工程岩体结构形态评估方法技术

本发明专利技术公开了一种工程岩体结构形态评估方法，对工程岩体进行冲击成孔，实时记录并存储钻孔过程中的随钻参数；成孔后，采用高清相机沿钻孔深度进行全孔成像；对随钻参数进行过滤；采用主成分分析方法对随钻参数进行降维处理，确定两个主成分及计算参数；根据孔内成像照片，将孔内岩体状态分为若干类型；根据计算参数，分别绘制每种类型岩体的主成分密度图，确定第一主成分；绘制每种类型岩体的第一主成分的概率密度曲线，划分各种类型岩体的第一主成分区间；根据随钻参数，计算第一主成分数值，确定岩体状态类型。本发明专利技术帮助技术人员利用随钻测量参数，快速、准确评估工程岩体结构形态，为隧道支护、开挖和矿山规划、设计提供决策依据。据。据。

【技术实现步骤摘要】
工程岩体结构形态评估方法


[0001]本专利技术涉及隧道、矿体开挖领域。更具体地说，本专利技术涉及一种工程岩体结构形态评估方法。

技术介绍

[0002]隧道开挖和支护、矿山规划和设计通常基于岩体性质，包括岩体的强度特性和结构特性。为了降低成本，传统取芯钻孔间距大，通常对岩体划分进行插值处理，导致对岩体的表征过于粗放，忽略了对小规模岩体结构特性的认识。这将显著影响作业结果，并可能增加生产成本，降低挖掘和开采效率；如果忽略了条件较差的岩体，最终会降低安全性。此外，可以在取芯孔和生产爆破孔中进行地球物理测井，以提供各种各样的现场地质信息，如裂隙、孔洞、破碎带等。然而，特定的地球物理测井(如FMI测井)成本很高，在水平孔中存在卡、堵等意外情况，不能在大多数现场或常规生产实践中使用。
[0003]大量研究表明，岩石特征对钻孔响应有重要影响，通过测量钻探参数以监测钻机性能的技术能够以高分辨率评估岩体变化的特性。随钻测量(MWD)是一种以特定长度间隔记录钻孔数据的技术，能够提供有关钻孔作业参数的信息。这项技术能够在生产过程中以最小干扰提供高分辨率数据，使MWD成为岩体表征的补充工具。
[0004]然而，尽管这项技术具有先天优势，而且隧道和矿山项目超前钻孔和爆破钻孔会产生大量钻进数据，然后数据的处理和解释的困难使其在日常施工中作为决策工具的应用变得复杂。因此，急需开发一种新方法能够将这些大量的随钻测量参数利用起来，去伪存真，筛选出能够真实反映岩体特性变化的信息，并利用这些信息快速、低成本地评估岩体结构形态，为隧道支护、开挖和矿山规划、设计提供决策依据。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种工程岩体结构形态评估方法，帮助技术人员利用随钻测量参数，快速、准确评估工程岩体结构形态，为隧道支护、开挖和矿山规划、设计提供决策依据。
[0006]本专利技术解决此技术问题所采用的技术方案是：一种工程岩体结构形态评估方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：对工程岩体进行冲击成孔，实时记录并存储钻孔过程中的随钻参数；成孔后，采用高清相机沿钻孔深度进行全孔成像；
[0008]步骤二：对随钻参数进行过滤；采用主成分分析方法对随钻参数进行降维处理，确定两个主成分及计算参数；
[0009]步骤三：根据孔内成像照片，将孔内岩体状态分为若干类型；根据计算参数，分别绘制每种类型岩体的主成分密度图，确定第一主成分；
[0010]步骤四：绘制每种类型岩体的第一主成分的概率密度曲线，划分各种类型岩体的第一主成分区间；
[0011]步骤五：根据随钻参数，计算第一主成分数值，确定岩体状态类型。
[0012]优选的是，所述步骤一中，冲击成孔的同时采用水压冲洗，防止粉尘污染，同时起到冷却钻头的作用；采集的钻孔参数不少于5个，至少包括钻进深度、钻进速率、钻压、扭矩和转速，每钻进2cm采集一次随钻参数，如果有水压参数，也可以纳入其中。
[0013]优选的是，所述步骤一中，钻孔成像之前，要对钻孔进行清洗，便于钻孔孔内结构形态的识别；高清相机通过钻杆推送至孔内，并通过有长度标记的电缆记录拍摄孔壁对应的孔深。
[0014]优选的是，高清相机与钻杆直径均小于孔径2cm及以上，防止钻杆与相机在钻孔内卡住；为了与钻进深度相匹配，电缆最小刻度为1cm。
[0015]优选的是，所述步骤二中对随钻参数进行过滤具体为：根据完整的数据集，对钻进速率、钻压、扭矩和转速均保留95％置信区间内的数据进行分析，过滤掉剩余5％的数据。
[0016]优选的是，所述步骤二中主成分分析方法具体为：1)钻进参数的重要性排序为，按照钻进速率>钻压>扭矩>钻速变化率>归一化钻压>扭矩变化率>转速的次序，将所有参数纳入主成分分析；2)计算得到前两个主成分累积贡献率小于80％时，依次去掉排序靠后的参数重新进行主成分分析；3)直到前两个主成分累计贡献率达到80％及以上时，确定最终计算参数，累积贡献率取80％及以上，表明两个主成分可以反映所有参数80％及以上的信息和功能，累积贡献率要求较高。
[0017]优选的是，所述步骤三中，根据孔内成像照片，将孔壁岩体状态分为4类，分别为完整岩体、破碎岩体、塌陷区及孔洞，类别划分比较全面。
[0018]优选的是，4种孔内结构形态的密度图的分布范围在两个主成分坐标上体现出来，4个密度图对应的两个主成分坐标重叠范围越小、错开情况越明显，表明4种孔内结构形态越容易区分开来，此时选择易于区分的主成分为第一主成分。
[0019]绘制每种类型岩体的主成分密度图，确定第一主成分，其步骤具体包括：1)根据钻孔成像记录，分别找出4类孔内结构形态在钻孔内对应的深度范围；2)根据深度范围，找出对应的钻进参数和所述计算参数；3)采用所述主成分分析方法，绘制主成分密度图；4)根据分布图的重叠、错开情况，确定第一主成分。
[0020]优选的是，所述步骤四中绘制4条概率密度曲线，其交点对应的第一主成分坐标值即为分界点，一共得到4个分界点，5个区间，对应5种孔内结构形态。
[0021]优选的是，对于新的钻孔，第一主成分计算值是利用过滤后的计算参数进行计算得到的，然后找到步骤四对应的区间，确定孔内结构形态类别，实现利用随钻测量参数识别工程岩体结构形态。
[0022]本专利技术至少包括以下有益效果：本专利技术的工程岩体结构形态评估方法解决了传统钻孔取芯工作量大、岩体表征过于粗放，地球物理测井多解性强、成本高等缺点。实现了隧道开挖面、矿山爆破体等小规模、原位岩体结构形态的快速、准确评估。
[0023]本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0024]图1是工程岩体结构形态评估方法流程；
[0025]图2是随钻参数沿深度的变化曲线；
[0026]图3是孔内岩体结构类型；
[0027]图4是第一主成分的概率密度；
[0028]图5是基于随钻测量参数划分岩体结构形态划分；
具体实施方式
[0029]下面结合附图对本专利技术进行详细、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本专利技术。在结合附图对本专利技术进行说明前，需要特别指出的是：本专利技术中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
[0030]此外，下述说明中涉及到的本专利技术的实施例通常仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0031]以下结合附图及实施对本专利技术作进一步的详细说明，其具体实施过程如下：
[0032]实施例1
[0033]如图1所示为本专利技术工程岩体结构形态评估流程图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工程岩体结构形态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：对工程岩体进行冲击成孔，实时记录并存储钻孔过程中的随钻参数；成孔后，采用高清相机沿钻孔深度进行全孔成像；步骤二：对随钻参数进行过滤；采用主成分分析方法对随钻参数进行降维处理，确定两个主成分及计算参数；步骤三：根据孔内成像照片，将孔内岩体状态分为若干类型；根据计算参数，分别绘制每种类型岩体的主成分密度图，确定第一主成分；步骤四：绘制每种类型岩体的第一主成分的概率密度曲线，划分各种类型岩体的第一主成分区间；步骤五：根据随钻参数，计算第一主成分数值，确定岩体状态类型。2.如权利要求1所述的工程岩体结构形态评估方法，其特征在于，采集的随钻参数不少于5个，至少包括钻进深度、钻进速率、钻压、扭矩和转速。3.如权利要求1所述的工程岩体结构形态评估方法，其特征在于，高清相机通过钻杆推送至孔内，并通过有长度标记的电缆记录拍摄孔壁对应的孔深。4.如权利要求3所述的工程岩体结构形态评估方法，其特征在于，高清相机与钻杆直径均小于孔径2cm及以上，电缆长度标记的最小刻度为1cm。5.如权利要求2所述的工程岩体结构形态评估方法，其特征在于，所述步骤二中对随钻参数进行过滤具体为：根据完整的数据集，对钻进速率、钻压、扭矩和转速均保留95％置信区间内的数据进行分析，过滤掉剩余5％的数据。6.如权利要求5所述的工程岩体结构形态评估方法，其特征在于，所述步骤二中主成分分析方法具体为：1)按照钻进速率...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨钊，姬付全，邱敏，陈培帅，赵旭，朱俊涛，詹才钊，李德杰，马超，石章入，李嘉成，刘杰，贺祖浩，饶为胜，袁青，江鸿，杨林，梁晓腾，曹昂，于锦，张子平，
申请(专利权)人：中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：