本發(fā)明涉及礦井智能預(yù)警，更具體地說，本發(fā)明涉及基于深部巖土力學(xué)井壁破壞臨界條件預(yù)警系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、在瓦斯鉆井作業(yè)中，井壁穩(wěn)定性對(duì)保障瓦斯抽采工作安全、高效進(jìn)行至關(guān)重要。瓦斯鉆井作為瓦斯抽采的關(guān)鍵通道，其井壁一旦失穩(wěn)，不僅會(huì)導(dǎo)致瓦斯抽采中斷，影響煤礦安全生產(chǎn)，還可能引發(fā)瓦斯泄漏、爆炸等安全事故，造成經(jīng)濟(jì)損失，影響人員安全。

2、公開號(hào)為cn115680775a的專利申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N基于多傳感器融合的煤與瓦斯突出智能預(yù)警系統(tǒng)及預(yù)警方法，通過微震傳感器、地應(yīng)力傳感器、激光甲烷傳感器和風(fēng)速傳感器獲取多源數(shù)據(jù)，以解決單一數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出級(jí)別存在噪聲大且不準(zhǔn)確的問題。然而，該現(xiàn)有技術(shù)聚焦于煤與瓦斯突出預(yù)警，與本發(fā)明關(guān)注的井壁失穩(wěn)預(yù)警場(chǎng)景不同。井壁失穩(wěn)涉及巖層結(jié)構(gòu)、瓦斯鉆井幾何形狀、位移變化以及采動(dòng)影響等多方面復(fù)雜因素，煤與瓦斯突出預(yù)警技術(shù)無法直接應(yīng)用于井壁失穩(wěn)預(yù)警。煤與瓦斯突出預(yù)警主要圍繞瓦斯相關(guān)參數(shù)及地質(zhì)動(dòng)力現(xiàn)象，忽略了井壁自身結(jié)構(gòu)特性和力學(xué)響應(yīng)，難以對(duì)井壁穩(wěn)定性進(jìn)行有效評(píng)估。

3、公開號(hào)為cn110985125a的專利申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N深井軟煤沖擊地壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及其預(yù)警方法，通過應(yīng)力傳感器和位移傳感器監(jiān)測(cè)鉆孔壓力和巷道壁變形，綜合數(shù)據(jù)發(fā)布預(yù)警，提高了預(yù)警準(zhǔn)確度。但該現(xiàn)有技術(shù)主要針對(duì)深井軟煤沖擊地壓災(zāi)害，與井壁失穩(wěn)預(yù)警在監(jiān)測(cè)對(duì)象和預(yù)警原理上存在差異。沖擊地壓災(zāi)害主要關(guān)注煤體內(nèi)部應(yīng)力變化和突然釋放引發(fā)的動(dòng)力現(xiàn)象，而井壁失穩(wěn)除受巖層應(yīng)力影響外，還與瓦斯鉆井支護(hù)結(jié)構(gòu)、采動(dòng)過程中工作面推進(jìn)速度、液壓支架壓力變化等密切相關(guān)。該技術(shù)方案未考慮這些井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，無法滿足井壁失穩(wěn)預(yù)警的需求。

4、現(xiàn)有礦井災(zāi)害預(yù)警技術(shù)在應(yīng)對(duì)深部巖土力學(xué)條件下的瓦斯鉆井井壁失穩(wěn)問題時(shí)，對(duì)深部巖土力學(xué)特性、巖層結(jié)構(gòu)以及瓦斯鉆井施工和運(yùn)行過程中的各種影響因素考慮不足，缺乏能夠精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)瓦斯鉆井井壁狀態(tài)、提前預(yù)警失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)并制定有效應(yīng)對(duì)策略的技術(shù)手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供基于深部巖土力學(xué)井壁破壞臨界條件預(yù)警系統(tǒng)及方法，通過綜合考慮深部巖土力學(xué)特性、瓦斯鉆井幾何參數(shù)、位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及采動(dòng)觸發(fā)參數(shù)，構(gòu)建了精準(zhǔn)的位移-應(yīng)力映射模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)估和分級(jí)預(yù)警，提高了井壁失穩(wěn)預(yù)警的準(zhǔn)確性，降低了誤報(bào)和漏報(bào)率，為瓦斯鉆井作業(yè)中的井壁穩(wěn)定性管理提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、基于深部巖土力學(xué)井壁破壞臨界條件預(yù)警方法，包括：

4、獲取初始巖層參數(shù)，建立巖層結(jié)構(gòu)分級(jí)體系；獲取初始瓦斯鉆井幾何參數(shù)組g0，布設(shè)三級(jí)位移監(jiān)測(cè)陣列，構(gòu)建三級(jí)位移特征數(shù)據(jù)流；根據(jù)巖層結(jié)構(gòu)分級(jí)體系、初始瓦斯鉆井幾何參數(shù)組g0和三級(jí)位移特征數(shù)據(jù)流，構(gòu)建位移-應(yīng)力映射模型；

5、采集采動(dòng)觸發(fā)參數(shù)集p1和實(shí)時(shí)三級(jí)位移特征數(shù)據(jù)流，基于位移-應(yīng)力映射模型、采動(dòng)觸發(fā)參數(shù)集p1和實(shí)時(shí)三級(jí)位移特征數(shù)據(jù)流，生成動(dòng)態(tài)修正的井壁失穩(wěn)臨界應(yīng)力；結(jié)合采動(dòng)觸發(fā)參數(shù)集p1，計(jì)算井壁失穩(wěn)臨界安全系數(shù)，建立分級(jí)預(yù)警判據(jù)；獲取實(shí)時(shí)井壁失穩(wěn)判定數(shù)據(jù)，基于實(shí)時(shí)井壁失穩(wěn)判定數(shù)據(jù)和分級(jí)預(yù)警判據(jù)，生成井壁失穩(wěn)預(yù)警結(jié)果，基于井壁失穩(wěn)預(yù)警結(jié)果生成風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)決策方案。

6、進(jìn)一步地，所述獲取初始巖層參數(shù)，建立巖層結(jié)構(gòu)分級(jí)體系包括：

7、將頂板巖層劃分為n級(jí)結(jié)構(gòu)層，形成立體巖層分區(qū)矩陣，n≥3；

8、提取每級(jí)結(jié)構(gòu)層的初始巖層參數(shù)，所述初始巖層參數(shù)包括初始抗壓強(qiáng)度σ0,i和初始應(yīng)變?chǔ)?,i，構(gòu)成完整的地層力學(xué)屬性描述集；其中，σ0,i表示第i級(jí)結(jié)構(gòu)層的初始抗壓強(qiáng)度，ε0,i表示第i級(jí)結(jié)構(gòu)層的初始應(yīng)變，1≤i≤n；

9、對(duì)各級(jí)結(jié)構(gòu)層的軟巖夾層進(jìn)行定位，獲取軟巖夾層空間展布規(guī)律，生成軟巖夾層分布矩陣d0；

10、由立體巖層分區(qū)矩陣、地層力學(xué)屬性描述集和軟巖夾層分布矩陣d0，構(gòu)成巖層結(jié)構(gòu)分級(jí)體系。

11、進(jìn)一步地，所述獲取初始瓦斯鉆井幾何參數(shù)組g0包括：對(duì)瓦斯鉆井內(nèi)部進(jìn)行幾何測(cè)量，獲取井壁空間曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)；對(duì)井壁空間曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、歸一化處理，提取井壁曲率半徑r0和套管壁厚δ0；根據(jù)井壁曲率半徑r0和套管壁厚δ0，構(gòu)建瓦斯鉆井初始幾何參數(shù)組g0。

12、進(jìn)一步地，所述布設(shè)三級(jí)位移監(jiān)測(cè)陣列包括：沿瓦斯鉆井軸向布設(shè)分布式光纖傳感器陣列，在軟巖夾層中部署傾角傳感器組，沿套管環(huán)向布置應(yīng)變花，形成三級(jí)位移監(jiān)測(cè)陣列。

13、進(jìn)一步地，所述構(gòu)建三級(jí)位移特征數(shù)據(jù)流包括：

14、利用分布式光纖傳感器陣列，獲取頂板巖層的離層位移量δs'1；利用傾角傳感器組，測(cè)量軟巖夾層產(chǎn)生的三維剪切變形角θ'(t)；利用沿套管環(huán)向布置的應(yīng)變花，獲取套管管壁的應(yīng)變分布數(shù)據(jù)εr'(t)；

15、將離層位移量δs'1定義為一級(jí)數(shù)據(jù)，將三維剪切變形角θ'(t)定義為二級(jí)數(shù)據(jù)，將應(yīng)變分布數(shù)據(jù)εr'(t)定義為三級(jí)數(shù)據(jù)；根據(jù)一級(jí)數(shù)據(jù)、二級(jí)數(shù)據(jù)和三級(jí)數(shù)據(jù)，構(gòu)建三級(jí)位移特征數(shù)據(jù)流。

16、進(jìn)一步地，所述構(gòu)建位移-應(yīng)力映射模型包括：

17、根據(jù)地層力學(xué)屬性描述集中的初始抗壓強(qiáng)度σ0,i和初始應(yīng)變?chǔ)?,i，以及初始瓦斯鉆井幾何參數(shù)組g0中的井壁曲率半徑r0和套管壁厚δ0，采用四階張量形式描述井壁位移-應(yīng)力本構(gòu)關(guān)系，建立初始映射模型m0；

18、將立體巖層分區(qū)矩陣、軟巖夾層分布矩陣d0、三級(jí)位移特征數(shù)據(jù)流中的離層位移量δs'1和三維剪切變形角θ'(t)引入初始映射模型m0，通過有限元數(shù)值模擬方法對(duì)井壁周圍巖層的應(yīng)力-位移場(chǎng)進(jìn)行求解，獲取不同級(jí)結(jié)構(gòu)層、軟巖夾層分布、δs'1和θ'(t)與瓦斯鉆井變形之間的耦合規(guī)律；

19、根據(jù)不同級(jí)結(jié)構(gòu)層、軟巖夾層分布、δs'1和θ'(t)與瓦斯鉆井變形之間的耦合規(guī)律，采用迭代優(yōu)化算法對(duì)初始映射模型m0中的本構(gòu)參數(shù)進(jìn)行率定，形成最終的位移-應(yīng)力映射模型。

20、進(jìn)一步地，所述采集采動(dòng)觸發(fā)參數(shù)集p1包括：實(shí)時(shí)采集液壓支架壓力時(shí)序數(shù)據(jù)f(t)和工作面推進(jìn)速度v；v和f(t)共同構(gòu)成采動(dòng)觸發(fā)參數(shù)集p1。

21、進(jìn)一步地，所述實(shí)時(shí)三級(jí)位移特征數(shù)據(jù)流包括頂板巖層的實(shí)時(shí)離層位移量δs1、軟巖夾層產(chǎn)生的實(shí)時(shí)三維剪切變形角θ(t)和套管管壁的實(shí)時(shí)應(yīng)變分布數(shù)據(jù)εr(t)；

22、所述生成動(dòng)態(tài)修正的井壁失穩(wěn)臨界應(yīng)力包括：

23、根據(jù)實(shí)時(shí)三級(jí)位移特征數(shù)據(jù)流和位移-應(yīng)力映射模型，得到第三修正井壁臨界應(yīng)力；將第三修正井壁臨界應(yīng)力作為動(dòng)態(tài)修正的井壁失穩(wěn)臨界應(yīng)力。

24、進(jìn)一步地，所述得到第三修正井壁臨界應(yīng)力包括：

25、將實(shí)時(shí)離層位移量δs1和實(shí)時(shí)三維剪切變形角θ(t)輸入位移-應(yīng)力映射模型，獲得第一修正井壁臨界應(yīng)力σ1,i；σ1,i表示第i級(jí)結(jié)構(gòu)層的第一修正井壁臨界應(yīng)力；

26、調(diào)取井壁破壞案例歷史數(shù)據(jù)庫，從井壁破壞案例歷史數(shù)據(jù)庫中獲取歷史失穩(wěn)臨界應(yīng)力σc,hist；

27、根據(jù)第一修正井壁臨界應(yīng)力σ1,i、歷史失穩(wěn)臨界應(yīng)力σc,hist和實(shí)時(shí)離層位移量與實(shí)時(shí)三維剪切變形角比值δs1/θ(t)，計(jì)算得到第二修正井壁臨界應(yīng)力σ2,i；σ2,i表示第i級(jí)結(jié)構(gòu)層的第二修正井壁臨界應(yīng)力；

28、根據(jù)采動(dòng)觸發(fā)參數(shù)集p1中的液壓支架壓力時(shí)序數(shù)據(jù)f(t)和工作面推進(jìn)速度v，對(duì)第二修正井壁臨界應(yīng)力σ2,i進(jìn)行修正，得到第三修正井壁臨界應(yīng)力σ3,i；σ3,i表示第i級(jí)結(jié)構(gòu)層的第三修正井壁臨界應(yīng)力。

29、進(jìn)一步地，所述計(jì)算井壁失穩(wěn)臨界安全系數(shù)包括：獲取當(dāng)前井壁鋼套管的屈服強(qiáng)度σy，基于動(dòng)態(tài)修正的井壁失穩(wěn)臨界應(yīng)力σ3,i、當(dāng)前井壁鋼套管的屈服強(qiáng)度σy和套管管壁的實(shí)時(shí)應(yīng)變分布數(shù)據(jù)εr(t)，計(jì)算井壁失穩(wěn)臨界安全系數(shù)kc。

30、進(jìn)一步地，所述基于動(dòng)態(tài)修正的井壁失穩(wěn)臨界應(yīng)力σ3,i、當(dāng)前井壁鋼套管的屈服強(qiáng)度σy和套管管壁的實(shí)時(shí)應(yīng)變分布數(shù)據(jù)εr(t)，計(jì)算井壁失穩(wěn)臨界安全系數(shù)kc包括：

31、獲取第i級(jí)結(jié)構(gòu)層的厚度hi，根據(jù)hi和初始抗壓強(qiáng)度σ0,i，計(jì)算第i級(jí)結(jié)構(gòu)層的權(quán)重；根據(jù)和σ3,i計(jì)算綜合臨界應(yīng)力值；

32、根據(jù)綜合臨界應(yīng)力值、當(dāng)前井壁鋼套管的屈服強(qiáng)度σy和套管管壁的實(shí)時(shí)應(yīng)變分布數(shù)據(jù)εr(t)，計(jì)算井壁失穩(wěn)臨界安全系數(shù)kc。

33、基于深部巖土力學(xué)井壁破壞臨界條件預(yù)警系統(tǒng)，其用于實(shí)現(xiàn)上述的基于深部巖土力學(xué)井壁破壞臨界條件預(yù)警方法，所述系統(tǒng)包括：

34、數(shù)據(jù)獲取模塊：用于獲取初始巖層參數(shù)，建立巖層結(jié)構(gòu)分級(jí)體系；獲取初始瓦斯鉆井幾何參數(shù)組g0，布設(shè)三級(jí)位移監(jiān)測(cè)陣列，構(gòu)建三級(jí)位移特征數(shù)據(jù)流；

35、映射模型構(gòu)建模塊：根據(jù)巖層結(jié)構(gòu)分級(jí)體系、初始瓦斯鉆井幾何參數(shù)組g0和三級(jí)位移特征數(shù)據(jù)流，構(gòu)建位移-應(yīng)力映射模型；

36、分級(jí)預(yù)警模塊：用于采集采動(dòng)觸發(fā)參數(shù)集p1和實(shí)時(shí)三級(jí)位移特征數(shù)據(jù)流，基于位移-應(yīng)力映射模型、采動(dòng)觸發(fā)參數(shù)集p1和實(shí)時(shí)三級(jí)位移特征數(shù)據(jù)流，生成動(dòng)態(tài)修正的井壁失穩(wěn)臨界應(yīng)力；結(jié)合采動(dòng)觸發(fā)參數(shù)集p1，計(jì)算井壁失穩(wěn)臨界安全系數(shù)，建立分級(jí)預(yù)警判據(jù)；獲取實(shí)時(shí)井壁失穩(wěn)判定數(shù)據(jù)，基于實(shí)時(shí)井壁失穩(wěn)判定數(shù)據(jù)和分級(jí)預(yù)警判據(jù)，生成井壁失穩(wěn)預(yù)警結(jié)果，基于井壁失穩(wěn)預(yù)警結(jié)果生成風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)決策方案。

37、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：

38、本發(fā)明通過構(gòu)建巖層結(jié)構(gòu)分級(jí)體系和位移-應(yīng)力映射模型，結(jié)合實(shí)時(shí)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和采動(dòng)觸發(fā)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)估和精準(zhǔn)預(yù)警。這種方法克服了傳統(tǒng)井壁穩(wěn)定性分析中的靜態(tài)性和局限性，能夠?qū)崟r(shí)反映井壁在復(fù)雜地質(zhì)條件和開采擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)，分級(jí)預(yù)警判據(jù)的建立使得預(yù)警更加科學(xué)、合理，能夠根據(jù)井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重程度采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，有效避免了井壁失穩(wěn)事故的發(fā)生，保障了瓦斯鉆井作業(yè)的安全性和高效性。此外，風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)決策方案的生成，為礦井管理者提供了科學(xué)依據(jù)，有助于實(shí)現(xiàn)資源的合理配置和高效利用。