一种煤矿井下定向钻进防串孔方法技术

本发明专利技术涉及一种防串孔方法，属于地质勘探领域，具体涉及一种煤矿井下定向钻进防串孔技术。该方法首先规定零点钻孔，构建绝对坐标系包含同一工作面的所有钻孔，然后选择刚完成钻孔测点的倾角、方位角、工具面向角为输入参数，基于双目标孪生支持向量回归算法构建钻孔轨迹预测模型，预测下一个测点的三维空间绝对坐标，最后以预测点为目标点进行垂直X轴切片，计算所有切点到目标点之间的距离，根据距离值判断是否存在串孔危险。本发明专利技术操作简单、结果可靠，可实时指导现场钻进施工，具有工程使用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种防串孔方法，属于地质勘探领域，具体涉及一种煤矿井下定向钻进防串孔技术。
技术介绍
煤矿安全生产对煤矿井下施工过程中的钻进效率、钻孔轨迹等提出越来越高的要求。定向钻进技术具备钻进速度快、定向精度高、“一孔多分支”等优点，已成为高产高效煤矿井下钻孔施工中有效的技术手段，广泛应用于煤矿瓦斯治理、地质勘探等领域。煤矿井下定向钻孔一般是参考施工目标和地层条件进行设计，最大程度的穿越煤层，同时避开断层、褶皱等地质复杂区域，达到最佳瓦斯抽采效果。然而定向钻孔在施工过程中常常与设计轨迹有所差异。当一个工作面内出现多个钻孔时，可能会出现串孔。所谓串孔，就是两个钻孔的主孔之间、分支孔之间或主孔与分支孔之间穿透，出现两孔交叉的问题。串孔首先导致瓦斯抽采效果欠佳，其次两孔交叉时还有可能导致孔内坍塌，造成重大的经济损失。
技术实现思路
本专利技术主要是解决现有技术所存在的煤矿井下定向钻进的钻孔轨迹与设计轨迹存在偏差所导致的串孔问题，提供了一种煤矿井下定向钻进防串孔方法。该方法能够防止串孔，保证施工安全，避免孔内事故的发生。为了解决上述问题，根据本专利技术的一个方面，提供了一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，包括下述步骤：步骤1，规定零点钻孔，构建绝对坐标系包含同一工作面的所有钻孔；步骤2，选择刚完成钻孔测点的倾角、方位角、工具面向角为输入参数，基于双目标孪生支持向量回归算法构建钻孔轨迹预测模型，预测下一个测点的三维空间绝对坐标；步骤3，以预测点为目标点进行垂直X轴切片，计算所有切点到目标点距离，根据距离值判断是否存在串孔危险。优化的，上述的一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，所述步骤1具体为：规定工作面内第一个钻孔为零点钻孔，测量当前钻孔孔口与零点钻孔孔口之间的偏移量，基于以下公式得到测点的绝对三维坐标其中，Xi、Yi、Zi为i测点的相对孔口的三维空间坐标；ΔX、ΔY、ΔZ为当前钻孔孔口与零点钻孔孔口之间的偏移量。优化的，上述的一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，所述步骤2具体包括以下子步骤：步骤2.1，获取刚完成的n个钻孔的测点参数，n为自然数，n≥5，每个测点均记录钻孔倾角θi、方位角αi、工具面向角ωi，i＝1,2,…,n，构造训练样本集A和B：其中1＜m≤n的自然数。步骤2.1，基于公式(1)-(2)的双目标孪生支持向量回归算法构造一对孪生的优化问题进行求解：其中公式(1)的是优化目标，s.t.B-(Aw1+eb1)≥eε1-ξ1,ξ1≥0是优化条件，w1表示公式(1)的支持向量机超平面的法向量，b1是相应的偏移量，ε1为公式(1)的不敏感因子，ξ1是公式(1)的松弛向量，e为与A行数相等的单位列向量，C1是公式(1)的惩罚因子，公式(2)是与公式(1)相匹配的孪生优化目标及条件，其符号含义与公式(1)相同；步骤2.2，向公式(1)和(2)中引入拉格朗日算子γ1、γ2、β1、β2，将优化条件引入到优化目标中，获得拉格朗日函数(3)和(4)利用拉格朗日函数(3)和(4)在鞍点处求导为零，可对孪生优化问题求解。输入测试向量x＝[θn-m+1 … θn αn-m+1 … αn ωn-m+1 … ωn]，利用公式(5)可预测下一个测点的倾角和方位角其中K(A,x)表示核函数。步骤2.3，将预测的倾角和方位角转化为空间三维绝对坐标：水平位移左右位移上下位移其中分别为n测点三维空间绝对坐标，ΔLn+1表示从n测点到n+1测点的孔深增量，λ表示设计方位角。优化的，上述的一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，所述步骤3具体包括以下子步骤：步骤3.1，以预测点为目标点，在水平位移处垂直X轴切片，以该工作面内非当前钻孔的某钻孔为例，其切点绝对坐标为其中与为邻近的两个测点的绝对坐标；步骤3.2，计算切点与目标点之间的距离d：优化的，上述的一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，切点与目标点的距离小于或等于1.5m时存在串孔危险。因此，本专利技术具有如下优点：1、建立绝对坐标系包含所有钻孔，实时预测钻孔轨迹，垂直X轴进行切片，根据切点与目标点之间的距离判断是否串孔。2、实现了防串孔的自动控制，并能实时预防，改变了过去利用人工经验避免串孔的现状，降低了因人工失误导致的施工风险；3、操作简单、结果可靠，可实时指导现场钻进施工，具有工程使用价值。附图说明图1为本专利技术的钻孔切片示意图。图2为本专利技术的双目标孪生支持向量回归算法的示意图。图3为本专利技术实施例中切片正视图。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。实施例：参照图1所示，三维坐标轴OX、OY、OZ，三条曲线分别为1#孔、2#孔与3#孔，其中当前施工钻孔为3#钻孔，选定3#钻孔预测点为目标点，进行处置X轴切片。参照图2所示，六角星为样本点，双目标孪生支持向量回归算法构造两个不平行的最优超平面f1(x)和f2(x)，用于尽可能适合所有样本，实现最优回归。参照图3所示，实心圆圆心为目标点，空心方块为1#孔切点，空心三角为2#孔切点，三个同心圆的半径分别为3m、6m、9m，表示刻度，图中直接标出目标点与各切点之间的距离，单位m。本专利技术按以下步骤实施：1)规定零点钻孔，构建绝对坐标系包含同一工作面的所有钻孔；2)选择刚完成钻孔测点的倾角、方位角、工具面向角为输入参数，基于双目标孪生支持向量回归算法构建钻孔轨迹预测模型，预测下一个测点的三维空间绝对坐标；3)以预测点为目标点进行垂直X轴切片，计算所有切点到目标点距离，根据距离值判定是否存在串孔危险。规定零点钻孔，构建绝对坐标系包含同一工作面的所有钻孔，包括以下具体步骤：1)规定工作面内第一个钻孔为零点钻孔，测量当前钻孔孔口与零点钻孔孔口之间的偏移量，当前钻孔三维坐标加上偏移量转化为绝对三维坐标 和其中，Xi、Yi、Zi为i测点的相对孔口的三维空间坐标；ΔX、ΔY、ΔZ为当前钻孔孔口与零点钻孔孔口之间的偏移量。选择刚完成钻孔测点的倾角、方位角、工具面向角为输入参数，基于双目标孪生支持向量回归算法构建钻孔轨迹预测模型，预测下一个测点的三维空间绝对坐标，具体包括以下步骤：1)利用刚完成n个钻孔测点，n≥5的自然数，每个测点均记录钻孔倾角θi、方位角αi、工具面向角ωi，i＝1,2,…,n，构造训练样本集A和B其中1＜m≤n的自然数。2)双目标孪生支持向量回归算法如公式(1)和(2)所示，构造一对孪生的优化问题进行求解：其中公式(1)的是优化目标，s.t.B-(Aw1+eb1)≥eε1-ξ1，ξ1≥0是优化条件。w1表示公式(1)的支持向量机超平面的法向量，b1是相应的偏移量。ε1为公式(1)的不敏感因子，ξ1是公式(1)的松弛向量，e为与A行数相等的单位列向量。C1是公式(1)的惩罚因子。公式(2)是与公式(1)相匹配的孪生优化目标及条件，其符号含义与公式(1)相同。为解决上述一对孪生的优化问题，向公式(1)和(2)中引入拉格朗日算子γ1、γ2、β1、β2，将优化条件引入到优化目标中，获得拉格朗日函数(3)和(4)利用拉格朗日函数(3)和(4)在鞍点处求导为零，可对孪生优化问题求解。输入测试向量x＝[θn-m+1 … θn αn-m+1 … αn ωn-m+1 … ωn]，利用公式(5)可预测下一个测点的倾角和方位角其中K(A,x)表示核本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤1，规定零点钻孔，构建绝对坐标系包含同一工作面的所有钻孔；步骤2，选择刚完成钻孔测点的倾角、方位角、工具面向角为输入参数，基于双目标孪生支持向量回归算法构建钻孔轨迹预测模型，预测下一个测点的三维空间绝对坐标；步骤3，以预测点为目标点进行垂直X轴切片，计算所有切点到目标点距离，根据距离值判断是否存在串孔危险。

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤1，规定零点钻孔，构建绝对坐标系包含同一工作面的所有钻孔；步骤2，选择刚完成钻孔测点的倾角、方位角、工具面向角为输入参数，基于双目标孪生支持向量回归算法构建钻孔轨迹预测模型，预测下一个测点的三维空间绝对坐标；步骤3，以预测点为目标点进行垂直X轴切片，计算所有切点到目标点距离，根据距离值判断是否存在串孔危险。2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，其特征在于，所述步骤1具体为：规定工作面内第一个钻孔为零点钻孔，测量当前钻孔孔口与零点钻孔孔口之间的偏移量，基于以下公式得到测点的绝对三维坐标 X i a = X i + Δ X ]]> Y i a = Y i + Δ Y ]]> Z i a = Z i + Δ Z ]]>其中，Xi、Yi、Zi为i测点的相对孔口的三维空间坐标；ΔX、ΔY、ΔZ为当前钻孔孔口与零点钻孔孔口之间的偏移量。3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下定向钻进防串孔方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下子步骤：步骤2.1，获取刚完成的n个钻孔的测点参数，n为自然数，n≥5，每个测点均记录钻孔倾角θi、方位角αi、工具面向角ωi，i＝1,2,…,n，构造训练样本集A和B： B = θ m + 1 α m + 1 θ m + 2 α m + 2 . . . . . . θ n α n ]]>其中1＜m≤n的自然数。步骤2.1，基于公式(1)-(2)的双目标孪生支持向量回归算法构造一对孪生的优化问题进行求解： min w 1 , b 1 , ξ 1 1 2 | | B - eϵ 1 - ( Aw 1 + eb 1 ) | | 2 + C 1 e T ξ 1 s . t . B 1 2 | | ( Aw 1 + eb 1 ) ≥ eϵ 1 - ξ 1 , ξ 1 ≥ 0 - - - ( 1 ) ]]> min w 2 , b 2 , ξ 2 1 2 | | B - eϵ 2 ( Aw 2 + eb 2 ) | | 2 + C 2 e T ξ 2 s . t . ( Aw 2 + eb 2 ) - B ≥ eϵ 2 - ξ 2 , ξ 2 ≥ 0 - - - ( 2 ) ]]>其中公式(1)的是优化目标，s.t.B-(Aw1+eb1)≥eε1-ξ1,ξ1≥0是优化条件，w1表示公式(1)的支持向量机超平面的法向量，b1是相应的偏移量，ε1为公式(1)的不敏感因子，ξ1是公式(1)的松弛向量，e为与A行数相等的单位列向量，C1是公式(1)的惩罚因子，公式(2)是与公式(1)相匹配的孪生优化目标及条件，其符号含义与公式(1)相同；步骤2.2，向公式(1)和(2)中引入拉格朗日算子γ1、γ2、β1、β2，将优化条件引入到优化目标中，获得拉格朗日函数(3)和(4) L ( w 1 , b 1 , ξ 1 , γ 1 , β 1 ) = 1 2 | | B - eϵ 1 - ( Aw 1 + eb 1 ) | | 2 + C 1 e T ξ 1 - γ 1 [ B - ( Aw 1 + ...

【专利技术属性】
技术研发人员：马斌，王力，董洪波，申中杰，金新，贾明群，李浩，乔杰，张阳阳，徐保龙，
申请(专利权)人：中煤科工集团西安研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61