• ISSN 0258-2724
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基于数字钻进参数的岩石强度确定方法

贾朝军 陈范雷 雷明锋 黄娟 施成华 刘帝

贾朝军, 陈范雷, 雷明锋, 黄娟, 施成华, 刘帝. 基于数字钻进参数的岩石强度确定方法[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230328
引用本文: 贾朝军, 陈范雷, 雷明锋, 黄娟, 施成华, 刘帝. 基于数字钻进参数的岩石强度确定方法[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230328
JIA Chaojun, CHEN Fanlei, LEI Mingfeng, HUANG Juan, SHI Chenghua, LIU Di. Determination Method of Rock Strength Based on Digital Drilling Parameters[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230328
Citation: JIA Chaojun, CHEN Fanlei, LEI Mingfeng, HUANG Juan, SHI Chenghua, LIU Di. Determination Method of Rock Strength Based on Digital Drilling Parameters[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230328

基于数字钻进参数的岩石强度确定方法

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230328
基金项目: 国家自然科学基金(52008403,52178402)
详细信息
    作者简介:

    贾朝军(1989—),男,副教授,博士,研究方向为岩石力学与地下工程,E-mail:jiachaojun@csu.edu.cn

    通讯作者:

    雷明锋(1982—),男,教授,博士,研究方向为隧道与地下工程,E-mail:mingfenglei@csu.edu.cn

  • 中图分类号: TU452

Determination Method of Rock Strength Based on Digital Drilling Parameters

  • 摘要:

    岩石强度是衡量岩石稳定性和安全性的关键参数,而高效准确地预测岩石强度可以有效指导隧道的开挖和支护工作. 本文收集分析源于不同设备的数字钻进参数和岩石力学性质相关数据,基于钻进过程中的能量传递分析建立数字钻进参数与单轴抗压强度的定量关系;采用机器学习方法建立基于钻进参数的岩石强度预测模型,选择BP神经网络、随机森林、卷积神经网络和长短期记忆网络4种算法比较不同算法的预测效果,最终确定最优模型. 结果显示:相对于理论公式和其他3种机器学习算法,BP神经网络算法在岩石强度预测中表现优秀,其预测结果的均方根误差为5.794,平均绝对误差为4.129,相关系数为0.9749.

     

  • 图 1  样本中各参数箱线图

    Figure 1.  Box line plot of each parameter in sample

    图 2  聚晶金刚石复合片钻头

    Figure 2.  Polycrystalline diamond composite drill bits

    图 3  扭矩和推进力F随UCS变化曲线

    Figure 3.  Variation of torque M and propulsion F with UCS

    图 4  随机森林流程

    Figure 4.  Random forest flow chart

    图 5  BP神经网络流程

    Figure 5.  BP neural network flow chart

    图 6  CNN卷积神经网络流程

    Figure 6.  CNN flow chart

    图 7  LSTM长短期记忆网络流程

    Figure 7.  Long and short-term memory network flow chart

    图 8  去噪前后预测结果对比

    Figure 8.  Comparison of prediction results before and after denoising

    图 9  破岩能量与岩石强度关系

    Figure 9.  Relationship between rock breaking energy and rock strength

    图 10  评价结果对比

    Figure 10.  Comparison of evaluation results

    图 11  BP与CNN可视化结果对比

    Figure 11.  Comparison of BP and CNN visualization results

    表  1  232组数字钻进样本

    Table  1.   232 groups of digital drilling samples

    组数 来源 强度/MPa 岩石类型
    30组文献[9]49.80~61.91较硬砂岩
    1.90~30.81砂浆试件
    45组文献[10]1.98~116.09砂岩
    51组文献[11]2.50~9.00砂浆试件
    36组文献[12]49.80~61.91较硬砂岩
    1.90~35.21砂浆试件
    24组文献[13]48.35~55.68较硬砂岩
    1.56~36.05砂浆试件
    6组文献[14]81.90/69.20/49.80/
    49.20
    完整花岗岩/灰岩/
    粉砂岩/砂岩
    9.40破碎砂岩
    28.10注浆砂岩
    15组文献[15]58.29/约10.89/19.98完整/破碎/注浆砂岩
    75.23/约13.44/21.23完整/破碎/注浆灰岩
    约9.11/约33.45/18.99完整/破碎/注浆泥岩
    1.59~16.49砂浆试件
    25组文献[16-17]1.63~20.80砂浆试件
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    表  2  部分样本数据

    Table  2.   Part of sample data

    序号 钻进速度/
    ( mm·min−1
    钻头转速/
    (r·min−1
    扭矩/
    (N·m)
    推进力/
    kN
    岩石强
    度/MPa
    1 105.70 100 6.19 0.03 3.29
    2 87.94 100 7.30 0.02 2.58
    3 138.95 100 8.38 0.05 3.22
    4 124.80 50 17.01 0.03 2.37
    5 118.08 100 21.44 2.07 10.60
    6 132.05 100 22.34 2.15 10.54
    7 83.85 50 28.77 2.79 10.23
    8 85.18 99.71 48.25 3.86 28.10
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    表  3  数据集样本参数统计

    Table  3.   Dataset sample parameters

    取值类型 F/kN M/(N·m) V/
    (mm·min−1
    N/
    (r·min−1
    UCS/
    MPa
    最小值 0.01 0.42 0.19 41.92 1.59
    最大值 30.51 280.95 3566 1035 194.58
    中位值 1.49 22.34 85.66 100.32 16.24
    平均值 6.34 63.40 468.23 222.84 30.69
    标准差 9.96 88.01 757.52 192.39 37.30
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    表  4  岩石强度计算结果

    Table  4.   Results of rock strength calculation

    序号真实值/MPa计算值/MPa相对误差/%
    13.292.6110.10
    22.583.1421.80
    33.222.2928.93
    42.3715.8924.81
    510.602.2132.76
    610.544.2738.98
    710.231.9730.54
    828.101.0731.62
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    表  5  预测结果对比

    Table  5.   Comparison of prediction results

    序号 真实值/
    MPa
    理论计算
    值/MPa
    BP预测
    值/MPa
    理论计算
    误差/%
    机器学习
    误差/%
    1 3.29 2.23 4.58 32.20 8.93
    2 2.58 3.15 5.11 22.27 20.60
    3 3.22 2.32 5.06 27.99 5.04
    4 2.37 2.63 1.95 10.86 17.52
    5 10.60 7.30 11.89 31.18 12.19
    6 10.54 7.21 12.33 31.60 16.96
    7 10.23 8.40 7.45 17.93 17.40
    8 28.10 19.81 34.35 29.51 22.24
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-06
  • 修回日期:  2024-01-15
  • 网络出版日期:  2024-07-23

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