CN112145151A - 一种基于随钻响应参数的冲击危险性动态探测及评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于随钻响应参数的冲击危险性动态探测及评估方法，包括以下步骤：S1、采集随钻响应参数数据；S2、处理所述随钻响应参数数据，计算危险预测权重；S3、根据所述危险预测权重，计算冲击危险预警指标；S4、根据所述冲击危险预警指标值，获取钻进区域危险等级并实时预警；S5、根据所述S4中钻进区域危险等级，获取下一钻孔位置；S6、重复步骤S1‑S4进行下一钻孔探测。本发明实时采集钻机钻进过程中扭矩、推力、孔底压力、钻屑量、电磁辐射、波速等随钻信息并实时进行后处理，判断钻进区域冲击危险性，操作人员根据危险预警指示灯判断钻进区域冲击危险性，降低了高应力区现场施工所带来的风险。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采及煤矿安全技术领域，特别是涉及一种基于随钻响应参数的冲击危险性动态探测及评估方法。
背景技术
冲击地压作为煤矿生产过程中典型的动力灾害，严重威胁着煤矿的生命财产安全。目前我国已有冲击地压矿井200余座，几乎遍布各个产煤省份，尤其是山东、陕西及内蒙的部分矿区，受采深大、地质条件复杂等影响，冲击地压威胁日益严重。深部开采冲击地压具有发生频率高、突发性强的特点，因此开发冲击地压的快速探测及预测技术迫在眉睫。高应力集中作为冲击地压发生的必要条件，如何做到开采过程中高应力区的精准探测对冲击地压的预测及防治有重要意义。钻屑法起源于20世纪50年代中期，经过国内外诸多学者的研究与探索实践，目前已广泛应用于煤矿冲击地压危险局部点监测及卸压效果检验，并且其实施方式与预警指标的确立已有相关国家标准。其特点在于利用钻进过程中的出粉量及动力效应来确定应力集中状态，进而判断冲击危险性。该方法在广泛应用的同时，仍存在一些不足。
目前使用的钻屑法仅将钻屑量与动力效应作为冲击危险判别指标，所得信息由人工判断并抄送，具有较大的主观性及误差可能性；其次人工抄送的信息无法及时处理上传至主机，无法与微震、应力在线等其他预警信息整合处理，无法建立综合预警模型，与煤矿发展的信息化与智能化宗旨相悖；此外，钻屑法施工需同时操纵钻机、接续钻杆及记录信息，传统钻屑法施工至少由3人配合方可施工，加之施工区域往往无法确定其危险性，仅卸压效果检验就造成多起恶性伤人事件。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于随钻响应参数的冲击危险性动态探测及评估方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现了实时监测随钻响应参数，并且实现参数可量化，对冲击危险性进行动态探测及评估。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于随钻响应参数的冲击危险性动态探测及评估方法，包括以下步骤：
S1、采集随钻响应参数数据；
S2、处理所述随钻响应参数数据，计算危险预测权重；
S3、根据所述危险预测权重，计算冲击危险预警指标；
S4、根据所述冲击危险预警指标值，获取钻进区域危险等级并实时预警；
S5、根据所述S4中钻进区域危险等级，获取下一钻孔位置；
S6、重复步骤S1-S4进行下一钻孔探测。
优选的，所述随钻响应参数包括扭矩、推力、孔底压力、钻屑量、电磁辐射、波速。
优选的，所述S2包括以下子步骤：
S21、对所述随钻响应参数数据进行无量纲处理；
S22、对无量纲处理后的所述随钻响应参数进行权重确定；
S23、根据所述S22获得的随钻响应参数权重计算所述冲击危险预警指标。
优选的，所述无量纲处理计算方法为：
式中，xi表示随钻响应参数数据第i个无量纲处理前的数据值，yi表示无量纲处理后的数据，
表示处理前随钻响应参数数据的平均值，s表示处理前数据的方差。
优选的，所述S22计算随钻响应参数权重方法为：
S221、建立因素层、准则层、目标层，所述因素层包括所述随钻响应参数，所述准则层用于描述所述随钻响应参数的影响因素，所述目标层用于计算随钻响应参数预测效能的最终权重；
S222、建立所述准则层基于所述因素层的判断矩阵Aj，获取所述准则层基于所述因素层的权重向量；
S223、构建所述目标层基于准则层的判断矩阵B，获取目标层基于准则层的权重向量；
S224、根据所述步骤S222中的准则层基于所述因素层的权重向量和所述步骤S223中目标层基于准则层的权重向量计算所述目标层基于因素层的权重向量，即所述随钻响应参数预测效能的最终权重。
优选的，所述S4中设置阈值，将所述冲击危险预警指标值与所述阈值进行比较，划分危险等级。
优选的，实现该方法的系统包括：钻机、钻杆、钻头、四通、汽水渣分离箱、灾变信息测量舱体、液压钻机操作台、井下信息采集与转换中心、地面数据中心、若干传感器，所述钻杆一端与钻机连接，所述钻杆另一端穿过四通与灾变信息测量舱体一端连接，所述灾变信息测量舱体另一端与钻头连接，所述钻机和汽水渣分离箱通过所述四通连接，所述液压钻机操作台分别与钻机和井下信息采集与转换中心连接，所述井下信息采集与转换中心与地面数据中心连接。
优选的，所述传感器包括扭矩、推力传感器、压力传感器、电磁辐射传感器、拾震器、称重传感器，所述扭矩、推力传感器装配在所述钻机的液压系统，用于实时监测钻进过程中钻机的扭矩及推力变化；所述压力传感器、电磁辐射传感器安装在所述灾变信息测量舱体上，用于实时监测钻进过程中孔底压力及采集电磁辐射波形；所述拾震器和自震震源组装在灾变信息测量舱体的两侧，所述自震震源用于停钻接续钻杆时产生震动，所述拾震器用于接收震动信号；所述称重传感器安装在所述汽水渣分离箱的箱底，用于称量钻进区域粉渣重量。
本发明公开了以下技术效果：对煤矿液压钻机进行改造，实时采集钻机钻进过程中扭矩、推力、孔底压力、钻屑量、电磁辐射、波速等随钻信息并实时进行后处理，进一步判断钻进区域冲击危险性。通过该方法有效减少钻屑法施工人数，降低冲击危险区域人员密集程度；通过实施该方法钻屑法施工时人员远离钻孔区域，操作人员根据危险预警指示灯判断钻进区域冲击危险性，降低了高应力区现场施工所带来的风险；通过实施该方法所有随钻信息可实时采集并传送至地面数据中心，与应力在线、微震等冲击危险监测信息综合分析，分析区域致灾因素，为类似条件下冲击危险预警及防治提供依据。
实施该方法后，施工人员远离冲击危险区域，有效降低危险可能性，保证人员安全；采用传感器采集岩体破裂与应力分布信息并实时处理，量化了冲击危险程度，避免了人为判断引起的误差；采用信息采集与转换中心将所有传感器信息汇总与应力在线、微震等信息综合分析，提高冲击危险判断的准确度，降低误报率，为矿井风险决策及安全生产提供重要依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施冲击危险性动态探测及评估方法流程图；
图2为本发明实施冲击危险性动态探测及评估方法系统组成示意图；
图3为本发明中灾变信息测量舱体结构示意图；
图4为本发明实施时施工区域示意图，其中，图(a)是为本发明在掘进巷道中施工示意图，图(b)是为本发明在回采巷道中的施工示意图；
图5为本发明随钻响应参数进行权重确定流程示意图。
其中，钻机1，钻杆2，出气口3，过滤网4，密封胶囊5，胶囊注液口6，钻头7，煤体8，四通9，出渣口10，反向门及快速开关11，高强度软管12，进渣口13，排气口14，汽水渣分离箱15，排渣口16，排水口17，支架18，称重传感器19，过滤网20，灾变信息测量舱体21，液压钻机操作台22，危险等级指示灯23，井下信息采集与转换中心24，地面数据中心25，透视窗口26，压力传感器27，电磁辐射传感器28，监测控制单元29，电源及充电口30，自震震源31，拾震器32，掘进巷道33，钻孔34，采空区35。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-4，本发明提供一种基于随钻响应参数的冲击危险性动态探测及评估方法，本实施例选择煤矿掘进巷道33作为实施对象，实现该方法的系统包括：钻机1、钻杆2、钻头7、四通9、汽水渣分离箱15、灾变信息测量舱体21、液压钻机操作台22、井下信息采集与转换中心24、地面数据中心25、若干传感器，钻杆2一端与钻机1连接，钻杆2另一端穿过四通9与灾变信息测量舱体21一端连接，所述灾变信息测量舱体21另一端与钻头7连接，四通9两端采用法兰分别连接钻机1和胶囊套筒(图中未标示)，四通9利用高强度软管12与汽水渣分离箱15连接，液压钻机操作台22分别与钻机1和井下信息采集与转换中心24连接，井下信息采集与转换中心24与地面数据中心25连接。在该系统中所使用的传感器包括扭矩、推力传感器、压力传感器27、电磁辐射传感器28、拾震器32、称重传感器19，扭矩、推力传感器装配在所述钻机1的液压系统，压力传感器27、电磁辐射传感器28安装在灾变信息测量舱体21上，拾震器32和自震震源31组装在灾变信息测量舱体的两端，称重传感器19安装在汽水渣分离箱15的箱底。
实施冲击危险性动态探测及评估包括以下步骤：
S1，采集钻机1钻进过程中扭矩、推力、孔底压力、钻屑量、电磁辐射、波速等随钻响应参数，包括以下步骤：
步骤一：在掘进巷道33内施工钻孔，钻孔时先使用第一钻头钻取第一钻孔，本实施例中采用密封胶囊5进行封孔，因此，钻孔孔径与密封胶囊5直径一致，深度比密封胶囊5长度长3～5cm，第一钻孔成孔后向密封胶囊5中注入高压液体使胶囊套管与孔壁贴合密封；
步骤二：第一钻孔完成后，更换钻头7，钻头7由第一钻头更换为第二钻头，本实施例中第一钻头直径大于第二钻头，将更换后的第二钻头7连接于灾变信息测量舱体21右端，钻杆2右端穿过四通9后与灾变信息测量舱体21的左端连接，钻杆2左端与钻机1相连，将四通9左端通过法兰与钻机1与连接，四通9左端通过法兰与胶囊套筒(图中未标示)连接；
步骤三：将汽水渣分离箱15固定安装，使用高强度软管12将汽水渣分离箱15与四通9连接，打开汽水渣分离箱15的排水口17，关闭汽水渣分离箱15的排渣口16；
步骤四：开始钻进，钻进过程中所产生的汽、水、渣进入四通9中，气体通过排气口14排出，水与渣进入汽水渣分离箱15中，水通过过滤网20及排水口17排出，渣留在汽水渣分离箱15中；
步骤五：钻进过程中，装配在钻机的液压系统中的扭矩、推力传感器，对钻进过程中钻机的扭矩及推力变化实时监测并进行数据采集，所述的安装在灾变信息测量舱体21上的压力传感器27、电磁辐射传感器28，实时监测钻进过程中孔底压力，采集电磁辐射波形，组装在灾变信息测量舱体21两端的拾震器32与自震震源31，停钻接续钻杆2时，自震震源31产生震动，拾震器32接收震动信号，汽水渣分离箱15将钻进过程中产生的压力气体进一步释放，通过排水口17将废水排出，废水排出后，通过箱底的称重传感器19称量钻进区域粉渣重量，采集传感器将采集到的扭矩、推力、孔底压力、钻屑量、电磁辐射、波速转换为数字信号后方便进行数据的后处理。
S2、对采集到的各类随钻响应参数进行处理，确定危险预测权重；
对采集到的扭矩、推力、孔底压力、钻屑量、电磁辐射、波速信息进行无量纲处理，采用式(1)进行计算：
其中，xi为扭矩、推力、孔底压力、钻屑量、电磁辐射信息，波速等数据第i个无量纲处理前的数据值，yi为各个数据无量纲处理后的数据，
为处理前数据的平均值，n为钻进当时的总数据量，
为处理前数据的方差，处理后数据满足y1+y2+…+yn＝0。
对冲击危险性动态评估所需的各种随钻响应参数进行权重确定，具体计算流程如图5所示，包括：
构建因素层、准则层、目标层，其中，因素层包括扭矩、推力、孔底压力、钻屑量、电磁辐射，波速六个因素；准则层包括数据量、灵敏程度、采集频率三个因素，
a.建立所述准则层基于所属因素层的判断矩阵Aj，即将因素层中任意一个因素ai(i＝1，2，…，6)均与准则层所有因素bj(j＝1，2，3)对应，建立判断矩阵Aj(j＝1，2，3)：
b.求取判断矩阵Aj对应的最大特征根λj及特征向量Wj＝(w1j，w2j，w3j，w4j，w5j，w6j)T(j＝1，2，3)，按照式(2)计算判断矩阵Aj对应的一致性比例CRj：
式中，CIj为一致性指标，用于衡量判断矩阵Aj的不一致程度，计算公式为
(n＝6)(n为矩阵Aj的阶数)，RI为随机一致性指标，用于衡量CIj的大小，RI取值由Aj的阶数决定，由于矩阵Aj的阶数为6，根据T.L.Saaty提出的标度方法进行确定，此处RI＝1.24(取值参考表1)：
表1
当计算的CRj值<0.1时，认为判断矩阵Aj的一致性能够接受，对特征向量Wj进行归一化(使向量中各元素之和等于1)得到权重向量aj＝(e1j,e2j,e3j,e4j,e5j,e6j)T(j＝1，2，3)。
c.构建目标层基于准则层的判断矩阵B，即将准则层中的任一因素bj(j＝1，2，3)与目标层进行对应，建立判断矩阵B：
求取判断矩阵B对应的最大特征根μ及特征向量Q＝(q1,q2,q3)T，按照式(3)计算判断矩阵B对应的一致性比例BR：
式中，
(m＝3)(m为矩阵B的阶数)，RI值按照T.L.Saaty提出的标度方法确定，此处RI取值由矩阵B的阶数决定，由于矩阵B的阶数为3，按照T.L.Saaty提出的标度方法进行确定，此处RI＝0.58(取值参考表2)：
当计算的BR值＜0.1时，认为判断矩阵B的一致性能够接受，对特征向量Q进行归一化(使向量中各元素之和等于1)得到权重向量b＝(b1，b2，b3)T，确定因素层关于目标层的最终权重，因素层中各因素关于目标层的权重向量c＝(c1，c2，c3，c4，c5，c6)T，权重向量c按照式(4)计算：
c＝(a1，a2，a3，a4，a5，a6)·b (4)
d.计算因素层对目标层的一致性比例CR′，因素层对目标层的一致性比例CR′按照式(5)进行计算：
当CR′＜0.1时，则认为因素层对于目标层的一致性结果能够接受，此时将第c步中c＝(c1，c2，c3，c4，c5，c6)T”作为扭矩、推力、孔底压力、钻屑量、电磁辐射信息、波速等数据预测冲击危险性的最终权重，且有c1+c2+…+c6＝1。
确定用于冲击危险性动态评估的冲击危险预警指标，采用式(6)计算指标值：
D＝y1c1+…+yncn(n＝1，2，…，6) (6)
S4、根据冲击危险预警指标值D确定钻进区域危险等级并实时预警，并采取应对对策，具体策略为：
当-0.6≤D＜0时，危险等级为Ⅰ，操作台指示灯亮绿灯，钻机继续钻进；
当0≤D＜0.2时，危险等级为Ⅱ，操作台指示灯亮蓝灯，人员离开钻孔附近，钻机继续钻进；
当0.2≤D＜0.4时，危险等级为Ⅲ，操作台指示灯亮黄灯，钻机撤出，在距离钻孔前后5m范围进行卸压工作；
当0.4≤D＜0.6时，危险等级为Ⅳ，操作台指示灯亮红灯，钻机撤出，人员远离钻孔附近区域，等待一段时间后在距离钻孔前后5m范围进行卸压工作。
冲击危险预警指标值D计算中涉及的数据整合及计算，由装置在液压钻机操作台22上的微型计算机实现，危险等级预警由装置在液压操作台上的危险等级指示灯23实现，根据危险等级计算结果，预警灯有绿、蓝、黄、红四种状态。
S5、完成单个钻孔后，在此钻孔周围钻进下一钻孔，钻孔间距根据如下规则进行确定：
(1)上一钻孔危险等级为Ⅰ时，确定钻孔间距为30m；
(2)上一钻孔危险等级为Ⅱ时，确定钻孔间距为20m；
(3)上一钻孔危险等级为Ⅲ时，确定钻孔间距为15m；
(4)上一钻孔危险等级为Ⅳ时，确定钻孔间距为10m。
S6、完成钻孔位置选取后，重复本实施例中的步骤S1-S4进行下一钻孔的钻进。
通过液压钻机连接井下信息采集与转换中心24，进一步由信息采集与转换中心24将扭矩、推力、孔底压力、钻屑量、电磁辐射、波速等信息传输至地面数据中心25保存，以便后续数据整理及分析。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于随钻响应参数的冲击危险性动态探测及评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、采集随钻响应参数数据；
S2、处理所述随钻响应参数数据，计算危险预测权重；
S3、根据所述危险预测权重，计算冲击危险预警指标；
S4、根据所述冲击危险预警指标值，获取钻进区域危险等级并实时预警；
S5、根据所述S4中钻进区域危险等级，获取下一钻孔位置；
S6、重复步骤S1-S4进行下一钻孔探测。
2.根据权利要求1所述的基于随钻响应参数的冲击危险性动态探测及评估方法，其特征在于：所述随钻响应参数包括扭矩、推力、孔底压力、钻屑量、电磁辐射、波速。
3.根据权利要求1所述的基于随钻响应参数的冲击危险性动态探测及评估方法，其特征在于：所述S2包括以下子步骤：
S21、对所述随钻响应参数数据进行无量纲处理；
S22、对无量纲处理后的所述随钻响应参数进行权重确定；
S23、根据所述S22获得的随钻响应参数权重计算所述冲击危险预警指标。
4.根据权利要求3所述的基于随钻响应参数的冲击危险性动态探测及评估方法，其特征在于：所述无量纲处理计算方法为：
式中，xi表示随钻响应参数数据第i个无量纲处理前的数据值，yi表示无量纲处理后的数据，
表示处理前随钻响应参数数据的平均值，s表示处理前数据的方差。
5.根据权利要求3所述的基于随钻响应参数的冲击危险性动态探测及评估方法，其特征在于：所述S22计算随钻响应参数权重方法为：
S221、建立因素层、准则层、目标层，所述因素层包括所述随钻响应参数，所述准则层用于描述所述随钻响应参数的影响因素，所述目标层用于计算随钻响应参数预测效能的最终权重；
S222、建立所述准则层基于所述因素层的判断矩阵Aj，获取所述准则层基于所述因素层的权重向量；
S223、构建所述目标层基于准则层的判断矩阵B，获取目标层基于准则层的权重向量；
S224、根据所述步骤S222中的准则层基于所述因素层的权重向量和所述步骤S223中目标层基于准则层的权重向量计算所述目标层基于因素层的权重向量，即所述随钻响应参数预测效能的最终权重。
6.根据权利要求1所述的基于随钻响应参数的冲击危险性动态探测及评估方法，其特征在于：所述S4中设置阈值，将所述冲击危险预警指标值与所述阈值进行比较，划分危险等级。
7.根据权利要求1-6任一所述的基于随钻响应参数的冲击危险性动态探测及评估方法，其特征在于：实现该方法的系统包括：钻机(1)、钻杆(2)、钻头(7)、四通(9)、汽水渣分离箱(15)、灾变信息测量舱体(21)、液压钻机操作台(22)、井下信息采集与转换中心(24)、地面数据中心(25)、若干传感器，所述钻杆(2)一端与钻机(1)连接，所述钻杆(2)另一端穿过四通(9)与灾变信息测量舱体(21)一端连接，所述灾变信息测量舱体(21)另一端与钻头(7)连接，所述钻机(1)和汽水渣分离箱(15)通过所述四通(9)连接，所述液压钻机操作台(22)分别与钻机(1)和井下信息采集与转换中心(24)连接，所述井下信息采集与转换中心(24)与地面数据中心(25)连接。
8.根据权利要求7所述的基于随钻响应参数的冲击危险性动态探测及评估方法，其特征在于：所述传感器包括扭矩、推力传感器、压力传感器(27)、电磁辐射传感器(28)、拾震器、称重传感器(19)，所述扭矩、推力传感器装配在所述钻机(1)的液压系统，用于实时监测钻进过程中所述钻机(1)的扭矩及推力变化；所述压力传感器(27)、电磁辐射传感器(28)安装在所述灾变信息测量舱体(21)上，用于实时监测钻进过程中孔底压力及采集电磁辐射波形；所述拾震器(32)和自震震源(31)组装在所述灾变信息测量舱体(21)的两侧，所述自震震源(31)用于停钻接续钻杆时产生震动，所述拾震器(32)用于接收震动信号；所述称重传感器(19)安装在所述汽水渣分离箱(15)的箱底，用于称量钻进区域粉渣重量。
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