本發(fā)明涉及煤礦巷道掘進(jìn)、工作面回采等技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種利用鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)原位實時確定巖體損傷狀態(tài)的方法。

背景技術(shù)：

煤礦井下，在掘進(jìn)和采動影響下，巷道和采場附近的巖體會經(jīng)歷損傷和破壞。在巷道和采場周圍會存在一個巖體損傷或破壞區(qū)，確定該損傷或破壞區(qū)范圍是巷道支護(hù)設(shè)計、沖擊地壓防治和瓦斯抽采方案制定等的基礎(chǔ)，對煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的意義。目前煤礦井下確定巖體損傷狀態(tài)的方法主要有：(1)鉆孔攝像，該方法通過鉆孔孔壁的圖像信息來判斷巖體的狀態(tài)，此方法比較直觀，但現(xiàn)場實施程序繁瑣，較難實施。同時，該方法后處理較慢，結(jié)果要靠人工研判，存在人為因素的影響；(2)鉆孔聲波測試，該方法分為單孔聲波測試和跨孔聲波測試，測試原理是根據(jù)巖體損傷程度與其聲波傳輸速度的相關(guān)性。進(jìn)行現(xiàn)場聲波測試時，需要在測試孔段灌滿水，因而，圍巖較破碎或塌孔嚴(yán)重時，該方法無法實施。(2)礦井地震方法，該方法通過分析震源信號傳輸時間獲得波在巖體中傳播的速度場，進(jìn)而反算出巖體的狀態(tài)，該方法存在多解性的難題，同時受井下巷道布置空間的限制，較難大面積實施。

針對以上確定巖體損傷狀態(tài)中存在的問題，本發(fā)明提出一種利用鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)原位實時確定巖體損傷狀態(tài)的方法。該方法的思路為：煤礦井下存在大量的地質(zhì)鉆孔，用于防治水或抽放瓦斯等，巖體的狀態(tài)與鉆機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系密切，例如，當(dāng)巖體較完整時，鉆機(jī)的運(yùn)行壓力會比較大，且鉆進(jìn)速率較?。环粗?，巖體存在損傷時，鉆機(jī)的運(yùn)行壓力會降低，且鉆機(jī)速率提高。那么，反過來，利用鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)來反演巖體的狀態(tài)是可行的，這就是本發(fā)明的出發(fā)點。

本發(fā)明所述方法，可實時提供分析結(jié)果，快速確定巖體的損傷狀態(tài)，為煤礦井下決策提供依據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種利用鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)原位實時確定巖體損傷狀態(tài)的方法，解決現(xiàn)有方法存在的費時費力，且應(yīng)用范圍受限的問題。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種利用鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)原位實時確定巖體損傷狀態(tài)的方法，包括以下步驟：

步驟1，將壓力變送器串聯(lián)入液壓鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的輸入油路，測量鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)壓力P1。將壓力變送器串聯(lián)入液壓鉆機(jī)的給進(jìn)油缸的輸入油路，測量鉆機(jī)的給進(jìn)壓力P2。利用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測試鉆桿的旋轉(zhuǎn)速率ω。利用拉線位移傳感器測試鉆桿的鉆進(jìn)速率v。

步驟2，然后利用步驟1獲取的旋轉(zhuǎn)壓力P1、給進(jìn)壓力P2、旋轉(zhuǎn)速率ω以及鉆進(jìn)速率v確定壓力指標(biāo)π1與轉(zhuǎn)速指標(biāo)π2，其公式如下：

π1＝P1/P2

π2＝(d×ω)/v。

步驟3，利用鉆孔攝像或鉆孔聲波測試方法測試數(shù)個鉆孔，獲得這些鉆孔不同深度處的巖體損傷狀態(tài)，確定不同位置的巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)I_D。

步驟4，通過步驟1-3獲取訓(xùn)練樣本，利用訓(xùn)練樣本中的π1與π2作為輸入，I_D作為輸出，采用多參數(shù)輸入單參數(shù)輸出模型對π1、π2、I_D進(jìn)行訓(xùn)練，建立I_D與π1與π2的關(guān)系。

步驟5，在鉆機(jī)的鉆進(jìn)過程中通過步驟1-2實時獲取壓力指標(biāo)π1與轉(zhuǎn)速指標(biāo)π2，將實時獲取的壓力指標(biāo)π1與轉(zhuǎn)速指標(biāo)π2導(dǎo)入步驟4中訓(xùn)練好的多參數(shù)輸入單參數(shù)輸出模型中實時確定I_D，從而實時確定巖體的損傷狀態(tài)。

優(yōu)選的：步驟3中利用鉆孔攝像確定巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)I_D時，以孔壁可見裂紋數(shù)目作為巖體損傷評價參數(shù)。設(shè)巖體沒有損傷時的裂紋數(shù)為n1，巖體損傷較大失去承載能力時的裂紋數(shù)為n2，則I_D＝(n2-n)/(n2-n1)。

優(yōu)選的：步驟3中利用鉆孔聲波測試確定巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)I_D時，以巖體中的波速作為巖體損傷評價參數(shù)。設(shè)巖體沒有損傷時的波速為V_w1，巖體損傷較大失去承載能力時的波速為V_w2，則I_D＝(V_w-V_w2)/(V_w1-V_w2)。

優(yōu)選的：步驟3中巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)I_D的取值范圍為0≤I_D≤1.I_D可定量刻畫巖體的損傷狀態(tài)。當(dāng)I_D＝1，巖體無損傷。I_D越接近零，巖體的損傷越嚴(yán)重。

優(yōu)選的：所述多參數(shù)輸入單參數(shù)輸出模型為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型或類似的多參數(shù)輸入單參數(shù)輸出的支持向量機(jī)模型等。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：

(1)以量綱分析理論為基礎(chǔ)，綜合考慮了各個鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)，結(jié)果更為科學(xué)可靠。

(2)本發(fā)明的實施過程只需要動態(tài)監(jiān)測鉆機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，不改變原有的打鉆進(jìn)程，打鉆結(jié)束后即可獲得沿整個鉆孔的巖體損傷狀態(tài)分布規(guī)律，不需要額外的測試，便于現(xiàn)場實施。

(3)本發(fā)明方案思路清晰，分析操作簡便，對技術(shù)人員的要求低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中確定巖體損傷狀態(tài)的流程圖。

圖2是本發(fā)明中實例一中的旋轉(zhuǎn)壓力P1和給進(jìn)壓力P2圖。

圖3是本發(fā)明中實例一中的鉆進(jìn)速率v圖。

圖4是本發(fā)明中實例一中的無量綱參數(shù)π1與π2圖。

圖5是本發(fā)明中實例一中的巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)I_D圖。

圖6是本發(fā)明中實例二圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

一種利用鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)原位實時確定巖體損傷狀態(tài)的方法，包括以下步驟：

第一步，獲取鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)，方法是：將壓力變送器串聯(lián)入液壓鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的輸入油路，實時測量鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)壓力。將壓力變送器串聯(lián)入液壓鉆機(jī)的給進(jìn)油缸的輸入油路，實時測量鉆機(jī)的給進(jìn)壓力。利用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測試鉆桿的旋轉(zhuǎn)速率。利用拉線位移傳感器測試鉆桿的鉆進(jìn)速率。

第二步，然后利用上述參數(shù)計算兩個無量綱的指標(biāo)--壓力指標(biāo)π1與轉(zhuǎn)速指標(biāo)π2。

所述的兩個無量綱指標(biāo)的確定方法如下。鉆機(jī)的運(yùn)行參數(shù)主要有：旋轉(zhuǎn)壓力(P1，單位為MPa)、給進(jìn)壓力(P2，單位為MPa),鉆桿旋轉(zhuǎn)速率(ω，單位為1/s),鉆進(jìn)速率(v，單位為m/s),鉆孔直徑(d，單位為m)。根據(jù)量綱分析理論，上述參數(shù)可組成兩個無量綱參數(shù)(π1和π2)，分別為：

π1＝P1/P2

π2＝(d×ω)/v

當(dāng)巖體的強(qiáng)度越高(損傷越小)，則鉆孔過程中破巖就需要更大的旋轉(zhuǎn)壓力，同時鉆進(jìn)的速率也會降低，因此此時π1和π2都比較高。反之，當(dāng)巖體的強(qiáng)度較低(損傷較大)時，π1和π2都會降低。實際應(yīng)用中，將π1和π2利用其最大值進(jìn)行歸一化處理。

第三步，利用鉆孔攝像或鉆孔聲波測試方法測試數(shù)個鉆孔，獲得這些鉆孔不同深度處的巖體損傷狀態(tài)，并利用巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)進(jìn)行定量評價。

所述的巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)定義如下：設(shè)用I_D表示巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)，I_D的取值范圍為0≤I_D≤1.I_D可定量刻畫巖體的損傷狀態(tài)。當(dāng)I_D＝1，巖體無損傷。I_D越接近零，巖體的損傷越嚴(yán)重。

所述的利用鉆孔攝像或鉆孔聲波測試確定巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)I_D的方法是：利用鉆孔攝像確定時，以孔壁可見裂紋數(shù)目n作為巖體損傷評價參數(shù)，設(shè)巖體沒有損傷時的裂紋數(shù)為n1，巖體損傷較大失去承載能力時的裂紋數(shù)為n2，則I_D＝(n2-n)/(n2-n1)；利用鉆孔聲波測試確定時，以巖體中的波速V_w作為巖體損傷評價參數(shù)，設(shè)巖體沒有損傷時的波速為V_w1，巖體損傷較大失去承載能力時的波速為V_w2，則I_D＝(V_w-V_w2)/(V_w1-V_w2)。

第四步，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，根據(jù)第三步中數(shù)個測試鉆孔的數(shù)據(jù)，建立兩個無量綱參數(shù)與巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)間的關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為多參數(shù)輸入，單參數(shù)輸出的數(shù)學(xué)方法，采用其他相似數(shù)學(xué)方法也可以實現(xiàn)本發(fā)明的目的。

I_D與無量綱參數(shù)π1和π2有關(guān)，可用函數(shù)表示為：

I_D＝f(π1，π2)

式中，f為函數(shù)，由于巖體損傷破壞過程的復(fù)雜性，目前尚無理論能確定f的函數(shù)形式，需要通過現(xiàn)場試驗確定。本發(fā)明中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合現(xiàn)場試驗來確定I_D和π1與π2的關(guān)系。

所述的利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立I_D和π1與π2關(guān)系的具體方法如下：在數(shù)個測試鉆孔中，(1)利用監(jiān)測的鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)，計算鉆孔每個深度對應(yīng)的無量綱參數(shù)π1和π2。(2)利用鉆孔攝像或鉆孔聲波測試方法測試該鉆孔，根據(jù)鉆孔孔壁的圖像信息或鉆孔不同深度的波速數(shù)據(jù)，確定巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)I_D；(3)以無量綱參數(shù)π1和π2為輸入，以巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)I_D為輸出，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實際工程中，樣本越多，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果越準(zhǔn)確。

第五步，基于上述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在鉆機(jī)的鉆進(jìn)過程中實時確定沿孔的巖體損傷狀態(tài)。

所述的在鉆機(jī)的鉆進(jìn)過程中實時確定沿孔的巖體損傷狀態(tài)的方法是：根據(jù)鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)，計算無量綱參數(shù)π1和π2，并將其值輸入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即可輸出巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)I_D，從而可評價巖體的損傷狀態(tài)。

本發(fā)明的工作原理是：鉆機(jī)的運(yùn)行參數(shù)與巖體狀態(tài)密切相關(guān)，當(dāng)巖體沒有損傷時，巖體較難鉆進(jìn)，鉆進(jìn)速率會比較低，同時破巖需要的旋轉(zhuǎn)壓力也較大，而巖體損傷較大時，鉆進(jìn)速率會提高，同時需要的旋轉(zhuǎn)壓力會有所降低。但是，只根據(jù)鉆機(jī)的某一個參數(shù)無法確定巖體的狀態(tài)，例如，當(dāng)巖體的損傷狀態(tài)一定時，可以通過人為提高旋轉(zhuǎn)壓力和給進(jìn)壓力，來提高鉆進(jìn)速率。為此，根據(jù)量綱分析理論，基于鉆機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，提出了兩個無量綱參數(shù)(π1和π2)。巖體的損傷狀態(tài)評價指標(biāo)I_D與無量綱參數(shù)π1和π2有關(guān)，其間的關(guān)系基于現(xiàn)場試驗通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練好以后，現(xiàn)場鉆進(jìn)時，可以利用無量綱參數(shù)π1和π2實時計算I_D，從而實現(xiàn)原位實時確定巖體損傷狀態(tài)的目標(biāo)。因此本發(fā)明的整個實施過程可由程序控制完成，不需要人工干預(yù)，更易實施。同時，本發(fā)明是在鉆孔的過程中，實時確定巖體的損傷狀態(tài)，獲取結(jié)果更便捷。

實例1

該巖體損傷狀態(tài)確定方法：如圖1所示，有兩個步驟。第一步訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具體為：在數(shù)個測試孔內(nèi)進(jìn)行，首先獲取鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)(旋轉(zhuǎn)壓力P1，給進(jìn)壓力P2，鉆桿旋轉(zhuǎn)速率ω,鉆進(jìn)速率v)，然后計算歸一化的無量綱參數(shù)π1與π2。同時利用鉆孔攝像或鉆孔聲波測試方法測試這些鉆孔，獲得這些鉆孔不同深度處的巖體損傷狀態(tài)，確定不同位置的巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)I_D。最后，利用π1與π2作為輸入，I_D作為輸出，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

第二步實時確定巖體損傷，具體為：鉆孔過程中，實時監(jiān)測鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)(旋轉(zhuǎn)壓力P1，給進(jìn)壓力P2，鉆桿旋轉(zhuǎn)速率ω,鉆進(jìn)速率v)，并計算歸一化的無量綱參數(shù)π1與π2，然后利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)I_D，從而實現(xiàn)原位實時確定巖體損傷狀態(tài)。

本實例在無損傷的巖體中進(jìn)行，鉆孔深度為1.6m.將壓力變送器串聯(lián)入液壓鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的輸入油路，實時測量鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)壓力P1(圖2)。將壓力變送器串聯(lián)入液壓鉆機(jī)的給進(jìn)油缸的輸入油路，實時測量鉆機(jī)的給進(jìn)壓力P2(圖3)。利用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測試鉆桿的旋轉(zhuǎn)速率ω。利用拉線位移傳感器測試鉆桿的鉆進(jìn)速率v(圖4)。鉆孔直徑d為50mm。根據(jù)以上參數(shù)可以計算歸一化的無量綱參數(shù)π1與π2(圖4)，然后利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)I_D(圖5)。從圖2～圖5可以看出，僅僅利用鉆機(jī)的某個參數(shù)無法準(zhǔn)確確定巖體的損傷狀態(tài)，而利用指標(biāo)I_D可準(zhǔn)確反映鉆孔范圍內(nèi)巖體無損傷的狀態(tài)。

實例2

本實例與實例1的不同之處在于：本實例在巷道圍巖中進(jìn)行，越靠近圍巖表面，巖體的損傷程度越高。相同于實施例一的步驟，確定了巷道圍巖5m范圍內(nèi)的巖體損傷狀態(tài)指標(biāo)I_D，通過該指標(biāo)，可以明顯看出巷道圍巖3m以內(nèi)的巖體損傷較大，而3m以外巖體的損傷較小。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。