本發(fā)明屬于煤炭開采，特別是涉及一種受載煤巖鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及隨鉆力學(xué)參數(shù)辨識(shí)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著煤礦開采深度的不斷增加，煤與瓦斯突出和沖擊地壓災(zāi)害的強(qiáng)度和頻次也越來越嚴(yán)重，斷層、陷落柱等地質(zhì)異常區(qū)域也會(huì)導(dǎo)致煤層破碎、煤層賦存條件變差，這也是誘發(fā)煤與瓦斯突出與沖擊地壓事故的根本原因。

2、為了預(yù)防事故，必須對(duì)事故的成因進(jìn)行深入分析，只有通過對(duì)潛在事故原因進(jìn)行分析，才能夠更好的識(shí)別和評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。

3、煤巖力學(xué)參數(shù)是煤巖最重要的基本參數(shù)之一，鑒于自然巖體構(gòu)造的多變性和復(fù)雜性，準(zhǔn)確測(cè)定煤巖體力學(xué)參數(shù)一直是巖石力學(xué)領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。

4、然而，傳統(tǒng)的煤巖力學(xué)參數(shù)測(cè)量方法存在滯后問題，工程進(jìn)展容易受干擾，無法直接、高效的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，并且鉆測(cè)一體技術(shù)研究匱乏，難以在室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種受載煤巖鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及隨鉆力學(xué)參數(shù)辨識(shí)方法，利用水泥砂漿制造模擬煤巖試件，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需制備不同強(qiáng)度的煤巖試件；通過在室內(nèi)對(duì)煤巖試件施加圍壓可模擬煤巖在地下的賦存條件；利用動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、位移傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并獲取鉆機(jī)在作業(yè)過程中的關(guān)鍵指標(biāo)，包括推力大小、扭矩變化、鉆進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)速度等隨鉆參數(shù)；利用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對(duì)隨鉆參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，將采集的隨鉆參數(shù)作為粒子，提高隨鉆參數(shù)辨識(shí)的效率和準(zhǔn)確度；本發(fā)明基于鉆測(cè)一體技術(shù)，在探作業(yè)的同時(shí)可即時(shí)收集并分析鉆孔過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)用以反演煤巖的力學(xué)特性，消除測(cè)量滯后問題，確保工程進(jìn)展不受干擾，有效強(qiáng)化煤礦地下實(shí)時(shí)辨識(shí)地質(zhì)異常區(qū)塊的能力，有效維護(hù)煤礦開采的安全性與穩(wěn)定性，減少事故風(fēng)險(xiǎn)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種受載煤巖鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括加載單元、鉆進(jìn)單元及隨鉆控制器；所述加載單元與鉆進(jìn)單元并列設(shè)置；

3、所述加載單元包括底座、立柱、頂梁、第一液壓缸、第二液壓缸、第三液壓缸、壓力室、支撐墊塊、第一墊板、第二墊板及第三墊板；所述頂梁通過立柱水平固裝在底座正上方；所述壓力室固裝安裝在底座上表面中心處；所述支撐墊塊位于壓力室內(nèi)部且水平固裝在壓力室底板上表面中心處，模擬煤巖試樣放置在支撐墊塊上表面；所述第一液壓缸豎直固裝在頂梁中心處且活塞桿朝下，第一液壓缸的活塞桿向下延伸至壓力室內(nèi)部；所述第一墊板水平設(shè)置，所述第一液壓缸的活塞桿端部與第一墊板上表面中心處固定連接，第一墊板下表面與模擬煤巖試樣頂靠接觸配合；所述第二液壓缸水平固裝在壓力室的一面?zhèn)劝迳希诙簤焊椎幕钊麠U向內(nèi)延伸至壓力室內(nèi)部；所述第二墊板豎直設(shè)置，所述第二液壓缸的活塞桿端部與第二墊板外表面中心處固定連接，第二墊板內(nèi)表面與模擬煤巖試樣頂靠接觸配合；所述第三液壓缸水平固裝在壓力室的另一面?zhèn)劝迳?，第三液壓缸與第二液壓缸鏡像對(duì)稱且同軸分布；所述第三墊板豎直設(shè)置，所述第三液壓缸的活塞桿端部與第三墊板外表面中心處固定連接，第三墊板內(nèi)表面與模擬煤巖試樣頂靠接觸配合；所述壓力室上其余兩面?zhèn)劝寰鶠槌诮Y(jié)構(gòu)；

4、所述鉆進(jìn)單元包括支撐臺(tái)、進(jìn)給電機(jī)、滑軌、絲母滑臺(tái)、絲杠、鉆孔電機(jī)、鉆桿、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器及激光位移傳感器；所述滑軌水平固裝在支撐臺(tái)上表面；所述絲杠水平設(shè)置在滑軌上方，絲杠與滑軌平行分布，絲杠一端通過軸承座與支撐臺(tái)上表面相連；所述進(jìn)給電機(jī)水平設(shè)置，進(jìn)給電機(jī)通過電機(jī)安裝座與支撐臺(tái)上表面相連，進(jìn)給電機(jī)的電機(jī)軸通過第一聯(lián)軸器與絲杠另一端同軸固連；所述絲母滑臺(tái)設(shè)置在滑軌與絲杠之間，絲母滑臺(tái)沿滑軌具有直線移動(dòng)自由度；所述鉆孔電機(jī)水平固裝在絲母滑臺(tái)上表面；所述動(dòng)態(tài)扭矩傳感器水平固裝在絲母滑臺(tái)上表面，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的動(dòng)力輸入軸通過第二聯(lián)軸器與鉆孔電機(jī)的電機(jī)軸同軸固連，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的動(dòng)力輸出軸通過第三聯(lián)軸器與鉆桿一端同軸固連，鉆桿另一端與模擬煤巖試樣正對(duì)；所述激光位移傳感器固定安裝在絲母滑臺(tái)上表面，激光位移傳感器的激光發(fā)射端與電機(jī)安裝座正對(duì)；所述隨鉆控制器固定安裝在支撐臺(tái)上表面，所述進(jìn)給電機(jī)的控制端、鉆孔電機(jī)的控制端、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的數(shù)據(jù)輸出端及激光位移傳感器的數(shù)據(jù)輸出端均與隨鉆控制器電連接。

5、一種隨鉆力學(xué)參數(shù)辨識(shí)方法，采用了所述的受載煤巖鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括如下步驟：

6、步驟一：利用水泥砂漿制備模擬煤巖試樣；

7、步驟二：將制備好的模擬煤巖試樣送入壓力室內(nèi)并放置到支撐墊塊上表面，之后同步啟動(dòng)第二液壓缸和第三液壓缸，直到模擬煤巖試樣在水平方向上對(duì)中夾持在第二墊板和第三墊板之間，然后啟動(dòng)第一液壓缸，使模擬煤巖試樣在豎直方向上對(duì)中夾持在第一墊板與支撐墊塊之間；

8、步驟三：通過第一液壓缸、第二液壓缸和第三液壓缸對(duì)模擬煤巖試樣施加載荷力，直到模擬煤巖試樣承受的圍壓達(dá)到設(shè)定值；

9、步驟四：?jiǎn)?dòng)進(jìn)給電機(jī)，帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)同步轉(zhuǎn)換為絲母滑臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)，鉆孔電機(jī)、鉆桿、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器及激光位移傳感器會(huì)同步跟隨絲母滑臺(tái)移動(dòng)，直到鉆桿與模擬煤巖試樣表面頂靠接觸，關(guān)閉進(jìn)給電機(jī)；

10、步驟五：?jiǎn)?dòng)鉆孔電機(jī)，帶動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)并達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，隨后重啟進(jìn)給電機(jī)，帶動(dòng)鉆桿以設(shè)定進(jìn)給速度移動(dòng)，使鉆桿鉆入模擬煤巖試樣；

11、步驟六：在鉆桿鉆入模擬煤巖試樣的過程中，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器和激光位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)并同步將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫S鉆控制器進(jìn)行存儲(chǔ)，直到鉆桿貫穿模擬煤巖試樣，關(guān)閉鉆孔電機(jī)；

12、步驟七：反向啟動(dòng)進(jìn)給電機(jī)，直到鉆桿從模擬煤巖試樣的鉆孔內(nèi)完全退出，并且絲母滑臺(tái)同步退回到初始位置處，關(guān)閉進(jìn)給電機(jī)，之后完成第一液壓缸、第二液壓缸和第三液壓缸的卸載，并使第一墊板、第二墊板和第三墊板回到初始位置，然后將模擬煤巖試樣從壓力室中移出；

13、步驟八：將隨鉆控制器中存儲(chǔ)的隨鉆參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)中載有改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法，其公式為：

14、

15、χk+1＝χk+vk+1

16、

17、式中，ω為非線性動(dòng)態(tài)慣性權(quán)重系數(shù)，k為粒子群迭代次數(shù)，v為粒子群速度，x為粒子群位置，pbest為個(gè)體極值，gbest為群體極值，c1、c2均為學(xué)習(xí)因子，r1、r2均為[0，1]隨機(jī)數(shù)，ωmax為慣性權(quán)重最大值，ωmin為慣性權(quán)重最小值，f為當(dāng)前粒子位置的適應(yīng)度，favg為當(dāng)前粒子位置的平均適應(yīng)度，fmin為當(dāng)前粒子位置的最小適應(yīng)度；

18、將隨鉆參數(shù)數(shù)據(jù)作為粒子，首先初始化粒子群參數(shù)，之后隨機(jī)初始化每個(gè)粒子的位置和速度，然后判斷是否滿足終止條件，若滿足終止條件，直接輸出最優(yōu)解；若不滿足終止條件，更新每個(gè)粒子的位置和速度，再計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)度值，之后更新每個(gè)粒子的個(gè)體歷史最優(yōu)適應(yīng)度和位置，然后更新粒子群參數(shù)，隨后重新判斷是否滿足終止條件；重復(fù)上述判斷過程，直到滿足終止條件，并輸出最優(yōu)解；

19、為消除采集數(shù)據(jù)樣本差異對(duì)結(jié)果造成的不利影響，從采集數(shù)據(jù)樣本中抽取樣本的70％用作訓(xùn)練樣本并得到樣本對(duì)比圖，樣本中剩下的30％用作測(cè)試樣本并得到樣本對(duì)比圖。

20、本發(fā)明的有益效果：

21、本發(fā)明的受載煤巖鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及隨鉆力學(xué)參數(shù)辨識(shí)方法，利用水泥砂漿制造模擬煤巖試件，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需制備不同強(qiáng)度的煤巖試件；通過在室內(nèi)對(duì)煤巖試件施加圍壓可模擬煤巖在地下的賦存條件；利用動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、位移傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并獲取鉆機(jī)在作業(yè)過程中的關(guān)鍵指標(biāo)，包括推力大小、扭矩變化、鉆進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)速度等隨鉆參數(shù)；利用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對(duì)隨鉆參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，將采集的隨鉆參數(shù)作為粒子，提高隨鉆參數(shù)辨識(shí)的效率和準(zhǔn)確度；本發(fā)明基于鉆測(cè)一體技術(shù)，在探作業(yè)的同時(shí)可即時(shí)收集并分析鉆孔過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)用以反演煤巖的力學(xué)特性，消除測(cè)量滯后問題，確保工程進(jìn)展不受干擾，有效強(qiáng)化煤礦地下實(shí)時(shí)辨識(shí)地質(zhì)異常區(qū)塊的能力，有效維護(hù)煤礦開采的安全性與穩(wěn)定性，減少事故風(fēng)險(xiǎn)。