礦震孕育過程的混沌性及非線性預測理論研究

礦震是一種可對礦井生產(chǎn)產(chǎn)生較大危害的突發(fā)性巖體動力行為,隨著礦井的開采活動逐博士學位論文漸向深部延伸,由高應力因素所導致的礦震危害性愈發(fā)突出.盡管前人已就礦震的形成機理、預測和防治等課題開展了大量的研究工作,并取得了顯著成就,但仍有很多問題沒有得以根本解決.應用以混沌理論為主體的非線性動力學的最新成果,對礦震孕育演化過程中的混沌性和非線性預測理論進行了較全面、系統(tǒng)的研究,主要工作如下: (1)在傳統(tǒng)細胞自動機(Cellular Automata,CA)理論的基礎(chǔ)上,基于能量守恒定律和廣義能量傳遞規(guī)則,建立了模擬巖體(石)非線性破壞演化過程的物理細胞自動機(Physical Cellular Automata, PCA)模型,模擬實例從不同側(cè)面驗證了該模型可以有效地模擬巖體(石)的破壞特征及非線性行為.物理細胞自動機為進一步研究礦震等巖體動力行為的非線性規(guī)律提供了一種具有廣闊應用前景的數(shù)值方法.(2)利用物理細胞自動機模型較系統(tǒng)地研究了巖體(石)破壞過程的非線性規(guī)律,結(jié)果表明:加載應力水平越高、巖體初始強度分布越不均勻、內(nèi)部含有的裂紋等軟弱區(qū)越多、應變能耗散系數(shù)越小,相應系統(tǒng)呈現(xiàn)出來的混沌性就越強;反之,系統(tǒng)的混沌性就越弱.同時,利用物理細胞自動機研究了不同脆性程度的巖體在破壞過程中所表現(xiàn)出來的不同混沌性演化模式,并發(fā)現(xiàn)了特定條件下巖體破壞的定常行為.應用PCA模型進一步研究了不同觀測方式對系統(tǒng)混沌性的影響:對于巖體破壞過程而言,存在一個使表觀動力系統(tǒng)(由觀測數(shù)據(jù)構(gòu)成的動力系統(tǒng))的混沌性最弱且能正確反映原始系統(tǒng)混沌吸引子結(jié)構(gòu)的最優(yōu)(合理)觀測時間間隔,這一結(jié)論對于準確認知礦震系統(tǒng)的非線性特征具有重要的現(xiàn)實指導意義.(3)提出了礦震系統(tǒng)獨立主變量的概念和構(gòu)造方法,解決了傳統(tǒng)非線性動力學方程反演理論在確定狀態(tài)變量時存在的隨意性和非獨立性等同題;并應用現(xiàn)代反演理論得到了具體礦震系統(tǒng)的非線性動力學方程.(4)較系統(tǒng)地討論了礦震系統(tǒng)可預測尺度的一般性規(guī)律;并應用細胞映射理論建立了一種計算混沌系統(tǒng)可預測尺度的新方法,解決了以往在觀測資料不足的情況下計算礦震系統(tǒng)可預測尺度時所遇到的困難.(5)確立了礦震系統(tǒng)的非線性預測方法和理論體系,包括:①系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)值預測;②系統(tǒng)的突變預測及評價.其中,應用改進的非線性動力學方程迭代法和小波神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)了對礦震狀態(tài)的數(shù)值預測;并綜合突變理論和細胞映射理論的特點,提出了礦震突變預測評價模型,該模型可以更精確面客觀地識別礦震的突變信息.

作 者： 周輝   作者單位： 東北大學資源與土木工程學院沈陽 110006  刊 名： 巖石力學與工程學報  ISTIC EI PKU 英文刊名： CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING  年，卷(期)： 2000 19(6)  分類號： P5  關(guān)鍵詞： 礦震   非線性動力學   物理細胞自動機   混沌   非線性預測理論  

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