1.本发明涉及采矿工程技术领域，尤其是提供了一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置及煤体应力反演方法。
背景技术：2.随着煤炭资源进入深部开采，高地应力、高渗透压、高地温的复杂地质环境促使煤岩释放大量能量，诱发冲击地压。研究表明，煤体高应力和应力集中对冲击地压的发生起到主控作用，实时获取煤体应力是冲击地压预警的关键环节，但现有应力原位测试手段难以满足煤体应力分布规律探测需求。
3.随钻测量是指在钻机钻进的同时连续不断地监测钻孔或钻机的信息，采用随钻测量技术通过监测随钻参数获取煤体应力，是冲击地压危险性评估的热点研究方向之一。现有技术中，随钻测量主要是对煤岩体强度的测量，对煤体应力进行测量的手段较少，主要是现场煤体应力难以确定该参数，利用统计归纳方法很难确定煤体应力与随钻参数之间的关系。中国专利(cn102418517b)公开的一种随钻测量专项钻机，仅能监测钻进深度和推力，缺乏对钻进过程中转矩的监测，钻进参数判别比较单一。中国专利(cn104727851b)公开了一种煤矿采场围岩应力评估方法，仅是对钻进距离与钻进功率进行监测，但是无法自动获得钻进过程中钻机的转矩、推力等钻机参数，仅考虑钻进参数获取破坏煤体所需能量有较大误差。
技术实现要素：4.为了确定围压与各钻进参数之间的关系，反演钻进过程中煤体应力的变化规律，本发明提供了一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置及煤体应力反演方法，具体技术方案如下。
5.一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置，包括钻机系统、加载系统和数据测量系统，所述钻进系统包括钻机、钻头、连接板、承重板和辅助板，钻头和钻机之间通过联轴器固定，钻机通过连接板安装在承重板上，辅助板设置在承重板上并通过卡槽固定在支柱上；所述加载系统包括围压加载机构和钻压加载机构，围压加载机构通过油缸施加侧向压力，钻压加载装置通过调节砝码重量调整钻压；所述数据测量系统包括位移传感器、转矩转速传感器、数据采集仪和数据分析仪，数据采集仪收集监测数据后传输至数据分析仪，数据分析仪输出模拟钻孔过程中的转矩、转速、钻进位移。
6.优选的是，连接板和钻机之间通过螺栓固定，连接板与偏心消除板的竖向板固定连接，偏心消除板整体呈l形，承重板和偏心消除板的横向板固定连接。
7.优选的是，支柱固定在围压加载机构的上方，支柱上设置多个螺栓孔，螺栓孔和承重板上的卡槽相互配合。
8.优选的是，位移传感器一端通过卡扣固定在辅助板上，另一端固定在承重板上，监测钻进深度；所述扭矩转速传感器设置在钻机上监测钻杆的转速和扭矩。
9.优选的是，扭矩转速传感器通过两个联轴器连接在钻机上，第一联轴器连接钻机主体和扭矩转速传感器，第二联轴器连接扭矩转速传感器和钻机动力头。
10.还优选的是，扭矩转速传感器在弹性轴上设置应变桥，应变桥测量弹性轴受扭的电信号，电信号经过信号放大器以及压频转换器，转换后的频率信号传输至数据采集仪。
11.还优选的是，数据采集仪收集位移传感器和转矩转速传感器的监测数据，数据采集仪将监测数据输送至数据分析仪。
12.还优选的是，围压加载机构包括加载框架，加载框架呈方形，加载框架四个面分别设置一个加载圆盘，并配置有液压缸，控制器控制各个液压缸加载。
13.一种煤巷帮部随钻测量模拟试验及煤体应力反演方法，利用上述的一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置，步骤包括：
14.a.制作岩石试件，并将岩石试件放置在围压加载机构中；
15.b.设定围压加载参数，对岩石试件施加围压，在承重板上放置砝码后施加设定的钻压；
16.c.数据测量系统对试验过程中的钻进时间、转矩、转速、钻进位移数据进行监测；
17.d.关闭钻机后释放围压加载机构的压力，取出岩石试件；
18.e.重复步骤a-d，对多个岩石试件进行测试；
19.f.将钻进时间、钻压、围压、转矩、转速、钻进位移数据输入至数据分析仪，以转速、转矩、钻压、钻进速度作为自变量，围压作为因变量，建立随钻测量煤体应力反演数据库；
20.g.利用支持向量机的机器学习算法对随钻测量煤体应力反演数据库进行深度学习，得出施加围压与钻进参数之间的关系；
21.h.根据施加围压与钻进参数之间的关系，输入转速、转矩、钻压、钻进速度反演确定围压。
22.进一步优选的是，根据施加围压与钻进参数之间的关系，利用实际施工过程中钻孔的转速、转矩、钻压、钻进速度数据确定煤体应力。
23.本发明提供的一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置及煤体应力反演方法有益效果是，通过煤巷帮部随钻测量模拟试验装置模拟钻压、围压、煤体强度、钻头尺寸等参数的影响，从而通过模拟试验对钻孔方案进行优化，为施工现场提供有效的依据；另外该模拟装置还可以实现恒压钻孔设置，更加符合施工现场钻机的施工方式。利用该装置模拟施工现场的钻进过程后，还可以通过分析钻进参数与模拟围压的关系，根据试验结果和规律可以得出施工现场煤体的应力变化规律。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作更详细地介绍，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他的附图。
25.图1是煤巷帮部随钻测量模拟试验装置结构示意图；
26.图2是连接板的安装结构示意图；
27.图3是煤体应力反演方法的原理示意图；
28.图中：1-支柱，2-辅助板，3-砝码，4-承重板，5-背板，6-偏心消除板，7-连接板，8-转矩转速传感器，9-围压加载机构，10-钻头，11-联轴器，12-卡槽，13-钻机，14-偏心砝码，15-位移传感器。
具体实施方式
29.结合图1至图3所示，对本发明提供的一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置及煤体应力反演方法的具体实施方式进行说明。
30.一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置包括钻机系统、加载系统和数据测量系统，钻机系统通过钻机模拟钻孔过程，加载系统通过施加载荷模拟对不同的施工环境进行模拟，数据测量系统对转矩、转速、钻进位移和载荷大小等参数进行监测并处理，利用该模拟试验装置可以实现实时采集钻进过程中的转矩、转速、钻进位移等钻进参数，反演钻进过程中煤体应力的变化规律，为现场施工提供依据。
31.其中，钻进系统包括钻机13、钻头10、连接板7、承重板4和辅助板2，钻头10和钻机13之间通过联轴器固定，钻机13驱动钻头10按照设定的转速转动，钻机13通过连接板安装在承重板上，辅助板2设置在承重板上并通过卡槽固定在四个方位的不同支柱上。连接板7和钻机13之间通过螺栓固定，连接板7与偏心消除板6的竖向板固定连接，偏心消除板6整体呈l形，承重板4和偏心消除板6的横向板固定连接；偏心消除板6还可与背板5固定连接，背板5与偏心消除板6相互配合。支柱1固定在围压加载机构的上方，四根支柱主要起到稳定整体实验装置和固定承重板4和辅助板2的作用。支柱1上设置多个螺栓孔，螺栓孔和承重板4上的卡槽12相互配合，卡槽12具有限位承重板的作用。
32.加载系统包括围压加载机构9和钻压加载机构，围压加载机构9通过油缸施加侧向压力，钻压加载装置通过调节砝码重量调整钻压。具体是钻压加载机构通过承重板和上方的砝码3改变钻压的大小，通过调节砝码重量实现不同钻压实验。
33.数据测量系统包括位移传感器15、转矩转速传感器8、数据采集仪和数据分析仪，数据采集仪收集监测数据后传输至数据分析仪，数据分析仪输出模拟钻孔过程中的转矩、转速、钻进位移。位移传感器15一端通过卡扣固定在辅助板上，另一端固定在承重板4上，监测钻进深度，通过测量承重板4和辅助板2的相对距离，测出钻机工作时的钻进深度。
34.扭矩转速传感器8设置在钻机上监测钻杆的转速和扭矩。扭矩转速传感器8通过两个联轴器11连接在钻机13上，第一联轴器连接钻机主体和扭矩转速传感器，第二联轴器连接扭矩转速传感器8和钻机动力头。扭矩转速传感器8在弹性轴上设置应变桥，应变桥测量弹性轴受扭的电信号，电信号经过信号放大器以及压频转换器，转换后的频率信号传输至数据采集仪。
35.数据采集仪收集位移传感器和转矩转速传感器的监测数据，数据采集仪将监测数据输送至数据分析仪。围压加载机构9包括加载框架，加载框架呈方形，加载框架四个面分别设置一个加载圆盘，并配置有液压缸，控制器控制各个液压缸加载。
36.该装置通过煤巷帮部随钻测量模拟试验装置模拟钻压、围压、煤体强度、钻头尺寸等参数的影响，从而通过模拟试验对钻孔方案进行优化，为施工现场提供有效的依据；另外该模拟装置还可以实现恒压钻孔设置，更加符合施工现场钻机的施工方式。
37.在利用煤巷帮部随钻测量模拟试验装置进行实验时，装置的组装及试验过程包
括：首先，调整试件位置，使其位于围压加载机构的正中央，对试件预加少量围压，使围压加载机构中的施压块贴紧试件；将带有转矩转速传感器的钻机13通过连接板7与承重板4相连，在围压加载机构的四个孔中插入支柱1，将承重板4与钻机13固定在支柱1上，辅助板2安装在承重板4上侧，固定在支柱1上；启动围压加载机构9的油缸，通过外侧油缸对试件施加围压，在承重板4上放置砝码3，通过砝码3和承重板4施加钻压；安装位移传感器15，连接转矩转速传感器8、位移传感器15和数据采集仪，实时显示转矩、转速和位移，连接计算机启动处理软件；启动钻机13，钻机13完成钻进工作，数据采集仪完成钻进参数采集工作，当钻进过程结束后，关闭钻机13，释放围压加载机构9的压力，将试件取出；将钻进系统、承重板4上的砝码3从实验台取下，将围压加载机构9的油缸断开并移至原位，清洗各实验部件并归类保存。
38.一种煤巷帮部随钻测量模拟试验及煤体应力反演方法，利用上述的一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置，步骤包括：
39.a.制作岩石试件，并将岩石试件放置在围压加载机构中。
40.其中根据试验目的可以制作多种不同岩性，不同类型的岩石试件，还可以直接从施工现场取样制作岩石试件，使得试验结果更加符合工程实际。岩石试件的尺寸根据围压加载机构的尺寸确定该试件的尺寸，其岩石试件的长度尺寸最大可以与钻杆的长度相等。
41.b.设定围压加载参数，对岩石试件施加围压，在承重板上放置砝码后施加设定的钻压。
42.控制器控制围压加载机构对试件施加载荷，试件与围压加载机构的加载块直接相连，从而使试件均匀受压，保证围压监测的准确性。围压加载机构可以通过控制液压油缸对试件施加不同方向、不同大小的侧向压力。
43.c.数据测量系统对试验过程中的钻进时间、转矩、转速、钻进位移数据进行监测，利用数据采集器分别对监测数据进行收集。
44.d.关闭钻机后释放围压加载机构的压力，取出岩石试件。完成对1个岩石试件的测试。
45.e.重复步骤a-d，对多个岩石试件进行测试。对同种岩石试件分别进行测试，可以以转速、转矩、钻压、钻进速度作为便利对相同围压条件下的岩石试件进行测试，也可以以围压条件为变量对不同类型的岩石试件进行测试。通过模拟试验了解区域内相似岩性，或相似地应力条件下，不同钻孔条件对应的围压关系，从而建立精确的转速、转矩、钻压、钻进速度与围压之间的关系，进而在钻孔时可以同步精确测量地应力，改进矿压监测方法。
46.f.将钻进时间、钻压、围压、转矩、转速、钻进位移数据输入至数据分析仪，以转速、转矩、钻压、钻进速度作为自变量，围压作为因变量，建立随钻测量煤体应力反演数据库；
47.g.利用支持向量机的机器学习算法对随钻测量煤体应力反演数据库进行深度学习，得出施加围压与钻进参数之间的关系。
48.其中，数据采集仪主要采集钻进过程中钻机的转速、转矩以及钻进深度和钻进时间，钻进速度由钻进深度和钻进时间计算可得，建成的随钻测量煤体应力反演数据库主要包括钻机的转速、转矩和施加钻压、围压及钻进速度，其中，转速、转矩、钻压和钻进速度为自变量，围压为因变量，通过matlab软件利用支持向量机的机器学习算法得出转速、转矩、钻压和钻进速度四参数与围压的关系，利用得出的关系，输入其他的转速、转矩、钻压和钻
进速度，即可得出与之对应的煤体应力。
49.h.根据施加围压与钻进参数之间的关系，输入转速、转矩、钻压、钻进速度反演确定围压。
50.另外，根据施加围压与钻进参数之间的关系，利用实际施工过程中钻孔的转速、转矩、钻压、钻进速度数据确定煤体应力。
51.利用该装置模拟施工现场的钻进过程后，还可以通过分析钻进参数与模拟围压的关系，根据试验结果和规律可以得出施工现场煤体的应力变化规律。
52.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
技术特征：1.一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置，其特征在于，包括钻机系统、加载系统和数据测量系统，所述钻进系统包括钻机、钻头、连接板、承重板和辅助板，钻头和钻机之间通过联轴器固定，钻机通过连接板安装在承重板上，辅助板设置在承重板上并通过卡槽固定在支柱上；所述加载系统包括围压加载机构和钻压加载机构，围压加载机构通过油缸施加侧向压力，钻压加载装置通过调节砝码重量调整钻压；所述数据测量系统包括位移传感器、转矩转速传感器、数据采集仪和数据分析仪，数据采集仪收集监测数据后传输至数据分析仪，数据分析仪输出模拟钻孔过程中的转矩、转速、钻进位移。2.根据权利要求1所述的一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置，其特征在于，所述连接板和钻机之间通过螺栓固定，连接板与偏心消除板的竖向板固定连接，偏心消除板整体呈l形，承重板和偏心消除板的横向板固定连接。3.根据权利要求1所述的一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置，其特征在于，所述支柱固定在围压加载机构的上方，支柱上设置多个螺栓孔，螺栓孔和承重板上的卡槽相互配合。4.根据权利要求1所述的一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置，其特征在于，所述位移传感器一端通过卡扣固定在辅助板上，另一端固定在承重板上，监测钻进深度；所述扭矩转速传感器设置在钻机上监测钻杆的转速和扭矩。5.根据权利要求1所述的一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置，其特征在于，所述扭矩转速传感器通过两个联轴器连接在钻机上，第一联轴器连接钻机主体和扭矩转速传感器，第二联轴器连接扭矩转速传感器和钻机动力头。6.根据权利要求1所述的一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置，其特征在于，所述扭矩转速传感器在弹性轴上设置应变桥，应变桥测量弹性轴受扭的电信号，电信号经过信号放大器以及压频转换器，转换后的频率信号传输至数据采集仪。7.根据权利要求1所述的一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集仪收集位移传感器和转矩转速传感器的监测数据，数据采集仪将监测数据输送至数据分析仪。8.根据权利要求1所述的一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置，其特征在于，所述围压加载机构包括加载框架，加载框架呈方形，加载框架四个面分别设置一个加载圆盘，并配置有液压缸，控制器控制各个液压缸加载。9.一种煤巷帮部随钻测量模拟试验及煤体应力反演方法，利用权利要求1-8任一项所述的一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置，其特征在于，步骤包括：a.制作岩石试件，并将岩石试件放置在围压加载机构中；b.设定围压加载参数，对岩石试件施加围压，在承重板上放置砝码后施加设定的钻压；c.数据测量系统对试验过程中的钻进时间、转矩、转速、钻进位移数据进行监测；d.关闭钻机后释放围压加载机构的压力，取出岩石试件；e.重复步骤a-d，对多个岩石试件进行测试；f.将钻进时间、钻压、围压、转矩、转速、钻进位移数据输入至数据分析仪，以转速、转矩、钻压、钻进速度作为自变量，围压作为因变量，建立随钻测量煤体应力反演数据库；g.利用支持向量机的机器学习算法对随钻测量煤体应力反演数据库进行深度学习，得出施加围压与钻进参数之间的关系；h.根据施加围压与钻进参数之间的关系，输入转速、转矩、钻压、钻进速度反演确定围
压。10.根据权利要求9所述的一种煤巷帮部随钻测量模拟试验及煤体应力反演方法，其特征在于，根据施加围压与钻进参数之间的关系，利用实际施工过程中钻孔的转速、转矩、钻压、钻进速度数据确定煤体应力。
技术总结本发明公开了一种煤巷帮部随钻测量模拟试验装置及煤体应力反演方法，涉及采矿工程技术领域。该装置包括钻机系统、加载系统和数据测量系统，钻进系统包括钻机、钻头、连接板、承重板和辅助板，实现对试件的模拟钻孔；加载系统包括围压加载机构和钻压加载机构，对试件施加不同方向和大小的侧向压力和钻压；数据测量系统包括位移传感器、转矩转速传感器、数据采集仪和数据分析仪，综合监测转矩、转速、钻进位移等钻进参数。利用该装置进行煤巷帮部随钻测量模拟实验后对监测参数进行分析处理，通过建立随钻测量煤体应力反演数据库，并利用支持向量机的机器学习算法进行深度学习，得到围压与各钻进参数之间的关系，反演钻进过程中煤体应力的变化规律。力的变化规律。力的变化规律。
技术研发人员：赵志刚 邢明录 张凯 尹延春 张修峰 陈洋
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2022.05.19
技术公布日：2022/11/1
