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海下开采岩层变形混沌时序重构与安全预警系统研究

作　者: 刘超
导　师: 刘志祥
学　校: 中南大学
专　业: 采矿工程
关键词: 岩层位移监测混沌神经网络安全预警
分类号: TD807
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着人类大规模资源的利用和开发,陆地资源日渐枯竭,人们逐渐把目光投向蕴含丰富矿产资源的海洋。目前,对于海底基岩矿床的开采处于起步阶段,相关的研究较少。海下开采与陆地开采条件的主要区别是上覆海水,一旦海水涌入井下,就会带来灾难性的后果。因此,海下矿床安全开采的关键是对采区上覆岩层变形的控制。由于海下开采岩层变形是一个复杂系统,其中蕴含着各种随机的、不确定的因素,其演化过程伴随着物质、能量的交换,表现出复杂的非线性行为。因此,本文利用非线性科学中的混沌理论来研究海下开采岩层变形问题。对海下岩层变形时间序列进行混沌分析的基础是相空间重构技术,本文在详细分析该理论的基础上,应用几何不变量法和复自相关函数法确定了嵌入维数m和延迟时间量τ,对三山岛金矿岩层变形时间序列进行了相空间重构。计算了混沌特征参量—最大Lyapunov(?)旨数λmax。和关联维数D2,两者相结合对重构相空间进行了识别,证明了山岛金矿海下丌采岩层变形的混沌性。用混沌理论揭示了不同高度岩层位移在相空间中的相点距离演变规律,并利用Fourier变换得到不同岩层的时间-功率谱曲线,从而获得了岩层变形能量随时间的变化规律。应用神经网络建立了岩层变形相空间相点距离演化预测模型,预测了新立矿区海底开采岩层变形,并建立了海底开采岩层变形安全预警系统。采用梯度下降法与混沌优化方法相结合方法训练神经网络,使神经网络预测模型实现快速训练的同时,避免陷入局部极小,同时提高了模型计算精度。并针对不同的预警区域,提出了相应的安全措施。研究表明,岩层变形表现出混沌特征,对其相空间重构后,岩层变形的细微变化特征被放大,其内在规律能得到充分展示,为建立海下开采安全预警系统提供了基础。

海下开采岩层变形混沌时序重构与安全预警系统研究

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