地下工程支护效果的ARMA预测模型及应用.pdf
第3 3 卷第3 期 2 0 1 3 年0 6 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM 霹乳t L L U R G I C A LE N G 孙m E ] R 玳G V 0 1 .3 3 №3 J u n e2 0 1 3 地下工程支护效果的A R M A 预测模型及应用① 李启月,陈亮,范作鹏,许杰 中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要基于时间序列分析理论,建立了地下工程支护效果的自回归滑动平均模型 A R M A ,将顶板累积垂直岩移量和锚杆轴力作 为评价指标,提取监测数据趋势项及其平稳残差时序,对顶板支护效果进行预测。现场应用表明,A R M A 模型预测的顶板累积垂直 岩移量及锚杆轴力值与实测值相比,相对误差分别不超过3 %和2 %;与G A .B P 神经网络法相比,A R M A 模型预测结果的精度显著 提高。 关键词地下工程;支护效果预测;时间序列分析;A R M A 模型 中图分类号T D 8 5 3文献标识码Ad o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .0 2 5 3 卸9 9 .2 0 1 3 .0 3 .0 0 3 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 3 0 0 0 8 0 5 A R M AM o d e la n dI t sA p p l i c a t i o ni nP r e d i c t i o no f U n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n gS u p p o r t i n gE f f e c t u Q i y u e ,C H E NL i a n g ,F A NZ u o p e n g ,X UJ i e S c h o o lo f R e s o u r c e sa n ds a f e t yE n g i n e e r i n g ,C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ,C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ,H u n a n ,C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt i m es e r i e sa n a l y s i s ,a nA R M Am o d e lw a sp r o p o s e dt op r e d i c tt h es u p p o r t i n ge f f e c ti nu n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n g 。B yt a k i n gc u m u l a t i v ev e r t i c a lm o v e m e n to fr o o fr o c ka n da x i a lf o r c eo fa n c h o rb o l ta se v a l u a t i o ni n d i c a t o r s , t h es u p p o r t i n go fr o o fu n d e r g r o u n dw a sp r e d i c t e db ya p p l y i n gt h et r e n dt e r mo fr e s i d u a lt i m es e r i e s .F i e l da p p l i c a t i o n s h o w e dt h a tt h ec u m u l a t i v ev e r t i c a lm o v e m e n to fr o o fr o c ka n da x i a lf o r c eo fa n c h o rb o l tp r e d i c t e db yA R M Am o d e l s t a t i s t i c a lt e s t i n gw e r ec o m p a r e dw i t ht h ep r a c t i c a lm e a s u r e m e n t ,w i t ht h er e l a t i v ee r r o rn o tl e s st h a n3 %a n d2 %, r e s p e c t i v e l y .C o m p a r e dw i t ht h ea c c u r a c yo fG A B Pn e u r a ln e t w o r k ,A R M Am o d e lh a sg r e a d yi m p r o v e dt h ea c c u r a c yo f p r e d i c t i o n . K e yw o r d s u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ;s u p p o r t i n ge f f e c tp r e d i c t i o n ;t i m es e r i e sa n a l y s i s ;A R M Am o d e l 准确地预测地下工程支护效果、评价支护质量,对 确保地下工程安全性、改进支护设计、及时维护补强支 护、减少翻修和延长地下工程服务年限有着重要意义, 因此地下工程支护效果评价与预测一直是研究的热 点,并取得了一定的研究成果⋯,形成了回归分析法、 灰色理论法、神经网络法和遗传算法等传统的多因素 分析预测法。然而,传统的预测方法因很难克服监测 项目的动态性、随机性和复杂性而导致预测效果不佳。 与传统预测方法不同,时间序列分析法从观测数据的 统计规律出发,不涉及与其他变量之间的关系,仅仅是 利用因变量自身的历史资料来挖掘信息嵋。j 。该方法 在大风监测预警J 、模糊分类系统∞1 和机械故障预 报。刊等众多学科领域中应用效果良好。本文将时间 序列分析法应用于地下工程支护效果预测,将顶板累 积垂直岩移量和锚杆轴力作为评价指标,根据实测值 建立自回归滑动平均模型 A R M A 模型 ,从而对顶板 支护效果进行预测。 1 时间序列A R M A 模型 A R M A 模型是时间序列分析中最具有代表性的一 类模型,该模型表达了在不同t 时刻一个随机过程本 身观测数据之间的关系,即表达了时间序列{ 戈。} 内部 的相关关系喁] 。对于平稳、正态的时间序列h } ,筏的 取值不仅与其前P 步的各个取值h 小t m ⋯,戈㈨} 有 关,而且还与前q 步的各个干扰。川,a Ⅲ,⋯,a t - q 有 关,建立A R M A p ,q 模型分为以下几个步骤一。13 | 1 时间序列的平稳性检验。计算时序每组的自 ①收稿日期2 0 1 2 1 2 .1 7 基金项目湖南省自然科学基金 0 8 J J 4 0 1 4 ;教育部博士点基金 2 0 0 9 0 1 6 2 1 2 0 0 8 4 作者简介李启月 1 9 6 8 一 ,男,湖南常宁人,副教授,硕士研究生导师,主要从事岩土工程爆破、采矿理论与技术研究工作。 万方数据 第3 期 李启月等地下工程支护效果的A R M A 预测模型及应用 相关系数h ,按式 1 进行 p - k ∑ 气一习 扎。一刁 旦L i 一 1rk1 2 F 一 L , ∑ 甄一刁2 根据h } 的特征,判定时序的平稳性。若为不具有二 阶矩平稳的非平稳序列,通常需要进行平稳化处理;若 为平稳序列,则可以进行纯随机性检验。 2 纯随机性检验。按式 2 计算衄统计量 L B 。P P 2 荟 生 ~x 2 q 2 当衄统计量大于彳一。 g 分位点,或该统计量的P 值 小于a 时,认为该序列为非白噪声序列;否则,接受原 假设,认为该序列为纯随机序列,没有任何分析价值。 3 残差时序建模。提取趋势向后的残差时序的 自相关函数和偏相关函数均具有拖尾性时,其序列 满足A R M A 模型。对于A R M A P ,口 模型,有式 3 存在 并, ∑t P i z 。一j 一∑6 1 『口。_ 口。 3 式中a 。~N O ,o r ;妒i i 1 ,2 ,⋯,P 为自回归参数; o j j 1 ,2 ,⋯,g 为滑动平均参数。 ①估计自回归参数妒i 。计算自协方差函数R x , 令K g 1 ,g 2 ,⋯,,I ,} ,l q F 。 P - p 。,N P ,则还可升阶建模;若 F R p 。- p f ,N - p . ,则认为低阶模型适用。误差的 矩阵表达式为 V 却一A O y 1 0 其中 X A 菇1 X 2 X N m x P ,9 口1 d t 2 o ,v m 缸 p ,g A 矩阵中t t i 由下式取值 Ⅱl 菇1 a 2 石2 一妒l 菇1 0 l 口l 口3 石3 一妒l 茗2 一妒2 戈l 0 l 口l 0 2 口2 ● 口。 菇。一t p l x n l 一⋯一妒。一l X l 0 1 a 。一1 O m O , 。一m 1 1 2 工程实例 以某金矿一6 2 0m 中段6 3 7 6 2 采场顶板支护工程 为例,该工程采用预应力树脂锚杆 钢带 或金属网 喷浆联合支护方式,预应力树脂锚杆长2 .6I n ,最优 锚杆间距为1 .2m 。利用A R M A 模型对该地下工程支 护效果进行预测。监测项目包括预控顶板累计垂直岩 移量和锚杆轴力。测点布置考虑结构面分布、矿体形 态特征、巷道开挖时间、预计发生大变形位置等因素, 取A 、B 两组监测断面,对A 断面I I 号测点 A I I 测点 累计垂直岩移量监测数据为例进行时序分析。 提取趋势项后的残差时序自相关系数见图1 。由 图可见,该残差时序具有平稳性。建立A R M A 1 ,1 模型,表1 给出了提取趋势项后的残差时间序列、白噪 音序列和误差序列。 计算统计检验量知A R M A 1 ,1 低阶模型可用。 将趋势项和残差项相加得到组合预测模型。表2 给出 所有测点的计算结果。 m M ; 之 神 M; 以 妇 M 妇 毗 Ⅳ 瞰 雠 茁 恤 .眦 口 神 纠 缸 一删. 札 M 神 。 M 脚 o w 一 灿 叫 一 m 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 籁 懈 永 霹 皿 涮 霞l r 卜f l 1 . ⋯r 。 r .. 滞后 图l 残差时序自相关系数图 表1 序列数据 序列名称序列数据 残差时序 一2 .2 0 3 3 .一1 .5 1 5 5 ,0 .4 3 9 9 ,0 .2 4 2 1 .一1 .2 2 0 3 . 0 .6 5 7 5 。1 .4 8 9 6 。一0 .2 8 5 1 ,0 .7 7 4 2 。0 .0 5 5 1 , 0 .8 7 5 6 .O .8 9 1 7 .0 .8 6 5 9 ,0 .7 4 3 2 .0 .5 4 5 4 , 0 .3 0 3 7 .一0 .0 5 加.一0 .8 4 2 2 .1 .1 2 0 7 .0 .8 5 8 9 . 0 .6 0 0 3 。0 .2 1 8 4 .一0 .0 3 2 2 ,一0 .2 7 9 6 。0 .0 2 5 1 。 0 .6 0 1 3 ,一0 .6 5 0 8 .0 .4 4 6 5 。一0 .3 1 0 8 .一0 .1 0 8 8 , 一0 .5 1 4 8 ,一0 .6 0 2 0 ,一1 .5 2 3 1 。0 .2 9 6 1 .0 .4 1 4 8 . 一0 .7 4 6 2 。一1 .1 3 7 0 ,一1 .4 2 1 4 。1 .1 1 9 2 ,0 .6 8 5 3 . 一0 .0 0 3 9 .1 .9 8 3 2 .0 .1 4 6 0 ,0 .9 5 1 4 .1 .0 4 8 5 . 1 .4 9 9 1 .1 .0 1 8 4 .一0 .0 8 3 2 白噪声序列 一2 .2 0 3 3 。一o .5 2 6 7 .1 .0 4 5 5 。一0 .0 0 1 0 .一1 .3 1 0 7 . 1 .2 1 2 0 ,1 .1 5 2 7 。一0 .9 2 8 3 ,0 .9 5 0 7 。一0 .3 0 5 7 . 0 .8 7 8 0 。0 .4 9 8 6 ,0 .4 9 5 3 ,0 .3 8 2 5 .0 .2 3 9 0 。 0 .0 8 2 0 ,一0 .1 7 3 6 .一0 .8 0 9 0 .1 .4 9 6 1 。0 .3 2 7 6 , 0 .2 5 4 9 ,一0 .0 2 5 0 ,一0 .1 1 1 9 ,一0 .2 5 9 2 .0 .1 4 9 0 . 0 .5 8 0 7 .一0 .9 1 9 1 .0 .7 5 8 9 ,一0 .5 3 4 7 .0 .0 4 7 6 . 一0 .4 7 7 8 .一0 .3 7 3 7 。一1 .2 7 0 1 ,0 .9 6 0 5 ,0 .2 3 1 8 . 0 .9 1 8 6 ,一0 .7 8 9 2 .一0 .9 3 7 4 ,1 .7 2 0 6 ,0 .1 3 7 7 . 一0 .2 7 0 2 .2 .0 0 5 0 .一0 .7 4 5 7 。0 .9 5 3 1 。0 .6 2 1 4 。 1 .0 6 0 7 。0 .3 7 8 7 .一0 .4 9 2 0 误差序列 0 .5 2 6 7 。一1 .0 4 5 5 ,0 .0 0 1 0 ,1 .3 1 0 7 ,一1 .2 1 2 0 . 一1 .1 5 2 7 ,0 .9 2 8 3 ,一0 .9 5 0 7 。0 .3 0 5 7 ,一0 .8 7 8 0 , 一0 .4 9 8 6 .一o .4 9 5 3 .一o .3 8 2 5 ,一0 .2 3 9 0 ,一o .0 8 2 0 . 0 .1 7 3 6 。0 .8 0 9 0 .一1 .4 9 6 1 。一0 .3 2 7 6 。一0 .2 5 4 9 . 0 .0 2 5 0 ,0 .1 1 1 9 .0 .2 5 9 2 ,一0 .1 4 9 0 .一0 .5 8 0 r 7 . 0 .9 1 9 1 .一0 .7 5 8 9 .0 .5 3 4 7 .一0 .0 4 7 6 .0 .4 7 7 8 . 0 .”3 7 。1 .2 7 0 1 。一0 .9 6 0 5 ,一0 .2 3 1 8 。0 .9 1 8 6 。 0 .7 8 9 2 ,0 .9 3 7 4 。一I .7 2 0 6 ,一0 .1 3 7 7 ,0 .2 7 0 2 , - 2 .0 0 5 0 ,o .7 4 5 7 ,一0 .9 5 3 1 ,一0 .6 2 1 4 ,一1 .0 6 0 7 , - 0 .3 7 8 7 ,0 .4 9 2 0 一o .0 0 毗2 0 .1 6 1 3 t 2 2 0 3 3 0 .3 7 3 4 x l 一2 o .0 7 5 4 a l 一2 o I 咒 一o _ 0 0 0 8 1 2 o .2 5 6 6 ‘ 1 .8 2 7 0 O8 3 2 5 x ‘一2 一o .3 5 3 8 a t 一2 口I y I 一o .0 0 D 4 产 0 .1 7 1 4 t 1 .3 5 1 5 0 I7 9 施t 一2 0 .0 8 6 5 口t 一2 D l 儿 一o - 0 0 Q 3 t 2 o .0 9 3 4 t 1 .9 1 0 4 o .5 8 5 3 x I 一2 0 .2 娥I 一2 口。 y l 一0 .0 0 0 B 产 o .1 1 8 9 t 1 .9 0 9 1 n 4 1 0 3 x f 一2 一o .0 1 2 4 a I 一2 口I Y 4 o .0 0 0 1 产 0 .0 5 8 7 t 23 0 4 5 0 .7 2 8 1 x I 一2 一o .3 5 2 9 l 一2 口I ,,l O .9 7 8 3 x I _ 2 - 0 .0 3 3 8 a l 一2 a I Y t 0 .9 7 8 8 x I - 2 - 0 .0 1 6 9 a I 一2 口l Y s O .9 8 0 7 x I 一2 一O .1 8 9 9 a 。一2 口I Y t 0 .9 7 4 4 x I _ 2 O .0 4 0 4 n I - 2 a I Y l 0 .9 7 0 6 x t 一2 0 .0 3 0 5 a l 一2 口l Y t 0 .9 5 9 1 x h 2 0 .1 1 8 8 a 。- 2 口I 采场顶板最易破坏的位置位于中间位置。为分析 支护是否稳固,分别对A 、B 断面ⅡI 点的累计岩移量 和A 、B 断面2 点的锚杆轴力进行预测,预测结果如图 2 所示。 时间/d 时间/d 图2A 、B 断面预测结果 由图2 可知,累计岩移量逐渐趋于平衡,最大值不 超过2 5m m ,说明现有的支护方式能很好的控制岩体 位移;锚杆轴力不超过1 1 0k N ,以选用的锚杆材质来 说,并没有完全发挥锚杆的作用。综上所述,现有的支 护方式能保证采场顶板的安全稳固。 3 预测效果与对比分析 3 .1 A R M A 模型预测值与实测值对比 以A I I 和A 1 测点监测数据为例,对比A R M A 模 型预测值与实测值,见表3 。结果表明,顶板累积垂直 表3A l l 和A l 测点监测数据的预测值与实测值 序 号 累计 时间 A I I 测点顶板垂直累积岩移量A l 测点锚杆轴力 预测值实测值相对误差预测值实测值相对误差 /d /m m,mf %/k N/k N ,‰ 暑量\捌簿永埘常瑟峨 NI\R暴宴擐 肌珊小眦聊哪觚舵怂m眩骼 万方数据 第3 期李启月等地下工程支护效果的A R M A 预测模型及应用 岩移量预测值与实际监测值的相对误差不超过3 %, 锚杆轴力预测值与实际监测值的相对误差不超过 2 %。可见,时序分析能较好的估算出监测数据的未来 发展趋势,预测值具有很高的可信度。 3 .2A R M A 预测模型与G A - B P 预测模型对比 根据A 断面监测数据,用神经网络方法对两项指 标进行预测。考虑到纯B P 网络存在的缺陷和G A 算 法的优势,将两者结合起来进行训练和预测以提高预 测精度⋯o G A .B P 建模的关键是确定B P 神经网络的结构层 数和每层的神经元数,由权值和阈值形成基因链、种群 规模Ⅳ、交叉概率P 。的两个常数k 。和k 以及迭代精 度s ,和s 。当迭代满足既定的终止条件时,则将最优 适应度个体的值解码,为下一步的B P 网络的再训练 提供初始权值和阈值 分别为形、y 、 和T 。在具体 训练时,样本为S 。。。矩阵,目标为G 。。。矩阵。显然,输 入层节点数为/ t ,输出层节点数为P ,隐含层节点数由 经验公式/ /Z √印确定。则个体的编码长度 染色体 L n m 唧 m P 。将G A B P 神经网络的预测结果与 A R M A 模型预测结果以及实测值进行对比,见图3 6 。 可见,虽然G A B P 算法的预测性能已经很好,但 其预测精度仍不及A R M A 模型。神经网络方法中,学 习训练对预测效果起关键作用,因此在样本比较少的 情况下,网络预测的精度往往不高。而时间序列分析 法从数据本身的历史资料出发,挖掘数据自身的统计 E E \ 捌 擒 琅 硼 常 饔 略 辎 匿 琴 \ 辅 蝼 智 晕 时间/d 图3A I I I 测点预测结果及其相对误差 规律,克服了样本不足的困难。监测获取了顶板垂直 累积岩移量和锚杆轴力的时间序列数据,这些数据具 有数据量不大的特点。由采矿工艺可知,监测采场回 采保留时间都不会超过半年,故预测分析不需要较长 的外推时间。所以采用时间序列方法对监测数据进行 预测分析效果更好。 Z 』 \ R 暴 枣 擐 琴 \ 稍 憨 智 罂 时间/d 图4A 2 测点预测结果及其相对误差 琴 \ 蝴 贱 舞 罂 时间/d 图5A I V 测点预测结果及其相对误差 万方数据 1 2 矿冶工程第3 3 卷 Z ■ \ R 暴 虫 撵 零 \ 涮 然 智 窭 图6A 3 测点预测结果及其相对误差 4 结论 1 影响地下工程支护效果因素众多,传统的多因 素分析预测法不仅技术上难以实现,而且很难进行准 确判断。时间序列A R M A 模型只利用因变量自身的 历史资料来挖掘信息,因而避免了这个问题。 2 根据顶板累计垂直岩移量和锚杆轴力监测数 据建立顶板支护效果预测的时间序列A R M A 模型和 G A B P 神经网络,前者预测值的准确度更高。 3 时间序列A R M A 模型克服了样本不足的困难, 预测结果与真实值非常接近,可操作性较好,是一种预 测地下工程支护效果的有效新方法。 参考文献 [ I ] 孙月,文振明,张宏伟,等.坚硬顶板工作面顶板动态预报与支 护质量检测[ J ] .煤炭技术,2 0 0 6 ,2 5 9 6 4 6 5 . [ 2 ]徐峰,汪洋,杜鹃,等.基于时问序列分析的滑坡位移预测 模型研究[ J ] .岩石力学与工程学报,2 0 1 1 ,3 0 4 7 4 6 7 5 1 . [ 3 ] 侯晓鸿,李一智.A R M A p ,口 模型参数初估计新方法研究[ J ] . 中南工业大学学报,1 9 9 8 ,2 9 3 3 0 0 3 0 2 . [ 4 ] 熊顺成,蔡美峰.地下工程监控时间序列分析方法及应用[ J ] . 北京科技大学学报,1 9 9 5 ,1 7 1 1 4 . [ 5 ] 潘迪夫,刘辉。李燕飞,等.青藏铁路格拉段沿线风速短时预测 方法[ J ] .中国铁道科学,2 0 0 8 ,2 9 5 1 2 9 1 3 3 . [ 6 ]张洪祥,毛志忠.基于时间序列的模糊聚类与规则提取信用评价 模型[ J ] .东北大学学报 自然科学版 ,2 0 1 0 ,3 1 4 4 6 5 4 6 8 . [ 7 ]苏圣超,张正道,朱大奇.基于时问序列数据挖掘的旋转机械故 障预报[ J ] .南京航空航天大学学报,2 0 0 6 ,3 8 z 1 1 2 0 1 2 3 . [ 8 ] 杨位钦,顾岚.时间序列分析与动态数据建模[ M ] .北京北京 理工大学出版社,1 9 8 8 . [ 9 ] 潘翔,黄铭,王跃威.海塘渗压监测分析的时间序列组合模 型[ J ] .岩土力学,2 0 0 6 ,2 7 8 1 3 7 4 1 3 7 8 . [ 1 0 ]王永岩,马士进。高菲.软岩巷道围岩变形时序预测方法的研 究[ J ] .辽宁工程技术大学学报 自然科学版 ,2 0 0 1 ,2 0 4 5 0 5 5 0 6 . 【1 1 ]乔美英。马小平,兰建义,等.基于加权L S - S V M 时间序列短期瓦 斯预测研究[ J ] .采矿与安全工程学报,2 0 1 1 ,2 8 2 3 1 0 3 1 4 . [ 1 2 ] G o n a t h a nM S .D e t e c d o no fd e t e r m i n i s ma n dl a t q d o m n 嘲i nt i m e s e r i e s am e t h o db a s e d0 1 1p h a s es p a c eo v e r l a po f a t t r a c t o r s [ J 1 .P r o - i T l a n 8J o u r n a lo fP h y s i c s ,1 9 9 7 ,4 9 6 5 8 1 - 5 9 0 . [ 1 3 ]刘晓,曾祥虎,刘春宇.边坡菲线性位移的神经网络.时间序列 分析[ J ] .岩石力学与工程学报,2 0 0 5 ,2 4 1 9 3 4 9 9 3 5 0 4 , [ 1 4 ] 黄建国,罗航,王厚军,等.运用G A .B P 神经网络研究时间序 列的预测[ J ] .电子科技大学学报,2 0 0 9 ,3 8 5 6 8 7 6 9 2 . 上接第7 页 渥数之间的关系曲线图,能给矿井降温设计人员和现 场工程技术人员提供一种简便可行的确定巷道与风流 不稳定换热准数的方法。 3 确定巷道与风流不稳定换热准数后,可计算任 意给定长度巷道的围岩散热量。 参考文献 [ 1 ] 张习军,王长元,姬建虎.矿井热害治理技术及其发展现状[ J ] . 煤矿安全,2 0 0 9 3 3 3 3 7 . [ 2 ]王长元,张习军,姬建虎.论矿井热害治理技术[ J ] .矿业安全与 环保,2 0 0 9 ,3 6 2 6 2 6 4 . [ 3 ] 时岚,张学博.潮湿巷道围岩散热影响因素的数值分析[ J ] .煤 炭科学技术,2 0 0 9 ,3 7 9 5 1 5 3 . [ 4 ] 秦跃平,秦风华,于明学.用有限单元法研究回采工作面围岩散 热[ J ] .辽宁工程技术大学学报 自然科学版 ,1 9 9 9 ,1 8 4 3 4 2 3 4 6 . [ 5 ] 秦跃平,秦风华,党海敢.用差分法解算巷道围岩与风流不稳定 换热准数[ J ] .湘潭矿业学院学报 自然科学版 ,1 9 9 8 ,1 3 1 6 1 0 . [ 6 ] 秦跃平,党海政,曲方.回采工作面围岩散热的无因次分析 [ J ] .煤炭学报,1 9 9 8 ,2 3 I 6 2 6 6 . 万方数据