一种基于随钻参数对冲击倾向性的反演方法

本发明涉及矿业安全工程领域，尤其涉及一种基于随钻参数对冲击倾向性的反演方法。

背景技术：

1、进入21世纪，随着科技的进步和生活水平的提高，人们对于矿产尤其是煤炭资源的需求也越来越迫切。在煤炭的开采过程中冲击地压是深井矿山面临的主要安全隐患之一。冲击倾向性是指煤岩体是否能够发生冲击地压的属性，是评价煤矿冲击地压发生危险的重要依据。可通过实验室测试鉴定。

2、目前对煤层以及顶底板进行冲击倾向性鉴定时，需要从先井下获取煤岩试样，然后运送到实验室中进行单轴试验，获取冲击倾向性评价参数，然后依据gb/t 25217《冲击地压测定、监测与防治办法》中记载的评价标准进行冲击倾向性判断。这种方法存在以下问题：

3、(1)但是在试样运输过程中，易遇到路况不好、保存不当等问题，使得试验结果出现误差。

4、(2)煤体或岩体试样在做冲击倾向性鉴定时处于单向受力状态，而在原岩中是三向应力状态，从三项受力原岩应力状态改变成单项受力状态，会对冲击倾向性的预测造成一定的影响。

5、(3)某些情况下需要在实验室制作试件，时间周期长，效率较低，并进一步加大对试样的损伤。

6、由于上述问题存在，使得目前对煤层以及顶底板冲击倾向性评价结果和现场实际情况存在一定的误差，无法准确制定支护方案，在掘进的过程中有遭受冲击地压的风险，容易造成现场人员伤亡与设备损失。

7、虽然国内外学者已对冲击倾向性做了大量的研究，但对于冲击倾向性与随钻参数的关系研究较少，因此，如何获得更加准确的煤层及顶底板岩石力学参数，提高煤矿冲击倾向性判别准确性，具有较大的现实意义。随钻测量技术是钻机在钻进的同时连续不断地检测有关钻孔或钻头信息的技术。依托随钻测量技术参数，可获取冲击倾向性相关参数，获得结果更加符合现场工程实际，因此，建立一种基于随钻参数对冲击倾向性的反演方法是必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种基于随钻参数对冲击倾向性的反演方法，该方法适用于各种不同类型的巷道，可以在巷道掘进的过程中通过参数反演得出煤层及顶底板的冲击倾向性。可根据煤层及顶底板反演结果来调整现场的施工及支护方案。

2、为了达成上述目的，本发明一种基于随钻参数对冲击倾向性的反演方法大致为：获取煤层或顶底板试样，并将试样分为两组，一组进行大尺度真三轴实验，在实验过程中测得随钻参数，随钻参数包括扭矩m和推进力f；一组做成标准件通过室内实验来确定煤层冲击倾向性相关参数或顶底板参数，煤层冲击击倾向性相关参数包括单轴抗压强度rc，动态破坏时间dt，冲击能量指数ke，弹性能量指数wet；顶底板参数包括单轴抗拉强度rt，弹性模量et；然后一一建立随钻参数与各项冲击倾向性参数/顶底板参数的关系式，通过反演，得到各关系式中的反演系数，也就是说，在试件的三项受力应力状态获得的参数与单项受力状态获得的参数之间建立一种关系；当需要判断现场工程的煤岩冲击倾向性时，只需在煤层开采或巷道掘进过程中采集随钻参数，然后利用关系式获得现场工程的煤岩冲击倾向性相关参数，根据获得的现场工程的煤岩冲击倾向性相关参数值对冲击倾向性进行判定，判定依据为gb/t 25217《冲击地压测定、监测与防治办法》。

3、具体的，本发明基于随钻参数对冲击倾向性的反演方法具体步骤如下：

4、步骤1：现场获取煤样或顶底板岩样，并分成两组，一组作为反演试样，一组用于制作标准试件；

5、步骤2：将反演试样进行大尺度真三轴实验，获得多组随钻参数，包括扭矩m和推进力f；

6、步骤3：将用于标准实验的试样制作成标准试件进行实验，当试样为煤样时，通过实验需要获得四个冲击倾向性相关参数，分别为：单轴抗压强度rc，动态破坏时间dt，冲击能量指数ke，弹性能量指数wet；当试样为顶底板岩样时，通过实验获得单轴抗拉强度rt和弹性模量et两个顶底板参数，通过这两个顶底板参数计算得到复合顶板弯曲能量指数uwqs，复合顶板弯曲能量指数uwqs作为判定顶底板岩样冲击倾向性相关参数；

7、步骤4：分别建立煤样冲击倾向性相关参数/与随钻参数的关系式以及关系式中反演系数的矩阵表达式，以及建立岩样的顶底板参数与随钻参数的关系式以及关系式中反演系数的矩阵表达式，具体包括：

8、(1)建立单轴抗压强度rc与随钻参数的关系式z1以及z1的反演系数的矩阵表达式；

9、(2)建立动态破坏时间dt与随钻参数的关系式z2以及z2的反演系数的矩阵表达式；

10、(3)建立冲击能量指数ke与随钻参数的关系式z3以及z3的反演系数的矩阵表达式；

11、(4)建立弹性模量et与随钻参数的关系式z4以及z4的反演系数的矩阵表达式；

12、(5)建立弹性能量指数wet与随钻参数的关系式z5以及z5的反演系数的矩阵表达式；

13、(6)建立单轴抗拉强度rt与随钻参数的关系式z6以及z6的反演系数的矩阵表达式；

14、步骤5：利用步骤2的随钻参数、步骤3的煤样冲击倾向性相关参数和岩样顶底板参数对步骤4建立的各个反演系数矩阵模型进行训练，从而得到各个关系式中的反演系数，进而得到试样随钻参数与煤样冲击倾向性相关参数/岩样顶底板参数的准确关系式；

15、步骤6：在实际工程中，只需将现场所获得的煤层或者顶底板岩石的随钻参数带入步骤5得到的准确关系中，以获得现场煤层冲击倾向性相关参数或顶底板参数；当针对的是顶底板岩石时，需要进一步通过步骤5所获得的顶底板参数计算复合顶板弯曲能量指数uwqs，从而得到判定顶底板岩石冲击倾向性相关参数-复合顶板弯曲能量指数uwqs；

16、步骤7：依据步骤6得到的煤层或者顶底板岩石冲击倾向性相关参数值的大小对煤层或者顶底板岩石的冲击倾向性进行判定，判定依据为gb/t 25217《冲击地压测定、监测与防治办法》。

17、进一步地，步骤4中建立的单轴抗压强度rc与随钻参数的关系式z1以及z1的反演系数的矩阵表达式分别为：

18、

19、

20、ˉˉ

21、其中：α0、α1、α2都为回归系数，e为误差项；m和f分别为回归自变量m和f的n次观察平均值；s1和s2分别为扭矩m和推进力f的标准差；

22、进一步地，步骤4中建立的动态破坏时间dt与随钻参数的关系式z2以及z2的反演系数的矩阵表达式分别如下：

23、

24、

25、其中β0、β1、β2都为回归系数，f为误差项；和分别为回归自变量m和f的n次观察平均值；s1和s2分别为扭矩m和推进力f的标准差。

26、进一步地，步骤4中建立的冲击能量指数ke与随钻参数的关系式z3以及z3的反演系数的矩阵表达式分别如下：

27、

28、

29、其中γ0、γ1、γ2都为回归系数，g为误差项；和分别为回归自变量m和f的n次观察平均值；s1和s2分别为扭矩m和推进力f的标准差。

30、进一步地，步骤4中建立的弹性模量et与随钻参数的关系式z4以及z4的反演系数的矩阵表达式分别如下：

31、

32、

33、其中δ0、δ1、δ2都为回归系数，h为误差项；和分别为回归自变量m和f的n次观察平均值；s1和s2分别为扭矩m和推进力f的标准差。

34、进一步地，步骤4中建立的弹性能量指数wet与随钻参数的关系式z5以及z5的反演系数的矩阵表达式分别如下：

35、

36、

37、其中ε0、ε1、ε2都为回归系数，i为误差项；和分别为回归自变量m和f的n次观察平均值；s1和s2分别为扭矩m和推进力f的标准差。

38、进一步地，步骤4中建立的单轴抗拉强度rt与随钻参数的关系式z6以及z6的反演系数的矩阵表达式分别如下：

39、

40、

41、其中ζ0、ζ1、ζ2都为回归系数，j为误差项；和分别为回归自变量m和f的n次观察平均值；s1和s2分别为扭矩m和推进力f的标准差。

42、与现有技术相比，本方法具有如下优点或有益效果：

43、(1)本发明提供了一种基于随钻参数对冲击倾向性的反演方法，此方法可以直接从随钻参数中反演煤层及顶底板的冲击倾向性，避免了以往样品在运往实验室过程中由于路况保存不当等因素对冲击倾向性造成的影响，减少了室内试验带来的误差。

44、(2)本发明只需要根据随钻参数来获取冲击倾向性，不需要进行多种试验，方法简单，提高了工程效率。

45、(3)本发明的随钻参数是通过真三轴实验获取，实验过程中能使试样处于三项受力状态，提高了冲击倾向性反演的精度。

46、(4)本发明在巷道掘进过程中即可反演冲击倾向性，反演时间早，速度快，尽早发现问题、解决问题，能为巷道支护设计提供一定的参考和依据。

47、总之，本发明利用现场的随钻参数直接反推出评价煤层及顶底板冲击倾向性的参数，反演过程不受环境影响，反推结果反映了煤体或岩体试样在原岩中的真实应力状态，根据反演结果可知现场实际工况，为支护和掘进方案提供可靠的依据。在类似地质条件下同一类型试样，反演一次可以通用，评判效率高。