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矿震孕育过程的混沌性及非线性预测理论研究
矿震是一种可对矿井生产产生较大危害的突发性岩体动力行为,随着矿井的开采活动逐博士学位论文渐向深部延伸,由高应力因素所导致的矿震危害性愈发突出.尽管前人已就矿震的形成机理、预测和防治等课题开展了大量的研究工作,并取得了显著成就,但仍有很多问题没有得以根本解决.应用以混沌理论为主体的非线性动力学的最新成果,对矿震孕育演化过程中的混沌性和非线性预测理论进行了较全面、系统的研究,主要工作如下: (1)在传统细胞自动机(Cellular Automata,CA)理论的基础上,基于能量守恒定律和广义能量传递规则,建立了模拟岩体(石)非线性破坏演化过程的物理细胞自动机(Physical Cellular Automata, PCA)模型,模拟实例从不同侧面验证了该模型可以有效地模拟岩体(石)的破坏特征及非线性行为.物理细胞自动机为进一步研究矿震等岩体动力行为的非线性规律提供了一种具有广阔应用前景的数值方法.(2)利用物理细胞自动机模型较系统地研究了岩体(石)破坏过程的非线性规律,结果表明:加载应力水平越高、岩体初始强度分布越不均匀、内部含有的裂纹等软弱区越多、应变能耗散系数越小,相应系统呈现出来的混沌性就越强;反之,系统的混沌性就越弱.同时,利用物理细胞自动机研究了不同脆性程度的岩体在破坏过程中所表现出来的不同混沌性演化模式,并发现了特定条件下岩体破坏的定常行为.应用PCA模型进一步研究了不同观测方式对系统混沌性的影响:对于岩体破坏过程而言,存在一个使表观动力系统(由观测数据构成的动力系统)的混沌性最弱且能正确反映原始系统混沌吸引子结构的最优(合理)观测时间间隔,这一结论对于准确认知矿震系统的非线性特征具有重要的现实指导意义.(3)提出了矿震系统独立主变量的概念和构造方法,解决了传统非线性动力学方程反演理论在确定状态变量时存在的随意性和非独立性等同题;并应用现代反演理论得到了具体矿震系统的非线性动力学方程.(4)较系统地讨论了矿震系统可预测尺度的一般性规律;并应用细胞映射理论建立了一种计算混沌系统可预测尺度的新方法,解决了以往在观测资料不足的情况下计算矿震系统可预测尺度时所遇到的困难.(5)确立了矿震系统的非线性预测方法和理论体系,包括:①系统状态的数值预测;②系统的突变预测及评价.其中,应用改进的非线性动力学方程迭代法和小波神经网络实现了对矿震状态的数值预测;并综合突变理论和细胞映射理论的特点,提出了矿震突变预测评价模型,该模型可以更精确面客观地识别矿震的突变信息.
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