多因素交互作用下岩爆主控因素辨识

郭 立

(中国铝业公司， 北京 100082)

多因素交互作用下岩爆主控因素辨识

郭 立

(中国铝业公司， 北京 100082)

岩爆主控因素辨识是有效防治岩爆的关键。简要介绍了岩爆发生的影响因素，引入RES理论建立了多因素交互作用下岩爆主控因素辨识的模型分析方法。通过VCR法采场岩爆实例分析，辨识出了交互作用下岩爆倾向性8个影响因素的作用大小，展示了该法的实际应用。

岩爆；主控因素;交互作用;辨识

岩爆的发生是由复杂地质因素、工程环境因素和人为开挖因素等多因素交互作用的结果，深入研究导致岩爆发生的影响因素,并辨识出哪些因素在岩爆启动的过程中起了主导作用，可以帮助人们更好地进行矿山开采优化设计，避免或降低岩爆给矿山生产带来的危害[1]。岩石工程系统理论(RES理论)是采用系统分析的方法，通过构造交互作用矩阵列举工程影响因素,并研究其交互作用的机理[2],将其应用于岩爆倾向性预测并实现主控因素辨识，可以起到预防和控制岩爆灾害的作用。

1 岩爆发生的主要影响因素

岩爆的发生虽带有一定的随机性、模糊性和不确定性，但国内外对岩爆机理的研究表明，岩爆的发生与工程地质因素、工程环境因素和人为开挖因素的共同作用密切相关[3]。

1.1 地质因素

(1) 岩体结构。岩体结构由结构面和结构体两个要素组成，结构面和结构体的特性决定了岩体结构特征,岩体工程是否会发生岩爆以及岩爆的烈度大小，主要取决于结构面性质及其空间组合和结构体的性质及其立体形式。

(2) 地质构造。复杂的地质构造带容易发生岩爆,特别是向斜的轴部岩层存在较大的地应力，聚积有大量的弹性变形能，一旦开挖或开采，就有可能产生岩爆。

(3) 不连续面性状。不连续面的光滑或粗糙程度，不连续面的组合状态及其充填物的性质，都反映了不连续面的性质，直接影响着结构面的抗剪特性。结构面越粗糙，其抗剪强度中的摩擦系数越高，对块体运动的阻抗能力越强，越容易发生岩爆；结构面的宽度或充填物的厚度越大且其组成物质越软弱，则压缩变形量越大，岩爆发生的可能性则较小。

(4) 岩石质量指标RQD。岩石质量的优劣直接影响着岩体的变形特性和变形量的大小，岩石质量越好，岩体的刚性越大，发生岩爆的可能性越大。

1.2 环境因素

(1) 工程埋深。工程埋深决定着原岩应力的大小、方向与分布状态，进而影响着工程的地质和环境状况。而岩爆的发生与地应力集聚特性有着密切的关系，具有较高地应力的岩石，其弹性模量也较高，岩石具有较大的弹性变形能，也最易发生岩爆。

(2) 渗流量。通常情况下，岩爆一般发生在干燥的岩体中，而比较湿润的岩体较难发生岩爆，这是因为渗流对岩石的作用造成的。

(3) 地温及其变化。深部岩体工程处于高温度场控制之下，由于开采的扰动和人为通风降温措施的应用，开挖周围一定范围内的围岩产生明显的温度梯度区。而岩体温度变化可产生地应力变化，再加上一定量的温度升高可导致岩性变脆，增加了岩爆的发生几率。而异常的温度升高，又可导致岩性变得延展，塑性增加，从而降低了岩爆的发生几率。

(4) 地震。当岩体工程处于多震区，由地震产生的巨大的弹性波迅速传播，可使得处于临界状态的岩体受到扰动而发生突然失稳破坏，从而导致岩爆的发生。

1.3 开挖因素

(1) 岩体工程的规格形状。岩体工程的开挖打破了岩体中原始应力平衡状态，在其周围一定范围的岩体中发生应力重分布，一旦某些部位的应力值达到或超过发生岩爆的临界值，容易发生岩爆。

(2) 工程布置。弹塑性力学分析与工程岩爆的实际表明，同样规格形状的岩体工程如果布置方法不一样，造成围岩的应力集中与分布规律不一样，发生岩爆的几率也就不一样。

(3) 开挖工艺。开挖工艺主要指工作面的开挖方式与爆破方法。工作面是采用一次开挖工艺还是分步开挖工艺，其实施效果不同。当采用分步开挖时，积聚在岩体内的弹性变形能能够以较小的速率释放出来，从而降低岩爆的发生几率。另一方面，采用不同的爆破方式，工程岩体的外载荷在爆破的瞬间差异很大，并以P波和S波的方式在岩体内传播，既导致了围岩的损伤演化结果有明显区别，又成为邻近工程岩体发生岩爆的诱发因素。

(4) 支护工艺。良好的工作面支护一般表现为开挖后靠近工作面的支护及时，安设可靠和初始刚性高以便限制岩体的早期位移和体积闭合量，同时还表现为具有一个可控制快速屈服的能力以使支护体尽可能多地吸收岩体变形释放的能量，降低岩爆发生的几率。

2 RES理论的基本原理

RES理论是应用模型分析的方法，通过构造交互作用矩阵列举工程影响因素并研究其交互作用的机理。

2.1 模型分析方法

交互作用矩阵构造的基本原理如图1所示，将所有状态变量(表示工程主控因素)列于矩阵的自左上至右下的主对角线单元内，以非对角线单元描述变量间交互作用机理，并按顺时针旋转规则表示—个状态变量对其他状态变量的作用方向，这样状态变量间通过一定的法则相互作用并决定工程系统的最终性态。

2.2 交互作用矩阵的构造

(1)

2.3 各参数的交互作用强度和优势分析

为了深入研究岩石工程系统中各状态变量及其交互作用，定量评价交互作用的强度和优势，RES理论通过对交互作用矩阵进行编码来实现这一目的。在RES理论中，基于ANN编码方式，推导并给出了整体相对作用强度GRSE，见式(2):

图1 交互作用矩阵的基本原理

(2)

GRSEji的物理意义为：

(1) 表示各输入参数对输出的相对作用，具有动态特性;

(2) |GRSEji|≤1，该值的大小表示输入对输出的作用强弱，值越大作用越强，反之则越弱;

(3)GRSEji>0表示输入与输出之间的关系正相关,GRSEji<0表示输入与输出之间的关系负相关。

3 实例分析

结合VCR法采场岩爆倾向性研究，选取8个影响因素即埋深、倾角、结构面类型、采矿方法、区域支护、采场宽度、走向跨度和临时支护，运用RES理论辨识其主控因素。所选50个岩爆实例源自文献[3]，根据这些岩爆实例，作者在文献[5]建立了输入层为8个节点(表示8个影响因素)、隐层为20个节点、输出层为1个节点(表示岩爆倾向性)的3层岩爆倾向性智能分析模型，并构造出了整体交互作用矩阵，见式(3)。图形表达可见图2。

(3)

图2 各因素的相对交互作用强度和优势

可知，在上述8个因素共同作用下，VCR法开采岩爆的发生按影响顺序大小排序为：采场宽度>走向跨度>开采深度>结构面类型>矿体倾角>临时支护方法>区域支护>采矿方法。此外，开采深度、结构面类型等5个因素在岩爆发生的过程中主要起正向作用，即这些因素的输入参数值越大，对岩爆的诱发作用越大。

4 结 论

(1) 简要介绍了岩爆发生的影响因素，引入RES理论建立了多因素交互作用下岩爆主控因素辨识的模型分析方法。

(2) 运用所构造的分析模型对50个VCR法开采岩爆发生的实例进行研究，按影响顺序大小辨识出了岩爆主控因素，可以为有效防治岩爆提供指导。

[1] Durrheim R J. Roberts M K C. Haile A T,etc. Factors influencing the severity of rockburst damage in South African gold mines[J]. The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy, 1998,98(3/4):53-57.

[2] Yang Y, Zhang Q. The application of neural networks to rock engineering systems[J]. Int J Rock Mech Min Sic, 1998,35(6):727-745.

[3] 冯夏庭. 智能岩石力学导论[M]. 北京：科学出版社，2000.

[4] 刘晓辉,吴爱祥,王春来，等.某深井矿山岩爆预测模式研究[J].采矿与安全工程学报,2012(1):78-83

[5] 郭 立. 深部硬岩岩爆倾向性动态预测模型及应用[D].长沙：中南大学，2004.

2013-10-30)

郭 立(1969-)，男，安徽阜南人，高工， 博士，主要从事矿业开发与管理工作，Email: guoli872@126.com。