D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.041.003 第25卷第4期 北京科技大学学报 VoL.25 No.4 2003年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2003 神经网络在大尺度采空区损伤演化 统计与预测中应用 来兴平张立杰》蔡美峰 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)西安科技大学能源学院，西安710054 摘要利用神经网络结构计算方法对岩石基复合材料支护大尺度采空区动力损伤演化趋 势进行统计和预测，并与工程现场多种方法的综合监测数据进行了比较，其结果完全吻合， 关键词神经网络；大尺度采空区；动力损伤与演化；统计与预测 分类号.TD350 1问题的提出 采空区动力损伤演进行统计与预报，及时采取相 应措施，以期保证主运巷正常运营以及玲珑金矿 玲珑金矿255主运巷是整个矿山生产的咽喉 的可持续发展B. 工程（如图1所示)，由于其塌陷和变形比较大， 长期以来，人们对材料和构件宏观力学性能 的劣化直至破坏全过程的机理、本构关系、力学 225m 280m 模型和计算方法都很重视，并且用各种理论和方 ,206m 130m 法进行了研究.本文针对有断层与岩石基复合 -50m 材料支护的大采空区(10m×20m×25m)动力学损 -70m 伤的复杂问题，利用神经网络结构计算方法，对 -150m 材料变形和动力损伤演化趋势进行统计预测. -270m 2神经网络结构计算原理 在地下结构分析中，BP网络被直接用来实现 图1玲珑金矿255主运巷与生产系统关系描述 结构系统输入参数x∈R“和输出参数yER的非线 Fig.1 Relation describing between 255 main transport 性映射x一y.首先用传统的力学分析（有限元 roadway and production 法)或实验方法得到的结果训练网络，调整连接 且上部是松动区，松散体，下部是大采空区，对四 权值，然后用训练出的网络来进行结构分析.事 周注浆和锚固，形成以坚硬花岗岩、水泥（混凝 实上，这是一种用多层网络进行内插或外推的方 土)、刚纤维等复合材料支护体系，并将生产运输 法，其力学分析或实验方法采用传统方法，只是 线由新巷改到旧巷，新旧巷相距10m.由于新卷 在内插或外推时采用神经网络，网络的逼近实际 的变形和塌陷破坏极其严重，对已加固旧巷的稳 上是对离散空间点(x,y)的基于基函数的最佳拟 定产生严重影响，若不及时处理，会带来灾难 合过程.由于前向网络具有很强的输入输出映射 性后果，因此对新巷、旧巷的地压活动规律和稳 能力，并且适应性广，算法简单，无需建立系统的 定性状况以及双巷耦合影响进行监控，对大尺度 数学模型，因而在结构工程中得到了广泛应用， 2.1材料本构模型 收稿日期2002-12-04来兴平男，31岁，副教授，博士后 基于神经计算原理，构造出具有若干个自由 *国家自然科学基金(No.50074002)和国家教委博士点基金 (No.2000000802)资助项目 度的神经元，将计算力学中有限单元的刚度矩阵
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 、 神经 网络在大尺度采空 区损伤演化 统计与预测 中应用 来兴 平 ’， 张立 杰 ， 蔡 美峰 ” 北 京 科技大学 土木与 环境工 程 学 院 ， 北京 西 安科技大学 能源学 院 ， 西 安 摘 要 利用 神经 网络结构计算方法对岩石 基复合 材料支 护大 尺 度采 空 区 动 力损 伤演化趋 势进行 统 计和 预 测 ， 并与 工 程 现 场 多种 方 法 的综 合 监 测 数据 进行 了 比较 ， 其 结果 完全吻合 关键 词 神 经 网 络 大尺度 采 空 区 动 力 损伤 与演 化 统 计 与 预测 分 类号 问题 的提 出 玲珑 金矿 主 运巷 是整 个矿 山生 产 的 咽 喉 工 程 如 图 所 示 由于 其 塌 陷和 变 形 比较 大 ， 集 ， 仁 肖 条 盲兀不一葱牙 之 肖崖一雀教 飞 万一钧拼一—一弓 州亩窿尸 ‘ 州产一肖片犷一一一一洲尸‘ ’ ” 当比二万一 ‘ 资二二东二之士互 刁” 日吕三 士董乡红票平 一 困吕墓一节一二岁匕一一粉 ，， 。 习 ’ 让 川 采 空 区动 力损 伤演进 行 统计 与预 报 ， 及 时采 取 相 应 措 施 ， 以期 保证 主 运巷 正 常运 营 以及 玲珑 金矿 的可 持 续 发 展， 长 期 以来 ， 人们 对 材 料 和 构件宏观 力学性 能 的劣 化直 至 破 坏 全 过 程 的机理 、 本 构 关 系 、 力 学 模 型 和 计 算 方 法 都 很 重 视 ， 并 且用 各 种 理 论 和 方 法进 行 了研 究〔， ， 本 文 针对 有 断层 与岩石基 复合 材料 支护 的大采 空 区 、 动 力 学 损 伤 的 复 杂 问题 ， 利 用 神 经 网络 结 构计 算 方法 ， 对 材 料 变 形 和 动 力损 伤 演 化趋 势 进 行 统 计 预 测 图 玲珑金 矿 主运巷 与生 产 系 统 关 系 描述 · 功 柱 且 上 部 是松 动 区 ， 松 散体 ， 下 部 是 大 采 空 区 ， 对 四 周注 浆 和 锚 固 ， 形 成 以坚 硬 花 岗岩 、 水 泥 混 凝 土 、 刚 纤维等 复 合 材料支护 体 系 ， 并将 生产 运输 线 由新 巷 改 到 旧 巷 ， 新 旧巷 相 距 由于 新 巷 的变形和 塌 陷破 坏 极其严重 ， 对 已加 固 旧 巷 的稳 定产 生 严 重 影 响 ‘， ， ，， 若 不 及 时处 理 ， 会 带 来 灾 难 性后 果 ， 因此 对 新 巷 、 旧 巷 的地 压 活 动 规 律和 稳 定 性 状 况 以及 双 巷 祸 合 影 响进行 监 控 ， 对 大 尺 度 收稿 日期 一 刁 来 兴 平 男 ， 岁 ， 副教授 ，博 士 后 国家 自然科学基金 和 国家教委博士 点基金 资助项 目 神 经 网 络 结 构 计 算原 理 在 地 下 结 构分 析 中 ， 网络 被直接用 来 实现 结 构 系 统 输入 参 数 任 ” 和 输 出参 数 任 的 非 线 性 映射人 一夕 首 先 用 传 统 的力 学 分 析 有 限元 法 或 实验 方法 得 到 的结 果 训练 网络 ， 调 整 连接 权 值 ， 然 后 用 训 练 出 的 网络 来 进 行结 构 分 析 事 实 上 ， 这 是 一 种 用 多层 网络进 行 内插 或 外推 的方 法 ， 其 力 学 分 析 或 实验 方 法 采 用 传 统 方法 ， 只 是 在 内插 或 外 推 时采 用神 经 网络 ， 网络 的逼近 实 际 上 是 对 离 散 空 间 点 少 的基 于 基 函 数 的最 佳拟 合 过程 由于 前 向网络 具 有很 强 的输入输 出映射 能力 ， 并 且 适应 性广 ， 算 法 简单 ， 无 需建立 系统 的 数 学 模 型 ， 因 而 在 结 构 工 程 中得 到 了广 泛 应 用 材 料 本 构 模 型 基 于 神 经 计 算 原 理 ， 构造 出具 有 若 干 个 自由 度 的神经 元 ， 将 计 算力 学 中有 限单元 的刚度矩 阵 DOI ：10．13374／j ．issn1001—53x．2003．04．003
VoL25 No.4 来兴平等：神经网络在支护采空区损伤演化统计与预测中应用 ◆301 以神经元间的权值来描述，将结构外载荷作为神 空区进行毛石充填，充满后，西部空区采用木垛 经元的外部输入，可以构造出对应于各种有限单 支护，上部空区采用混凝土支护，巷道底板采用 元的神经计算单元，再将其耦合以形成求解该力 钢筋混凝土梁跨过毛石充填区.10支1脉和10支 学问题的神经网络，利用该神经网络系统对采空 2脉原先预留的保安矿柱均被民采破坏，在主运 区围岩损伤进行计算，基于神经网络的材料本构 巷下面，在原玲珑金矿采后的充填区周围均有村 模型不仅可以再现以前训练过的实验结果，还能 民的采矿、出矿点.表1描述的是岩体性态，结合 对其他实验结果作近似预测，也可以用实验数据 工程实际和有关资料，利用监测钻孔周围岩石类 对网络作进一步的训练，使之更完善，基于自适 别、单轴抗压强度、泊松比、弹性模量、节理裂隙 应神经网络的材料模型表示参见有关文献. 系数等参数对钻孔应力信息进行学习与挖掘，结 2.2介质损伤演化统计与预测 合现场实测值进行验证，分析其损伤演化趋势， 从现场的工程地质调查（如图2所示）发现， 在误差范围内，预测结果与之完全吻合，各监测 采空区围岩是脆性介质，其变形是由于不规则开 钻孔应力实测与预测损伤演化趋势对比如图3 采造成.1991年11月在开掘新主运巷时，在10支 所示，神经网络信息挖掘过程误差曲面等值线如 1脉处遇到一空区，发现原顶柱已被采空，对下部 图4所示. (a)塌陷区地表围岩破碎状况 (D)塌陷区地表围岩破坏状况 (c旧巷钢筋拉裂与围岩破坏状况()新巷观测区局部部位岩石屡裂现象 图2采空区围岩及环境破坏状况 Fig.2 Rock-mass and environmental damage in the mined-out area 表1岩体力学参数 Table 1 Mechanical parameters of rock-mass 岩体名称岩石名称抗压强度MPa弹性模量/GPa泊松比岩石RQD/%节理裂隙系数C值（湿）v值（湿） 花岗岩 花岗岩 96.3 55.3 0.26 83 0.82 22.4 41.1 破碎花岗岩花岗岩 62.5 20.3 0.29 65 0.62 5.8 30.2 片麻岩片麻岩 112.0 58.9 0.25 85 0.83 24.3 43.6 破碎片麻岩片麻岩 72.2 24.8 0.28 671 0.59 6.2 32.4 3结论 计算方法，对其演化趋势进行预测，结合现场多 种方法的综合监测，其结果完全吻合， (1)对于岩石基组成的混凝土材料支护作用 (②)在神经网络结构计算中，网络的拓扑结构 下的采空区围岩的环境损伤，利用神经网络结构 参数很重要，直接影响计算速度和结果可靠性
、 来 兴 平 等 神经 网络 在支护 采 空 区 损伤演化统 计 与预 测 中应 用 以神 经 元 间 的权值 来描述 ， 将 结构 外载荷 作 为神 经 元 的外 部 输入 ， 可 以构造 出对 应 于各 种 有 限单 元 的神经 计 算单元 ， 再 将其祸合 以形 成求解 该 力 学 问题 的神 经 网络 利用 该 神经 网络 系统对 采 空 区 围岩 损 伤 进 行 计 算 基 于神 经 网络 的材料 本 构 模 型 不 仅 可 以再现 以前 训 练过 的实验 结果 ， 还 能 对 其 他 实验 结 果作近似预测 ， 也可 以用 实验数据 对 网络 作进 一 步 的训 练 ， 使之 更 完善 ， 基 于 自适 应 神 经 网络 的材料模 型 表 示 参 见 有 关 文 献〔， 介质 损 伤 演 化 统 计 与预 测 从现 场 的工 程 地 质 调 查 如 图 所 示 发现 ， 采空 区 围岩 是脆性介质 ， 其变形 是 由于 不 规 则开 采造 成 年 月在 开掘 新 主运 巷 时 ， 在 支 脉 处遇 到一 空 区 ， 发现 原顶柱 已 被采 空 ， 对 下 部 空 区 进 行 毛 石 充 填 ， 充 满 后 ， 西 部 空 区采 用 木 垛 支 护 ， 上 部 空 区采 用 混 凝 土 支 护 ， 巷 道底 板 采 用 钢 筋混 凝 土 梁跨过 毛 石 充填 区 支 脉 和 支 脉 原 先 预 留的保 安矿 柱 均 被 民采 破 坏 ， 在 主 运 巷 下 面 ， 在 原玲 珑 金 矿采 后 的充填 区 周 围均有 村 民的采 矿 、 出矿 点 表 描 述 的是 岩 体 性 态 ， 结 合 工程 实 际 和有 关 资 料 ， 利用 监测 钻 孔 周 围岩 石类 别 、 单轴 抗 压 强度 、 泊 松 比 、 弹性 模 量 、 节 理 裂 隙 系数等 参数对钻 孔 应 力 信 息进行 学 习 与挖 掘 ， 结 合 现场 实测 值 进 行 验 证 ， 分 析 其 损 伤 演 化 趋势 ， 在误 差 范 围 内 ， 预 测 结果 与 之 完 全 吻合 各监 测 钻 孔 应 力 实测 与预 测 损 伤演 化 趋 势 对 比 如 图 所 示 神经 网络信 息挖掘 过程 误 差 曲面 等值线 如 图 所 示 塌 陷区 地 表 围岩 破碎状况 塌 陷区 地表 围岩破坏 状况 旧 巷钢 筋 拉裂 与 围岩 破坏状况 新巷观 测 区局 部部位岩 石 爆裂现象 图 采 空 区 围岩及 环 境破 坏 状 况 一 表 岩体 力学参数 岩 体 名 称 岩 石 名称 抗压 强度迎边 弹性模量 泊松 比 岩 石 节 理裂 隙系数 值 湿 值 湿 洲、︼一︸︶︸ ，‘， … ，、亡工 ， 花 岗岩 花 岗岩 ‘，乙︶，︸、︸﹄ ‘︸ 八凡， ‘己只 破碎 花 岗岩 花 岗岩 片麻岩 片麻岩 破碎 片麻岩 片麻岩 结 论 对 于 岩石 基 组 成 的混 凝 土 材料 支 护 作用 下 的采空 区 围岩 的环 境损 伤 ， 利 用 神经 网络 结构 计 算方法 ， 对 其 演 化 趋 势 进 行 预 测 ， 结 合 现 场 多 种 方 法 的综合 监 测 ， 其 结 果 完 全 吻合 在神经 网络 结构计 算 中 ， 网络 的拓 扑 结 构 参 数 很 重 要 ， 直 接 影 响 计 算速 度 和 结果 可 靠 性
·302· 北京科技大学学报 2003年第4期 32 30 (a)1#钻孔 33 (b)2#钻孔 32 实测信 26 4 实测值 31 2 预测值 20 预测值 29 18 16 28 0 10 15 20 25 10 15 25 时间序列模式 时间序列模式 (c)3#钻孔 46 (d4#钻孔 9 44 42 实测值 7 实测值 % 知 预测值 36 预测值 34 3 32 5 10 15 20 25 51015 20 25 时间序列模式 时间序列模式 28 (e)5#钻孔 6 32 (①6#钻孔 24 eaW/ 30 实测值 昙 实测值 22 28 预测值 20y 预测值 24 10 15 20 25 0 5 1015 2025 时间序列模式 时间序列模式 图3各监测钻孔应力实测与预测损伤演化趋势对比 Fig.3 Comparison of the predicting values with in-situ monitoring values 参考文献 1 Cai Meifeng,Lai Xingping.Monitoring and analysis of nonlinear dynamic damage of transport roadway suppor- ted by composite hard rock materials in Linglong gold Mine [J].J Univ Sci Technol Beijing,2003,10(2):105 2蔡美峰，来兴平，复合坚硬岩石巷道塌陷段监控的 研究与应用[)岩石力学与工程学报，2003,22(3)： -25 39194 图4神经网络信息挖掘过程误差曲面等值线 3 Lai Xingping,Cai Meifeng.Research on application of ar- Fig.4 Error contour in the process of signal mining by neu- tificial neural network expert system in diagnosis of dam- ral network age of pre-stressed concrete piles and bolt [J].J Coal Sci Eng,1999,5(2):460 (3)神经网络作为一种先验性数学统计方法， 4 Lai Xingping,Cai Meifeng.Application of integrated in- 对坚硬围岩的小变形、动力损伤演化统计与预 telligent methodology to predict stability and supporting 测，必须借助包括结构力学等其他方法耦合完 decision in underground drift [J].J Coal Sci Eng,2000, 成，才能提高其可靠度和指导工程实践， 6(1):405
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 钻孔 内凡凡︸，弓‘内拭一︸ 钻孔 划只侧叹﹄芝已 实测气 山，‘，内︸，，，片石︸笼月了 划只创受山号 严测值 时间序 列 模式 时 间序 列模式 呀︸内门月 麦八︶ 钻孔 白乏目划只侧、 实测值 二二 了贝仪 月二 了︺内‘ 山芝川娜只例、 时 间序 列 模式 时 间序 列模式 ‘弓门， 八︶ 测只侧︸﹄芝讨 ，‘ 划只倒叹﹄芝 时 间序列模式 时 间序 列 模式 图 各监 测 钻 孔应 力 实测 与预 测 损 伤 演化趋 势对 比 一 加 浪疮 羹 参 考 文 献 图 神经 网络信息 挖掘 过 程 误差 曲面 等值 线 自 神 经 网络 作 为一 种 先 验 性 数 学 统 计 方 法 ， 对 坚 硬 围岩 的 小 变 形 、 动 力 损 伤演 化 统 计 与预 测 ， 必 须 借 助 包 括 结 构 力 学 等 其 他 方 法 祸 合 完 成 ， 才 能提 高其 可 靠 度 和 指 导 工 程 实践 ， 别 月 ， ， 蔡美峰 ， 来兴 平 复合坚 硬 岩石巷道塌 陷段监控 的 研 究与应用 岩石 力学 与 工 程 学报 ， ， ， 七刀 叮 ， ， ， 耳笋 ，
Vol.25 No.4 来兴平等：神经网络在支护采空区损伤演化统计与预测中应用 ·303· 5谢强，姜崇喜，凌建明.岩石细观力学实验与分析 ling artificial neural network []J Univ Sci Technol Be- M.西南交通大学出版社，1997 ing,2002,9(1):11 6夏蒙芬，韩闻生，柯孚久，等，统计细观损伤力学和 8石平五，来兴平，伍永平.复合岩体支护巷道破坏规 损伤演化诱致突变(1)).力学进展，1995,1(25)：1 律的试验系统研制与应用).北京科技大学学报， 7 Cai Meifeng,Lai Xingping.Evaluation on stability of 2002,246:231 stope structure based on the nonlinear dynamics of coup- Application of Neural Network to the Statistics and Prediction of Dynamical Dam- age and Evolutement in the Large Scale Mine-out Area Supported by Rock-Based Composite Materials LAI Xingping 2,ZHANG Lijie",CAI Meifeng" 2)Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Energy School,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China ABSTRACT The neural network structural computation method was applied to the trend statistics and prediction of stress evolvement in the large scale mine-out area supported by rock-based composite materials.The predicting values were compared with the in-situ monitoring ones.The results show they are very agreeable. KEY WORDS neural network;large scale mined-out area;dynamical damage and evolvement;statistics and pre- diction
来兴 平等 神经 网络在支护采 空 区 损伤演化 统计 与预测 中应用 一 谢强 ， 姜崇喜 ， 凌建 明 岩石细 观 力 学 实验 与分析 明 西 南交通 大 学 出版社 ， 夏蒙芬 ， 韩 闻生 ， 柯孚久 ， 等 统计 细观 损伤 力 学和 损伤演化诱致突变 力学进 展 ， ， ， 询 厂 加川 刀 刀 ， ， 石平 五 ， 来兴平 ， 伍永平 复合岩体支护 巷道破 坏 规 律 的试 验系统研制与应用 ， 北 京科技大学学报 ， ， 一 户 一 即动 ，乙阮咬刃 已 诉心 ， 钊 ， ‘ ， ， 理汀 ， ， ， ， ， 幻刀。 改 江 】 ，川爪 、 名 一。 以 、 一 ， 田召 · 田叮
