基于Bayes判别分析方法的地下工程岩爆发生及烈度分级预测

第31卷增刊1岩土力学Vol.31Supp.12010年8月RockandSoilMechanicsAug.2010收稿日期：2010-04-23基金项目：国家重点基础研究发展计划项目资助（No.2010CB732004）；国家自然科学基金资助项目（No.10872218，50934006）；中南大学优秀博士学位论文扶植资助项目（No.2008yb001）；《科技导报》“博士生创新研究资助计划”（No.kjdb20090102―3）。第一作者简介：宫凤强，男，1979年生，博士研究生，主要从事岩石动力学、岩土工程稳定性及可靠性分析的研究工作。E-mail：[e-mail]文章编号：1000－7598(2010)增刊1－0370－09基于Bayes判别分析方法的地下工程岩爆发生及烈度分级预测宫凤强1,2，李夕兵1,2，张伟1,3（1.中南大学资源与安全工程学院，长沙410083；2.深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点实验室，长沙410083；3.长沙有色冶金设计研究院，长沙410011）摘要：在岩爆发生和烈度分级预测的距离判别分析模型的基础上，结合地下工程岩爆的特点和Bayes判别分析理论，提出了地下工程岩爆发生及烈度分级预测的Bayes判别分析方法。综合分析影响岩爆主要因素，选取最大切向应力θσ、岩石抗压强度cσ、岩石抗拉强度tσ和弹性能量指数etW作为判别因子建立岩爆预测的Bayes判别分析模型，并利用回代估计法对误判概率进行估计。利用国内外一些重大深部地下工程实例作为学习的样本进行训练建模，经过训练后的模型回判估计的误判率为0。利用该模型对国内3处典型的隧道岩爆情况进行预测，结果与实际情况符合得很好。研究结果表明，Bayes判别模型在岩爆发生可能性及烈度分级预测中具有良好的适用性和有效性。关键词：地下工程；岩爆；Bayes判别；距离判别；隧道；矿山中图分类号：TU452文献标识码：ARockburstpredictionofundergroundengineeringbasedonBayesdiscriminantanalysismethodGONGFeng-qiang1,2,LIXi-bing1,2,ZHANGWei1,3(1.SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.HunanKeyLab.ofResourcesExploitationandHazardControlforDeepMetalMines,Changsha410083,China;3.ChangshaEngineeringandResearchInstituteofNonferrousMetallurgy,Changsha410011,China)Abstract:Basedonthedistancediscriminantanalysismodelofrockburstprediction,andcombinedthecharacteristicsandtheprincipleofBayesdiscriminantanalysistheory,aBayesdiscriminantanalysismethodtopredictrockburstinundergroundengineeringispresented.Somemaincontrolfactorsofrockburst,suchasthevaluesofin-situstressesθσ,thecompressivestrengthcσandtensilestrengthtσofrock,theelasticenergyindexofrocketW,areselectedasthediscriminantfactorsoftheBayesdiscriminantanalysismodel;andtheresubstitutionmethodisusedtoestimatetheratioofmistake-distinguish.Thedataofaseriesofundergroundrockprojectsathomeandabroadaretakenasthetrainingandtestingsamples.Rockburstofthreetunnelsareusedtoverifythismodel.TheresultsshowthattheBayesdiscriminantanalysismodelofrockbursthasexcellentperformanceandhighpredictionaccuracy.Keywords:undergroundengineering;rockburst;Bayesdiscriminantanalysis;distancediscriminantanalysis;tunnel;mine1引言随着各国经济建设和国防建设的不断发展，地下空间（包括矿山开采、水电站建设、公路和铁路隧道的建设、核废料存储、地下防护工程等）的开发越来越趋向深度，其中所涉及到的深部地下工程越来越多。在深部地下工程建设过程中，遇到了很多不同于浅部工程的“新”问题。在这一系列新问题中，岩爆频发无疑已经成为地下工程中经常遇到的一个重大工程灾害之一[1－2]。表1和表2是国内部分隧道和矿山的典型岩爆实例统计情况。从中可以看出，岩爆已经广泛存在于深部地下工程的建设增刊1宫凤强等：基于Bayes判别分析方法的地下工程岩爆发生及烈度分级预测过程中。岩爆一旦发生，有时不仅严重威胁施工人员及设备的安全、影响施工进度，而且还会造成超挖、初期支护失效，严重时还会诱发地震，已经成为工程勘测设计及施工组织中必须考虑的重要问题[3－4]。因此，为减少岩爆对地下工程施工带来的破坏，并且降低对工程施工人员、设备的威胁，对岩爆的发生及烈度分级进行预测预报研究，具有重要的现实意义。表1国内部分隧道工程岩爆实例统计情况Table1StatisticalcasesofrockburstinseveraltunnelsinChina工程名称岩爆段埋深/m实际岩爆情况文献四川－西藏公路270～760二郎山隧道施工过程中发生了近百次岩爆活动，但大多属于轻微、中等级别。连续发生岩爆的洞段共有8段，每段长60～355m不等分，累计长度达1095m。[5]城口－黔江公路300～1050通渝隧道施工过程中先后发生数十次岩爆，集中发生岩爆的洞段有8段，以中等岩爆和弱岩爆为主。[6]重庆－宜昌高速公路320～550陆家岭隧道自施工以来，先后在隧道7个区段的拱顶和边墙发生了93次岩爆，岩爆多发生于掌子面开挖24h内。[7]终南山特长高速公路230～1600秦岭隧道施工区段内有2664m产生不同程度的岩爆，其中最大的一次拱部岩爆掉块尺寸达900cm×850cm×420cm，将打眼操作平台砸坏，停工处理了3d。[8]都江堰－汶川高速公路320～360福堂坝隧道岩爆洞段有11段，其中强烈岩爆2段，累计长度120m，呈大规模连续分布，造成围岩大面积开裂失稳。[9]诸暨－永嘉高速公路203～205括苍山隧道内部分地段爆破约30min后，掌子面附近有鞭炮式的爆炸声，声音连续，与此同时洞顶有小块的岩体掉落，人不敢靠近。[10]福州－宁德高速公路382～408九华山隧道自施工以来，先后在隧道7个区段的拱顶和边墙发生了93次岩爆。[11]台州－缙云高速公路450～800苍岭隧道左右洞连续发生岩爆的区段共计近20段，长度20～200m不等。[12]表2国内部分地下矿山工程岩爆实例统计情况Table2StatisticalcasesofrockburstinseveralundergroundminesinChina矿山名称埋深/m实际岩爆情况文献辽宁二道沟金矿500采矿时发生岩爆而导致工人重伤事故；采场发生岩爆巨响（近10m长的顶板岩石整体崩落）与一块体积0.3m3石块从顶板与下盘交角处弹出；小的岩爆几乎不断。[13]山东玲珑金矿620～690在巷道施工过程中，围岩内部发出清脆的爆裂撕裂声，爆裂岩块多呈薄片、透镜、棱板状或板状等，均具有新鲜的弧形、楔形断口和贝壳状断口，并有弹射现象。[14]安徽冬瓜山铜矿790～850矽卡岩中出现岩爆，进行锚网支护后，锚杆剪断，并在岩层交界处出现1.8m长底鼓；侧帮及顶板岩爆，爆裂声历时20余天，锚网支护破坏。[15]辽宁红透山铜矿1047岩爆的表现形式主要为岩块弹射、坑道片帮、顶板冒落等。1995－2004年矿山岩爆监测记录49次。[16]河南灵宝金矿1500已发生几起马头门顶部岩爆事件，使其顶部成“人”字状，很难形成拱型，属于严重岩爆事件。[17]河南平煤十二矿1100经常听到掘进工作面岩爆声响，发生7次较大的岩爆事件，其中一次抛出3～4m3岩石，当时伤6人。[18]云南会泽铅锌矿650～920工程地质钻探过程中发现不同程度的岩芯饼化现象；在川脉巷道中发现侧帮岩体有较为典型的片状剥落现象，其岩爆烈度主要为轻微或弱岩爆。[19]2岩爆预测判别指标的分析岩爆的产生有外部和内部两方面的原因。其外因在于：岩爆通常发生在高地应力的地下岩体中。由于在岩体中开挖洞室，改变了岩体赋存的空间环境，引起了洞室周围的岩体应力重新分布和应力集中。其内因在于：岩爆一般发生在硬岩中，其岩石矿物结构致密度、坚硬度较高。围岩因开挖卸荷发生脆性破坏而导致储存于岩体中的弹性应变能突然释放，最终导致围岩产生爆裂松脱、剥落、弹射等破坏，而形成岩爆[20－21]，同时发现发生岩爆的岩体中应力水平较高，且岩爆的烈度与应力集中程度密切相关[22]。考虑影响岩爆发生与否及其烈度大小的主要因素，主要有3类不同的判别准则。2.1岩爆的发生与围岩应力有关很多学者[4,20,23－27]认为，围岩应力和岩爆的发生密切相关，并提出了许多判别准则。（1）Russenes岩爆判别准则371岩土力学2010年cccc/0.20()0.20/0.30()0.30/0.55()/0.55()θθθθσσσσσσσσ⎫⎪⎪⎬⎪⎪⎭≤≤≥无岩爆弱岩爆中岩爆强岩爆（1）式中：θσ为围岩最大切向地应力；cσ为岩石单轴抗压强度。（2）Turchaninov岩爆判别准则LcLcLcLc()/0.30()0.30()/0.50()0.50()/0.80()()/0.80()θθθθσσσσσσσσσσσσ+⎫⎪+⎪⎬+⎪⎪+⎭≤≤≤无岩爆可能岩爆肯定岩爆严重岩爆（2）式中：Lσ为围岩轴向应力。（3）Hoek岩爆判别准则c0.34()0.42()/0.56()0.70()θσσ⎧⎪⎪=⎨⎪⎪⎩少量片帮严重片帮需重型支护严重岩爆（3）（4）巴顿岩爆判别准则c1t1c1t12.50/5.0()0.16/0.33/2.50()/0.16σσσσσσσσ⎫⎫⎪⎪⎬⎪⎪⎭⎬⎫⎪⎪⎬⎪⎪⎭⎭≤≤≤≤中等岩爆或严重岩爆或（4）式中：1σ为工程区最大地应力；tσ为岩石单轴抗拉强度。（5）陶振宇岩爆判别准则c1c1c1c1/14.5()5.5/14.5()2.5/5.5()/2.5()σσσσσσσσ⎫⎪⎪⎬⎪⎪⎭≤≤≤无岩爆轻微岩爆中等岩爆强岩爆（5）（6）王元汉岩爆判别准则cccc/0.30()0.30/0.50()0.50/0.70()/0.70()θθθθσσσσσσσσ⎫⎪⎪⎬⎪⎪⎭≤≤无岩爆弱岩爆中岩爆强岩爆（6）（7）贾愚如岩爆判别准则c/(0.19θσσ≥～0.40)(发生岩爆)（7）（8）姚宝魁岩爆判别准则1c/(0.15σσ≥～0.20)(发生岩爆)（8）2.2岩爆的发生与岩性有关陆家佑岩爆判别准则[4]：cs/Kθσσ≥（发生岩爆），其中sK的选取与tc/σσ有关，如表3所示。在此基础上，王元汉等[20]提出了用ct/σσ表示的一维岩爆烈度划分标准，如表4所示。表3按σt/σc不同值选取KsTab