基于深度学习的隧道微震监测及岩爆预警技术与系统研究

针对隧道工程建设中微震监测信息处理智能化不高、隧道三维可视化信息不全和隧道岩爆灾害预警难等亟待解决的问题,采用微震监测、深度学习和虚拟仿真技术,建立隧道微震信息自动一体化处理及岩爆智能预警技术体系与系统平台。提出基于双模态特征提取的微震多分类模型,建立基于深度卷积编解码网络的波形降噪–到时拾取双任务模型以及基于引力搜索法的微震定位算法,实现隧道微震分类–降噪–拾取–定位–震源参数计算的自动、高效、准确处理;选取累积视体积和能量指数震源参数作为关键指标,建立基于LSTM多变种网络的微震参数平行序列预测模型和岩爆孕育阶段判识预警模型,实现岩爆当前–未来状态时效演化的预警。同时,基于三维可视化框架Cesium实现隧址地理信息、地质模型、隧道模型、灾害(微震)信息的集成与显示,形成微震信息采集模块、微震信息云处理模块、岩爆预测预警模块于一体的隧道微震监测与岩爆预警系统。将系统应用于峨汉高速公路大峡谷隧道岩爆灾害段,实现海量微震数据的自动、高效、准确处理,验证隧道微震信息自动一体化处理及岩爆智能预警技术体系的有效性。     

基于微震信息的岩爆体积分级与判别方法研究

深埋地下工程岩爆灾害的危害性与其爆坑规模直接相关,为进一步提高岩爆灾害的精细化表征及预测水平,开展基于微震信息的岩爆爆坑体积分级及判别方法研究。首先,通过对收集到的111个来源于锦屏二级水电站深埋隧洞群工程的岩爆案例进行统计分析可知,岩爆孕育过程中的累积微震事件数、累积微震释放能、累积微震视体积、微震事件率、微震能量释放率、微震视体积率这6个指标与岩爆爆坑体积之间具有较高相关性,即岩爆爆坑的体积分布与微震参数取值之间呈现出较为明显的从低到高的层次差异性。其次,利用层次聚类分析手段,从工程实用性与可预测性的角度构建一种岩爆体积分级划分方案,以锦屏隧洞工程为例,将岩爆体积等级划分为五级,并确定相应等级的体积阈值。最后,基于改进的分类回归树(classification and regression tree,简称为CART)算法,构建了用于确定不同岩爆体积等级下各微震参数判别阈值的决策树,形成岩爆体积等级的6个单微震参数判据;进一步,提出一种基于多微震参数的岩爆体积等级综合判别的蛛网图方法,并通过案例反分析确定相应的判别准则,利用该方法可快速实现洞室开挖过程中岩爆潜在规模等级的判别。对收集...     

基于ALSTM模型的基坑周边建筑物沉降预测

中短期基坑沉降监测序列具有非线性和数据量小的特点,导致常规预测模型很难获取准确的预测结果。针对传统模型未考虑到历史时刻沉降情况对未来沉降量具有不同影响的缺点,本文采用ALSTM(Attention LSTM)预测模型,并以某大厦基坑工程变形监测的数据为例进行验证。实验结果表明,相比LSTM、支持向量回归和BP神经网络模型,ALSTM模型能够取得更加准确的预测结果,适用于短期和中短期两种情况下的沉降变形预测。     

基于时间序列与长短时记忆网络的滑坡位移动态预测模型

针对滑坡演化的动态特性和传统静态预测模型的不足,提出一种基于时间序列与长短时记忆网络(long and short term memory neural network,LSTM)的滑坡位移动态预测模型。该模型首先采用移动平均法将滑坡累积位移分解为趋势项位移和周期项位移。然后采用多项式函数预测趋势项位移;基于滑坡变形特征与诱发因素的响应分析,建立LSTM模型进行周期项位移预测。最后将各分项位移叠加,即实现滑坡累积位移的预测。以三峡库区典型阶跃型滑坡——白水河滑坡为例,并与支持向量机模型(support vector machine,SVM)进行对比分析。结果表明,与静态模型SVM相比,动态模型LSTM的预测精度较高,在阶跃式变形期的预测优势尤为突出,且不依赖于训练数据时效性的分析。该模型为三峡库区阶跃型滑坡位移预测提供了新的思路和探索。     

基于LSTM模型的排水系统流量预测研究

排水系统流量预测对于城市水安全、污水厂优化运行具有重要意义。与需要复杂建模和大量地理信息数据的传统水文水力学模型不同，机器学习可以通过数据驱动实现排水系统的流量预测预警。结合流量数据的时序性，分别在单变量（流量）、双变量（流量和降雨）的情况下，采用5种长短期记忆神经网络（LSTM）模型（Vanilla LSTM、Stacked LSTM、Bidirectional LSTM、CNN LSTM、ConV LSTM）对江苏省无锡市某污水处理厂的进水流量进行预测。结果表明，Bidirectional LSTM最优的实验参数条件是：隐藏层单元数为250，训练轮数为200，训练集样本数为250；在同等条件下，Bidirectional LSTM相较其他4种方法可以更有效地预测未来流量；相比仅输入流量变量，在增加降雨变量后，可以提升近20%的流量预测精度。     

基于长短期记忆网络的短期空调冷负荷预测

提出了一种基于长短期记忆网络(LSTM)的短期空调冷负荷预测模型,仅采用历史负荷数据预测未来1 d的逐时冷负荷.通过与传统的BP神经网络模型进行对比,验证其准确性.为了进一步提高模型预测精度,对网络结构(包括输入层、输出层及隐含层神经元数量)与预测策略进行了优化,获得最优的预测模型.结果表明,基于LSTM的预测模型可实...     

深埋隧洞TBM掘进微震与岩爆活动规律研究

以锦屏二级水电站TBM开挖的深埋隧洞为工程背景,基于微震监测数据和岩爆实例,研究了深埋隧洞TBM掘进过程中微震与岩爆时空分布特征及岩爆孕育过程微震演化规律。结果表明:(1)微震活跃期和岩爆高发期处于TBM作业时段及停机后的1 h以内;微震活动范围主要介于掌子面后方3倍洞径至前方0.4倍洞径之间,其峰值位于掌子面后方0.8倍洞径附近;而岩爆主要发生在掌子面后方2倍洞径以内,尤其是掌子面后方1倍洞径以内是岩爆高发区;可见,微震与岩爆具有良好的时空相关性。(2)在时间序列上,微震能突增现象,以及累积视体积快速上升而Schmidt数急剧下降的现象均属微震活动异常,属岩爆前兆。(3)在空间序列上,微震事件逐渐向某个区域高度集结且大震级高能量事件不断增多的现象属微震活动异常,预示高岩爆风险,属岩爆前兆。     

应用实用动态组合模型预测城市日用水量

将时间序列中的日用水量历史数据引入以温度等作变量的回归分析模型，建立了日用水量非线性回归组合预测模型，同时为进一步提高预测精度，用4阶自回归模型对回归残差序列进行时间序列分析，建立了日用水量预测实用动态组合模型。以华北某市日用水量的实测数据对其进行检验，结果表明该模型具有较高的预测精度。     

基于GA-Bi-LSTM的盾构隧道下穿既有隧道沉降预测模型

为了对盾构隧道下穿既有隧道的安全控制提供支撑，以既有地铁隧道的沉降预测误差为目标，采用遗传算法(GA)对双向长短期记忆网络(Bi-LSTM)结构中的时间序列的长度、隐藏层的单元数、隐藏层层数、LSTM的层数以及dropout进行参数优化，并在综合考虑工程地质参数、空间参数和盾构施工参数的基础上，构建GA-Bi-LSTM既有隧道沉降预测模型。以长沙轨道交通3号线平行下穿长沙轨道交通1号线区间工程为依托，基于该区间内的既有隧道沉降监测值以及对应的输入参数数据，对模型进行训练和测试。研究结果表明：提出的GA-Bi-LSTM模型对既有隧道沉降预测的平均绝对误差(MAE)、均方根(RMSE)、样本回归值(R²)分别为0.42,0.45,0.90，平均相对误差仅为10.78%，相较于BP,SVM,LSTM,Bi-LSTM神经网络模型拥有更好的预测精度，说明该模型具有较好的可靠性和实用性，可为新建隧道下穿既有隧道的沉降预测提供一种新的思路和方法。     

供热系统换热站供热参数预测模型对比分析

通过相关性分析确定了集中供热系统换热站供/回水均温的影响因素,进一步依据最小二乘拟合计算得到预测模型中历史供热参数的最佳周期,同时结合室外空气温度和室内温度作为模型输入参数,运用Matlab仿真模拟软件建立广义回归神经网络(GRNN)、Elman递归神经网络(Elman)以及多元线性回归(MLR)预测模型,分别对未来18个时刻的供/回水均温进行仿真验证。分析预测结果发现,MLR预测模型的精度最高,GRNN预测模型精度略低于M LR,而Elman模型预测精度最低。     

基于采动顶、底板岩层损伤的冲击地压预测

为探索微震法预测冲击地压的原理和应用技术,在装备高精度微地震监测设备的煤矿,开展采掘过程连续的岩体破裂现场监测,使用自主研发的采动岩体破裂规律分析和冲击地压预测软件MapRAS进行预测研究和工程应用。发现采动过程岩体微破裂在顶板和底板的深度扩散是产生冲击地压的大概率事件;提出采动顶、底板深度损伤是冲击地压成核重要因素的观点。建立应用微震数据辨识顶、底板采动破裂损伤深度的函数关系式和算法。分析显示顶板和底板深度损伤存在联动,与顶板关键层的周期破断及其后效相对应,反映出顶板、底板的加–卸载过程,在华亭煤田多显现为巷道底板破断型冲击地压。经工程应用检验,预测效能较高,应用效果良好。     

锦屏二级水电站引水隧洞岩爆特征及微震监测规律研究

 通过对锦屏二级水电站引水隧洞施工期间大量岩爆记录的深入研究,分析总结出岩爆沿里程分布规律、岩爆围岩破坏方式、隧洞横断面岩爆位置规律、岩爆次数与距掌子面的距离关系、岩爆次数与开挖后暴露时间关系、岩爆烈度与其围岩破坏范围关系等岩爆特征规律。通过对这些规律及岩爆分布与地质构造之间关系的研究,总结地质构造和岩爆的相互作用规律。将微震监测技术用于引水隧洞工程施工,进行深埋隧洞的岩爆监测预警,实现对微震活动的全天候连续监测分析,并根据现场对岩爆的微震监测结果,对微震的时空演化与岩爆之间的关系进行初步探讨。研究结果表明：深埋岩体隧洞中,岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性,并且与地质结构、施工工法、施工扰动等影响因素之间有着必然的联系,其中地质结构对岩爆的发生起控制作用;岩爆发生之前普遍存在一个孕育过程,并伴随着大量微破裂的产生和微震能量的释放(微震前兆),微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性,可利用其指导安全施工。本文的工程实践验证了微震监测技术用于深埋岩体隧洞岩爆监测预警的可行性,并具有较高准确率,从而为隧洞的岩爆预测和安全施工提供新的研究思路。     

基于微震监测技术的矿山高应力区采动研究

 冬瓜山铜矿是目前国内开采最深的金属矿山之一,岩石具有典型的岩爆倾向性,最大应力为38 MPa,为控制岩爆的发生及制定高应力区采矿的战略,2005年矿山引进南非ISS国际公司的微震监测系统,实现对采矿引起的岩体应力、应变状态的实时监测。简单介绍冬瓜山矿微震监测系统的布置;基于一段时间内监测到的有效事件,对井下首采区地震事件的时间与空间分布进行研究;利用可视化工具JDI对事件的相对集中区域进行圈定,并与井下生产活动相结合,分析原因;还提出对井下工程岩体危险识别的手段,并用实际发生的事件验证;综合研究成果,制定以微震监测技术为基础的高应力区采动分析的工作程序,为目前矿山的安全生产提供依据。     

TBM施工岩爆微震监测的准确率及适用性研究

深埋隧道岩爆是困扰TBM施工安全和进度的重要因素,为此微震监测系统逐渐引入TBM施工对岩爆进行监测预警。然而,TBM施工微震监测的工程案例还很少,其监测预报的准确性和适用性存在争议。以新疆ABH工程和陕西引汉济渭工程为依托,对岩爆微震监测预报的等级和位置进行现场跟踪验证和分析,将岩爆按风险高低划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个等级,给出了不同风险等级岩爆预测的准确率和适用性。结果表明：岩爆微震监测预报的准确率随着岩爆风险等级的增强而提高,对Ⅰ、Ⅱ级岩爆基本可以实现准确定位;引汉济渭工程Ⅰ级岩爆预测的准确率达到78.4 %,14.0%的Ⅰ级岩爆被预报为Ⅱ级,Ⅱ级岩爆预测准确率为55.2%,26.1%的Ⅱ级岩爆被预报为Ⅰ级;ABH工程Ⅱ级岩爆预测准确率为53.3%,46.7%的Ⅱ级岩爆被预报为Ⅲ级;Ⅲ级岩爆预测等级和定位的准确性都比较低。综合考虑岩爆预测的准确性以及施工安全、施工速度和防控措施的因素,建议：TBM工程仅存在Ⅲ级岩爆风险时,无需引入微震监测;存在Ⅰ级、Ⅱ级岩爆风险时,宜采用微震监测,以确保施工安全。     

Preliminary engineering application of microseismic monitoring technique to rockburst prediction in tunneling of Jinping Ⅱ project

Monitoring and prediction of rockburst remain to be worldwide challenges in geotechnical engineering.In hydropower,transportation and other engineering fields in China,more deep,long and large tunnels have been under construction in recent years and underground caverns are more evidently featured by ＂long,large,deep and in group＂,which bring in many problems associated with rock mechanics problems at great depth,especially rockburst.Rockbursts lead to damages to not only underground structures and equipments but also personnel safety.It has been a major technical bottleneck in future deep underground engineering in China.In this paper,compared with earthquake prediction,the feasibility in principle of monitoring and prediction of rockbursts is discussed,considering the source zones,development cycle and scale.The authors think the feasibility of rockburst prediction can be understood in three aspects：（1） the heterogeneity of rock is the main reason for the existence of rockburst precursors;（2） deformation localization is the intrinsic cause of rockburst;and（3） the interaction between target rock mass and its surrounding rock mass is the external cause of rockburst.As an engineering practice,the application of microseismic monitoring techniques during tunnel construction of Jinping II Hydropower Station was reported.It is found that precursory microcracking exists prior to most rockbursts,which could be captured by the microseismic monitoring system.The stress concentration is evident near structural discontinuities（such as faults or joints）,which shall be the focus of rockburst monitoring.It is concluded that,by integrating the microseismic monitoring and the rock failure process simulation,the feasibility of rockburst prediction is expected to be enhanced.     

煤矿开采冲击地压启动理论

 依据微震监测结果,通过总结分析,指出冲击地压发生过程经历3个阶段,将冲击地压重新分为集中静载荷型和集中动载荷型,建立2种类型的工程结构模型,分析各自冲击启动的能量判据,引进“不确定性系统分析法”,提出统一的煤矿开采冲击地压启动理论。结果表明,采动围岩近场系统内集中静载荷的积聚是冲击启动的内因;可能的冲击启动区为极限平衡区应力峰值最大区;应用冲击启动理论能够揭示2类典型冲击案例冲击过程,并将冲击地压的时间序列与空间序列对应起来,为冲击地压监测与防治提供指导。     

煤柱型冲击地压微震信号分布特征及前兆信息判别

 利用微震监测系统,采集平煤十一矿3次煤柱型冲击地压发生前后的微震信号,分析3次冲击地压期间微震信号的时序特征,并利用FFT方法、分形几何原理研究微震信号的频谱特征和分布变化规律。得到如下结论：(1) 煤柱形冲击地压发生前均有一段明显的微震活跃期,表明围岩系统正与外界交换能量,围岩结构处于非稳态的调整期,冲击地压为当次调整期中能量最大的震动,冲击地压发生后,微震活动程度明显下降,出现震后平静期。(2) 冲击地压的主震信号20 Hz以下低频成分占比例较多,波形图中尾波明显且持续时间长,震动能量级别较大。(3) 冲击地压前震主要频谱成分集中在40～100 Hz,前震发生时间距离主震越近,低频成分越多。(4) 微震事件分维值在大的震动(矿震或冲击地压)发生前会持续下降,在大震临近时会降到某个临界值以下。上述规律对确定预测冲击地压的预警指标以及对提高冲击危险程度判别的准确性具有重要意义。     

基于地应力现场实测与开采扰动能量积聚理论的岩爆预测研究

高地应力诱发的岩爆灾害是目前深部地下工程经常遇到的工程地质问题。现场地应力测量是岩爆预测的重要前提,根据三山岛金矿深部测量和岩体赋存状况的特点,优化应力解除测量技术并在矿区深部进行现场实测。提出采场岩爆发生的2个必要条件,即岩石具备储备高应变能的特性和采场具备高应变能积聚的应力环境。基于地应力实测与岩石力学室内试验结果,采用多准则判据对矿区深部发生岩爆的倾向性做出定性分析与评价。FLAC3D数值模拟分析揭示深部开采引起的采场围岩能量积聚、分布状况及变化规律。首次采用地震学的知识,对三山岛金矿未来深部开采过程中可能诱发岩爆的地点和级别做出预测。研究成果为深部地下工程岩爆的预测、预报提供新的思路和途径。     

采场顶板破断型震源机制及其分析

 作为一种区域、实时、动态监测手段,微震监测技术用于预测预报冲击矿压等地质灾害乃至防灾减灾完全可行,而不同震源震动机制的研究是微震法预测预报冲击矿压的前提和基础。采场顶板是影响煤矿冲击矿压发生的重要因素,在分析采场坚硬顶板断裂过程的基础上,建立坚硬顶板断裂震动的等效点源模型,并根据该模型用震动波理论分析坚硬顶板断裂的震动位移方程,揭示了坚硬顶板断裂的震源机制,并通过三河尖矿微震监测的坚硬顶板断裂信号验证分析结果的正确性。研究表明,采场顶板由于受源外介质的拉力作用,断裂时震源会产生波前向外传播的压缩波,震源处岩体破坏主要为张性拉伸破坏。研究结果可为顶板型冲击矿压的预测预报和防治提供理论依据。     

秦岭输水隧洞微震活动特征研究

岩爆是深埋地下岩体工程中面临的世界性难题。针对秦岭输水隧洞岭南工程开挖过程中面临的岩爆问题,本文基于微震监测技术,分析了相邻洞段不同开挖方式、相同开挖方式不同洞段条件下的微震活动特征。结果表明:微震活跃性与岩爆风险高低密切相关,可作为岩爆防治的重要参考依据;埋深与岩性相近条件下,钻爆法比TBM法的微震能量相对更低,岩爆风险相对更低,但TBM法掘进效率更高;微震活跃性与开挖进尺、隧洞埋深不存在明显正相关性,围岩较好、微震活跃性较低时可适当增加掘进速度,提高开挖效率,当围岩变差、微震活跃性较高时宜适当降低掘进速度,延缓或降低岩爆风险。本研究结果可供类似工程岩爆防治和微震监测参考。