基于锚固孔钻进参数的含煤地层智能识别研究

The exact evaluation and prediction of surronding rock characteristics of coal mine roadway can lay a significant foundation for scientific design and construction in mine support engineering. The study , beginning from the interaction between the drilling tool and coa lmeasure rocks and combining coal measure rocks cutting theory, drill-string dynamics,information fusion theory and computer graphics, examines the correlation between drilling parameters and characteristics of coal-bearing strata, based on which the method of intelligently identifying coal-bearing strata in coal mine roadway is put forward. The main contents of the study include: 1) developing a drilling coupling dynamic model and constructing a theoretical foundation for identification of coal-bearing strata based on drilling parameters of anchorage hole; 2) disclosing the relationship between the measurable drilling parameters and the strata characteristics through the analysis of drilling correlation in practical drilling experiment; 3) studying the method of the intelligent identification of the drilling strata on the basis of information fusion and identifying the information of drill hole column characteristics of coal-bearing strata in realtime environment; 4) studying the method of the intelligent prediction of distribution character in target area , estimating the tendency of horizontal changes and buliding a visual model of this target area. This study provides geological information guarantee for the dynamic design and scientific construction in the ground control engineering and develops the drilling recognition theory which has significant scientific and engineering value for developing coal mine roof bolting technology and improving the green mining of the coal mines in a safe and efficient way in China.

煤矿巷道围岩特征描述与评价能够为巷道支护工程科学设计施工提供重要依据。项目从钻具—煤岩耦合作用机理出发，综合应用煤岩切削理论、钻柱动力学、信息融合理论和计算机图形学，揭示锚固孔钻进参数与含煤地层特性的相关性，提出适用于煤矿井下巷道施钻地层特性的智能识别方法。主要研究内容包括：1）建立钻进耦合动力学模型，构筑基于锚固孔钻进参数的含煤地层识别理论基础；2）基于实钻试验的钻进参数相关性分析，深入揭示钻进过程中可监测参数与地层特性之间关系；3）研究钻进参数快速提取和钻遇地层智能识别方法，实时描述钻孔柱状地层特性；4）研究目标区域地层分布特性智能预测方法，判别岩层横向走势变化，建立可视化地层模型。项目研究可为矿山岩层控制工程动态设计与科学施工提供地质信息保障，能够进一步发展和完善地层随钻识别理论，对于提升我国煤矿巷道工程锚杆支护技术并促进煤矿安全高效绿色开采具有重要科学意义和实践价值。

根据锚固孔钻进参数进行煤矿井下巷道地层信息动态智能识别是井巷工程的重要研究方向，对巷道围岩特征实时精细化描述与评价能够为巷道支护科学设计施工提供重要依据。项目通过理论建模、试验研究、数值仿真、算法开发和工程实践，探索并提出了基于锚固孔钻进参数对含煤地层进行智能识别及预测的技术方法，主要研究内容与重要结果包括：.1）通过建立PDC锚杆钻头回转钻进耦合力学模型，完成了钻柱系统在巷道顶板锚固孔施工中的静、动载受力分析，得到了地层作用下的静、动载轴向力和切向力的解析表达式和变化规律；进一步通过其振动数学解析模型，确定锚固孔施工中机械钻速、钻压以及钻柱系统横向和纵向振动加速度是识别含煤地层信息的重要指标。.2）基于实钻试验的钻进参数与地层特性相关性分析，开展了典型含煤地层PDC锚杆钻头回转钻进试验，分析钻进载荷变化规律和有限元数值仿真结果，构建钻探多参数输入与含煤地层特性输出相关性分析模型；揭示了PDC钻头破岩时的切削齿载荷分布规律，以及钻机振动响应信号的频谱特征，完善了坑道钻探动力学理论。.3）基于信息融合理论的含煤地层智能识别研究，提出了基于钻进参数核模糊C均值聚类KFCM算法的含煤地层岩性模糊识别方法；结合PCA算法的特征提取优势，提出了面向高维数据集的聚类预测识别方法；并开发出井巷工程钻孔数据模型和三维可视化方法；进一步融合孔内仪器随钻参数地层识别方法，拓展了钻孔信息在地质保障中的应用前景。.4）岩体力学参数测试与工程实践验证，开展了预钻式原位岩体工程力学参数的测试仪器研发与试验；并结合不同矿区井巷工程的各类需求，通过工程实践进行了基于钻进参数的地层智能识别不同研究结果的改进、分析与验证。.项目研究成果可为矿山工程设计与科学施工提供地质信息保障，完善和发展地层随钻识别理论，有助于提升我国煤矿巷道工程锚杆支护技术水平，并对于坑道智能钻探发展和煤矿安全高效绿色开采具有重要科学意义和实践价值。