)價(jià)類(lèi)的靶心貼近度為:
(4)
式中:wij表示第i個(gè)評(píng)價(jià)樣本關(guān)于第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。
2.3 變權(quán)的層次分析法求權(quán)重
2.3.1 層次分析法
層次分析法(AHP)[13]是將研究對(duì)象分為不同的因素,并按照各因素之間的關(guān)系將各因素組合成不同的層次,確定各因素之間的相對(duì)重要性,在實(shí)際中能有效解決難以定性或定量解決的復(fù)雜問(wèn)題。其主要求解步驟如下:
(1)構(gòu)建判斷矩陣。層次分析法需要以相應(yīng)的信息作為基礎(chǔ),而信息來(lái)源于人們對(duì)不同層次各個(gè)因素之間的相對(duì)重要性所作出的判斷,為了將這種判斷量化,引入了適當(dāng)?shù)呐袛鄻?biāo)度,將判斷以數(shù)字的形式體現(xiàn),從而構(gòu)成判斷矩陣,標(biāo)度方法見(jiàn)表2,其中bij表示因子i與j進(jìn)行比較所得到的標(biāo)度值,且滿(mǎn)足bij=1/bij。
表2 標(biāo)度意義表
(2)一致性檢驗(yàn)。根據(jù)以上判斷矩陣求出其最大特征值λmax對(duì)應(yīng)的特征向量,并作歸一化處理,得到新的向量W,該向量中的每個(gè)元素值對(duì)應(yīng)著相應(yīng)因子的權(quán)重。一致性判斷標(biāo)準(zhǔn)用指標(biāo)C表示,當(dāng)C=0.1時(shí),一致性較好,較合理;當(dāng)C<0.1時(shí),一致性很好,很合理;當(dāng)C>0.1時(shí),一致性差,不合理,判斷不合理則需要重新調(diào)整元素取值。其計(jì)算公式為:
(5)
(6)
式中:Ci表示一致性指標(biāo),Ri表示平均隨機(jī)一致性指標(biāo),其取值標(biāo)準(zhǔn)按表3選擇,n表示因子的個(gè)數(shù)。
表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)
2.3.2 均衡函數(shù)與變權(quán)模式
傳統(tǒng)的層次分析法在滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上,雖能體現(xiàn)各因素之間的不同重要性,但是往往具有過(guò)度的主觀色彩。另外,層次分析法所得權(quán)重體系一般固定不變,而不會(huì)隨著樣本或者對(duì)象的變化而變化,因而不能反映復(fù)雜樣本的系統(tǒng)非線性等特征??紤]到這些缺陷,本文中建立了一種均衡函數(shù),通過(guò)獲取樣本中的信息,對(duì)層次分析法求得的權(quán)重進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整,用已體現(xiàn)出決策者在對(duì)象評(píng)價(jià)過(guò)程中的偏好,最后得出一種變權(quán)模式。
設(shè)層次分析法所求得的指標(biāo)權(quán)重為:
采用文獻(xiàn)[14]中提供的均衡函數(shù)
則可以得到的變權(quán)公式為:
(7)