一种岩石动力学参数原位获取方法与流程

1.本发明属于矿山爆破技术领域，具体涉及一种岩石动力学参数原位获取方法。


背景技术：

2.常规的爆破作业中，通过取芯的方法获取岩体样本，在实验室中对岩体样本进行力学性能测试，获得岩石力学参数，这种方式在工程运用中，步骤复杂，精确性和实时性较低，并且时间成本投入过大。目前爆破岩石动力学参数自动识别方法有基于聚类分析和人工智能的方法，这两种方法都是基于样本数据库，通过构建自变量和因变量的函数关系，确定岩石动力学参数。这就涉及到基于样本数据库预测到的岩石动力学参数的准确性问题，岩石动力学参数是岩石内在物理力学特征，在动力学过程中表现出的特定属性，可以把岩体样本取样后带入实验室进行检测，进行力学测试后进行力学参数准确性验证，这个过程破坏了工区岩体连续性，且费时费力费事。并且随着精细爆破理念和电子雷管的发展，对爆破的设计和爆破全程精细控制要求越来越高，矿山岩石动力学参数是精细爆破设计的基础，跟随钻机钻孔过程中实时获取钻机参数以识别岩性，并对岩性数据分析进而反馈钻机，以优化钻机参数，以此循环，获取-计算-反馈-调整-获取，使爆破更加合理与经济。5g信息技术和随钻传感器的发展，让露天矿山爆破钻孔作业过程中，实时获取钻机数据成为现实。如何在钻机钻孔过程中实时获得岩石动力学参数并能够进行快速岩石动力学参数准确性验证，对爆破质量控制和爆破经济性具有重要意义。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术存在的步骤复杂，精确性和实时性较低，时间成本投入过大以及工区岩体连续性被破坏的问题，本发明目的在于提供一种岩石动力学参数原位获取方法。
4.本发明所采用的技术方案为：
5.一种岩石动力学参数原位获取方法，包括如下步骤：
6.根据钻机参数划分爆破工区内岩石分层的层位，并获取各层位的岩石物理力学参数；
7.在爆破工区内进行微测井试验，得到各层位的各第一监测点的微测井试验数据；
8.根据各层位的岩石物理力学参数和微测井试验数据，得到各层位的弹塑性参数；
9.在爆破工区内进行试炮激发试验，动态设置第二监测点并记录对应的监测振动数据；
10.根据试炮激发试验的爆源参数、第二监测点的位置数据、岩石分层的层位以及各层位的弹塑性参数，建立初始的有限元模型；
11.使用初始的有限元模型获取各第二监测点的计算振动数据，将计算振动数据与对应的监测振动数据进行对比分析，根据对比分析结果优化初始的有限元模型，得到最优的有限元模型；
12.基于最优的有限元模型获取各层位的岩石动力学参数。
13.进一步地，根据钻机参数划分爆破工区内岩石分层的层位，并获取各层位的岩石物理力学参数，包括如下步骤：
14.获取钻头在不同深度处的钻机参数；
15.根据获取的钻机参数划分爆破工区内岩石分层的层位；
16.根据钻机参数计算各层位的岩石物理力学参数。
17.进一步地，钻机参数包括钻头的转速、钻进速度、回转压差、风压、端阻以及摩阻比。
18.进一步地，岩石物理力学参数包括岩石的密度、剪切模量以及屈服强度。
19.进一步地，得到各层位的各第一监测点的微测井试验数据，包括如下步骤：
20.根据微测井试验要求，在不同深度的微测井中设置雷管；
21.在微测井周围设置若干监测点；
22.依次激发雷管，并记录各第一监测点的微测井试验数据。
23.进一步地，得到各层位的弹塑性参数，包括如下步骤：
24.根据各第一监测点的微测井试验数据获取对应的地震波经过时间数据，并根据地震波经过时间数据获取地震波在各层位的传播波速；
25.根据地震波在各层位的传播波速优化爆破工区内岩石分层的层位，得到岩石分层的优化后层位；
26.根据各优化后层位的岩石物理力学参数和对应的微测井试验数据，获取各优化后层位的弹塑性参数。
27.进一步地，弹塑性参数包括衰减系数和弹性模量。
28.进一步地，动态设置第二监测点并记录对应的监测振动数据，包括如下步骤：
29.保持药量不变，在各优化后层位进行试炮激发试验，记录各第二监测点的第一试炮激发数据；
30.保持优化后层位不变，使用不同药量进行试炮激发试验，记录各第二监测点的第二试炮激发数据；
31.根据第一、二试炮激发数据以及岩石分层的优化后层位，动态设置第二监测点并记录对应的监测振动数据。
32.进一步地，建立初始的有限元模型，包括如下步骤：
33.根据岩石分层的优化后层位，建立岩石力学计算模型；
34.基于岩石力学计算模型，将各优化后层位的弹塑性参数作为介质力学参数，并根据试炮激发试验的爆源参数和各第二监测点的位置数据，建立初始的有限元模型。
35.进一步地，得到最优的有限元模型，包括如下步骤：
36.使用初始的有限元模型获取当前第二监测点在当前优化后层位的计算振动数据，并将计算振动数据与对应的监测振动数据进行对比分析；
37.若对比分析结果为误差大于阈值，则调整当前优化后层位的弹塑性参数，重新获取该第二监测点的计算振动数据并重新进行对比分析，否则，更换至下一第二监测点进行对比分析；
38.若当前优化后层位的所有第二监测点均进行分析比较，则将当前优化后层位的弹
塑性参数作为下一优化后层位的介质力学参数，更换至下一优化后层位进行分析比较；
39.若所有优化后层位的所有第二监测点均进行分析比较，则得到最优的有限元模型。
40.本发明的有益效果为：
41.本发明提供一种不改变爆破工区现有岩层分布现状的岩石动力学参数原位获取方法，把钻孔作业中的钻机数据和岩层地震数据相结合的实时获取方法，简化了岩石动力学参数的获取步骤，提高了精确性和实时性，保证了工区岩体连续性，并且适用于无法使用实验室测试的情况，例如难以获得完整样本，凸显了原位获取岩石动力学参数的优越性。
42.本发明的其他有益效果将在具体实施方式中进一步进行说明。
附图说明
43.图1是本发明中岩石动力学参数原位获取方法的方法流程图。
具体实施方式
44.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
45.实施例1：
46.如图1所示，本实施例提供一种岩石动力学参数原位获取方法，包括如下步骤：
47.根据钻机参数划分爆破工区内岩石分层的层位，并获取各层位的岩石物理力学参数，包括如下步骤：
48.获取钻头在不同深度处的钻机参数，钻机参数包括钻头的转速、钻进速度、回转压差、风压、端阻以及摩阻比，本实施例中使用到了钻进速度、回转速度、回转压差、加压压力以及风压压力；
49.根据获取的钻机参数划分爆破工区内30米深岩层的岩石分层的层位；
50.使用多元回归方法划分岩石分层的层位，其划分公式为：
51.c＝-3.2v
1-0.72v2+0.12p1+37.56p2+500p3+6.257
52.式中，c为岩石强度普氏系数；v1为钻进速度，单位为m/s；v2为回转速度，单位为r/s；p1为回转压差，单位为kpa；p2为加压压力，单位为kpa；p3为风压压力，单位为kpa；
53.根据钻机参数回归得到的岩石分层的层位，一般使用普氏强度系数表征岩层分布，比如煤层岩石的普氏系数一般在2到5之间，砂岩一般在4到10之间，根据普氏系数差异将岩石分为3层；
54.根据钻机参数计算各层位的岩石物理力学参数，岩石物理力学参数包括岩石的密度、剪切模量以及屈服强度；
55.在爆破工区内进行微测井试验，得到各层位的各第一监测点的微测井试验数据，包括如下步骤：
56.根据微测井试验要求，将微测井从深到浅等分为三个区，从深到浅设置不同的雷管间隔，深区雷管间隔为2米，中区雷管间隔为1米，浅区雷管间隔为0.5米；
57.在微测井周围设置十字形分布的第一监测点，单边设置10个传感器，传感器设置间隔是5米，传感器用于记录振动数据和地震波经过时间；
58.从下到上依次激发雷管，并记录各第一监测点的微测井试验数据；
59.根据各层位的岩石物理力学参数和微测井试验数据，得到各层位的弹塑性参数，包括如下步骤：
60.根据各第一监测点的微测井试验数据获取对应的地震波经过时间数据，并根据地震波经过时间数据获取第一监测点之间的地震波传播平均速度，即地震波在各层位的传播波速，公式为：
61.v＝l/τ
62.式中，v为两个第一监测点地震波传播平均速度；l为两个第一监测点之间的距离；τ为两个第一监测点的地震波经过时间间隔；
63.根据地震波在各层位的传播波速优化爆破工区内岩石分层的层位，得到岩石分层的优化后层位；
64.各岩石分层的层位高度的获取公式为：
[0065][0066]
式中，hi为第i个层位的高度；vi、v
i+1
为第i、i+1个层位的传播波速；τi为第i个层位的地震波经过时间间隔；
[0067]
根据各优化后层位的岩石物理力学参数和对应的微测井试验数据，获取各优化后层位的弹塑性参数，弹塑性参数包括衰减系数和弹性模量，弹性模量的计算公式为：
[0068][0069]
式中，θ为弹性模量；c为岩石强度普氏系数；ρ为岩石密度开方数；
[0070]
在爆破工区内进行试炮激发试验，动态设置第二监测点并记录对应的监测振动数据，包括如下步骤：
[0071]
保持药量为2kg的tnt炸药不变，在各优化后层位进行试炮激发试验，记录各第二监测点的第一试炮激发数据；
[0072]
保持优化后层位不变，使用依次为1kg、2kg、3kg的tnt炸药的不同药量进行试炮激发试验，记录各第二监测点的第二试炮激发数据；
[0073]
根据第一、二试炮激发数据以及岩石分层的优化后层位，动态设置第二监测点并记录对应的监测振动数据，第二监测点数量大于层位总数加2；
[0074]
根据试炮激发试验的爆源参数、第二监测点的位置数据、岩石分层的层位以及各层位的弹塑性参数，建立初始的有限元模型，包括如下步骤：
[0075]
根据岩石分层的优化后层位，建立岩石力学计算模型；
[0076]
基于岩石力学计算模型，将各优化后层位的弹塑性参数作为介质力学参数，并根据试炮激发试验的爆源参数和各第二监测点的位置数据，建立初始的有限元模型；
[0077]
使用初始的有限元模型获取各第二监测点的计算振动数据，将计算振动数据与对应的监测振动数据进行对比分析，根据对比分析结果优化初始的有限元模型，得到最优的有限元模型，包括如下步骤：
[0078]
使用初始的有限元模型获取当前第二监测点在当前优化后层位的计算振动数据，并将计算振动数据与对应的监测振动数据进行对比分析；
[0079]
若对比分析结果为误差大于阈值3％，则调整当前优化后层位的弹塑性参数，重新获取该第二监测点的计算振动数据并重新进行对比分析，否则，更换至下一第二监测点进
行对比分析；
[0080]
若当前优化后层位的所有第二监测点均进行分析比较，则将当前优化后层位的弹塑性参数作为下一优化后层位的介质力学参数，更换至下一优化后层位进行分析比较；
[0081]
若所有优化后层位的所有第二监测点均进行分析比较，则得到最优的有限元模型；
[0082]
基于最优的有限元模型获取各层位的岩石动力学参数。
[0083]
本发明提供一种不改变爆破工区现有岩层分布现状的岩石动力学参数原位获取方法，把钻孔作业中的钻机数据和岩层地震数据相结合的实时获取方法，简化了岩石动力学参数的获取步骤，提高了精确性和实时性，保证了工区岩体连续性，并且适用于无法使用实验室测试的情况，例如难以获得完整样本，凸显了原位获取岩石动力学参数的优越性。
[0084]
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。