本文關(guān)鍵詞：煤礦長(zhǎng)距離斜井TBM（盾構(gòu)）施工風(fēng)險(xiǎn)特性與評(píng)估研究　出處：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：我國(guó)是世界上煤炭開采最多的國(guó)家之一,在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),煤炭仍是我國(guó)的主導(dǎo)能源。隨著我國(guó)煤礦整體開采技術(shù)的不斷提高,以及煤礦開采設(shè)計(jì)理論的不斷完善和施工技術(shù)的進(jìn)步,在中、淺埋深條件下采用斜井提升具有較大優(yōu)勢(shì)。采用斜井提升能夠節(jié)約成本、提高效率,且基建投資少,建設(shè)速度較快,因此在我國(guó)礦井建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鉆爆法短期內(nèi)無(wú)法顯著地提高煤礦長(zhǎng)距離斜井的施工速度,隧道掘進(jìn)機(jī)法施工則適用于長(zhǎng)距離斜井施工的需要。隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)是當(dāng)今世界上隧道施工廣泛采用的機(jī)械,具有高度機(jī)械化和自動(dòng)化的特點(diǎn),在長(zhǎng)距離隧道施工中能夠較大的發(fā)揮其優(yōu)越性,TBM施工技術(shù)在煤礦建設(shè)中應(yīng)用前景將更為廣闊。我國(guó)近幾年在TBM的設(shè)計(jì)領(lǐng)域不斷取得重大突破,相繼解決技術(shù)難題,填補(bǔ)了我國(guó)TBM施工領(lǐng)域的空白,得到跨越式發(fā)展。TBM設(shè)計(jì)和制造的周期縮短,維護(hù)更加方便,TBM的斷面直徑范圍增大,能適應(yīng)多種斷面形式,且施工技術(shù)得到提高,地質(zhì)適應(yīng)能力得到增強(qiáng),不斷的適應(yīng)實(shí)際施工需求,對(duì)促進(jìn)我國(guó)煤炭資源的開發(fā)具有重大的意義。煤礦長(zhǎng)斜井TBM施工是一個(gè)開放的施工系統(tǒng),時(shí)刻受到周圍環(huán)境的影響,包括人、物、自然因素等。現(xiàn)階段對(duì)TBM施工安全管理的工程措施已比較成熟,在實(shí)際施工中缺乏非工程措施,特別是能夠降低TBM施工風(fēng)險(xiǎn)的非工程技術(shù)和手段,需要建立相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控模型和算法,提取風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列的非線性特征,對(duì)TBM施工的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)、建模及反饋控制。因此,需要采用合理的方法對(duì)TBM施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估、預(yù)測(cè)及防控,并結(jié)合實(shí)際施工,為施工的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控提供科學(xué)基礎(chǔ)。煤礦長(zhǎng)斜井TBM施工風(fēng)險(xiǎn)影響因素較多,產(chǎn)生機(jī)制較為復(fù)雜,對(duì)TBM施工的風(fēng)險(xiǎn)分析尚處于起步階段,國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在TBM施工風(fēng)險(xiǎn)分析領(lǐng)域研究很少,而在隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)測(cè)領(lǐng)域使用多種經(jīng)典的方法進(jìn)行研究,這些經(jīng)典的算法奠定了TBM施工風(fēng)險(xiǎn)管控研究的基礎(chǔ),但這些定量分析方法和模型的建立方法比較零散,且研究的深度非常有限,未形成較為完善的理論體系。而在模型的建立與研究方法上,其他學(xué)科已取得大量的研究成果,為煤礦長(zhǎng)斜井TBM施工的風(fēng)險(xiǎn)管控研究提供了有益的借鑒,因此,本文引入非線性分析方法,試圖從風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列的角度分析風(fēng)險(xiǎn)的變化機(jī)制,采用集對(duì)分析法、混沌預(yù)測(cè)理論、多重分形分析法、多尺度熵法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估、預(yù)測(cè)和波動(dòng)分析,取得了新的進(jìn)展如下:(1)煤礦長(zhǎng)斜井TBM施工風(fēng)險(xiǎn)分析與識(shí)別方法神華新街能源公司臺(tái)格廟礦區(qū)為典型的高原荒漠—半荒漠地貌,礦區(qū)圍巖以粗粒砂巖為主,地處中溫帶,風(fēng)沙較大,四季分明,氣候變化顯著,為干旱—半干旱大陸性季風(fēng)氣候。礦區(qū)無(wú)地表水發(fā)育,地震烈度為Ⅵ度,屬弱震區(qū)。分別按圍巖地質(zhì)條件、護(hù)盾形式、tbm直徑大小、開挖斷面形狀、隧道水平—垂直度對(duì)tbm進(jìn)行分類。根據(jù)工程風(fēng)險(xiǎn)的概念,分析了tbm施工的特點(diǎn),tbm施工具有客觀性、不確定性、動(dòng)態(tài)性、可管理性、連鎖性的特點(diǎn),這些特點(diǎn)決定了tbm施工風(fēng)險(xiǎn)具有不確定性,需要通過(guò)建立相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控模型進(jìn)行分析�；诠こ田L(fēng)險(xiǎn)的概念及上述tbm施工風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn),對(duì)煤礦長(zhǎng)斜井tbm進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分與風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別。采用十分制的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)計(jì)算方法將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為5個(gè)級(jí)別,并建立了二層級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。第一層級(jí)將風(fēng)險(xiǎn)劃分為6個(gè)類別,分別為自然風(fēng)險(xiǎn)、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)、管理風(fēng)險(xiǎn)和事故風(fēng)險(xiǎn),第二層級(jí)對(duì)第一層級(jí)的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)類別進(jìn)行細(xì)化,共23個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素。(2)基于風(fēng)險(xiǎn)偏好的煤礦長(zhǎng)斜井tbm施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法(1)煤礦長(zhǎng)斜井tbm施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法集對(duì)分析法從系統(tǒng)的角度分析風(fēng)險(xiǎn)的不確定性,描述風(fēng)險(xiǎn)的不確定性特征及動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。本文采用了集對(duì)分析法中七元聯(lián)系度的表達(dá)式,引入了三角模糊數(shù)的概念,建立了以5個(gè)區(qū)間值為等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的5級(jí)集對(duì)同異反關(guān)系的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)模型,對(duì)該模型中b1、b2、b3的取值進(jìn)行探討,并對(duì)其改進(jìn),將b1、b2、b3的系數(shù)推廣到一般意義上,設(shè)為x,得到一般意義上的集對(duì)分析法七元聯(lián)系度表達(dá)式。利用熵權(quán)法確定了tbm施工風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)權(quán)重,并基于七元聯(lián)系度表達(dá)式建立了tbm施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。(2)引入風(fēng)險(xiǎn)偏好的煤礦長(zhǎng)斜井tbm風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)偏好的概念、分類進(jìn)行總結(jié)。風(fēng)險(xiǎn)偏好是施工管理人員對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的不同的態(tài)度傾向,這種不同的態(tài)度傾向主要是指對(duì)風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度的評(píng)判不同,分為樂(lè)觀的、中性的、謹(jǐn)慎的風(fēng)險(xiǎn)偏好。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)持樂(lè)觀偏好的施工管理人員傾向認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)是可以接受的,在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估時(shí)給出的評(píng)價(jià)值往往較低;對(duì)風(fēng)險(xiǎn)持中性偏好的施工管理人員傾向認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)是較客觀的,在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估時(shí)給出的風(fēng)險(xiǎn)值較為客觀;對(duì)風(fēng)險(xiǎn)持謹(jǐn)慎偏好的施工管理人員傾向認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)容易造成較大影響,在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估時(shí)給出的風(fēng)險(xiǎn)值往往偏高。本文結(jié)合tbm施工特點(diǎn),分析了實(shí)際施工中產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)偏好的原因,給出了風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算值關(guān)于聯(lián)系度x的風(fēng)險(xiǎn)偏好函數(shù)表達(dá)式,并得到針對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)偏好的施工管理人員的風(fēng)險(xiǎn)值取值范圍。風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)持謹(jǐn)慎態(tài)度的施工管理人員聯(lián)系度取值范圍為[0,0.5),此時(shí)風(fēng)險(xiǎn)值偏高;對(duì)風(fēng)險(xiǎn)持樂(lè)觀態(tài)度的施工管理人員聯(lián)系度取值范圍為(0.5,1.0],此時(shí)風(fēng)險(xiǎn)值偏低;對(duì)風(fēng)險(xiǎn)持中性態(tài)度的施工管理人員聯(lián)系度取值為0.5。(3)煤礦長(zhǎng)斜井tbm施工的風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)分析方法根據(jù)偏聯(lián)系數(shù)理論與集對(duì)勢(shì)理論的概念,建立了tbm施工風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)分析的同異反分析模型,討論了tbm施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展趨勢(shì)的研究方法,指出應(yīng)該重點(diǎn)研究與參考風(fēng)險(xiǎn)集合處于均勢(shì)和反勢(shì)的情況,逐漸改善那些處于反勢(shì)區(qū)的因素,將整個(gè)系統(tǒng)調(diào)整回歸到較低的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。計(jì)算得到23個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的五元聯(lián)系數(shù)的一階、二階、三階、四階的偏聯(lián)系數(shù)及其發(fā)展趨勢(shì),得到風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)展趨勢(shì)的變化狀態(tài),以便從宏觀上把握風(fēng)險(xiǎn)的變化。(4)多變量煤礦長(zhǎng)斜井tbm施工動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)研究混沌預(yù)測(cè)理論已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用,主要是指對(duì)非線性時(shí)間序列進(jìn)行預(yù)測(cè)。混沌系統(tǒng)貌似無(wú)規(guī)則,但通過(guò)相空間重構(gòu),提取混沌特征量,可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的規(guī)律性信息,系統(tǒng)內(nèi)部非線性的相互作用機(jī)制也可以得到刻畫。因此,混沌研究的是系統(tǒng)的演變過(guò)程,適合采用此方法分析風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列的非線性特征。本文對(duì)tbm風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列進(jìn)行相空間重構(gòu),恢復(fù)原來(lái)混沌系統(tǒng),從數(shù)據(jù)的角度分析風(fēng)險(xiǎn)的演變行為。采用一階局域法與雙隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合模型進(jìn)行tbm施工風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列的預(yù)測(cè)。首先,對(duì)tbm施工風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列進(jìn)行主成分分析,簡(jiǎn)化風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),將23個(gè)指標(biāo)整理為四個(gè)主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)92.7255%,并獲得載荷矩陣與主成分表達(dá)式。分析了影響tbm施工風(fēng)險(xiǎn)的主要因素,并分別對(duì)四個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列進(jìn)行相空間的重構(gòu),計(jì)算出時(shí)間延遲與嵌入維數(shù)。通過(guò)計(jì)算其最大lyapunov指數(shù)大于0,說(shuō)明可以利用混沌預(yù)測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果較好的擬合實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)值,因此該方法對(duì)tbm施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)具有一定的理論意義。(5)煤礦長(zhǎng)斜井tbm施工風(fēng)險(xiǎn)波動(dòng)分析(1)煤礦長(zhǎng)斜井tbm施工風(fēng)險(xiǎn)波動(dòng)分析的分形特性分形是指系統(tǒng)的自相似性,即系統(tǒng)的局部與整體在一定標(biāo)尺范圍內(nèi)具有相似的結(jié)構(gòu),系統(tǒng)內(nèi)部任何一個(gè)相互獨(dú)立的部分都是在一定程度上系統(tǒng)整體的縮影與再現(xiàn)。分形理論從研究系統(tǒng)的部分出發(fā)來(lái)研究系統(tǒng)的整體特性,由微觀逐漸展開到宏觀,強(qiáng)調(diào)了整體對(duì)部分的依賴。分形理論可以深化研究風(fēng)險(xiǎn)演變過(guò)程的部分變化與整體變化的關(guān)系。通過(guò)m-k突變檢測(cè)方法,分別獲得五個(gè)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列突變樣本的正向序列曲線和反向序列曲線,根據(jù)曲線的突變規(guī)律可知發(fā)生了明顯的風(fēng)險(xiǎn)波動(dòng)。在此基礎(chǔ)上,利用盒計(jì)數(shù)法判斷五個(gè)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列突變樣本的分形特性,不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的點(diǎn)集(lg(1/e),lgn(e))分別近似分布在一條直線上,因此可以認(rèn)為具有分形特征;利用hurst指數(shù)法判斷五個(gè)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列突變樣本的多重分形特性,hurst指數(shù)曲線存在明顯波動(dòng),且q0時(shí)的h(q)變化幅度大于q0時(shí)的變化幅度分析出風(fēng)險(xiǎn)突變樣本具有多重分形特性,從而采用多重分形分析方法對(duì)其進(jìn)行分析。采用多重分形分析方法獲得了五條風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列的多重分形譜曲線,模擬結(jié)果表明風(fēng)險(xiǎn)波動(dòng)的劇烈程度與多重分形譜成正比關(guān)系,風(fēng)險(xiǎn)波動(dòng)越劇烈,多重分形強(qiáng)度越大,風(fēng)險(xiǎn)波動(dòng)越不明顯,多重分形強(qiáng)度越小。為了更充分的反映風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列的多重分形特性,基于對(duì)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列多重分形的分析,提出了描述多重分形復(fù)雜度的兩個(gè)參數(shù):奇異指數(shù)差值累計(jì)量及其斜率,對(duì)多重分形差值累計(jì)量曲線進(jìn)行分析及擬合,結(jié)果表明風(fēng)險(xiǎn)波動(dòng)的劇烈程度與奇異指數(shù)差值累計(jì)量、奇異指數(shù)差值累計(jì)量斜率成正比。(2)煤礦長(zhǎng)斜井TBM施工風(fēng)險(xiǎn)突變的多尺度熵特性多尺度熵算法衡量時(shí)間尺度不同時(shí)時(shí)間序列的復(fù)雜性變化情況,描述了時(shí)間序列的波動(dòng)機(jī)制,同時(shí)也包含了深層的動(dòng)力學(xué)信息。本文采用多尺度熵算法來(lái)衡量TBM施工風(fēng)險(xiǎn)突變機(jī)制,利用多尺度熵的研究方法分析了三種不同類型的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列突變情況:A:突變前風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相同,突變后風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)依次變化,包括:a1:突變前風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相同,突變后風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)依次提高a2:突變前風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相同,突變后風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)依次降低模擬結(jié)果表明多尺度熵算法可以較好的分析此種情形的突變特性,風(fēng)險(xiǎn)突變程度與多尺度熵曲線成反比,但無(wú)法區(qū)分突變后風(fēng)險(xiǎn)的變化方向。B:風(fēng)險(xiǎn)突變程度相同、風(fēng)險(xiǎn)突變等級(jí)不同模擬結(jié)果表明多尺度熵算法不能有效的分析突變程度相同,但突變等級(jí)不同的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列,表明多尺度熵算法在于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)序列的變化相對(duì)程度,而非變化前后數(shù)值的大小。C:突變前風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相同,突變等級(jí)呈階梯形變化c1:突變前風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相同、突變等級(jí)呈階梯形增加c2:突變前風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相同、突變后風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)呈階梯形下降模擬結(jié)果表明多尺度熵曲線雖然可以較好的分析突變的劇烈程度,但仍不能區(qū)別風(fēng)險(xiǎn)突變的方向。采用多尺度熵差值累計(jì)量來(lái)進(jìn)一步考察風(fēng)險(xiǎn)突變時(shí)間序列的復(fù)雜程度,描述不同尺度下煤礦長(zhǎng)斜井TBM施工風(fēng)險(xiǎn)突變時(shí)間序列的動(dòng)力學(xué)特征,對(duì)多尺度熵差值累計(jì)量進(jìn)行定義,分析了A、C情況下的多尺度熵差值累積量變化曲線,表明風(fēng)險(xiǎn)突變的劇烈程度與多尺度熵差值累積量成反比,采用多尺度的方法可以度量風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列的變化程度。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD26

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本文編號(hào)：1334965