本發明涉及煤礦智能化開采，尤其涉及基于煤巖截割趨同性的巖石卸荷孔布局與參數優化方法。

背景技術：

1、作為全球最大的能源生產和消費國，煤炭是支撐我國國民經濟發展的主體能源，是能源安全的重要保障和工業生產的重要原料，其高質量發展是我國能源變革的關鍵所在。在實際煤礦開采中，當采煤機接觸到煤巖分界層時，堅硬的巖層會降低截割效率，導致截齒磨損加劇，且容易產生火花，這些因素都對煤礦的安全開采構成威脅，如何高效、安全地處理煤巖分界層的煤礦開采是煤巖智能化開采中的重要問題之一。

2、現存技術通常先對巖層進行預裂，減弱巖層的強度，從而降低采煤機的截割壓力，主要包括鉆孔爆破，靜態致裂等技術，前者需要進行爆破存在安全隱患，后者致裂周期長，效率低下。專利名稱為“煤礦井下采煤工作面水力壓裂快速過堅硬巖石斷層的方法”將水力壓裂技術應用到了巖層預裂中，較好地平衡了上述兩個缺點，但該專利未能明確指出巖層屬性與壓裂孔布置參數之間的關系，從而未能實現最高效的巖層預裂。

3、研究表明，在煤巖開采中，巖層的破碎主要是通過截割滾筒對其進行壓縮破壞實現的，這種破碎難度主要與巖層的抗壓強度有關，根據應力集中理論，在巖層上布置卸荷孔可以降低巖層的整體抗壓強度，進而降低采煤機的截割難度。基于上述，本專利通過對卸荷孔進行布局優化，以較低的卸荷孔鉆孔成本實現較高的巖層抗壓強度下降，進一步在巖層上布置卸荷孔，從而實現煤層與巖層的抗壓強度趨同，以完成高效的煤巖分界層開采。

技術實現思路

1、為解決上述現有技術中存在的技術問題，本發明提出了基于煤巖截割趨同性的巖石卸荷孔布局與參數優化方法，通過對卸荷孔進行布局優化，以較低的卸荷孔鉆孔成本實現較高的巖層抗壓強度下降，進一步在巖層上布置卸荷孔，降低巖層的整體抗壓強度至與煤層趨同，從而減少采煤機對煤巖分界層的截割難度，最終實現高效開采。

2、為實現上述目的，本發明提供了基于煤巖截割趨同性的巖石卸荷孔布局與參數優化方法，包括：

3、構建卸荷孔布局優化模型，將待處理的巖層卸荷孔數據輸入所述卸荷孔布局優化模型中，獲取最優卸荷孔布局；

4、通過所述最優卸荷孔布局對巖層進行鉆孔預裂，實現巖層抗壓強度與煤層趨同；

5、其中，所述卸荷孔布局優化模型通過神經網絡模型構建，并通過巖層卸荷孔數據集進行訓練獲得。

6、優選地，獲得所述巖層卸荷孔數據集，包括：

7、分別獲取煤壁的煤巖邊界與三維表征、煤層與巖層的抗壓強度，基于有限元仿真構建所述巖層卸荷孔數據集；

8、其中，采用回彈法獲取所述煤層與巖層的抗壓強度，包括：

9、對回彈儀進行校準，對被測煤層或巖層的若干測試點進行回彈測試，記錄每個測試點的回彈值，通過查表法換算每個所述回彈值對應的抗壓強度，對所有測試點的抗壓強度進行平均計算，分別獲得煤層的抗壓強度或巖層的抗壓強度。

10、優選地，構建所述巖層卸荷孔數據集，包括：

11、基于所述煤壁的煤巖邊界與三維表征提取巖層三維表征，將所述巖層三維表征導入ansys軟件，設置巖層在ansys軟件中的抗壓強度為實測巖層抗壓強度，將所述實測巖層抗壓強度作為巖層的原始抗壓強度，對巖層進行網格劃分，向巖層施加不同布局的卸荷孔載荷，運行靜態求解器進行分析，獲取施加卸荷孔載荷后的巖層抗壓強度，將所述施加卸荷孔載荷后的巖層抗壓強度作為目標抗壓強度；

12、記錄不同巖層三維表征及其原始抗壓強度、施加的不同卸荷孔布局及卸荷后的巖層抗壓強度，共同構成所述巖層卸荷孔數據集；

13、其中，通過對高于煤壁煤巖邊界的煤壁三維表征進行濾除，獲得所述巖層三維表征。

14、優選地，所述巖層卸荷孔數據集中，所述巖層三維表征、所述原始抗壓強度和所述目標抗壓強度為所述巖層卸荷孔數據集中的源數據，卸荷孔布局為所述巖層卸荷孔數據集中的標注數據；

15、卸荷孔布局的內容包括：卸荷孔直徑、卸荷孔行列和卸荷孔間距；所述卸荷孔直徑的選取范圍為鉆頭直徑，所述卸荷孔行列為卸荷孔行與列的數量，所述卸荷孔間距為兩個卸荷孔之間垂直或者水平的間距，所述垂直或水平的間距相等。

16、優選地，所述卸荷孔布局優化模型包括輸入層、中間層和輸出層，輸入為巖層三維表征、原始抗壓強度以及目標抗壓強度，輸出為卸荷孔布局；

17、所述輸入層用于將輸入數據轉化為張量格式，并通過歸一化處理將輸入數據縮放到均值為0，標準差為1的范圍；

18、所述中間層由若干線性層和正則化層組成，所述中間層用于對輸入層輸出的數據進行特征的線性組合，提取特征；

19、所述輸出層用于生成卸荷孔布局。

20、優選地，通過所述巖層卸荷孔數據集對所述卸荷孔布局優化模型進行訓練，包括：

21、將所述巖層卸荷孔數據集中的源數據輸入到卸荷孔布局優化模型中，經過前向傳播輸出卸荷孔布局結果；將所述卸荷孔布局結果與所述巖層卸荷孔數據集中的標注數據進行損失計算，獲得損失值；

22、通過所述損失值進行反向傳播，并反復進行迭代訓練，直至卸荷孔布局優化模型精度達到設定閾值，完成卸荷孔布局優化模型訓練。

23、優選地，獲取所述最優卸荷孔布局，包括：

24、獲取現場開采中的煤壁的煤巖分界線與三維表征，對所述煤巖分界線與三維表征進行處理獲取待檢測的巖層三維表征，通過回彈法測量煤層與巖層的抗壓強度，其中煤層的抗壓強度為待檢測的目標抗壓強度，巖層的抗壓強度為待檢測的原始抗壓強度；

25、將所述待檢測的巖層三維表征、待檢測的原始抗壓強度、待檢測的目標抗壓強度輸入到所述卸荷孔布局優化模型中，輸出所述最優卸荷孔布局。

26、優選地，獲取所述最優卸荷孔布局后還包括對巖層之外的無用卸荷孔進行濾除，得到最終的最優卸荷孔布局；

27、其中，對巖層之外的無用卸荷孔進行濾除，包括：

28、基于卸荷孔坐標(x，y)以及卸荷孔直徑d，沿卸荷孔周長每間隔預設角度取一個點，作為卸荷孔圓邊的坐標，其中，每個點的坐標(xdot，ydot)＝(d/2·cosθ，d/2·cosθ)，θ為當前的間隔角度；

29、當卸荷孔的所有y坐標都大于在同一煤巖邊界線x位置上的煤巖邊界線y坐標時，此卸荷孔處于巖層外，即所述無用卸荷孔，進行濾除；

30、對所有卸荷孔進行濾除操作，獲得所述最終的最優卸荷孔布局。

31、優選地，根據所述最終的最優卸荷孔布局，對巖層進行鉆孔，實現巖層的預裂。

32、與現有技術相比，本發明具有如下優點和技術效果：

33、本發明基于應力集中理論，通過對卸荷孔進行布局優化，以較低的卸荷孔鉆孔成本實現了較高的巖層抗壓強度下降，進一步在巖層上布置卸荷孔，降低巖層的整體抗壓強度至與煤層趨同，以實現高效的煤巖分界層開采，具備步驟簡單、能效比高的特點。

技術特征：

1.基于煤巖截割趨同性的巖石卸荷孔布局與參數優化方法，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的基于煤巖截割趨同性的巖石卸荷孔布局與參數優化方法，其特征在于，獲得所述巖層卸荷孔數據集，包括：

3.根據權利要求2所述的基于煤巖截割趨同性的巖石卸荷孔布局與參數優化方法，其特征在于，構建所述巖層卸荷孔數據集，包括：

4.根據權利要求3所述的基于煤巖截割趨同性的巖石卸荷孔布局與參數優化方法，其特征在于，所述巖層卸荷孔數據集中，所述巖層三維表征、所述原始抗壓強度和所述目標抗壓強度為所述巖層卸荷孔數據集中的源數據，卸荷孔布局為所述巖層卸荷孔數據集中的標注數據；

5.根據權利要求1所述的基于煤巖截割趨同性的巖石卸荷孔布局與參數優化方法，其特征在于，所述卸荷孔布局優化模型包括輸入層、中間層和輸出層，輸入為巖層三維表征、原始抗壓強度以及目標抗壓強度，輸出為卸荷孔布局；

6.根據權利要求5所述的基于煤巖截割趨同性的巖石卸荷孔布局與參數優化方法，其特征在于，通過所述巖層卸荷孔數據集對所述卸荷孔布局優化模型進行訓練，包括：

7.根據權利要求1所述的基于煤巖截割趨同性的巖石卸荷孔布局與參數優化方法，其特征在于，獲取所述最優卸荷孔布局，包括：

8.根據權利要求7所述的基于煤巖截割趨同性的巖石卸荷孔布局與參數優化方法，其特征在于，獲取所述最優卸荷孔布局后還包括對巖層之外的無用卸荷孔進行濾除，得到最終的最優卸荷孔布局；

9.根據權利要求8所述的基于煤巖截割趨同性的巖石卸荷孔布局與參數優化方法，其特征在于，根據所述最終的最優卸荷孔布局，對巖層進行鉆孔，實現巖層的預裂。

技術總結
本發明公開了基于煤巖截割趨同性的巖石卸荷孔布局與參數優化方法，包括：構建卸荷孔布局優化模型，將待處理的巖層卸荷孔數據輸入所述卸荷孔布局優化模型中，獲取最優卸荷孔布局；通過所述最優卸荷孔布局對巖層進行鉆孔預裂，實現巖層抗壓強度與煤層趨同；其中，卸荷孔布局優化模型通過神經網絡模型構建，并通過巖層卸荷孔數據集進行訓練獲得。本發明通過對卸荷孔進行布局優化，以較低的卸荷孔鉆孔成本實現較高的巖層抗壓強度下降，進一步在巖層上布置卸荷孔，降低巖層的整體抗壓強度至與煤層趨同，從而減少采煤機對煤巖分界層的截割難度，最終實現高效開采。

技術研發人員：王海艦,莫涵,胡洲翔,陳楊,李雪梅
受保護的技術使用者：桂林電子科技大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28