一种煤矿井下定向钻进防串孔方法
【专利摘要】本发明涉及一种防串孔方法，属于地质勘探领域，具体涉及一种煤矿井下定向钻进防串孔技术。该方法首先规定零点钻孔，构建绝对坐标系包含同一工作面的所有钻孔，然后选择刚完成钻孔测点的倾角、方位角、工具面向角为输入参数，基于双目标孪生支持向量回归算法构建钻孔轨迹预测模型，预测下一个测点的三维空间绝对坐标，最后以预测点为目标点进行垂直X轴切片，计算所有切点到目标点之间的距离，根据距离值判断是否存在串孔危险。本发明操作简单、结果可靠，可实时指导现场钻进施工，具有工程使用价值。
【专利说明】
-种煤矿井下定向钻进防串孔方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种防串孔方法，属于地质勘探领域，具体设及一种煤矿井下定向钻 进防串孔技术。
【背景技术】
[0002] 煤矿安全生产对煤矿井下施工过程中的钻进效率、钻孔轨迹等提出越来越高的要 求。定向钻进技术具备钻进速度快、定向精度高、"一孔多分支"等优点，已成为高产高效煤 矿井下钻孔施工中有效的技术手段，广泛应用于煤矿瓦斯治理、地质勘探等领域。
[0003] 煤矿井下定向钻孔一般是参考施工目标和地层条件进行设计，最大程度的穿越煤 层，同时避开断层、權皱等地质复杂区域，达到最佳瓦斯抽采效果。然而定向钻孔在施工过 程中常常与设计轨迹有所差异。当一个工作面内出现多个钻孔时，可能会出现串孔。所谓串 孔，就是两个钻孔的主孔之间、分支孔之间或主孔与分支孔之间穿透，出现两孔交叉的问 题。串孔首先导致瓦斯抽采效果欠佳，其次两孔交叉时还有可能导致孔内巧塌，造成重大的 经济损失。
【发明内容】
[0004] 本发明主要是解决现有技术所存在的煤矿井下定向钻进的钻孔轨迹与设计轨迹 存在偏差所导致的串孔问题，提供了一种煤矿井下定向钻进防串孔方法。该方法能够防止 串孔，保证施工安全，避免孔内事故的发生。
[0005] 为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种煤矿井下定向钻进防串 孔方法，包括下述步骤：
[0006] 步骤1，规定零点钻孔，构建绝对坐标系包含同一工作面的所有钻孔；
[0007] 步骤2,选择刚完成钻孔测点的倾角、方位角、工具面向角为输入参数，基于双目标 李生支持向量回归算法构建钻孔轨迹预测模型，预测下一个测点的Ξ维空间绝对坐标；
[000引步骤3，W预测点为目标点进行垂直X轴切片，计算所有切点到目标点距离，根据距 离值判断是否存在串孔危险。
[0009] 优化的，上述的一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，所述步骤1具体为：
[0010] 规定工作面内第一个钻孔为零点钻孔，现慢当前钻孔孔口与零点钻孔孔口之间的 偏移量，基于W下公式得到测点的绝对Ξ维坐标K"、^ ;
[0014] 其中，Xi、Yi、Zi为i测点的相对孔口的立维空间坐标；ΑΧ、ΔΥ、ΑΖ为当前钻孔孔口 与零点钻孔孔口之间的偏移量。
[0015] 优化的，上述的一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，所述步骤2具体包括W下子步 骤：
[0016]步骤2.1，获取刚完成的η个钻孔的测点参数，η为自然数，n>5,每个测点均记录钻 孔倾角9i、方位角αi、工具面向角ωi，i = l,2，···，n，构造训练样本集A和B:
[0019]其中l<m《n的自然数。
[0020]步骤2.1，基于公式（1)-(2)的双目标李生支持向量回归算法构造一对李生的优化 问题进行求解：
[0023] 其中公式（1)的
是优化目标， 3.1：.8-(4*1+6131)>66广写1,写1>〇是优化条件，'?1表示公式（1)的支持向量机超平面的法向 量，bi是相应的偏移量，ει为公式(1)的不敏感因子，ξι是公式（1)的松弛向量，e为与A行数相 等的单位列向量，Cl是公式（1)的惩罚因子，公式(2)是与公式（1)相匹配的李生优化目标及 条件，其符号含义与公式(1)相同；
[0024] 步骤2.2,向公式（1)和(2)中引入拉格朗日算子丫 1、丫 2、&、&，将优化条件引入到 优化目标中，获得拉格朗日函数(3)和(4)
[0027]利用拉格朗日函数(3)和(4)在鞍点处求导为零，可对李生优化问题求解。输入测 试向量X=[0n-m+l…0η Qn-m+l…α。ωη-m+l…ω。]，利用公式(5)可预测下一个测点的倾 角0￡1和方位角《二1^
[002引
[0029] 其中Κ(Α，χ)表示核函数
[0030] 步骤2.3，将预测的倾角Cl和方位角议己1转化为空间立维绝对坐标：水平位移 义二1、左右位移1；二、上下位移Z二1。
[0034] 其中JT;;、r、马分别为η测点S维空间绝对坐标，ALn+i表示从η测点到n+lii 点的孔深增量，λ表示设计方位角。
[0035] 优化的，上述的一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，所述步骤3具体包括W下子步 骤：
[0036] 步骤3.1，W预测点(《二ι，?2ι，:为目标点，在水平位移《f+i处垂直X轴切片，W 该工作面内非当前钻孔的某钻孔为例，其切点绝对坐标为
[0040] 其中义；^為：1含义；+1;义；、^、瑪与男;吐、>7，,、馬1为端,邻近的两个 测点的绝对坐标；
[0041] 步骤3.2，计算切点与目标点之间的距离d:
[0042]
[0043] 优化的，上述的一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，切点与目标点的距离小于或 等于1.5m时存在串孔危险。
[0044] 因此，本发明具有如下优点：
[0045] 1、建立绝对坐标系包含所有钻孔，实时预测钻孔轨迹，垂直X轴进行切片，根据切 点与目标点之间的距离判断是否串孔。
[0046] 2、实现了防串孔的自动控制，并能实时预防，改变了过去利用人工经验避免串孔 的现状，降低了因人工失误导致的施工风险；
[0047] 3、操作简单、结果可靠，可实时指导现场钻进施工，具有工程使用价值。
【附图说明】
[0048] 图1为本发明的钻孔切片示意图。
[0049] 图2为本发明的双目标李生支持向量回归算法的示意图。
[0050] 图3为本发明实施例中切片正视图。
【具体实施方式】
[0051] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0052] 实施例：
[0053] 参照图1所示，Ξ维坐标轴0乂、0￥、02，^条曲线分别为1#孔、2#孔与3#孔，其中当前 施工钻孔为3#钻孔，选定3#钻孔预测点为目标点，进行处置X轴切片。
[0054] 参照图2所示，六角星为样本点，双目标李生支持向量回归算法构造两个不平行的 最优超平面fl(x)和f2(x)，用于尽可能适合所有样本，实现最优回归。
[0055] 参照图3所示，实屯、圆圆屯、为目标点，空屯、方块为1#孔切点，空屯、Ξ角为2#孔切点， Ξ个同屯、圆的半径分别为3111、6111、9111，表示刻度，图中直接标出目标点与各切点之间的距离， 单位m。
[0056] 本发明按W下步骤实施：
[0057] 1)规定零点钻孔，构建绝对坐标系包含同一工作面的所有钻孔；
[0058] 2)选择刚完成钻孔测点的倾角、方位角、工具面向角为输入参数，基于双目标李生 支持向量回归算法构建钻孔轨迹预测模型，预测下一个测点的Ξ维空间绝对坐标；
[0059] 3) W预测点为目标点进行垂直X轴切片，计算所有切点到目标点距离，根据距离值 判定是否存在串孔危险。
[0060] 规定零点钻孔，构建绝对坐标系包含同一工作面的所有钻孔，包括W下具体步骤：
[0061 ] 1)规定工作面内第一个钻孔为零点钻孔，测量当前钻孔孔口与零点钻孔孔口之间 的偏移量，当前钻孔Ξ维坐标加上偏移量转化为绝对Ξ维坐标义；、If和《：
[0065] 其中，Xi、Yi、Zi为i测点的相对孔口的立维空间坐标；ΔΧ、ΔΥ、AZ为当前钻孔孔口 与零点钻孔孔口之间的偏移量。
[0066] 选择刚完成钻孔测点的倾角、方位角、工具面向角为输入参数，基于双目标李生支 持向量回归算法构建钻孔轨迹预测模型，预测下一个测点的Ξ维空间绝对坐标，具体包括 W下步骤：
[0067] 1)利用刚完成η个钻孔测点，n>5的自然数，每个测点均记录钻孔倾角θι、方位角 曰i、工具面向角ωi，i = l，2，…，n，构造训练样本集A和B
[0070] 其中l<m《n的自然数。
[0071] 2)双目标李生支持向量回归算法如公式（1)和(2)所示，构造一对李生的优化问题 进行求解：
[0074] 其中公式(1)於
是优化目标，S. t. B-(Awi +ebi杉θε^ι，ξι>〇是优化条件。w读示公式（1)的支持向量机超平面的法向量，bi是相应 的偏移量。ει为公式（1)的不敏感因子，ξι是公式（1)的松弛向量，e为与A行数相等的单位列 向量。Cl是公式（1)的惩罚因子。公式(2)是与公式（1)相匹配的李生优化目标及条件，其符 号含义与公式(1)相同。
[0075] 为解决上述一对李生的优化问题，向公式（1)和（2)中引入拉格朗日算子丫 1、丫 2、 &、&，将优化条件引入到优化目标中，获得拉格朗日函数(3)和(4)
[0078]利用拉格朗日函数(3)和(4)在鞍点处求导为零，可对李生优化问题求解。输入测 试向量X=[0n-m+l…0。Qn-m+l…α。ωη-m+l…ω。]，利用公式(5)可预测下一个测点的倾 角;和方位角货fli
[0079]
[0080] 其中K(A，x)表示核函数。
[0081] 3)将预测的倾角和方位角cCi转化为空间Ξ维绝对坐标:水平位移义二1、左 右位移???、上下位移Z,f+1。
[0085] 其中；F、巧分别为η测点Ξ维空间绝对坐标。ALn+i表示从η测点到n+1测 点的孔深增量，λ表示设计方位角。
[0086] W预测点为目标点进行垂直X轴切片，计算所有孔的切点，后计算所有切点到目标 点距离，根据距离值判定是否存在串孔危险，具体包括W下步骤：
[0087] 1似预测点二，zf+i)为目标点，在水平位移《f+i处垂直X轴切片，W该工作 面内非当前钻孔的某钻孔为例，其切点绝对坐标为
[0091]其中义;'：^為：1：^义;4;方;、17、马与义;+1、17^1、马11为种+1邻近的两个 测点的绝对坐标。
[0092] 2)计算切点与目标点之间的距离d:
[0093]
[0094] 当d>l.5m表示安全，反之，存在串孔的危险。
[00M]下在给出本实施例的一个应用实例，具体如下：
[0096]某煤矿井下定向钻进施工钻场，施工Ξ个钻孔，设计孔深均为200ma#钻孔、2#钻 孔均已完成，1#孔总深度210m 总深度196m，3#钻孔施工至114m时，进行防串孔判断。首先 定义1#钻孔为零点钻孔，对2#钻孔、3#钻孔测点Ξ维坐标增加偏移量转化为绝对坐标。随 后，对3#钻孔进行轨迹预测，利用孔深60m~114m处10个测点的倾角目、方位角α、工具面向角 ω为输入参数，基于双目标李生支持向量回归算法进行预测，预测出3#钻孔孔深120m处的 测点绝对坐标为X =116.28m、Υ=15.05m、Z =-4.98m，w3#钻孔预测点为目标点，在116.28m 处进行垂直X轴切片，求得1#钻孔切点绝对坐标为X= 116.28m、Y= 12.19m、Z = 2.92m，2#钻 孔切点绝对坐标为X=116.28m、Y=16.92m、Z = -6.03m。切点正视图如图3所示。目标点与l# 钻孔切点距离为d = 8.402m，与2#钻孔切点距离为d = 2.145m。两个距离均大于1.5m，表示施 工安全，无串孔危险。
[0097]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可W对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1. 一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，其特征在于，包括下述步骤： 步骤1，规定零点钻孔，构建绝对坐标系包含同一工作面的所有钻孔； 步骤2,选择刚完成钻孔测点的倾角、方位角、工具面向角为输入参数，基于双目标李生 支持向量回归算法构建钻孔轨迹预测模型，预测下一个测点的Ξ维空间绝对坐标； 步骤3，W预测点为目标点进行垂直X轴切片，计算所有切点到目标点距离，根据距离值 判断是否存在串孔危险。2. 根据权利要求1所述的一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，其特征在于，所述步骤1 具体为： 规定工作面内第一个钻孔为零点钻孔，测量当前钻孔孔口与零点钻孔孔口之间的偏移 量，基于^下公式得到测点的绝对^维坐标^7、其中，Xi、Yi、Z功i测点的相对孔口的立维空间坐标；AX、ΔΥ、AZ为当前钻孔孔口与零 点钻孔孔口之间的偏移量。3. 根据权利要求1所述的一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，其特征在于，所述步骤2 具体包括W下子步骤： 步骤2.1，获取刚完成的η个钻孔的测点参数，η为自然数，n>5,每个测点均记录钻孔倾 角9i、方位角Qi、工具面向角c〇i，i = l ,2，···，n，构造训练样本集A和B:其中l<m《n的自然数。 步骤2.1，基于公式（1)-(2)的双目标李生支持向量回归算法构造一对李生的优化问题 进行求解：其中公式（1)的是优化目标，s.t.B- (Awi+ebi杉θε^ι,ξι^Ο是优化条件，W读示公式（1)的支持向量机超平面的法向量，bi是 相应的偏移量，ει为公式（1)的不敏感因子，ξι是公式（1)的松弛向量，e为与A行数相等的单 位列向量，Cl是公式（1)的惩罚因子，公式（2)是与公式（1)相匹配的李生优化目标及条件， 其符号含义与公式(1)相同； 步骤2.2,向公式（1)和(2)中引入拉格朗日算子丫 1、丫 2、βι、β2,将优化条件引入到优化 目标中，获得拉格朗日函数(3)和(4)利用拉格朗日函数(3)和(4)在鞍点处求导为零，可对李生优化问题求解。输入测试向 里X二[目n-m+l…目η Qn-m+l…Qn W n-m+1…W η],利用公式（5 )可预测下 测点的倾角 和方位角其中K(A，x)表示核函数 ~" 步骤2.3，将预测的倾角0f+i和方位角转化为空间立维绝对坐标:水平位移X二1、左 右位移、上下位移Zf+i。其中、野、Z,:分别为η测点Ξ维空间绝对坐标，ALn+i表示从η测点至lJn+1测点的 孔深增量，λ表示设计方位角。4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，其特征在于，所述步骤3 具体包括w下子步骤： 步骤3.1，W预测点(义；；；。为目标点，在水平位移Z,f+i处垂直X轴切片，W该工 作面内非当前钻孔的某钻孔为例，其切点绝对坐标为其中义；<《;：1^;^;。；乂7、}7、2;'与义;4、巧1、马4为式;,邻近的两个测 点的绝对坐标； 步骤3.2，计算切点与目标点之间的距离d:5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，其特征在于，切点与目标 点的距离小于或等于1.5m时存在串孔危险。
【文档编号】E21B7/04GK105971516SQ201610364641
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】马斌, 王力, 董洪波, 申中杰, 金新, 贾明群, 李 浩, 乔杰, 张阳阳, 徐保龙
【申请人】中煤科工集团西安研究院有限公司