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礦震孕育過程的混沌性及非線性預(yù)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(xué)位論文漸向深部延伸,由高應(yīng)力因素所導(dǎo)致的礦震危害性愈發(fā)突出.盡管前人已就礦震的形成機(jī)理、預(yù)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(yīng)用以混沌理論為主體的非線性動力學(xué)的最新成果,對礦震孕育演化過程中的混沌性和非線性預(yù)測理論進(jìn)行了較全面、系統(tǒng)的研究,主要工作如下: (1)在傳統(tǒng)細(xì)胞自動機(jī)(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(xì)胞自動機(jī)(Physical Cellular Automata, PCA)模型,模擬實(shí)例從不同側(cè)面驗(yàn)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(xì)胞自動機(jī)為進(jìn)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(yīng)用前景的數(shù)值方法.(2)利用物理細(xì)胞自動機(jī)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(yīng)力水平越高、巖體初始強(qiáng)度分布越不均勻、內(nèi)部含有的裂紋等軟弱區(qū)越多、應(yīng)變能耗散系數(shù)越小,相應(yīng)系統(tǒng)呈現(xiàn)出來的混沌性就越強(qiáng);反之,系統(tǒng)的混沌性就越弱.同時,利用物理細(xì)胞自動機(jī)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(yīng)用PCA模型進(jìn)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(zhǔn)確認(rèn)知礦震系統(tǒng)的非線性特征具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義.(3)提出了礦震系統(tǒng)獨(dú)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(xué)方程反演理論在確定狀態(tài)變量時存在的隨意性和非獨(dú)立性等同題;并應(yīng)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(xué)方程.(4)較系統(tǒng)地討論了礦震系統(tǒng)可預(yù)測尺度的一般性規(guī)律;并應(yīng)用細(xì)胞映射理論建立了一種計(jì)算混沌系統(tǒng)可預(yù)測尺度的新方法,解決了以往在觀測資料不足的情況下計(jì)算礦震系統(tǒng)可預(yù)測尺度時所遇到的困難.(5)確立了礦震系統(tǒng)的非線性預(yù)測方法和理論體系,包括:①系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)值預(yù)測;②系統(tǒng)的突變預(yù)測及評價.其中,應(yīng)用改進(jìn)的非線性動力學(xué)方程迭代法和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對礦震狀態(tài)的數(shù)值預(yù)測;并綜合突變理論和細(xì)胞映射理論的特點(diǎn),提出了礦震突變預(yù)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.
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