煤岩微芯数字智能精细探测预报系统、方法及装置与流程

【
技术领域：
】本发明涉及矿山工程
技术领域：
，尤其涉及煤岩微芯数字智能精细探测预报系统、方法及装置。
背景技术：
：目前，传统的煤矿工程、隧道工程、岩土工程等冲击地压、岩爆、塌陷风险测试预报技术均采用现场取芯、实验室测试、标准计算后给出对应的等级，然后再根据现场状况给出预报结果，耗费时间长、耗资严重、人力物力投入多，且时间滞后、结果偏离较大。无法满足现代化开挖开采安全预报工作需要，更无法对现场事件作出快速、准确应急处置对策。因此，有必要研究煤岩微芯数字智能精细探测预报系统、方法及装置来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供了煤岩微芯数字智能精细探测预报系统、方法及装置，将多要素探测原理、强度计算方法、预报预警标准编制成计算程序语言，汇集成智能分析系统，并将智能分析系统配置于煤岩微芯钻取装置，形成煤岩微芯数字智能探测预报系统和装置。该系统和装置操作简单、运输方便，占用空间小，适用于煤矿井巷、隧道围岩开挖开采过程中风险探测预报，精度高、预报结果准确。一方面，本发明提供一种煤岩微芯数字智能探测预报系统，所述探测预报系统包括：数据采集单元，用于钻取煤岩中的煤岩特征触感参数；数据标定单元，用于将煤岩特征触感参数量化标定为煤岩力学强度指标；分级处理单元，用于对煤岩力学强度指标进行分级计算处理，并给出分级标准；预警分析单元，用于根据分级标准对分级处理后的数据进行分析校对和警报处理。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述煤岩特征触感参数包括颗粒粒径、孔隙率、含水量、裂隙构造、地应力、转矩、转速、钻进速率、钻进推力和液压功率。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述煤岩力学强度指标包括煤岩类型、主应力、切应力、岩石弹性能指数、动态破坏时间、冲击能指数、冲击能速度指数、冲击临界软化系数、冲击临界应力系数、抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、岩体完整性和硬度系数。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述分级处理单元中的分级标准包括围岩质量等级(rqd)分级标准、岩爆预测标准、冲击倾向性标准和冲击地压危险性标准。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述预警分析单元中的分析校对结果为对煤矿煤岩和隧道围岩的预报预警。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种煤岩微芯数字智能探测预报方法，所述方法包括以下步骤：s1：钻取煤岩中的煤岩特征触感参数；s2:利用触感参数进行煤岩类型、主应力、切应力、岩石弹性能指数、动态破坏时间、冲击能指数、冲击能速度指数、冲击临界软化系数、冲击临界应力系数、抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、岩体完整性、硬度系数量化标定；s3：根据量化标定结果给出触感参数与煤岩物理、力学定量计算方法；s4：建立围岩质量等级分级标准、岩爆预测标准及冲击倾向性标准和冲击地压危险性标准；s5：分别给出针对煤矿煤岩和隧道围岩的预报预警。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种煤岩微芯数字智能探测预报装置，所述煤岩微芯数字智能探测预报装置包括数据采集器、存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的煤岩微芯数字智能探测预报的处理程序，所述煤岩微芯数字智能探测预报的处理程序被所述处理器执行时实现如所述的煤岩微芯数字智能探测预报方法的步骤。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述数据采集器为煤岩微芯钻取装置，所述煤岩微芯钻取装置连接处理器。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有煤岩微芯数字智能探测预报的处理程序，所述煤岩微芯数字智能探测预报的处理程序被处理器执行时实现如所述的煤岩微芯数字智能探测预报方法的步骤。与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：本发明利用触感参数可计算出煤(岩)类型、主应力、切应力、岩石弹性能指数、动态破坏时间、冲击能指数、冲击能速度指数、冲击临界软化系数、冲击临界应力系数、抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、岩体完整性、硬度系数等定量数值；根据定量数值和围岩质量等级(rqd)分级标准、岩爆预测标准及冲击倾向性标准和冲击地压危险性标准，实时计算围岩质量等级(rqd)、岩爆等级及冲击倾向性和冲击地压危险性，及时进行预报预警，预报结果准确率达100％、预警时间比常规实验测试手段提前5倍以上。当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。【附图说明】为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1是本发明一个实施例提供的探测预报方法的流程图；图2是本发明一个实施例提供的探测预报系统的结构图。【具体实施方式】为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。本发明的目的是针对目前冲击地压、岩爆、塌陷风险未能实现快速、准确、智能预报的问题，提供煤岩微芯数字智能精细探测预报系统、方法及装置。如图2所示，本发明提供一种煤岩微芯数字智能探测预报系统，所述探测预报系统包括：数据采集单元，用于钻取煤岩中的煤岩特征触感参数；数据标定单元，用于将煤岩特征触感参数量化标定为煤岩力学强度指标；分级处理单元，用于对煤岩力学强度指标进行分级计算处理，并给出分级标准；预警分析单元，用于根据分级标准对分级处理后的数据进行分析校对和警报处理。所述煤岩特征触感参数包括颗粒粒径、孔隙率、含水量、裂隙构造、地应力、转矩、转速、钻进速率、钻进推力和液压功率。所述煤岩力学强度指标包括煤岩类型、主应力、切应力、岩石弹性能指数、动态破坏时间、冲击能指数、冲击能速度指数、冲击临界软化系数、冲击临界应力系数、抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、岩体完整性和硬度系数。所述分级处理单元中的分级标准包括围岩质量等级(rqd)分级标准、岩爆预测标准、冲击倾向性标准和冲击地压危险性标准。所述预警分析单元中的分析校对结果为对煤矿煤岩和隧道围岩的预报预警。如图1所示，本发明提供一种煤岩微芯数字智能探测预报方法，所述方法包括以下步骤：s1：钻取煤岩中的煤岩特征触感参数；s2:利用触感参数进行煤岩类型、主应力、切应力、岩石弹性能指数、动态破坏时间、冲击能指数、冲击能速度指数、冲击临界软化系数、冲击临界应力系数、抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、岩体完整性、硬度系数量化标定；s3：根据量化标定结果给出触感参数与煤岩物理、力学定量计算方法；s4：建立围岩质量等级分级标准、岩爆预测标准及冲击倾向性标准和冲击地压危险性标准；s5：分别给出针对煤矿煤岩和隧道围岩的预报预警。一种煤岩微芯数字智能探测预报装置，所述煤岩微芯数字智能探测预报装置包括数据采集器、存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的煤岩微芯数字智能探测预报的处理程序，所述煤岩微芯数字智能探测预报的处理程序被所述处理器执行时实现如煤岩微芯数字智能探测预报方法的步骤，所述数据采集器为煤岩微芯钻取装置，所述煤岩微芯钻取装置连接处理器。一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有煤岩微芯数字智能探测预报的处理程序，所述煤岩微芯数字智能探测预报的处理程序被处理器执行时实现如煤岩微芯数字智能探测预报方法的步骤。本发明中，煤岩微芯钻取装置钻进捡取煤(岩)特征触感参数(颗粒粒径、孔隙率、含水量、裂隙构造、地应力、转矩、转速、钻进速率、钻进推力、液压功率)，利用触感参数进行煤(岩)类型、主应力、切应力、岩石弹性能指数、动态破坏时间、冲击能指数、冲击能速度指数、冲击临界软化系数、冲击临界应力系数、抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、岩体完整性、硬度系数量化标定，给出触感参数与煤(岩)物理、力学定量计算方法，建立围岩质量等级(rqd)分级标准、岩爆预测标准及冲击倾向性标准和冲击地压危险性标准，分别给出针对煤矿煤岩、隧道围岩的预报预警标准，将多要素探测原理、强度计算方法、预报预警标准编制成计算程序语言，汇集成智能分析系统，并将智能分析系统配置于煤岩微芯钻取装置，形成煤岩微芯智能探测预报仪。该装置操作简单、运输方便，占用空间小，适用于煤矿井巷、隧道围岩开挖开采过程中风险探测预报，预报结果准确率达100％、预警时间比常规实验测试手段提前5倍以上。本发明中具体分级标准及参数转换标定方法如下：抗压强度、抗剪强度、抗拉强度和硬度系数由转矩、转速、钻进速率、钻进推力和液压功率转换标定而来，具体计算方法如下：螺旋钻杆靠近钻头处安装有刀片，钻头钻进需要总转矩为m＝m1+m2+m3，钻头转动时需要功率其中，m1为钻头工作转矩，m2为刀片工作转矩，m3为排送破碎岩土工作转矩；ω为转速；k为功率储备系数；η为钻机转动效率。根据各部分构件受力分解可知：m1＝f1x·d＝(q+ks)·d，m2＝f2x·d，m3＝f3x·d，f＝f1y+f2y+f3y(1)式中，f1,f2,f3在水平和竖直方向分力分别为f1x,f2x,f3x和f1y,f2y,f3y；f为钻杆上受的推力；d为钻头直径；d为钻杆直径；s为钻杆旋转一周的进尺；q和k是与煤岩强度相关的参数。通过以上整理可得：f＝f1y+f2y+f3y≈(f1x+f2x+f3x)·tgα(3)式中，α为锥形钻头夹角。由公式(2)和(3)可知，若随钻过程测得转矩、转速、钻进速率、钻进推力和液压功率的数据，可以得到煤岩强度相关的参数q和k值，即可确定煤岩强度范围，进而可得到煤岩的抗压强度、抗剪强度、抗拉强度和硬度系数。钻杆旋转钻进过程中，推扭传感器、转速传感器、电流计和激光测距仪测试信号通过数据线由数据采集仪采集并将信号放大后实时传输给微型计算机记录。微型计算机记录数据采集仪传输过来的各类传感器数据信号，将各类传感器数据信号经过已编制的处理程序转化为对应的转矩、转速、钻进速率、钻进推力和液压功率，再利用已编制测试参数与煤岩强度计算程序，使用测试数据计算得到煤岩强度数值，并显示钻杆进尺与推力、转矩、转速、消耗机械功关系曲线及与煤岩强度定量关系曲线，且自动绘制钻孔煤岩随深度变化强度柱状图。所述煤岩类型和岩体完整性的标定结果根据颗粒粒径、孔隙率、含水量和裂隙构造等物理参数推算获得。所述主应力和切应力由地应力在不同方向分解获得。所述岩石弹性能指数、动态破坏时间、冲击能指数、冲击能速度指数、冲击临界软化系数、冲击临界应力系数由对探测到的煤岩进行规范测试获得。本发明中，所述分级处理单元中的分级标准具体如下：1、冲击倾向性等级标准煤样动态破坏时间dt：煤层冲击地压是煤体突然失稳，瞬间释放大量弹性能的现象。因此，煤的破坏时间,即从强度极限到完全崩裂所经历的时间，也能反映煤层的冲击倾向性的强烈程度。因此,把煤样在常规三轴抗压试验条件下,从极限载荷到完全破坏所经历的时间长短,即煤样动态破坏时间dt(ms)作为确定煤层冲击倾向强弱的指标：dt<50.强烈冲击倾向:50≤dt≤500，中等冲击向；500<dt，无冲击倾向。能量指标pes：能量指标是波兰采矿研究总院提出的具体做法是.用试件进行单轴抗压及加载─卸载变形试验,按下式计算pes(kj/m3)值pes值表示了单位体积内岩石所储存的应变能,eu表示岩石试件的卸载模量，能量指标pes的分极标准为:pes<50，无冲击倾向性；50≤pes≤100，中等冲击倾向:100≤pes＜200，强冲击倾向，pes≥200,极强冲击倾向。弹性能量指标pes通常用来确定岩石(部分软岩除外)的冲击倾向性，而对于煤层,由于其单轴抗压强度ee比石(软岩除外)小,因而按式(4)确定的pes值根小,不适于按此分级标准来评判煤层的冲击倾向性。冲击危险性等级标准表1影响因素iiiiiiivσ1/rc<0.150.15～0.200.20～0.40＞0.40σθ/rc<0.200.20～0.300.30～0.55＞0.55rc/rt<1515～1818～22＞22wet<2.02.0～3.53.5～5.0＞5.0kv<0.550.55～0.600.60～0.80＞0.80表2其中，表1为煤层冲击危险性指标，表2为岩爆五因素综合判据和岩爆分级，σ1为围岩洞壁最大主应力，σθ为围岩洞壁最大切向应力，rc为岩石单轴抗压强度，rt为岩石单轴抗拉强度，wet为岩石弹性能指数，kv为岩体完整性系数。2、隧道围岩质量(rqd)分级标准测试原理：煤岩微芯钻进取出岩芯，利用>10cm的岩芯累积长度占钻深的百分比，获得岩石质量指标rockqualitydesignation(rqd)，根据rqd指标对岩体质量进行分级(岩体完整程度)。rqd主要反映岩石完整程度，即裂隙在该地段地层中的发育程度。按rqd值的高低，将岩石质量划分为五类，如表3所示：类别rqd(％)岩石质量1>90优2＝75～90良3＝50～75好4＝25～50差5<25很差表3技术指标：根据岩石新鲜完整、构造情况、节理裂隙发育、软弱结构面、断层带等方面判断其结构形态，并对不良体分布进行识别预报，结果如表4所示。表4岩体完整性：根据rqd指标和岩体结构形态分布情况，将岩体完整性分级，分级标准如表5所示：质量分级rqd指标/％结构形态类别良好90-100ⅰ类好75-90ⅱ类中等50-75ⅲ类差25-50ⅳ类极差5-25ⅴ类表5围岩稳定评价：从开挖围岩失稳力学条件和岩石自身结构完整性两个方面，开展开挖围岩稳定性评价，开挖围岩失稳力学要求为σ1≥0.15rc，完整性要求为岩石完整性系数rqd≤0.55，利用开挖围岩力学条件和完整性条件对围岩稳定状态进行分析，同时，采用岩层应力实时监测技术，对开挖围岩失稳灾害开展预测预警，开挖围岩失稳灾害分级阈值如表6。表6隧道围岩等级：根据岩石强度、工程地质特征、岩体结构形态、岩体完整性和围岩稳定性、rqd指标，将围岩划分为六个等级如表7所示：表7本发明利用触感参数可计算出煤(岩)类型、主应力、切应力、岩石弹性能指数、动态破坏时间、冲击能指数、冲击能速度指数、冲击临界软化系数、冲击临界应力系数、抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、岩体完整性、硬度系数等定量数值；根据定量数值和围岩质量等级(rqd)分级标准、岩爆预测标准及冲击倾向性标准和冲击地压危险性标准，实时计算围岩质量等级(rqd)、岩爆等级及冲击倾向性和冲击地压危险性，及时进行预报预警，预报结果准确率达100％、预警时间比常规实验测试手段提前5倍以上。本发明所述系统包括：煤岩微芯钻取装置、多要素探测原理、强度计算方法、预报预警标准和智能分析系统。煤岩微芯钻取装置钻进捡取煤(岩)特征触感参数(颗粒粒径、孔隙率、含水量、裂隙构造、地应力、转矩、转速、钻进速率、钻进推力、液压功率)，利用触感参数进行煤(岩)类型、主应力、切应力、岩石弹性能指数、动态破坏时间、冲击能指数、冲击能速度指数、冲击临界软化系数、冲击临界应力系数、抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、岩体完整性、硬度系数量化标定，给出触感参数与煤(岩)物理、力学定量计算方法，建立围岩质量等级(rqd)分级标准、岩爆预测标准及冲击倾向性标准和冲击地压危险性标准，分别给出针对煤矿煤岩、隧道围岩的预报预警标准，将多要素探测原理、强度计算方法、预报预警标准编制成计算程序语言，汇集成智能分析系统，并将智能分析系统配置于煤岩微芯钻取装置，形成煤岩微芯智能探测预报仪。该装置操作简单、运输方便，占用空间小，适用于煤矿井巷、隧道围岩开挖开采过程中风险探测预报，精度高、预报结果准确。本发明所述煤岩微芯数字智能探测预报系统在使用进行探测预报时，依次进行如下步骤：步骤1：对隧道的基本信息资料进行调查；步骤2：对隧道总体的风险进行等级划分；步骤3：进行超前预报和微钻精细预报；步骤4：对隧道围岩进行分级不良体预报；步骤5：根据实际围岩登记、风险登记和施工设计方案，选择监测项目；步骤6：长期监测数据，基于蒙特卡洛随机模拟思想，对隧道结构安全进行评价；步骤7：根据步骤6的评价结果，选择合理控制措施并优化施工设计方案；步骤8：合理地预警阈值，并将预警信息发送至移动端，例如手机，平板等。以上对本申请实施例所提供的煤岩微芯数字智能精细探测预报系统、方法及装置，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。当前第1页12