一种基于多参数耦合的围岩变形预测方法及系统

本发明涉及巷道围岩变形智能监测，特别是一种基于多参数耦合的围岩变形预测方法及系统。

背景技术：

1、在深部巷道施工及运行过程中，围岩长期处于高地应力与复杂环境条件下，其变形并非单一方向或单一阶段的响应，而是随着时间推移逐渐演化的结果。尤其是在具有明显层理结构的围岩中，不同岩层之间存在倾角差异及力学性质差异，使得围岩在受力过程中表现出明显的各向异性特征。同一位置在不同方向上的变形速率、裂隙扩展路径以及能量积聚过程往往存在显著差别，这种差异在监测数据中表现为多参数之间不同步变化甚至局部突变。

2、现有围岩变形预测方法大多以单一监测量或少量参数为基础，通过经验阈值或简化模型对围岩状态进行判断。这类方法在围岩处于稳定阶段时尚能提供一定参考，但在围岩进入非线性演化阶段后，往往难以反映不同方向之间的变形差异，也无法描述裂隙扩展与能量积累之间的关联关系。尤其是在岩层倾角较大的区域，围岩往往沿层理面方向优先发生剪切滑移，而现有方法缺乏对该类方向性特征的有效刻画，导致预测结果与实际变形路径存在偏差。

3、另一方面，围岩失稳判定通常依赖固定阈值或简单统计结果，这类判定方式无法适应围岩在不同阶段的能量演化特征变化，容易出现提前报警或滞后识别的问题。同时，对于围岩内部损伤如何由局部扩展到整体、不同区域之间如何相互影响，现有方法缺乏结构化表达手段，难以形成对围岩演化过程的整体认知。

技术实现思路

1、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明提供了一种基于多参数耦合的围岩变形预测方法解决了现有围岩变形预测方法难以表征岩层倾角引起的各向异性时效变形及动态失稳演化过程，导致预测结果连续性差、局部损伤向整体演化过程难以表达的技术问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明提供了一种基于多参数耦合的围岩变形预测方法，其包括，获取围岩多参数监测数据并提取时空演化特征序列，结合围岩的岩层倾角特征构建围岩各向异性时效变形力学分析模型；

5、将时空演化特征序列输入围岩各向异性时效变形力学分析模型，利用岩层倾角特征修正各向异性权重，并利用历史标定参数计算围岩各向异性时效变形力学分析模型中各监测点的渐进破裂耗散能量；

6、根据历史数据统计结果并结合标定参数修正，计算节点动态能量阈值；将渐进破裂耗散能量与节点动态能量阈值进行连续周期比对，并根据比对结果判定对应监测点处于局部失稳演化状态；

7、针对处于局部失稳演化状态的监测点，识别主导时效变形模式并根据岩层倾角特征确定的物理薄弱面方向执行受限裂变操作，建立反映节点间相互作用关系的关联边权，生成围岩损伤演化拓扑结构；

8、基于围岩损伤演化拓扑结构执行全模型受力重计算，求解围岩主承载圈抗失稳调控指数，并根据所述抗失稳调控指数确定围岩变形演化状态预测结果。

9、作为本发明所述基于多参数耦合的围岩变形预测方法的一种优选方案，其中：所述围岩多参数监测数据包括结构应力、收敛变形、裂隙形态和各向异性特征参数；

10、所述提取时空演化特征序列包括，对围岩多参数监测数据执行统一时间基准对齐、空间位置匹配、异常值剔除和缺失值修正；按照相邻采样时段提取结构应力变化量、收敛变形变化量、裂隙形态变化量和各向异性特征参数变化量，形成时空演化特征序列。

11、作为本发明所述基于多参数耦合的围岩变形预测方法的一种优选方案，其中：所述构建围岩各向异性时效变形力学分析模型包括，依据岩层倾角特征、空间位置关系和监测区域范围，对围岩进行网格化离散，形成多个微单元；依据相邻微单元之间的空间邻接关系、倾角差异和方向一致性，建立微单元之间的连接关系；将所述时空演化特征序列映射至对应的所述微单元，形成由离散单元组成的围岩各向异性时效变形力学分析模型。

12、作为本发明所述基于多参数耦合的围岩变形预测方法的一种优选方案，其中：所述利用岩层倾角特征修正各向异性权重包括，依据岩层倾角特征确定岩层层理面空间取向，并计算各微单元法向方向与岩层层理面之间的方向关系，按照垂直层理方向、平行层理方向和沿层理剪切方向对各微单元进行方向归类；针对不同方向归类的微单元，分别提取对应的结构应力变化量、收敛变形变化量和裂隙形态变化量，形成方向分组特征；按照方向归类结果对结构应力变化量、收敛变形变化量和裂隙形态变化量的贡献顺序进行重排，并结合岩层倾角特征对不同方向分组赋予不同更新权重，生成对应各微单元的各向异性权重；

13、所述计算围岩各向异性时效变形力学分析模型中各监测点的渐进破裂耗散能量包括，将各微单元的各向异性权重与对应的方向分组特征进行联合更新，得到各微单元在当前计算周期内的局部损伤演化结果；结合历史标定参数对局部损伤演化结果进行跨周期累积修正，得到各微单元的局部耗散结果；按照各微单元与监测点之间的归属关系，对局部耗散结果进行监测点内分层汇聚，得到各监测点的渐进破裂耗散能量。

14、作为本发明所述基于多参数耦合的围岩变形预测方法的一种优选方案，其中：所述计算节点动态能量阈值包括，按照监测点位置提取历史稳定阶段对应的能量数据，统计各监测点的历史能量波动范围和持续变化特征，形成节点基础阈值；结合标定参数对节点基础阈值进行修正，得到节点动态能量阈值；对渐进破裂耗散能量与节点动态能量阈值执行逐周期比较，提取连续偏离程度、持续偏离时长和偏离增长趋势；依据连续偏离程度、持续偏离时长和偏离增长趋势进行联合判定，在满足局部失稳判定规则时，确定对应监测点处于局部失稳演化状态。

15、作为本发明所述基于多参数耦合的围岩变形预测方法的一种优选方案，其中：所述识别主导时效变形模式包括，对处于局部失稳演化状态的监测点分别提取垂直层理方向、平行层理方向和沿层理剪切方向对应的应力变化特征、变形变化特征和裂隙扩展特征；按照连续计算周期比较垂直层理方向、平行层理方向和沿层理剪切方向的累计变化幅度、变化同步程度和扩展先后顺序，确定主导时效变形模式；

16、所述根据岩层倾角特征确定的物理薄弱面方向执行受限裂变操作包括，依据主导时效变形模式和岩层倾角特征确定物理薄弱面方向；依据渐进破裂耗散能量的偏离程度和损伤扩展范围确定裂变数量及裂变间距；沿物理薄弱面方向对监测点执行定向离散分解，生成多个碎裂子节点，并将监测点对应的空间位置、能量状态和方向属性分配至各碎裂子节点；

17、所述建立反映节点间相互作用关系的关联边权包括，依据碎裂子节点之间的空间邻接关系、方向连续关系和裂隙贯通关系建立初始连接关系；依据相邻碎裂子节点之间的损伤差异和受力传递强弱对初始连接关系进行筛选和分级，生成关联边权；利用碎裂子节点和关联边权生成围岩损伤演化拓扑结构。

18、作为本发明所述基于多参数耦合的围岩变形预测方法的一种优选方案，其中：所述执行全模型受力重计算包括，依据围岩损伤演化拓扑结构识别主承载路径、损伤集中区域和连接衰减区域；根据主承载路径的连续程度、损伤集中区域的扩展程度和连接衰减区域的边权变化程度，求解围岩主承载圈抗失稳调控指数；

19、根据所述抗失稳调控指数确定围岩变形演化状态预测结果包括，将围岩主承载圈抗失稳调控指数与预设状态判定区间进行匹配，确定围岩所处的变形演化阶段；对相邻状态判定区间之间的指数变化趋势进行连续分析，输出对应的围岩变形演化状态预测结果。

20、第二方面，本发明提供了一种基于多参数耦合的围岩变形预测系统，包括：

21、数据获取模块，用于获取围岩多参数监测数据并提取时空演化特征序列；围岩力学建模模块，用于结合岩层倾角特征构建由微单元组成的围岩各向异性时效变形力学分析模型；能量计算模块，用于基于岩层倾角特征修正各向异性权重，并计算各监测点的渐进破裂耗散能量；阈值判定模块，用于计算节点动态能量阈值并进行连续周期比对，判定监测点是否处于局部失稳演化状态；裂变与拓扑构建模块，用于执行受限裂变操作并生成围岩损伤演化拓扑结构；预测输出模块，用于执行全模型受力重计算，求解围岩主承载圈抗失稳调控指数，并根据所述抗失稳调控指数确定围岩变形演化状态预测结果。

22、第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于多参数耦合的围岩变形预测方法的任一步骤。

23、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于多参数耦合的围岩变形预测方法的任一步骤。

24、本发明有益效果为：通过获取围岩多参数监测数据并提取时空演化特征序列，结合岩层倾角特征构建围岩各向异性时效变形力学分析模型，实现了围岩各向异性特征的精细刻画，使不同方向的应力响应与变形行为能够在统一框架下进行表达；在此基础上，通过对微单元进行方向归类并执行差异化权重修正，结合历史标定参数对局部损伤演化进行跨周期更新，得到各监测点的渐进破裂耗散能量，从而能够反映围岩损伤随时间演化的连续过程；进一步地，通过基于历史稳定阶段数据构建节点动态能量阈值，并对渐进破裂耗散能量执行连续周期比对，实现对围岩局部失稳演化状态的动态识别，避免传统固定阈值方法的滞后或误判；在识别失稳区域后，依据主导时效变形模式及岩层倾角特征执行受限裂变操作，并建立节点间关联边权，构建围岩损伤演化拓扑结构，从结构层面刻画围岩内部相互作用关系；最终，通过对该拓扑结构进行全模型受力重计算得到围岩主承载圈抗失稳调控指数，并通过围岩主承载圈抗失稳调控指数与预设状态判定区间匹配，并结合指数变化趋势连续分析，实现围岩变形演化阶段及其发展趋势的动态判定，从而提升围岩变形预测的连续性与工程适用性。