声发射技术和非线性理论在预报岩体失稳中的应用

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1998.05.001 第20卷第5期 北京科技大学学报 Vol.20 No.5 1998年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1998 声发射技术和非线性理论在预报 岩体失稳中的应用 程学军)胡文琦)蔡美峰) I)北京科技大学资源工程学院，北京1000832)北京科技大学应用科学学院，北京100083 摘要以非线性理论为指导，建立了采场声发射监测预测预报的灰色突变模型，并给出了相应的 计算机程序流程.最后，以某金矿的监测结果来验证该模型，证明是可行的. 关键词声发射技术：非线性理论；岩体稳定 分类号0241.7；TD76 岩体是一种高度非线性、非均匀，不连续的介质，这样就必然导致声发射(AE)技术在评 价岩体稳定性上存在着局限或困难，特别是如何充分利用现场监测得到的丰富信息来准确预 报岩体的安全，目前还有一定的问题.本文将现场声发射的测试结果和非线性理论结合起来， 旨在寻求一种研究岩体稳定性的思路和方法， 1传统预报方法及其存在的问题 用AE监测技术进行岩体稳定性预报的传统方法有2种：(I)考察某1个或几个AE监测 参量(NE-能率；NL-大事件；NT-总事件)值的变化情况，借助于其他矿山岩体临界失稳时这 些参量的值，当被研究岩体的这些值中的1个或儿个达到临界值时，便发出预报；(2)以该处 岩体中的岩石试件做室内声发射试验，在单轴或三轴压力状态下，记录下该试件在临界破裂 时的声发射各参量值，以此值作为判定岩体局部冒落的失稳标准， 上述传统方法的问题是：()各处岩体所处的具体的地质环境、地应力状态、岩石类型以 及采矿方法等是不同的，因而失稳时各参量临界值应该有所不同；(2)岩石与岩体是2个不同 的概念，岩石试件的破裂失稳并不能证明岩体结构的失稳，这种情况在矿山实际采矿过程中 经常见到.若以岩石试件的失稳临界值来判定岩体的失稳是不可靠的， 2非线性理论在预报中的应用 针对岩体是非线性的本质特征，可将非线性理论应用于岩体稳定性预报.研究中采用已 广泛应用于岩土工程的灰色理论和突变理论，并将二者相结合，建立采场声发射监测预报的 模型. 灰色理论是由我国学者邓聚龙教授于80年代初提出的.我们认为岩体属于本征型的灰 1997-04-02收稿 程学军 男，23岁，硕士

第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 《 声发射技术和 非线性理论在预报 岩体失稳 中的应用 程 学军 ‘ 胡文琦 蔡美峰 北京科技 大学 资源 工 程 学 院 ， 北 京 。 。 北 京 科技 大 学 应 用 科 学 学 院 ， 北 京 】 摘要 以 非线性理论 为指导 ， 建立 了采 场声发射监 测 预 测 预 报 的灰色突变模 型 ， 并 给 出 了 相应 的 计算机程序流程 最后 ， 以某金矿 的监测结果来验证 该模 型 ， 证 明是 可 行 的 关健词 声 发射技术 非线性理论 岩体稳定 分类号 刀 岩体是 一种高度非线性 、 非均匀 、 不 连续 的介 质 这样 就 必 然 导致 声 发射 技术 在评 价岩 体稳 定性 上存在着局 限或 困难 ， 特别 是 如何 充 分 利 用 现 场监 测 得 到 的丰富信息来 准确 预 报岩 体 的安全 ， 目前还有一定 的问题 本文将现场声 发射 的测 试结果 和 非线性理 论结合起来 ， 旨在 寻求一种研究岩体稳定性 的思路 和方 法 传统预报方法及其存在的问题 用 监 测技术进行岩体稳定性 预 报 的传 统方 法 有 种 考 察某 个 或几 个 监 测 参量 王卜能率 大事件 总 事件 值 的变 化 情 况 ， 借 助 于 其 他 矿 山岩 体 临界 失 稳 时这 些 参量 的值 ， 当被研究岩体 的这 些 值 中的 个 或 几 个 达 到 临界 值 时 ， 便 发 出预 报 以 该处 岩 体 中的岩 石试件做室 内声发射 试验 ， 在单 轴 或 三 轴 压 力 状 态 下 ， 记 录下 该 试 件在 临界 破 裂 时 的声发射各参量值 ， 以此值作 为判定岩 体局 部 冒落 的失 稳标 准 上 述传统方法 的问题是 各处 岩 体 所处 的具 体 的地 质 环 境 、 地 应 力 状 态 、 岩 石 类 型 以 及采 矿方 法等是不 同的 ， 因而 失稳 时各参量 临界值 应 该有 所 不 同 岩 石 与岩 体是 个 不 同 的概 念 ， 岩 石 试件 的破裂失稳 并 不 能证 明岩 体结 构 的失 稳 ， 这 种 情 况 在 矿 山 实 际采 矿 过 程 中 经 常见到 若 以岩石试件的失稳 临界值来 判 定岩体 的失 稳 是 不 可 靠 的 非线性理论在预报 中的应 用 针 对岩 体是非线性 的本质特 征 ， 可 将 非线性 理 论 应 用 于 岩 体稳 定 性 预 报 研 究 中采 用 已 广泛 应用 于 岩 土工 程 的灰色理 论 和 突变理 论 ， 并 将 二 者 相 结 合 ， 建 立 采 场 声 发 射监 测 预 报 的 模型 灰色理 论 ’〕是 由我 国学者邓 聚龙教 授于 年代初 提 出的 我们认 为岩 体属 于 本征型 的灰 】 一 一 收稿 程 学军 男 ， 岁 ， 硕 士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1998．05．001

·410* 北京科技大学学报 1998年第5期 色系统，因此可通过弱化原始数据的随机性，建立灰色GM(1.1)模型.其方程式为： dx)/dt+ax=u (1) 0=-a(0-em (2) 式中，α，4为模型参数，用最小二乘法求解，模型精度用后验差法检验. 突变理论的创立是为了对一个光滑系统中可能出现的突然变化作出适当的数学描 述，进行稳定性预测的模型为尖点突变模型，其势函数的标准形式为： =+5pr+9u (3) 4 式中：t为状态变量；p,q为控制变量，且有p=f(u,a),9=f(u,a）. 在实际应用过程中，令 △=4p3+27g2 (4) 由突变理论知：当△≤0时，岩体失稳；△>0时，岩体稳定. 3建模过程及程序流程 由上述推导可知，建立声发射监测参数的势函数是建模和进行预报的关键，研究是以声 发射参量中的NL作为状态参量，因为L是表示岩体破裂及尺寸变化的重要标志.对一段时 间内的NL监测值{x(I),x(2),,x()(有失稳趋势的前提下)，按灰色理论的建模方法 得出(2)式，即)=x(). 若考虑任何单变量函数总可由Maclaulin展开式表示为幂级数形式，并截取前5项，表示 为： )=A。+A1+A,P+A+A, (5) 式中：A,=A=-AaA=Aa/23A=-Aa316;A,Aa/24;而(-a)(x(1)-(u/a),它 是一个常数. 对上式进行变量代换，通过Tschimhaus变换： =,1=Z,-m,Z,=442(4,0, 令m= 得0=}Z+p22+92+m (6) 输人原始数据 式中，n为剪切项，对突变分析毫无意义，舍 计算a,M 弃，即得尖点突变模型的标准形式 求出GM1.1)表达式 判别式：△=4p3+27g2. Y士 上述建模过程可参见文献[3]，整个过程 是否满足精度要求> 残差修正 若用手工计算是极其繁琐的，为此作者用C N 语言编制了预报软件，其流程图如图1所示， 利用Maclaulin展开式 截取前5项 4应用 进行Tschimhaus变换 用AE技术对某金矿的一个采场进行了 计算n,9,△发出预报 安全监测，所用仪器为治金部安全环保研究 院研制的YSD单片机岩体声发射仪.该仪器 图1程序流程图

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 、、了护 山， ，二 、少产 色系 统 ， 因此 可 通 过 弱化原始数据 的 随机性 ， 建立 灰色 模 型 其方程式为 酬 ， 分 ， ， 、 探 、 一 ， 一 “ 刃 飞 ， 一 一 式 中 ， ， 为模 型参数 ， 用最小 二 乘法 求解 ， 模 型 精度 用 后 验差 法检验 突 变 理 论 的 创 立 是 为 了 对 一 个 光 滑 系 统 中可 能 出 现 的 突 然 变 化 作 出适 当的数学 描 述 进行稳定性 预测 的模 型 为尖 点突 变模 型 ， 其 势 函 数的标 准形 式 为 。 一 粤 、 喜 ，， 。 ， 件 乙 式 中 为状态 变 量 ， 为控 制变量 ， 且 有 在 实 际应 用 过程 中 ， 令 由突变理 论 知 当 乙 ‘ 时 ， 岩体 失稳 △ 式 ， ， 叮 儿 ， · △ 如 ， 叮， 时 ， 岩 体稳定 建模过程及程序流程 由上 述 推 导可 知 ， 建 立 声 发 射监 测 参数 的势 函 数 是 建模 和 进 行 预 报 的 关 键 ， 研 究 是 以 声 发射参量 中 的 作 为状态参量 ， 因 为 是 表示 岩 体破 裂 及 尺 寸变化 的重要 标志 对一 段 时 间 内的 监 测 值 尹， ， 尹， ， … ， 尹， 有 失 稳 趋 势的前 提 下 ， 按 灰 色理 论 的建模 方 法 得 出 式 ， 即城 尹 若考虑任何单变量 函数总可 由 展 开式表示 为幂 级 数形 式 ， 并 截取前 项 ， 表示 为 人 一 ， 凡产 ， 户 式 中 一 一 人一 肋 ， 人一 ， 一 通 ‘ 而 小 一 分 。 ， 一 ， 它 是 一个 常数 对上 式 进行变量代换 ， 通 过 变换 令 脚 一 ，一 ， ， 一 备 岭。 得 人 一 粤 粤 十 、 。 ‘ 式 中 ， 为 剪 切 项 ， 对 突 变 分 析 毫 无 意 义 ， 舍 弃 ， 即得 尖 点 突变模 型 的标 准形式 判 别 式 乙 ， 了 上 述 建模 过 程 可 参见 文 献 【 ， 整 个 过 程 若 用 手 工 计 算 是 极 其 繁 琐 的 ， 为 此 作 者 用 语 言编 制 了 预 报软件 ， 其流程 图如 图 所示 应用 利 用 曲 展开式 截取前 项 进行 变换 用 技 术 对某 金 矿 的 一 个 采 场 进 行 了 安 全 监 测 ， 所 用 仪 器 为 冶 金 部 安 全 环 保 研 究 院研 制 的 单片机 岩 体 声 发射 仪 该 仪器 计算 、 ， △ 发出预报 图 程序流程图

Vol.20 No.5 程学军等：声发射技术和非线性理论在预报岩体失稳中的应用 ·411· 在国内较先进，具有智能化的特点，能自动 表1采场声发射监测结果(6月) 连续监测，得到完整的监测数据.表1为采 日期 6日7日8日9日10日11日12日 场6月6日~6月12日的监测结果. 序号 2345 67 依次取前3,4,5,6,7个值分别代人 NL5.45.86.57.55.29.811.3 模型中，计算不同的△值.结果表明：△， △，△，△，均大于0，说明采场暂时是稳定的；而△，小于0，说明采场有失稳的可能.在该处本 课题组还进行了岩体附加应力的测试，这期间仪器读数也有较大升高，于是我们向矿方发出 失稳预报，建议矿方撤出人员和设备.实际情况是6月14日凌晨3时左右发生了小范围的冒 落，避免了人员伤亡及设备损失， 5结论 ()声发射技术是一种监测岩体稳定性的有效手段，同时也应辅以多种手段同时监测. (2)文中所建立的模型只是非线性理论在矿山岩体失稳中实际应用的一种尝试. 参考文献 1邓聚龙，灰色预测与决策.武汉：华中理工大学出版社，1986.123 2 Ssunders P T,灾变理论人门.凌复华译.上海：上海科学技术文献出版社，1983.54 3程学军，柏杖子金矿3092采场上部空区围岩稳定性监测和有限元数值模拟：[学位论文]，北京：北京科 技大学，1997 Application of AE Technique and Non-linear Theory on Forecasting the Rock Masses Falling Cheng Xuejun》Hu Wenqi)Cai Meifeng》 1)Resources Engineering School.UST Beiing.Beijing 100083.Chuna 2)Applied Science School.UST Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT For solving the actual problem of forecasting the rock masses falling accurately,grey-catasthphoe model to forecast the stope stability is estabished based on the non-linear theory,and a computer program flow chart is also presented.In the end,the model is proved to be feasible by a gold mine monitoring results. KEY WORDS acoustic emission technique;non-linear theroy;rock masses stability

程学军等 声发射技术和 非线性理论 在 预 报岩体失稳 中的应用 在 国 内较先 进 ， 具有 智能化 的特 点 ， 能 自动 连续监测 ， 得到 完整 的监 测 数据 表 为采 场 月 日一 月 日的监测结果 依次取 前 ， ， ， ， 个值分别代人 模 型 中 ， 计 算 不 同 的 乙 值 · 结 果 表 明 乙 ， 表 采场声发射监测结果 月 日 日 日 日 日 日 日 △ ， △ ， 乙 均大于 ， 说 明采场暂时是稳定 的 而△ 小 于 ， 说 明采 场有 失稳 的可 能 在 该处本 课题组 还进行 了岩体附加应力 的测 试 ， 这 期 间仪器读 数 也 有 较 大 升 高 ， 于 是 我们 向矿 方 发 出 失稳 预报 ， 建 议矿方撤 出人员和设备 实际情 况是 月 日凌晨 时左 右 发 生 了小 范 围 的 冒 落 ， 避免 了人员伤亡及设备损失 结论 声发射技术是一种监测岩体稳定性 的有效 手段 ， 同时也应辅 以 多种 手段 同时监 测 文 中所建立 的模型只是非线性理论 在 矿 山岩体失 稳 中实 际 应 用 的一种 尝 试 参 考 文 献 邓 聚龙 灰色预测与决策 武汉 华中理 工 大学 出版社 ， 山记 灾变理论人 门 凌复华 译 上海 上海科学技 术文 献 出版社 ， 程学军 柏杖子金 矿 采场上部空 区 围岩稳定性监测 和 有 限元数值模拟 学位论文 北京 北京科 技大学 ， 一 心 ’ 琳 叮 ， 油诉 ， 批 眠 ， 、 ， ， 一 ， ， ， 一 一 ， ， 而 一