基于機(jī)器學(xué)習(xí)的高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀能力預(yù)測(cè)

鄧廣哲，付英凱

（1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀能力始終是煤礦開采過程中核心問題，在煤礦開采時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)溫度逐漸升高，地應(yīng)力逐漸變大或者地質(zhì)逐漸發(fā)生惡化的情況，這些問題常常導(dǎo)致軟巖巷道發(fā)生開裂、鼓包或者變形的問題[1-5]。高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)在世界范圍來看，屬于較為復(fù)雜的工程建設(shè)問題，對(duì)于煤礦資源開采是具有重要意義的。隨著開采深度的加大，高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問題嚴(yán)重突出，解決當(dāng)前高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問題，是煤炭開采過程中安全生產(chǎn)關(guān)注熱點(diǎn)之一[6-8]。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)該問題展開了研究，余偉健等[9]針對(duì)薄煤層變形特征提出了“錨、網(wǎng)、索、梁”整體支護(hù)技術(shù)；王衛(wèi)軍等[10]提出了可接長錨桿技術(shù)對(duì)大變形巷道進(jìn)行支護(hù)取得了較好的效果；黃慶享等[11]采用物理和數(shù)值模擬分析了軟巖大變形巷道變形情況，提出了全斷面錨桿索+梁噴漿支護(hù)；雖然上述方法取得一定的進(jìn)展，但是對(duì)于復(fù)雜巖層，應(yīng)用能力不足，圍巖巖層基本為軟巖，且巷道斷面大、布置密集、強(qiáng)度低。隨著礦山開采速度加快，深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)初期來壓較快，巷道支護(hù)自穩(wěn)能力較差，如果不加速控制很快就會(huì)出現(xiàn)巷道支護(hù)毀壞。而通過對(duì)軟巖巷道支護(hù)效果進(jìn)行預(yù)測(cè)將對(duì)圍巖控制提供借鑒，劉學(xué)生等[12]采用遞進(jìn)預(yù)測(cè)和非遞進(jìn)預(yù)測(cè)方法對(duì)巷道兩幫移近速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，馬鑫民等[13]研發(fā)了工程類比煤巷支護(hù)智能預(yù)測(cè)系統(tǒng)，王宏偉等[14]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)巷道變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)。但以上方法多依靠工程經(jīng)驗(yàn)，為此，從圍巖強(qiáng)度特性、圍巖屬性及流變特性等方面分析了軟巖巷道支護(hù)失效機(jī)制，針對(duì)采用基于語義特征、深度學(xué)習(xí)、特征融合方法存在數(shù)據(jù)分布差異性的問題，提出了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀能力預(yù)測(cè)方法；從現(xiàn)有高應(yīng)力軟巖巷道數(shù)據(jù)中遷移知識(shí)，幫助高應(yīng)力軟巖巷道將來學(xué)習(xí)，并在自然環(huán)境中應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練相關(guān)數(shù)據(jù)[15-20]，在這些情況下，遷移數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)能夠幫助預(yù)測(cè)研究提供全新場(chǎng)景，使機(jī)器學(xué)習(xí)在無大量標(biāo)簽數(shù)據(jù)環(huán)境下進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 高應(yīng)力軟巖巷道特性分析

1.1 強(qiáng)度特性

因?yàn)檐泿r巷道存在圍巖自身高應(yīng)力的特點(diǎn)和圍場(chǎng)低強(qiáng)度的性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上，增加了軟巖巷道支護(hù)措施的難度。因此開展巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)與分析，為高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)的穩(wěn)定性提供依據(jù)。在巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)中，選擇完整塊度大的高應(yīng)力軟巖巖塊，從巖塊中取出巖心來進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)，巖石物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of rock

由于泥巖中含有多種膨脹性黏土和礦物質(zhì)，當(dāng)?shù)V泥巖與水發(fā)生混合時(shí)，泥巖承載力降低或消失，極易引發(fā)泥化、崩解的危害。因此巷道在開挖后采取封閉圍巖的保護(hù)措施，尤其是對(duì)于后期失穩(wěn)變形的巷道圍巖，重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)圍巖的保護(hù)。如果保護(hù)措施不當(dāng)，在施工中通風(fēng)、用水作業(yè)環(huán)境下，巷道圍巖就會(huì)出現(xiàn)吸水現(xiàn)象，此時(shí)引發(fā)圍巖體膨脹。而在失水狀態(tài)下會(huì)發(fā)生巖體收縮現(xiàn)象，造成巷道圍巖強(qiáng)度和完整度快速降低，加劇巷道圍巖的變形和損壞[21-23]。

1.2 支護(hù)構(gòu)件模型

利用FLAC3D軟件建立起模擬尺寸，對(duì)模型底部位移進(jìn)行約束。建模時(shí)不需要區(qū)分圍巖的巖性，也不需考慮巖體的自重，只是將巖層水平簡化處理，同時(shí)對(duì)圍巖材料參數(shù)等效均質(zhì)化處理。假定圍巖三向的應(yīng)力值均一樣，采用六面體單元，支護(hù)構(gòu)件模型如圖1。

圖1 支護(hù)構(gòu)件模型Fig.1 Support component model

通過建立支護(hù)構(gòu)件模型，設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)巷道條件一致計(jì)算模型，模型內(nèi)等間距布置錨索、噴層、拱架、等間距布置錨桿，驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形破壞情況。

2 高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)階段時(shí)間確定

軟巖巷道在施工時(shí)，極易發(fā)生大變形失穩(wěn)的現(xiàn)象，根據(jù)是由于以下特性導(dǎo)致的：①軟巖的本質(zhì)特征，當(dāng)含有膨脹性礦物的泥質(zhì)巖類在低應(yīng)力水平的施工中，就產(chǎn)生了非線性、非光滑的顯著塑性變形的現(xiàn)象；②構(gòu)造、埋深和采動(dòng)引起的高應(yīng)力作用于軟巖巷道，引起圍巖的擴(kuò)容變形以及圍巖劣化。但不管造成軟巖巷道大變形原因如何，當(dāng)軟巖巷道發(fā)生變形或者膨脹的變化時(shí)，各變形或膨脹區(qū)域的應(yīng)變曲線是相對(duì)的。彈性區(qū)在最外圍，塑性流動(dòng)區(qū)在最內(nèi)圍。塑性硬化區(qū)和塑性軟化區(qū)分布在中間層，軟巖巷道變形區(qū)具體分布如圖2。

圖2 軟巖巷道變形區(qū)分布Fig.2 Distribution of deformation zone of rock roadway

根據(jù)圖2中可知，變形速度會(huì)隨著煤礦巷道開挖進(jìn)展發(fā)生相應(yīng)變化，其中共分為3個(gè)階段，分別是減速變形階段、近似線性恒速變形階段和加速發(fā)展變形階段，若接近最后加速發(fā)展變形階段，巷道巖體結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生巨大改變，巖體出現(xiàn)新的裂紋，導(dǎo)致其強(qiáng)度減弱。由于軟巖巷道與硬巖巷道的本構(gòu)關(guān)系，因此應(yīng)采取不同支護(hù)措施。軟巖巷道可以將塑性能以某種形式釋放出來，因此軟巖巷道支護(hù)原理可以表示為：

式中：GT為軟巖周圍巖層向臨空區(qū)域運(yùn)動(dòng)的合力；Gx為彈塑性轉(zhuǎn)化的工程力；Gy為軟巖自撐起力；Gz為工程支護(hù)力。

在加速變形階段，使彈塑性轉(zhuǎn)化的工程力達(dá)到最大，但卻大大降低了軟巖自撐起力，并不滿足優(yōu)化準(zhǔn)則，因此，需確定最佳支護(hù)時(shí)間。最佳支護(hù)時(shí)間是指在各個(gè)交互點(diǎn)所需的最佳時(shí)間，最佳支護(hù)時(shí)間如圖3。

由圖3可知，（G1+G0）-t表示曲線峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1時(shí)既為最佳支護(hù)時(shí)間。通過分析可知，該點(diǎn)與其他曲線G0-t和G1-t交互所需支護(hù)時(shí)間相似。

圖3 最佳支護(hù)時(shí)間Fig.3 Optimal support time

3 支護(hù)抗毀能力預(yù)測(cè)方案實(shí)現(xiàn)

機(jī)器學(xué)習(xí)是在高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀能力預(yù)測(cè)任務(wù)以性能度量衡量的性能，隨著經(jīng)驗(yàn)自我完善，通過學(xué)習(xí)歸納和總結(jié)，重新組織已有的學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而不斷完善改善自身性能。通過學(xué)習(xí)進(jìn)行歸納、總結(jié)，將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用到預(yù)測(cè)之中，可大大減少資金投入，使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀能力。

3.1 高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)參數(shù)求解

將高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)簡化，簡化后的模型可在軟巖巷道支護(hù)上起到保護(hù)作用。若設(shè)軟巖巷道支護(hù)邊緣節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)時(shí)受到破壞，其水平方向的受力就會(huì)發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化，同時(shí)位置發(fā)生改變。高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)彈性變化過程存在如下關(guān)系：

式中：［W］、［W′］、［W″］分別為高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量參數(shù)矩陣、高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)阻尼矩陣、高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)層間恢復(fù)力向量參數(shù)矩陣；α¨、α˙為高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)位移變化機(jī)關(guān)向量；α為高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)層間恢復(fù)力向量；β為外界作用力。

［W］可表示為：

式中：Wn為第n層高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的集中質(zhì)量值；［Wc］為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣。

高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)僅需要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的外界破壞動(dòng)力作用，同時(shí)忽略其余支護(hù)受力位移。采用數(shù)值積分法，獲取高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)受到破壞的加速度和位移，由此獲取高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)在破壞性外力作用下高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)受損情況。構(gòu)建強(qiáng)破壞力作用下的高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀能力預(yù)測(cè)模型，精準(zhǔn)分析結(jié)構(gòu)抗毀性。

3.2 預(yù)測(cè)模型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)強(qiáng)破壞力作用下高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀能力預(yù)測(cè)模型前，需對(duì)高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)加固。在中強(qiáng)度破壞力作用下，原始高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)加固為二次組合結(jié)構(gòu)，初始原始高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)加固處是否有效融為一體，關(guān)鍵在于結(jié)合支護(hù)承載力。

在設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)模型之前，需對(duì)支護(hù)荷載情況進(jìn)行分析，在高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)體系中通常存在超高壓力的現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)模型需重點(diǎn)考慮超高壓的情況，設(shè)計(jì)的高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)加固模型：

式中：H為超高壓系數(shù)；ζ為引入功率譜強(qiáng)子；λ為描述軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)屬性譜參數(shù)；n為中強(qiáng)度破壞等級(jí)；η為高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)表層支護(hù)頻率。

在高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)加固模型的基礎(chǔ)上，得到的破壞生產(chǎn)加速度α如式（5）：

在高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)角位移較大處，獲取最佳支護(hù)抗毀能力p預(yù)測(cè)模型：

式中：kj為中強(qiáng)度破壞影響系數(shù)最大值；kv為中強(qiáng)度破壞影響系數(shù)最小值；tmax為破壞作用時(shí)間間隔最大值；tmin為破壞作用時(shí)間間隔最小值；k為破壞因子常數(shù)。

采用機(jī)器學(xué)習(xí)法對(duì)上述公式進(jìn)行估算，若不考慮應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的擾亂因子，利用所設(shè)計(jì)的模型，分析預(yù)測(cè)高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀變化情況，最終實(shí)現(xiàn)中強(qiáng)度破壞力下高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀性的精準(zhǔn)分析。

4 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀能力預(yù)測(cè)方法對(duì)中強(qiáng)度破壞力作用下支護(hù)抗毀程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，為精準(zhǔn)分析預(yù)測(cè)結(jié)果，以某高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)為試驗(yàn)對(duì)象，分析該結(jié)構(gòu)分別在不同破壞強(qiáng)度下的抗毀程度，支護(hù)結(jié)構(gòu)受損程度低，抗毀能力就越強(qiáng)，由此得出基于機(jī)器學(xué)習(xí)在不同破壞力下的抗毀預(yù)測(cè)結(jié)果。

不同支護(hù)方案下深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)位移，相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 相關(guān)參數(shù)設(shè)置Table 2 Related parameters setting

采用文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［4］、文獻(xiàn)［5］方法和本文基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法分別在M1、M2、M33種不同破壞強(qiáng)度（M1

4.1 M1破壞強(qiáng)度

在M1破壞強(qiáng)度下，分別將2種方法在不同加載時(shí)間下抗毀能力預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度進(jìn)行對(duì)比分析的結(jié)果如圖4。

圖4 M 1破壞強(qiáng)度下4種方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度對(duì)比分析Fig.4 Comparative analysis of prediction accuracy of four methods under M 1 failure strength

由圖4可知，當(dāng)加載時(shí)間為55ms時(shí)，采用本文基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度為95%；而文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［4］、文獻(xiàn)［5］方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度均在80%以下；隨著加載時(shí)間的增加，當(dāng)加載時(shí)間到達(dá)58ms時(shí)，采用本文基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度仍然為95%，中間呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，但預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度均較高，而文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［4］、文獻(xiàn)［5］方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度均呈現(xiàn)波動(dòng)下降狀態(tài)，最終均在60%以下。在M1破壞強(qiáng)度下，本文基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度較高。

4.2 M2破壞強(qiáng)度

在M2破壞強(qiáng)度下，分別將4種方法在不同加載時(shí)間下抗毀能力預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度進(jìn)行對(duì)比分析的結(jié)果如圖5。

圖5 M 2破壞強(qiáng)度下4種方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度對(duì)比分析Fig.5 Comparative analysis of prediction accuracy of four methods under M 2 failure strength

由圖5可知，采用本文基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)，在加載時(shí)間為55ms時(shí)，預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度達(dá)到最高為94%；而利用文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［4］、文獻(xiàn)［5］方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度均在65%以下。在加載時(shí)間為58ms時(shí)，本文基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度達(dá)到93%；而文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［4］、文獻(xiàn)［5］方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度均波動(dòng)下降。在M2破壞強(qiáng)度下，基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度同樣較高。

4.3 M3破壞強(qiáng)度

在M3破壞強(qiáng)度下，分別將4種方法在不同加載時(shí)間下抗毀能力預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度進(jìn)行對(duì)比分析的結(jié)果見表3。

表3 M 3破壞強(qiáng)度下4種方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度對(duì)比分析Table 3 Comparative analysis of prediction accuracy of four methods under M 3 failure strength

由表3可知，在不同加載時(shí)間下，使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法在加載時(shí)間為58ms時(shí)，預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度達(dá)到最高為98%。而文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［4］、文獻(xiàn)［5］方法在加載時(shí)間為58ms時(shí)，預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度最高分別為41%、59%和57%。在M3破壞強(qiáng)度下，本文基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度最高。

綜上所述：在M1、M2、M33種破壞強(qiáng)度下，本文基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度均較高，其原因是本文方法在進(jìn)行高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀時(shí)，巷道在開挖后采取封閉圍巖的保護(hù)措施，尤其是對(duì)于后期失穩(wěn)變形的巷道圍巖，加強(qiáng)了對(duì)圍巖的保護(hù)，在一定程度上節(jié)約了高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀的時(shí)間，有利于準(zhǔn)確性的提高。

5 結(jié) 語

1）基于圍巖強(qiáng)度特性、圍巖屬性及流變特性結(jié)合語義特征、深度學(xué)習(xí)、特征融合方法的思想提出了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀能力預(yù)測(cè)方法。

2）通過對(duì)比現(xiàn)有方法，抗毀能力預(yù)測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)分析結(jié)果高度一致，且分析耗時(shí)較短，是1種有效的抗毀性分析方法。也證明了基于機(jī)器學(xué)習(xí)抗毀能力預(yù)測(cè)方法的抗干擾能力，為使用更多源項(xiàng)目進(jìn)行訓(xùn)練提供了幫助。

3）高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀能力預(yù)測(cè)具有巨大應(yīng)用價(jià)值，已經(jīng)成為熱門研究方向。由于所研究的預(yù)測(cè)方法并沒有在實(shí)際科研環(huán)境中得到驗(yàn)證，因此，提出的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)抗毀能力預(yù)測(cè)已經(jīng)很好解決了傳統(tǒng)方法存在的數(shù)據(jù)分布差異性問題，但仍然存在一些不足需要繼續(xù)優(yōu)化。