一种基于窥视标定的围岩结构面随钻实时识别方法及系统

本发明属于地下工程围岩探测、随钻测量数据处理、钻孔窥视标定及智能识别，具体涉及一种基于窥视标定的围岩结构面随钻实时识别方法及系统。

背景技术：

1、在煤矿巷道、隧道等地下工程施工过程中，围岩内部普遍发育有裂隙、离层、岩层界面等各类结构面。结构面的空间分布、发育范围等赋存特征，直接决定围岩完整性与承载性能，是开展巷道围岩稳定性评价、支护参数优化设计的核心依据。因此，快速、精准识别围岩结构面的类型及赋存范围，对保障地下工程安全施工、规避围岩失稳风险具有重要的工程实际意义。

2、目前，地下工程围岩结构面识别主要依托钻孔窥视技术与随钻探测技术两类手段实现，两类技术各有优劣，但均存在单一技术无法兼顾精准标定与实时识别的技术短板。其中，钻孔窥视技术可直观获取孔壁结构面形态、裂隙边界、岩层界面及破碎带发育范围，成像结果真实可靠，可作为围岩结构面真实位置、类型的精准标定依据。但该技术需在钻孔施工完成后实施，无法适配钻进过程的实时检测需求；同时，检测结果易受成像质量、孔内泥渣遮挡、孔壁清洁度及人工判读经验等因素干扰，识别精度和稳定性难以保障，无法实现钻进全过程的动态实时识别。

3、随钻探测技术可在钻孔钻进过程中，实时采集钻进深度、钻速、转速、推力、扭矩等多维钻进参数，能够连续、动态表征钻头与围岩的相互作用状态。当钻头穿越围岩结构面时，各类随钻参数会产生显著突变或异常波动，可有效支撑结构面的实时动态识别。但仅依靠单一随钻参数进行识别，极易受现场钻进工况波动、钻头磨损程度、人工操作差异、传感器采集噪声及局部岩性变化等因素影响，频繁出现参数异常误触发、结构面边界定位偏移、识别结果稳定性差等问题，且无法对识别结果的置信度进行有效评价。

4、现有围岩结构面识别技术体系中，钻孔窥视识别与随钻实时识别多为相互独立的作业流程，未形成高效融合的识别机制。钻孔窥视仅用于事后成像观测与人工结果复核，随钻识别仅依托参数异常实现初步判定，行业内尚未形成以钻孔窥视数据为先验标定依据、现场钻进阶段依托随钻参数自主实时识别的一体化运行方案。具体而言，现有技术缺失多项核心适配机制，包括稳定钻进段基准在线更新机制、适配现场工况的自适应异常阈值触发机制、结构面候选粗定位窗口与边界精确定位窗口的两级处理机制，以及多窗口识别概率融合、识别结果置信度复核标记的配套技术方案，导致现有识别方法工况适应性差、定位精度低、识别结果可信度不足，难以满足复杂地下工程围岩结构面高精度、实时化、智能化的识别需求。为些，亟需提供一种基于窥视标定的围岩结构面随钻实时识别方法及系统。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于窥视标定的围岩结构面随钻实时识别方法及系统，该方法能兼顾钻孔窥视标定精度和随钻实时识别效率，可实现围岩结构面从钻孔窥视高精度标定到随钻参数实时高效识别的完整转化，为地下工程围岩结构面的现场快速探测和智能识别提供了可靠的技术方案。该系统基于模块化协同架构，能有效解决现有技术中钻孔窥视难以实时应用、单独随钻识别受工况波动影响较大、结构面边界概率化输出不足以及低置信度识别结果缺少复核标记机制的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种基于窥视标定的围岩结构面随钻实时识别方法，包括以下步骤：

3、步骤1：获取经钻孔窥视数据预先标定形成的随钻结构面识别运行包；在模型训练阶段或标定阶段利用钻孔窥视数据对随钻结构面识别模型进行标定，形成现场识别阶段仅依赖随钻参数的运行包；

4、步骤2：实时采集随钻参数并构建流式随钻窗口；在现场钻进过程中实时采集随钻参数，按照预设深度步长构建流式随钻窗口，并从已钻进区段中确定稳定钻进段；

5、步骤3：在线更新随钻参数基准响应并计算归一化机械响应特征；基于当前钻孔已钻进区段中的稳定钻进段，在线更新随钻参数基准响应，并计算流式随钻窗口内的归一化机械响应特征；

6、步骤4：自适应更新结构面异常触发阈值；根据当前钻孔稳定钻进段的机械响应特征统计量，动态更新各归一化机械响应特征的结构面异常触发阈值；

7、步骤5：异常触发与边界精细定位窗口启动；当归一化机械响应特征满足异常触发条件时，将该流式随钻窗口标记为候选触发窗口，并启动以候选触发窗口为中心的边界精细定位窗口；

8、步骤6：模型推理与多概率输出；将边界精细定位窗口内的随钻参数序列和归一化机械响应特征输入随钻结构面识别模型，输出结构面类型概率、起点边界概率分布、终点边界概率分布和结构面存在概率；

9、步骤7：多窗口概率融合与结构面参数确定；对连续多个边界精细定位窗口的输出结果进行概率融合，确定同一结构面候选区间的结构面类型、起始深度、终止深度和发育长度；

10、步骤8：识别置信度计算与待复核标记；根据多维度信息计算识别置信度，输出结构面识别结果；当识别置信度低于预设复核阈值时，将对应深度区间标记为待钻孔窥视复核区间。

11、作为一种优选，在步骤1中，获取经钻孔窥视数据预先标定形成的随钻结构面识别运行包的过程如下：

12、在模型训练阶段或标定阶段，利用钻孔窥视数据确定结构面类型、结构面起始深度和结构面终止深度，并结合相应深度区间内的随钻参数序列和机械响应特征，训练获得经钻孔窥视数据标定的仅随钻输入模型，作为随钻结构面识别模型；所述随钻结构面识别模型在现场识别阶段仅以随钻参数序列和归一化机械响应特征为输入；完成训练或标定后，将模型参数、随钻参数特征标准化参数、稳定钻进段判定参数、异常触发初始阈值、边界精定位窗口参数、多窗口融合参数和置信度计算参数封装为随钻结构面识别运行包；

13、所述随钻结构面识别运行包至少包括随钻结构面识别模型参数、随钻参数特征标准化参数、稳定钻进段判定参数、异常触发初始阈值、边界精定位窗口参数、多窗口融合参数和置信度计算参数；其中，所述钻孔窥视数据仅用于训练阶段、标定阶段或复核阶段确定结构面类型、结构面起始深度和结构面终止深度。

14、作为一种优选，在步骤2中，实时采集随钻参数并构建流式随钻窗口的过程如下：

15、s21：在现场钻进过程中实时采集待识别钻孔的随钻参数；所述随钻参数包括钻进深度、钻进时间、钻速、转速、推力、扭矩、钻杆位移、液压压力、钻进振动或钻机功率中的多种；现场识别阶段仅利用钻进过程实时采集的随钻参数完成结构面识别；

16、s22：将所述随钻结构面识别运行包加载至现场操作主机、边缘计算终端或钻机数据处理单元中；按照预设深度步长将随钻参数划分为连续流式随钻窗口，每个流式随钻窗口对应一段连续的钻孔深度区间；

17、s23：在当前钻孔已钻进区段中，若某一深度区段内机械响应波动幅值低于预设稳定阈值，且未被标记为结构面候选区间，则将其确定为稳定钻进段；所述机械响应波动幅值根据钻速、转速、推力和扭矩中的至少一种参数在深度窗口内的变异系数或标准差确定。

18、作为一种优选，在步骤3中，在线更新随钻参数基准响应并计算归一化机械响应特征的过程如下：

19、s31：基于当前钻孔已钻进区段中的稳定钻进段，在线更新随钻参数基准响应；所述随钻参数基准响应根据稳定钻进段内随钻参数的均值、中位数、标准差、分位数或滑动统计量确定；随着钻进进程推进和新的稳定钻进段被识别，随钻参数基准响应持续在线更新，以适应不同深度区段围岩力学性质的渐变；

20、s32：计算流式随钻窗口内的归一化机械响应特征；所述归一化机械响应特征包括单位进尺能量、机械比能、扭推比、钻速残差和能量突变系数中的多种；其中，单位进尺能量为钻进能量与对应进尺量之比；机械比能为破碎单位体积岩石所需能量；扭推比为扭矩与推力之比；钻速残差根据实测钻速与由当前推力、转速和扭矩预测得到的基准钻速之间的差值确定；能量突变系数根据当前流式随钻窗口内单位进尺能量相对于稳定钻进段单位进尺能量基准值的归一化偏差确定；

21、其中，上述各归一化机械响应特征均以稳定钻进段的随钻参数基准响应为参考基准，将各机械响应特征转换至以稳定钻进段为基准的无量纲相对值。

22、作为一种优选，在步骤4中，自适应更新结构面异常触发阈值的过程如下：

23、以均值、标准差、中位数、分位数、滑动均值或滑动中位数中的一种或多种作为机械响应特征统计量；在每一流式随钻窗口内，根据当前钻孔稳定钻进段的机械响应特征统计量动态更新结构面异常触发阈值，如下式所示；

24、；

25、式中，为第类归一化机械响应特征的结构面异常触发阈值，为当前钻孔稳定钻进段内第类归一化机械响应特征的中位数或均值，为对应的标准差、四分位距或绝对中位差，为阈值放大系数。

26、作为一种优选，在步骤5中，异常触发与边界精细定位窗口启动的过程如下：

27、s51：当流式随钻窗口内的归一化机械响应特征满足异常触发条件时，将该流式随钻窗口标记为候选触发窗口；

28、所述异常触发条件包括：在连续不少于个深度采样点内，能量突变系数、钻速残差、钻进刚度变化率、机械比能峰值或扭推比变化量中的至少种特征超过对应的结构面异常触发阈值；

29、s52：启动以候选触发窗口为中心的边界精细定位窗口；所述边界精细定位窗口用于输出结构面起点边界概率分布和终点边界概率分布；边界精细定位窗口的深度长度大于候选触发窗口的深度长度，其扩展范围向候选触发窗口的前后两侧各延伸预设深度距离，以确保完整覆盖结构面的边界过渡区域。

30、作为一种优选，在步骤6中，所述结构面类型概率用于表征当前边界精细定位窗口属于不同结构面类型的概率，各类型概率之和为1；所述起点边界概率分布用于表征结构面起始深度在边界精细定位窗口内各深度采样点处的概率，概率峰值对应的深度位置为最可能的起始深度；所述终点边界概率分布用于表征结构面终止深度在边界精细定位窗口内各深度采样点处的概率，概率峰值对应的深度位置为最可能的终止深度；所述结构面存在概率用于表征当前边界精细定位窗口内存在结构面的概率；各输出均为无量纲概率值，取值范围为[0,1]。

31、作为一种优选，在步骤7中，多窗口概率融合与结构面参数确定的过程如下：

32、s71：当相邻边界精细定位窗口输出的结构面类型最大概率类别相同，且起点边界概率分布或终点边界概率分布在深度方向上存在重叠时，将所述相邻边界精细定位窗口合并为同一结构面候选区间；

33、所述重叠判定条件为：前一窗口的终点边界概率分布与后一窗口的起点边界概率分布在深度坐标上存在交集，且重叠区域内两者的概率值均大于预设重叠概率阈值；

34、s72：对同一结构面候选区间内多个边界精细定位窗口的起点边界概率分布进行加权融合，并以融合后概率峰值或概率期望位置确定结构面起始深度；对终点边界概率分布进行加权融合，并以融合后概率峰值或概率期望位置确定结构面终止深度；结构面发育长度由结构面终止深度减去结构面起始深度得到；

35、其中，加权融合的权重根据边界精细定位窗口的结构面类型概率、物理响应异常强度、窗口中心深度与候选区间中心深度的距离以及窗口内随钻参数完整率中的一种或多种确定，权重取值越大表示该窗口的识别结果越可靠；所述物理响应异常强度为边界精细定位窗口内归一化机械响应特征超过对应触发阈值的幅度之和或峰值。

36、作为一种优选，在步骤8中，识别置信度计算与待复核标记的过程如下：

37、s81：根据结构面类型概率、起点边界概率峰值、终点边界概率峰值、连续窗口一致性和物理响应异常强度计算识别置信度，其中为由结构面类型概率、起点边界概率峰值和终点边界概率峰值确定的基础置信度；为由连续窗口一致性确定的窗口稳定性修正因子；为由物理响应异常强度确定的物理支撑修正因子；

38、s82：当识别置信度低于预设复核阈值，或者起点边界概率分布和终点边界概率分布的峰值宽度大于预设不确定性阈值时，将对应深度区间标记为待钻孔窥视复核区间；所述峰值宽度为概率分布中概率值大于预设概率比例阈值这的深度区间宽度；

39、s83：当后续钻孔窥视复核结果与所述结构面识别结果之间的结构面类型、结构面起始深度或结构面终止深度偏差超过预设偏差阈值时，将对应深度区间内的随钻参数序列和复核结果加入增量样本库，用于后续模型的增量训练或参数更新。

40、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

41、1、本发明通过钻孔窥视预先标定形成随钻结构面识别运行包，该运行包含模型参数、标准化参数、触发阈值和融合参数等完整识别配置，使现场阶段无需实时输入钻孔窥视图像、视频或孔壁展开图，即可基于随钻参数进行结构面实时识别。训练阶段充分利用钻孔窥视对结构面类型和边界位置的精确标定能力，推理阶段仅依赖随钻参数完成识别，实现了标定精度与识别效率的兼顾，显著提高了现场连续识别效率和工程适应性，同时降低了现场硬件部署成本和操作复杂度。

42、2、本发明通过稳定钻进段基准在线更新和自适应异常触发阈值，能够适应不同钻孔、不同岩性和不同钻进工况下随钻响应基准的变化。随钻参数基准响应随着钻进进程推进和新的稳定钻进段被识别而持续在线更新，以消除不同深度区段围岩力学性质渐变对机械响应特征的影响；结构面异常触发阈值根据当前钻孔稳定钻进段的统计量动态更新，以均值或中位数加上阈值放大系数乘以标准差或四分位距的形式自适应确定，使触发条件与当前钻进工况相匹配，有效降低了固定阈值方法在不同地质和钻进条件下引起的误报和漏报。

43、3、本发明通过候选触发窗口和边界精细定位窗口的两级处理机制，将结构面异常检测与边界概率定位解耦。候选触发窗口以较少特征和较低计算代价完成结构面异常粗检测，边界精细定位窗口在候选窗口前后扩展预设深度距离后启动，输出起点边界概率分布和终点边界概率分布，实现了对结构面边界过渡区域的完整覆盖。该两级机制在保证实时性的同时显著提高了结构面起止深度定位精度。

44、4、本发明通过多窗口概率融合和识别置信度计算，能够输出结构面类型、起始深度、终止深度、发育长度及识别置信度。多窗口融合以结构面类型概率、物理响应异常强度和窗口位置距离为权重，对相邻窗口的边界概率分布进行加权融合，有效避免了单窗口识别结果受局部噪声干扰的影响。识别置信度融合基础置信度、连续窗口一致性修正因子和物理响应异常强度修正因子，对低置信度区间进行复核标记，为围岩编录、支护参数优化和施工安全决策提供可靠的数据支撑，并通过复核结果与识别结果的偏差触发增量样本库更新，形成识别-评估-优化的持续改进闭环。

45、5、本发明通过随钻参数基准响应的在线更新机制，以稳定钻进段为参考基准对各机械响应特征进行归一化处理，将绝对数值转化为无量纲相对值，消除了不同钻进工况和钻孔深度对机械响应特征绝对数值的影响，使归一化后的机械响应特征在钻孔全深度范围内具有统一的比较基准，显著提高了结构面异常触发的跨工况一致性和可靠性。

46、该方法通过窥视标定运行包生成、稳定钻进段基准在线更新、自适应阈值触发、两级窗口定位、多窗口概率融合、置信度评估与复核标记的技术路径，兼顾了钻孔窥视标定精度和随钻实时识别效率，实现了围岩结构面从钻孔窥视高精度标定到随钻参数实时高效识别的完整转化，为地下工程围岩结构面的现场快速探测和智能识别提供了可靠的技术方案，适用于煤矿巷道、隧道及地下工程围岩结构面快速探测，可用于裂隙、离层、岩层界面、破碎带等围岩结构面的现场实时识别与复核标记。

47、本发明还提供了一种基于窥视标定的围岩结构面随钻实时识别系统，用于实现一种基于窥视标定的围岩结构面随钻实时识别方法，包括：

48、标定运行包调用模块，用于调用经钻孔窥视数据预先标定形成的随钻结构面识别运行包；

49、随钻参数实时采集模块，用于在现场钻进过程中实时采集待识别钻孔的随钻参数；

50、流式窗口管理模块，用于按照预设深度步长将实时采集的随钻参数划分为连续流式随钻窗口，每个流式随钻窗口对应一段连续的钻孔深度区间；

51、稳定段基准更新模块，用于基于当前钻孔已钻进区段中的稳定钻进段，在线更新随钻参数基准响应；

52、机械响应特征计算模块，用于计算流式随钻窗口内的归一化机械响应特征；

53、自适应阈值更新模块，用于以均值、标准差、中位数、分位数、滑动均值或滑动中位数作为机械响应特征统计量，在每一流式随钻窗口内根据当前钻孔稳定钻进段的统计量动态更新结构面异常触发阈值；

54、边界概率推理模块，用于将边界精细定位窗口内的随钻参数序列和归一化机械响应特征输入加载后的随钻结构面识别模型，输出结构面类型概率、起点边界概率分布、终点边界概率分布和结构面存在概率；

55、多窗口融合模块，用于对连续多个边界精细定位窗口的输出结果进行概率融合；

56、置信度与复核标记模块，用于根据结构面类型概率、起点边界概率峰值、终点边界概率峰值、连续窗口一致性和物理响应异常强度计算识别置信度，当识别置信度低于预设复核阈值，或者边界概率分布的峰值宽度大于预设不确定性阈值时，将对应深度区间标记为待钻孔窥视复核区间；

57、增量样本管理模块，用于当后续钻孔窥视复核结果与结构面识别结果之间的结构面类型、起始深度或终止深度偏差超过预设偏差阈值时，将对应深度区间内的随钻参数序列和复核结果加入增量样本库。

58、本发明中，基于标定运行包调用模块的设置，能使现场识别阶段无需实时输入钻孔窥视图像、视频或孔壁展开图，从源头上保障了现场实时识别的数据独立性和部署便捷性。基于随钻参数实时采集模块的设置，能仅以钻进过程实时采集的随钻参数作为数据来源，不以钻孔窥视数据作为实时输入，使现场识别作业摆脱了对钻孔窥视设备的依赖，显著提高了连续钻进过程中的识别效率。基于流式窗口管理模块的设置，能自动标记候选触发窗口并启动边界精细定位窗口，以粗检测与精定位的两级窗口机制在保证实时性的同时为边界概率推理提供完整的结构面边界覆盖。基于稳定段基准更新模块的设置，有效消除了不同深度区段围岩力学性质渐变对机械响应特征的影响，为归一化机械响应特征的计算提供了动态、可靠的参考基准。基于机械响应特征计算模块的设置，消除了不同钻进工况和钻孔深度对特征绝对数值的影响，使归一化后的机械响应特征在全钻孔深度范围内具有统一的比较基准。基于自适应阈值更新模块的设置，能使触发阈值能够随钻进进程与当前钻孔的实际工况和围岩力学性质精确匹配，有效避免了固定阈值在不同地质条件下的误报和漏报。基于边界概率推理模块的设置，能将结构面识别从离散点定位提升为连续概率表征，为后续多窗口融合和置信度量化提供了信息完备的概率化输出。基于多窗口融合模块的设置，有效克服了单窗口识别结果受局部噪声干扰的问题，显著提高了结构面边界定位的精度和鲁棒性。基于置信度与复核标记模块的设置，实现了对结构面识别结果可靠性的多维度量化评估，且当置信度低于阈值或边界不确定性过大时自动标记待复核区间，能为现场作业提供了明确的复核优先级指引。基于增量样本管理模块的设置，形成了识别、评估、复核、优化的持续改进，使系统具备了从现场反馈中持续学习和进化的能力。

59、该系统基于模块化协同架构，实现了围岩结构面从钻孔窥视高精度标定到随钻参数实时高效识别的完整转化，能有效解决现有技术中钻孔窥视难以实时应用、单独随钻识别受工况波动影响较大、结构面边界概率化输出不足以及低置信度识别结果缺少复核标记机制的问题，为地下工程围岩结构面的现场快速探测和智能识别提供了可靠、高效、可进化的系统级解决方案。