一种巷道围岩应力建模与预测方法技术

本发明专利技术涉及岩土检测技术领域，具体公开了一种巷道围岩应力建模与预测方法，该方法是利用优化后的ELM算法建立巷道围岩应变应力的分析数学模型，利用所建立的数学模型在仅知道应变的情况下获得应力。首先，选取若干份巷道围岩应力和应变的实际检测值，进行归一化处理；然后，对归一化后的应变应力数据中的一部分数据建立传统ELM模型，利用贪心算法，优化ELM的输入层权值建立优化后的定量分析数学模型；然后，基于该数学模型对已知的巷道变应预测获得应力。本发明专利技术首次将ELM模型应用于巷道围岩应力应变的建模，从而实现在仅知道围岩应变的情况下对应力的预测，利用计算机建模并计算，其分析周期短、成本低、操作步骤简单、提高了工作效率，同时减少人为误差。

【技术实现步骤摘要】
一种巷道围岩应力建模与预测方法
本专利技术涉及岩土检测
，具体涉及一种巷道围岩应力建模与预测方法。
技术介绍
巷道开挖，围岩能量释放，同时在围岩中产生偏应力。围岩应力是原岩应力与偏应力的叠加，偏应力能控制岩体破坏。对于施工人员来说，巷道围岩安全分级是施工前的重要指导方针。正确的分类可以降低施工成本，提高施工效率，避免潜在危险。目前，以定量指标为主的巷道围岩安全等级划分已成为发展方向。巷道围岩的应变与应力是两个重要的定量指标，实际工程中，巷道围岩应变的测量较为容易，但是巷道围岩的应力的测量却比较困难，而且成本高昂。现有的能够有效测量应力的传感器往往体积较大，操作不便，且价格高昂，难以实现大规模长时间的测量，测量主要采用人工间断观测和采集，监测结果滞后。已有数值分析建模方法，利用数值计算法，如有限差分法，有限元法，边界元法，离散元法等，如著名的仿真计算软件FLAC3D是基于有限差分法编制的，根据岩土的弹性模量，剪切模量，密度，抗拉强度等一系列静态参数，能够模拟巷道围岩的应力与应变，获得的为理想情况下数据，但在实际操作中，这些方法需要测量的参数较多，且很难预测获得现实情况中准确的应力与应变值。目前，尚未有能够准确在仅知道围岩应变的情况下预测巷道应力的方法，也未有能够预测被测试部分中巷道应力值以及趋势走向的方法。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种巷道围岩应力建模与预测方法，该方法是先利用改进输入层权值的ELM算法建立巷道围岩应变与应力的定量分析数学模型，利用所建立的数学模型定量预测出应力值的变化。该方法分析周期短，易操作，可操作性强且通过计算机提高了精度、准确性高。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种巷道围岩应力建模与预测方法，该方法包括如下步骤：S1，测量获取巷道围岩N个点的应力值与应变值，记录M天中每一天的巷道围岩的每个点的应变值与应力值的数据；其中，所述巷道为马蹄铁型；S2，对所述步骤一获得的数据进行归一化处理，将所述应变值和应力值处理为-1到1之间的数值；S3，利用所述S2归一化后的数值建立经过改良的ELM算法定量分析数学模型，基于该数学模型对需要预测的应变数据进行测试，获得被预测部分中的应力值以及趋势走向。如上所述的方法，优选地，所述S2包括以下步骤：S101、将巷道围岩的所述N个点分别在垂直和水平方向的应变值数据制成M×2N的矩阵A；以及其中一个点的应力值数据制成M×1的矩阵B；S201、对所述步骤S101中得到的所述矩阵A、B进行归一化处理；分别在所述矩阵A、B中取最大的数据记为Cmax和最小的数据记为Cmin，并对两者做差得到Cr，Ct满足公式一；S202、分别用所述矩阵A、B中的数值替换C值，代入所述公式一分别获得矩阵At、Bt。如上所述的方法，优选地，所述S3包括以下步骤：S301、将所述归一化后的其中一部分的数据为训练样本，另一部分作为测试样本；将所述训练样本的矩阵代入传统ELM应力模型进行建模，将所述测试样本带入建模完毕的应力模型，获得预测输出的测试应力，与实际测量的数据进行比较，获得所述预测输出的测试应力与所述实际中测量的应力的方差E；S302、利用所述方差E，建立改良的ELM算法定量分析数学模型，根据围岩应变预测得出围岩的应力。如上所述的方法，优选地，所述的传统ELM应力模型进行建模，包括如下步骤：S30101、ELM模型中激活函数g(x)取sigmoid；S30102、产生l×n的随机输入层矩阵w：其中，所述l表示隐含层有l个神经元，所述n代表有输入层有n组输入变量；令输出层权值和隐藏层偏置量为：其中所述m为m组输出变量；输入层X为所述矩阵At中的训练样本,输出层Y为所述矩阵Bt中的训练样本:输入层X中n表示为输入层X有n组向量，每个向量有Q个元素；输出层Y中，m表示为输出层Y有m组向量，每个向量有p个元素，输出T为：隐藏层输出H为：H＝g(w·X+b)公式七其中，g为sigmoid函数，w为输入层权值，X为输入层，b为隐藏层偏置量，根据所述(6)和(7)，即可得：β＝H+T其中，所述β为输出层权值；所述H+表示隐含层输出矩阵H的Moore-Penrose广义逆。如上所述的方法，优选地，所述建立改良的ELM算法定量分析数学模型，具体步骤包括：S30201、首先定义搜索步长t，取一个输入层权值wij值；S30202、令wij'＝wij+t，按照所述传统ELM方法重新更新输出层权值β'，重新计算获得方差E'，如果所述E'<E，保留新的权值wij'和β'，而且所述E＝E'，继续执行wij'＝wij+t；S30203、若所述E'>E，选择另一个权值，执行S30201；S30204、如果执行第一次wij'＝wij+t时，所述E'>E，则反向查找wij'＝wij-t；若所述E'<E，继续wij'＝wij-t，直到E'>E，选择另一个权值，执行S30201。本专利技术的方法利用ELM的改进算法(输入层权值修改)建立巷道围岩应力与应变定量分析数学模型，利用所建立的数学模型定量在仅知道应变的情况下获取应力的值。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：本专利技术巷道围岩应力的建模与预测方法可以快速准确根据巷道应变预测巷道应力。本专利技术所述的建模与预测方法分析周期短、操作步骤简单、成本低、利用计算机建模并计算、提高了测试精度、提高了工作效率。另外，该方法的使用减少了仪器的投入和大量人力的投入，工作强度小，节约了生产所投入的成本，同时减少了人为误差，且预测获得结果的准确度大大高于远远大于现有技术的方法。附图说明图1为本专利技术巷道围岩应变与应力的建模方法流程图；图2为图1中所述S2具体步骤的流程图；图3为传统的ELM应力模型建立的流程图；图4为本专利技术利用贪心算法优化ELM输入层权值的流程图；图5为本专利技术运用优化后ELM和未优化ELM模型训练集输出仿真结果的比较图；图6为本专利技术实施例2隧道截面检测点的位置示意图；图7为本专利技术实施例2与传统方法测试结果图。具体实施方式为了更好的解释本专利技术，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本专利技术作详细描述。实施例1本专利技术建立了一种巷道围岩应力建模与预测方法，该建模方法是利用输入权值改进后的ELM算法建立巷道围岩应变与应力的定量分析数学模型，利用所建立的数学模型在仅知道的围岩应变的情况下预测出巷道围岩的应力。本专利技术实施例所描述的巷道围岩应力与应变的建模应用于预测巷道围岩应力的详细流程如下：准备工作：采集鞍钢的眼前山铁矿的巷道围岩内应变和应力值样品，记录巷道围岩部分界面若干天的应力与应变的值。具体包括以下步骤：如图1所示，S1、采用收敛仪，三维测量仪测量巷道围岩5个点在垂直和水平方向的应变值，监测106天，得到106×10组样品数据；测量一个点的应力值，获得106组样品数据。S2、对样本数据进行归一化，如图2所示的流程图，其实现过程如下：步骤S101、数据标准化，将所得到106×10组应变值的数据，制成106×10的矩阵A；获得106组的应力值，制成106×1的矩阵B，步骤S201、将数据归一化：将得到的矩阵A、矩阵B分别代入下列公式一进行归一化处理，其中，分别在所述矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种巷道围岩应力建模与预测方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1，测量获取巷道围岩N个点的应力值与应变值，记录M天中每一天的巷道围岩的每个点的应变值与应力值的数据；其中，所述巷道为马蹄铁型；S2，对所述S1获得的数据进行归一化处理，将所述应变值和应力值处理为‑1到1之间的数值；S3，利用所述S2归一化后的数值建立经过改良的ELM算法定量分析数学模型，基于该数学模型对需要预测的应变数据进行测试，获得被预测部分中的应力值以及趋势走向。

【技术特征摘要】
1.一种巷道围岩应力建模与预测方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1，测量获取巷道围岩N个点的应力值与应变值，记录M天中每一天的巷道围岩的每个点的应变值与应力值的数据；其中，所述巷道为马蹄铁型；S2，对所述S1获得的数据进行归一化处理，将所述应变值和应力值处理为-1到1之间的数值；S3，利用所述S2归一化后的数值建立经过改良的ELM算法定量分析数学模型，基于该数学模型对需要预测的应变数据进行测试，获得被预测部分中的应力值以及趋势走向。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述S2包括以下步骤：S101、将巷道围岩的所述N个点分别在垂直和水平方向的应变值数据制成M×2N的矩阵A；以及其中一个点的应力值数据制成M×1的矩阵B；S201、对所述步骤S101中得到的所述矩阵A、B进行归一化处理；分别在所述矩阵A、B中取最大的数据记为Cmax和最小的数据记为Cmin，并对两者做差得到Cr，Ct满足公式一；S202、分别用所述矩阵A、B中的数值替换C值，代入所述公式一分别获得矩阵At、Bt。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步S3包括以下步骤：S301、将所述归一化后的其中一部分的数据为训练样本，另一部分作为测试样本；将所述训练样本的矩阵代入传统ELM应力模型进行建模，将所述测试样本带入建模完毕的应力模型，获得预测输出的测试应力，与实际测量的数据进行比较，获得所述预测输出的测试应力与所述实际中测量的应力的方差E；S302、利用所述方差E，建立改良的ELM算法定量分析数学模型，根据围岩应变预测得出围岩的应力。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖冬，李北京，柳小波，毛亚纯，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21