一种基于岩屑粒径分布特征的岩体性能获取方法及系统

本发明涉及露天矿山开采爆破，尤其涉及一种基于岩屑粒径分布特征的岩体性能获取方法及系统。

背景技术：

1、台阶爆破是目前露天矿山破碎岩石最经济有效的手段，爆破效果的好坏直接影响矿山后续生产效率和经济效益。影响爆破效果的主要因素可概括为岩体性能、炸药性能和爆破工艺及参数三个方面。其中，对于同一矿山，炸药性能基本不变，而岩体性能又决定了爆破工艺及参数的选择。由于矿山不同区域和不同开采深度的岩体性能存在差异，但是爆破工艺与参数没有随之及时进行调整，导致爆破效果较差，爆破安全也无法保证，生产成本大幅增加。因此地层岩体性能的实时获取对露天矿山高效经济开采具有重要意义。

2、岩体性能主要包括岩体结构参数和岩石力学参数。根据众多学者的研究发现，岩体结构参数是影响岩体可爆性的主要因素，可直接通过现场地质勘察测量得到。岩石力学参数主要包括单轴抗压强度、抗拉强度和抗剪强度等，主要通过室内力学试验或原位测试技术得到。然而采用上述方法达到实时获取地层岩体性能的目的成本过高，时间周期过长，难以实时指导矿山爆破生产设计。

3、传统的获取地层岩体性能的方法有室内试验法与地球物理测井法；室内试验法是将现场收集岩石加工成试验样品，再通过相关仪器设备试验得到岩石力学参数的方法，但该方法周期长，成本较高，而且只能获取局部的岩石力学性质参数，工程应用中存在一定的局限性；地球物理测井法基于物理学的基本原理（如电磁、声波、放射性），通过采用先进的仪器设备，探测井壁介质的物理特性参数，然后通过数据处理获取地层的岩石物理力学性质，但是地球物理探测技术在应用中也存在一定的局限性，现场实施成本高、周期长，获取的岩体结构信息精度变化较大，降低了爆破设计的精准性。

4、岩屑是指钻机在钻进过程中钻头破碎岩体后被循环介质携带出地表的岩石碎屑，相同类型的钻机及钻进工艺对不同性质的地层岩体产生岩屑的粒径大小数量都不相同，且现场获取相对容易，而钻孔岩屑颗粒大小分布与岩体的力学性能和地质结构紧密相关，因此，亟待设计一种基于岩屑粒径分布特征的岩体性能获取方法及系统，解决上述现有技术存在的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或者改进需求，本发明提供了一种基于岩屑粒径分布特征的岩体性能获取方法及系统，其目的在于通过利用钻机工作时排出岩屑的粒径分布特征输入到构建的岩体特性预测模型中，预测得到相对应的地层岩体性能，不仅能够有效降低成本，还能提高岩体性能获取的精准性。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种基于岩屑粒径分布特征的岩体性能获取方法，所述方法包括以下步骤：

4、s1：收集并获取钻机钻孔岩屑的粒径分布特征，所述岩屑的粒径分布特征包括岩屑各级粒径占比和岩屑最大粒径尺寸；

5、s2：获取岩体性能，所述岩体性能包括钻孔内岩体节理裂隙特征信息和钻孔周边岩石力学参数；

6、s3：构建基于钻孔岩屑粒径分布的岩体特性预测模型，所述岩体特性预测模型为pso-bp神经网络预测模型；

7、s4：通过最大最小标准化的方法对所述步骤s1和步骤s2所获取的数据进行归一化处理，形成数据库，利用所述数据库对岩体特性预测模型进行训练和测试，得到训练好的岩体特性预测模型；

8、s5：收集并获取待爆台阶穿孔作业时的岩屑粒径分布特征，代入训练好的岩体特性预测模型计算得到待爆台阶的岩体性能。

9、作为本申请的一实施例，所述步骤s1具体包括：

10、s11：收集矿山穿孔作业产生的岩屑,收集岩屑的钻孔数量为个，每个钻孔深度为m，在钻机钻进过程中每隔m连续取kg岩屑；

11、s12：每个炮孔收集岩屑样品数量a为个，其中a向下取整；

12、s13：采用不同目数的筛网分别对每个岩屑样品进行分级筛分，对每一级筛网筛分出的岩屑样品进行称重，并测量其最大粒径尺寸，最后计算每个岩屑样品各级粒径占比，计算公式如下：

13、

14、其中，为岩屑各级粒径占比，为筛网目数，为筛网目数对应孔径上的岩屑样品的质量，为每个岩屑样品总质量。

15、作为本申请的一实施例，所述步骤s2中通过采用孔内摄像技术和地质调查方法获取收集岩屑的个钻孔不同深度的岩体节理裂隙特征信息，通过室内力学试验分别获取收集岩屑的个钻孔周边不同深度的岩石力学参数。

16、作为本申请的一实施例，所述岩体节理裂隙特征信息参数为岩体节理密度参数；所述岩石力学参数包括抗拉强度、抗压强度和抗剪强度。

17、作为本申请的一实施例，所述步骤s4中利用所述数据库对岩体特性预测模型进行训练和测试，得到训练好的岩体特性预测模型具体包括：

18、将所述数据库分为训练集和测试集；

19、以所述训练集中不同级配的岩屑粒径占比和最大粒径尺寸为输入参数，岩石力学参数和岩体节理密度参数为输出参数，通过岩体特性预测模型不断迭代寻优确定最优参数；

20、以所述测试集中不同级配的岩屑粒径占比和最大粒径尺寸作为输入参数，输出预测的岩石力学参数和岩体节理密度参数，将预测值与真实值进行对比，验证模型的可靠性，若计算误差小于设定的阈值，岩体特性预测模型训练完成，得到训练好的岩体特性预测模型。

21、本发明还提供了一种基于岩屑粒径分布特征的岩体性能获取系统，包括：

22、岩屑粒径分布特征收集模块：用于收集并获取钻机钻孔岩屑的粒径分布特征，所述岩屑的粒径分布特征包括岩屑各级粒径占比和岩屑最大粒径尺寸；

23、岩体性能获取模块：用于获取岩体性能，所述岩体性能包括钻孔内岩体节理裂隙特征信息和钻孔周边岩石力学参数；

24、模型构建模块：用于构建基于钻孔岩屑粒径分布的岩体特性预测模型；

25、模型训练模块：通过最大最小标准化的方法对岩屑粒径分布特征收集模块和岩体性能获取模块所获取的数据进行归一化处理，形成数据库，利用所述数据库对岩体特性预测模型进行训练和测试，得到训练好的岩体特性预测模型；

26、计算模块：收集并获取待爆台阶穿孔作业时的岩屑粒径分布特征，代入训练好的岩体特性预测模型计算得到待爆台阶的岩体性能。

27、本发明的有益效果为：

28、本发明首先通过收集并获取钻机钻孔岩屑的粒径分布特征，然后获取钻孔内岩体节理裂隙特征信息和钻孔周边岩石力学参数，通过机器学习智能算法构建基于钻孔岩屑粒径分布的岩体特性预测模型，最后收集并获取待爆台阶穿孔作业时的岩屑粒径分布特征，代入预测模型计算得到待爆台阶的岩体性能，相对于传统的获取地层岩体性能的方法，本发明不仅能够有效减少现场岩石取样和加工、各种室内力学试验或原位测试的工作量，降低成本，同时具有时效性强、费用低、无需脱离岩石天然环境等诸多优势，提高岩体性能获取的精准性。

1.一种基于岩屑粒径分布特征的岩体性能获取方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于岩屑粒径分布特征的岩体性能获取方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：

3.根据权利要求1所述的一种基于岩屑粒径分布特征的岩体性能获取方法，其特征在于，所述步骤s2中通过采用孔内摄像技术和地质调查方法获取收集岩屑的个钻孔不同深度的岩体节理裂隙特征信息，通过室内力学试验分别获取收集岩屑的个钻孔周边不同深度的岩石力学参数。

4.根据权利要求3所述的一种基于岩屑粒径分布特征的岩体性能获取方法，其特征在于，所述岩体节理裂隙特征信息参数为岩体节理密度参数；所述岩石力学参数包括抗拉强度、抗压强度和抗剪强度。

5.根据权利要求4所述的一种基于岩屑粒径分布特征的岩体性能获取方法，其特征在于，所述步骤s4中利用数据库对岩体特性预测模型进行训练和测试，得到训练好的岩体特性预测模型具体包括：

6.一种基于岩屑粒径分布特征的岩体性能获取系统，其特征在于，包括：