深部开采初始地应力场非线性反演新方法.pdf

第 4 8 卷第 3 期 2 0 】 7年 3月 中南大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V0 I ．48 No 3 M a r ． 2 0 l 7 D OI 1 0 ． 1 l S 1 7 ． i s s n ． 1 6 7 2 7 2 0 7 ． 2 0 1 7 ． 0 3 ．0 3 1 深部开采初始地应力场非线性反演新方法 汪伟 ，罗周全 ，秦亚光 ，姚曙 ，颜克俊 。 1 ．中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，4 1 0 0 8 3 ； 2 ． 几 口铅锌矿 ，广 东 韶 关 ，5 1 2 3 2 5 摘要针对凡口矿深部开采面临的岩体脆一 延性过渡、地压活动频繁等现状，采用改进型 L U T套孔应力测定系统 开展矿山深部原岩应力实测工作。对 5 1 4组国内地应力实测值进行拟合分析，综合考虑复杂地质体建模、反演载 荷表达、载荷系数与应力实测值之问的非线性映射，编写非线性加载命令及载荷系数搜索程序，提出以混沌搜索 理论为核心的地应力场非线性反演新方法。将该方法应用于凡口矿深部初始地应力场反演。研究结果表明应力 反演值与实测值平均拟合精度达 9 0 ％；将非线性混沌方法用于地应力场反演是可行的，能为深部安全开采提供有 效支撑。 关键词深部开采；初始地应 力场 ；非线性载荷 ；混沌搜索 ；反演分析 中图分类号T D3 1 1 文献标志码A 文章编号1 6 7 2 7 2 0 7 2 0 1 7 0 3 0 8 0 4 0 9 A n e w no n l i n e a r i nv e r s i o n me t h o d o f g e o s t r e s s fie l d i n d e e p mi n i n g WA N GWe i ， L U OZ h o u q u a n ， QI NY a g u a n g 1 , Y A O S h u 2 ， Y A NKe j u n 2 1 ． S c h o o l o f R e s o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． F a n k o u L e a d Z i n c Mi n e ， S h a o g u a n 5 1 2 3 2 5 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai m i n g a t r o c k b r i t t l e d u c t i l e t r a n s i t i o n a n d fre q u e n t u nd e r g r o u n d p r e s s u r e a c t i v i t y i n d e e p F a n k o u mi n e ， g e o s t r e s s me a s u r e me n t wa s c a r r i e d o u t b y u s i n g d e v e l o p e d LUT o v e r - c o r i n g s y s t e m i n d e e p l e v e 1 ． Co n s i d e ri n g c o mp l e x g e o l o g i c a l mo d e l i n g ， i n v e r s i o n l o a d e x p r e s s i o n a n d n o n l i n e a r ma p p i n g b e t we e n l o a d f a c t o r s a n d me a s u r e d s t r e s s ，t h e n o n l i n e a r l o a d i n g wo r d s a n d l o a d p a r a me t e r s s e a r c h i n g p r o g r a m we r e c o mp i l e d ，a n d t h u s a n e w n o n l i n e a r i n v e r s i o n me t h o d o f g e o s t r e s s fie l d c h ara c t e ri z e d b y c h a o t i c s e a r c h t h e o r y wa s p u t f o r wa r d ． Th e n e w i n v e r s i o n me t h o d wa s a p p l i e d i n t h e F a n k o u m i n e ． T he r e s u l t s s h o w t h a t t h e i n v e r s e d s t r e s s fi t s we l l wi t h m e a s u r e d s t r e s s ，a n d t h e a v e r a g e fi t t i n g a c c u r a c y e x c e e d s 9 0 ％． T h e n o n l i n e a r c h a o t i c me t h o d i S r e a s o n a b l e a n d wo r k a b l e f o r g e o s t r e s s fie l d i n v e r s i o n ， wh i c h c a n l a y a n e f f e c t i v e f o u n d a t i o n for s a f e p r o d u c t i o n i n d e e p mi n i n g l e v e 1 ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ； i n s i t u g e o s t r e s s fie l d ； n o n l i n e a r l o a d ； c h a o t i c s e a r c h ； i n v e r s i o n a n a l y s i s 随着 社会经济发展对矿产 需求量 的大幅度增 加，浅部资源 日趋 枯竭，许多矿 山己进入深部 开采阶 段。深部开采面临 “ 三高一扰动”的特殊环境，工程 及岩体力学响应特 征发生极大变 化，地 压显现 更为明 显 ，严重威胁井下安全 。大量 的工程实践与科学研究 表 明，地应力是 引起地下岩体工程变形和破坏 的根本 作用力[ ” 。因此，解决深部开采所面临的各项技术难 题 ，前提在 于掌握地应力场分布特征及变化规律 。自 收稿 日期2 0 1 6 0 4 1 O ；修回日期2 0 1 6 - 0 6 ～ 2 2 基金项 N F o u n d a t i o ni t e m 国家自然科学基金资助项目 5 1 2 7 4 2 5 0 ；中南大学研究生 自主探索创新项目 2 0 1 6 z z t s 0 9 1 P r o j e c t 5 1 2 7 4 2 5 0 s u p p o r t e d b y t h e Na t i o n a l Na t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a ； P r o j e c t 2 0 1 6 z z t s 0 9 1 s u p p o g e d b y I n d e p e n d e n t E x p l o r a t i o n a n d I n n o v a t i o n F o u n d a t i o n o f c s u 通信作者罗周全，教授，博士研究生导师，从事金属矿床开采及灾害监控理论与技术研究；E - m a i l l z q 5 0 1 5 0 5 1 6 3 ．c o m 第 3 期 汪伟，等深部开采初始地应力场非线性反演新方法 8 0 5 1 9 3 2年对美国胡夫大坝完成地应力测量后， 地应力测 量及相关研究迅速成为岩体力学的重要研究方向。目 前， 现场实测是获取地应力状态最可靠的方法， 然而， 实测存在成本高、周期长、数据离散性大等不足，限 制了其大规模开展，因此，基于有限地应力实测资料 而开展的地应力场反演分析是当前地应力研究的重 点。其中，以 G U O 】 提 出的应 力多元 回归方法应用 最广泛 ，众 多研究均 以该方法为基础 。陈章 华等 【 3 J 采 用 A NS YS建立甘肃省乌鞘岭隧道数值模型，并设定 线性的白重和构造载荷，通过偏最小二乘回归法反演 初始地应力场。 赵德安等【 4 ] 在有限元数值模拟基础上， 编制应力多元回归程序 ME B A，实现了地应力场反演 的拓展分析。金长宇等[ 5 ] 通过真实还原地表剥蚀及断 层 构造运动 ，实现 了对 四川省白鹤滩厂 区复杂地应力 场 的多元 回归反演 。袁海 平等[ 6 l 构建了地应力场 多元 线性回归模型，并用 F o r t r a n语言编写了实现程序。 谢 红强等 各多元回归方法与灰色控制理论结合，实现 了某水电站初始地应力场的反演 。景锋等[ 8 1 针对地层 变化趋 势，提 出分次施加对应载荷 ，提 高了多元 回归 方法的反演精度。应力多元回归方法原理简单、适用 性 强，但存在一定的局限性1 构造应 力分布规律复 杂，往往表现 出典型的非线性特征 。该方法对构造应 力的反演是在数值模型边界施加随埋深线性变化的应 力 或位 移载荷 ，与其表 现 的非线 性分 布特 征不符 。 2 假定 自变量 载荷 与因变量 实测应力 之间存在线 性关系，在此基础上求解 自变量回归系数，并未考虑 载荷 因素 的非线性作用机理 。鉴于应力 多元 回归方法 的不足 ， 一些学者开始引入遗传算法、 位移不连续法 、 粒子群算法等【 9 ” ，或构建载荷因素与地应力实测值 之间的非线性联系，或在数值模型边界施加非线性变 化的载荷条件， 以期实现更准确的初始地应力场反演。 从原理上而言，地应力场非线性反演方法无疑更接近 于实际情况。本文作者在借鉴已有非线性反演方法的 基础上， 从复杂地质体精确建模、 反演载荷合理表达、 载荷因素与地应力实测值之间的非线性映射等方面综 合考虑，提出以混沌搜索理论为核心的地应力场反演 新方法，并以凡口铅锌矿深部地应力场反演为例，以 期为深部安全开采提供有效支撑 。 深部原岩应力实测 凡口铅锌矿是我国最大的铅锌采选企业，为实现 年产 l 8 万 t 金属的 目标， 矿 山现 已进入 深部主采 阶段 。 与上部中段相 比，深部面临岩体脆一 延性过 渡、地压 活动频繁等 问题 ，安全生产受到较大威胁 。为此 ，于 深 部中段 开展原岩应力实测工作 。 1 ． 1 测量仪器 套孔应力解 除法和水压致裂法是应用最广泛 的 2 种地应力测量方法，但水压致裂法本质上是二维应力 测量方法，其精度和可靠性比应力解除法的低【 1 引 。因 此，采用套孔应力解除法进行地应力实测，测量仪器 为改进型L uT套孔应力测定系统。 该系统在应变计定 位、温度补偿和数据采集等方面较国内设备均有较大 优 势，特别是其应变计粘结时间仅需 2 ～ 3 mi n ，与 国 内应变计 2 0 h以上的粘结时间相比， 显著提高了测量 结果的可靠性 。 图 1 所示为 L U T应变计探头的原理示 意图。 向孔内看 圃 孔 ， | ． ⋯- ’ | x 永 l f ＼～ 耋 2 区 图 1 L UT应 变计探 头 Fi g ． 1 L UT s t r a i n - g a u g e d e t e c t o r 如图 1 所示，探头包含 3组应变花活塞，每个活 塞含有 2个应变花，应变花由2个相互正交垂直应变 片覆盖组成，因此，应变计探头上共 l 2 个应变片。3 组应变花活塞沿探头周 向分布 ， 空间位置分别为 2 7 0 o ， 3 0 。 和 1 5 0 。 ，其上的 4个 电阻应变片与探头轴线 的夹 角分别为 9 0 。 ，4 5 。 ，0 。 和 1 3 5 。 。 1 ． 2 测点布置 凡 口矿 井 下 已开拓 至- 7 5 0 m 埋 深水 平 ，但 在 ～ 6 5 0 m 至一 7 5 0 m 水平之间可采矿量较少 。为 了解深 部主采区地应 力场特 征， 测 点应布置在一 6 5 0 m 水平 以 上 。经分析 ，测 点布置于- 5 5 0 m 中段和一 6 5 0 m 中段 ， 测点信息见表 1 。 1 ． 3 测量过程及结果 采用 L U T系统测量地应力的步骤见文献[ 1 3 ] 。其 中最需要注意的2个技术环节为一是应变计的快速 定位，因胶结剂固化时间短 3 mi n内 ，故操作过程需 中南大学学报 自然科学版 第 4 8卷 表 1 地应 力测点信息 T a b l e 1 I n f o r m a t i o n o f g e o s tr e s s me a s u r i n g p o i n t s 测点 中段标高／ m 埋深／ m 测点坐标 ， z ／ m 紧密衔接 ，一步 到位 ；二是必须套取完整岩芯 ，否则 测量失败。待取出岩芯冷却，由仪器 自动记录其解除 应变。取不同测段同方向应变 空间上有 1 2个不同角 度 的平均值为最终解除应变。进行双轴率定实验，获 取岩芯弹性参数，见表 2 。将岩芯的最终解除应变和 弹性参数输入 系统 自带的 L U T - s t r 应 力计算程序 ，得 到凡 口矿 深部原岩应力 实测结果 ，见表 3 。 由表 3可知测点某 2 个主应力轴倾向水平或与 水平面夹角小于 3 0 。 ，另一主应力轴接近于垂直或与 水平 面夹 角大于 6 0 。 ， 表 现出典型的水平应力场特征 。 测点处最大主应力均超过 2 5 MP a 高应力 ，最大主应 力 方 向均 为 I L J I 东向，平均方位角为 2 9 ． 5 0 。 北 2 9 ． 5 0 。 东1 。 2 地应 力场非线 性反演 新方法 2 ． 1 复杂地质体建模方法 矿山地质体赋存条件多变、差异明显，普通建模 方法 无法 满足 其复 杂建模 的需求 。为此 ，提 出如 下 S u r p a c ． F l a c D 的复杂地质体建模方法。 1 1将生探地质剖面预处理为 S u r p a c线串文件 ， 按多种三角网连接方法将地质线串文件连成实体模型 d t m 或 3 d m格式 ，用于表达复杂的地层、断层及矿 体模型。建立 S u r p a c 块体模型，用实体模型数据对其 进 行约 束赋值 ，得 到经 六面 体规 则剖 分 的地 质块 体 模型 。 2 S u r p a c 块体数据格 式与 F L AC m并不兼容 ，因 此，提出如下数据格式转换技术 ① 通过 S u r p a c将约束后的块体模型导出为质心 文件 ． C S V文件 ，采用 Ac c e s s 数据库打开块体质心文 件 ，重新命名字段 ，去除主键，生成 “ 导出表 ” 。 ② 在 A c c e s s 中 S Q L视 图 创建 “ 转换表 ” ，以存 储经坐标运算后 的块体单元节 点信息 ；将 “ 导 出表 ” 中的单 元数 据 由六 面 体质心 点转换 为 F L A C m 中 的 P o v P 3 这 4点坐标，并将转换结果写入 “ 转换表”中。 “ 转换表”创建及写入信息命令见图 2 。 C RE A T E TA B L E转换表 g e n c h a r 3 ， l z o n e l c h a r 4 ， b r i c k c h a r 5 , 【 s i z e 1 c h a r 4 ， l c h a r 1 ， W c h a r 1 ， k c h a r 1 ， p 0 I c h a r 2 ， x O c h a r 1 o ， y O c h a r 1 o ， z 0 c h a r 1 o ， p l c h a r 2 ，1 x l c h a r 1 O ， y l c h a r 1 o ， z l c h a r 1 O ， p 2 c h a r 2 ， x 2 l c h a r 1 o ， y 2 c h a r 1 0 ， z 2 c h a r 1 o ， p 3 c h a r 2 ， x 3 c h a r 1 o ，1 y 3 c h a r 1 0 ， z 3 c h a r 1 0 ， I l l c h a r 8 ， n c h a r 3 a }I N S E RT I N T O转换表 g e n ， f z o n e l ， b r i c k ， I s i z e ] ， l ， W ， l 【 ， p 0 ， 1 x o ， y 0 ， z 0 ， p 1 ， x l ， y 1 ， z l ， p 2 ， x 2 ， y 2 ， z 2 ， p 3 ， x 3 ， y 3 ， z 3 ， m， n S E L E CT’ g e n’ ， ’ z o n e ’ ， ’ b r i c k ’ ， ’ s i z e ’ ， 1 ， 1 ， 1 ， ’ p 0 ’ ， x - h ／ 2 ， y - i J 2 ， z - g ／ 2 ， ’ p l ’ ， x h ／ 2 ， y - 2 ， z 2 ， ’ p 2 ’ ， x - h ／ 2 ， y i ／ 2 ， z - g ／ 2 ， ’ p 3 ’ ， x - h ／ 2 ， y - i ， 2 ， z g ／ 2 ， ’ g r o u p’ ， k 1 F R OM 导出表； b a 转换表创建语句； b 块体单元信息写入语句 图2 数据格式转换命令 F i g ． 2 T r a n s f o r m wo r d s o f d a t a f o r ma t 表2 岩芯最终解除应变及弹性参数 T a b l e 2 F i n a l r e l e a s e s t r a i n a n d e l a s t i c p a r a me t e r s o f c o r i n g r o c k s 1 号 3 1 ． 7 5 2 5 ． 3 2 l 1 ． 8 5 2 0 ． 4 9 2 8 6 ． 9 7 1 4 8 ． 8 9 2号 3 3 ． 2 1 2 4 ． 2 6 1 2 ． 7 4 3 2 ． 6 4 2 9 0 ． 9 2 1 3 9 ． 9 2 3号 2 5 ． 6 7 2 2 ． 8 4 1 2 - 3 6 3 5 ． 3 6 2 9 3 ． 7 8 1 5 2 ． 7 9 1 4． 02 1 1 ． 6 8 2 5 I3 8 l 7． 7 3 1 4 ． 5 2 28 ． 47 7 6． 0 5 7 9． 8 6 60 ． 42 注 f l ， 2 ， 3 为主应力分量；屈 ／ -- 1 ， 2 ， 3 为方位角分量； i -- 1 ， 2 ， 3 为倾角分量。 第 3期 汪伟，等深部开采初始地应力场非线性反演新方法8 0 7 ③ 将写入单元节点信息的“ 转换表” 导出为． t x t 格 式的文本文件。 ④ 通过 F L A C D 导入生成的文本文件， 合并单元 节点，获得复杂地质体的数值分析模型。 2 ． 2 反演载荷表达 为便于分析，建模选用笛卡尔坐标系，并将地质 体所 受的复杂地应力作用分解为如 图 3 所示 的边 界应 力形式 。 边界应力包括 1 方向边界水平挤压构造运动 应力 ； 2 Y 方向边界水平挤压构造运动应力 ； 3 自 重应 力 G； 4 X Z 平面 内竖 向剪切变形构造运动应力 ； 5 平面 内剪切变形构造运动应力 6 y z 平面 内 竖向剪切变形构造运动应力 。 基于独立应力张量唯 一 确定主应力的原理【 1 ，通过对这 6组应力分量的最 优逼近，即可实现对主应力大小和方向的反演。 为确定应力分量的函数表达通式，搜集整理国内 近几年 的地应力实测值 ，共计 5 1 4组。测 点平均埋深 4 8 0 ．9 m，最大埋深 1 2 2 0 ． 0 m。测量 方法 以套孔应力 解 除法和水压致裂法为主 共 4 9 6组 ，其他 方法有声 发射 法 、差 应 变分析 法和 孑 L 径 变形 法 等 。采 用 Ma l t a b ． c fl o o l 工具箱拟合实测应力分量随深度 h的变 化关系。表 4 所示为拟合效果较高的几组模型信息， 应 力最优拟合 曲线见 图 4 ～ 6 。 由表 4可知 最大水平应力 和最 小水平应力 d e f f a x向正应力 ； b 向正应力； c 重力 ； d X Z 面 剪力； e x y面剪力； f y z 面剪力 图 3 边界应力分解示意 图 Fi g ． 3 De c o mp o s i t i o n o f b o u nd a r y s t r e s s 表 4 拟合效果较好 的模型信 息 T ab l e 4 I n f o r ma t i o n o f o p t i ma l f it t i n g mo d e l s 注 误差平方和与均 方差越小越好 ，决定系数越趋近 于 1 越好 。 8 0 8 中南大学学报 自然科学版1 第 4 8 卷 图 4 最大水平应 力拟合 曲线 Fi g ． 4 F i t t i n g c u r v e o f t h e ma x i mu m h o r i z o n t a l s t r e s s 邋 苗 略 图 5 最小水平应 力拟合 曲线 Fi g ． 5 F i R i n g c u rv e o f t h e mi n i mu m h o r i z o n t a l s t r e s s 懒 图 6 垂直应 力拟合 曲线 Fi g． 6 Fi t t i n g c u r ve o f v e r t i c a l s t r e s s O “H i 采用非线性模型拟合时， 各项精度指标 误差平方 和、均方差及校正后决定系数 均明显比线性模型的 高，3次项拟合精度更高。但采用 3次项拟合时，h 。 项和 h项系数均为负值 。一般地 ，地应力随深度增加 而增大 应力异常区除外 ，即地应 力与深度 h呈正相 关 ，应力拟合 曲线 图 4 、图 5 也验证 了这一规律 。而 对 2次项拟 合时，h 。 项和 h项系数均 为正值 ，更符合 地应力与深度正相关的规律。应力转换公式为 式 中O “N 和 分别为法 向应力和剪应力；， 和 m 分别 为 o ．H 和 o ．H m i n 与不 同边界面夹角 的余弦 。 根据式 1 所示 的应力分量与 o ．H 和 o ．H 。 之 问为 线性关系， 和 随埋深 h变化的关系式为 f a l h 6 l h c 1 I a h b h c 式 中a ，b ，C ，a ，b和 c为载荷系数 。当实测主 应力轴与 X或 Y方 向一致时，可按式f 2 直接施加构造 应力载荷，此时边界剪应力为 0 MP a 。而当实测主应 力轴与 X或 Y方向不同时，根据正应力与剪应力的转 换关系 ，施加对应剪应力荷载。 对于式 2 中的非线性载荷，F L A C 如 中未提供初 始的加载命令 ，故通过软件 内置的 F I S H 语言 ，编写 如 图 7所示的非线性加载命令 。 垂直 应 力采用 线 性拟合 时 的精度 均 最高 ，见 表 4 。 ，特别是当埋深小于 7 0 0 m时，应力实测值密集分 布于拟合曲线两侧 图6 ， 拟合精度很高。采用线性拟 合时 ， h 项 系数为 0 ． 0 2 5 4 ， 对应 2 5 ． 4 MN／ m 的线性变 化梯度，符合三大类岩石容重的取值范围，表明自重 应力与垂直应力十分接近 。故 定义 自重修 正系数 a ， 在 F L A C Ⅲ中通过“ s e t 0 0- 1 0 * a g “ 命令修正默认 自重 梯度 ，以实现对 自重应 力的反演 。 e n d l o o p e nd s t r e s s b q u n d m y x x 一 图 7 非线性反演载荷编程 实现语 言 F i g ． 7 P r o g r a m wo r d s o f a p p l y i n g n o n l i n e a r i n v e r s i o n l o a d ㈣ ‰ 一 f l 一～～一一一一一删 一一～～一～锄一 一～～一一一一一枷洲一一一～一 8 0 9 2 ． 3混沌反演方法 J J J 复杂地质体 卡 j l 法羽 1 反演拽倚构造表达 ， 捉 山如 卜 地应力场非线性反演 新办法 。 1 构建 [ j 重修 系数 r 线性 拽倚 系数 日 。 ， b ，C ，a ，b ，c 的组1人样 小 ，抓此开 f cf 『 地戍 力场 试算 。提取实测点处应 试算值 ，用载衙系数组合与 力试算值 的样本埘 训练 B P神经 网络 ，构 二 ‘ 之 的仆线性映射关 系。 2 输 入任意载倚 系数组合 P【 1寸 ， 定 义} jt l 网络输 f l j 应 力试 算 f f f p j J 力 测值 盯 遄近 的 曰杯 函数为 3 6 ∑∑ ，i 一 3 式 - { f 为测 点编 ， 为 力分 编 j ‘ 。 3 考虑 L o g i s t i c l II火 射 1 1 一 ， 4 J 弋 l l} l 】 为控制 参毋 。 1 ／ t 4时 ，方 址【 0 ， 1 ] 区问的 满 映射， 口 ． 进 入允个 沌状态 。 4 任意给 定 7 个找俯系数[ 0 ， 1 ] 内 异的初 值，代入式 4 ，得剑衲始混沌变节 P ， ，j 1 将 P i “ 放大” 埘 找倚系数 仉范 ； I [ ， P 小 P lS i p ， 5 式 } P 为 “ 放人”后的混沌变量 和 S ， 为放火系 数i 1 2 ．⋯． 7 。 5 将 沌 变艟 P 入式 3 ， 汁弹缚‘ 步迭代 的 【 j 标 函 数 值 F P 。 1步 迭 代 l j I雨数值 为 F ，若 F ； F p ，则 p F ， 继 续达 代 f F p 持极 小，输 出对 最优解 p 6 通过 Ma t l a b 将 述 步骤 编制成混沌搜 索 『 孚， 根 、 』 优搜 索得剑的找倚 系数进 行数值 I m ，获得反 演 卡 J J 始地 力场 。 3 工程应用 3 ． 1 数值模型及材料参数 深 研 究范⋯也 地层 D d ， D 2 d ， D 3 t “ ，钳 锌 矿体 妓铁 矿体以及 1 | n ， J F 控矿惭J 。嚣 边界效 ，确 定建模范 ， 为 2 4 4 0 ～ 2 8 9 0 ， 7 8 3 0 8 7 3 0 ， ⋯ 7 5 0 4 5 0 I T I ，构 地 场反浈数值模 图 8所 ／ J 为 矿断层 矿休』， I勺 化 。 天系 深色 为矿f 小， 浅色为 惭 。断层走 向为 NE l 5 2 5 。 ，倾 为 1 0 5 。 ～ l 】 5 。 ， 图 8 矿体 与断层 复合模型 F i g ． 8 Co mp o u n d mo d e l o f o r e b o d y a n d L a u l t 采集代表性 样，进仃室 内物理 力学参数实验 ， 得 到 物理 力学 参数。经霍克一 布 朗准 则对其折减 处j 1] l ，得剑深部岩体物 力学参数， 见农 5 。 表 5 深部砉体力学强度参数 Tab l e 5 M e c h a ni c a l p a r a me t e r s ofd e e p r o c k ma s s 3 ． 2 混沌搜索反演载荷系数 构建载荷 系数【 J ， l ，b l ，C l ，a ，6 ，c ff ,j 型样 木 合，按 F I S H 编 命令施加非线忡 i 构造找倚，采 川 “ s e t 0 0 1 0 * a ”命令 改定 白晕梯度 ，开腱仞始地 场 数值 试算。提取钱倚 系数 输入 干 测 点应 力 试弹值 输 出 ，通过 的样本对 训练 B P神 络 ， 9 。建 裁 倚系数剑 力试算值 n 勺I 卜 线 映射 ， 外川 J 代借数值 试弹过 。 此 ， 问题转换 为求解满足神经 络输⋯ 力试 仉1 lf __j J 力实测值最优遄近 的载倚 系数 条什 。目标 数 rai n 为非 i i] 1 函数，线性 或随机搜索 方法征解决 此类 、 』 ． 优 问题时， 易 入局部极值 】 。 沌 系统贝 的遍历 特 点， I J ’ 1 ， I 确 定边 界内不 承复 自身轨 81 j【； 4 8啦 图 9载荷系数到 应力试算值的 B P神 经网络映射 Fi g． 9 BP n e t wor k ma pp i n g b e t we e n l o a d p a r a me t e r s a nd s i m u l a t e d s t r e s s v al u e s 迹地运动 ， 皮 j J 入 沌载波上 』 f 找 系数全局 优 。 恨州 } 地J j 场 i ， 定 义找倚系数 口 ， a ， h ， ， I ，『 l ， I 九 勺l 1 J 行 斛 f J lJ 分别 为[ 0 ． 5 0 0 ， 1 ． 5 0 0 ] ， I ～ 0 ． 0 0 l ， 0 ． 0 0 1 1 ， [0 ． 1 O 0 ， 0 ． 1 0 0 ] ， [ 一 1 0 ． 0 0 0 ， l O ． 0 0 0 ] ， 卜0 ． O 0 l ， 0 ． O 0 1 ] ， 0 ． 1 O 0 ， 0 ． 1 0 0 ] ，[ 一 l 0 ． 0 0 0 ， 】 0 ． 0 0 0 ] 。 』 l J 编 }JI {J Ma t l a b 搜索 序进 i J 找付 系数 ． 优 ， 混沌变 r Vl L 找波 及搜索过 1 0和 l 1 1 0 l 】 ／ t 为 制 参数， 为嫩似 问 。 ⋯图 l l l IJ 搜索 过程J 4 0 0少I 1 迭代 逐渐 J 稳定；5 0 0 后，搜索平稳收敛 ，输 』 l I 、 7 - 9 C 载倘 系 数为“ ， 1 ． 0 l 2 0 0 0 ， 1 0 ． 0 0 0 0 4 5 ，b i 0 ． 0 1 2 1 0 0 ， C l 一 0． 4 9 0 0 0 0，a O ． 0 0 0 0 3 5，b O． 01 1 7 0 0，c O ． 2 8 0 0 0 0．． 3 - 3 反演初始地应力场分析 将 泓沌搜索 扶得 的最优 戈 倘 系数代入式 2 ，f 』 刨 非线 浈 拽 ， J 函数表 ’ ＼ 为 』 、 0 _0 0 0 0 4 0 0 2 0 4 9 6 { 【 I 0 ． 0 0 0 0 3 5 h 0 ． 0 I 1 7 厅 0 ． 2 8 ， 图 1 0 L o g i s t i c j 昆沌载波 Fi g．1 0 Cha o t i c t 1． a n s f o r ma t i ol 1 b y l og i s t i c f or mul a 芝 { 璺 睡 遽 I 迭代数／ 步 图 i I 反演载荷 系数砘沌搜索过程 Fi g．1 1 Ch a o t i c s e a r c h p r oc e s s o f i nv e r s i on l o a d pa r a me t e r s 反演卡 j ， l 入编 的 F i s h命令流 7 ， 施 力 l l 式 6 刈 的 线 钱衙， 按“ s e t g r a v 0 0 l 0 ． 0 1 2 命令 改定 臼 梯瞍 。 此开展数1 _1 l [ 』 反浈 ，， { i 成 始地麻力场 ，反浈 果 见表 6卡 7 ． 表 6主应 力值 与方向反演结 果 Ta bl e 6 I nv e r s i on r e s t l l t o f p r i nc i pa l s t r e s s v a l u e a nd di r e c t i o n 第 3期 汪伟，等深部开采初始地应力场非线性反演新方法 8l l 表 7 应力分量反演结果 Ta b l e 7 I n v e r s i o n r e s u l t o f s t r e s s c o mp o n e n t s M P a 判断地 应力场 反演效 果的主 要依据 足计算 平衡后 模型内的主应力数 值和方 向【 】 。由表 6可知反演主 应 力与实测 主应 力在数值 和方向上都很接近 ，平均拟 合精 度达到 9 0 ％。表 7中，应力分量的反演平 均误差 依次为 0 ． 8 9 ，1 ． 8 2和 1 。 0 8 MP a ，其中， ，a y 和 的 平均 反演精度 为 9