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