矿用可移动式高压水射流精准切顶卸压方法与流程

本发明涉及煤炭开采，特别涉及一种矿用可移动式高压水射流精准切顶卸压方法。

背景技术：

1、何满潮及其团队，提出切顶短臂梁理论，颠覆传统留设煤柱支撑顶板的思路，明确通过定向预裂切顶切断采空区与巷道的应力传递，利用顶板自重垮落形成自稳结构的技术路径，即无煤柱自成巷开采技术“110-n00”工法，将切顶卸压与巷道支护结合，通过恒阻锚索加强支护，超前工作面对顶板定向预裂，工作面推过后顶板沿切缝自动垮落形成巷帮，实现一巷多用、无煤柱开采；在何满潮团队奠定的技术框架下，国内科研机构、企业进一步优化迭代，形成了多样化的切顶卸压技术分支：

2、西安科技大学董国伟团队发明了“煤矿准备巷道水力压裂切顶护巷方法”公开号为cn120007249b，通过识别煤层上方关键层、计算最小悬顶长度，实现水力压裂的精准定位，解决了准备巷道长期稳定的难题；

3、贵州盘江精煤股份有限公司的张辉元团队提出“定向预裂爆破切顶卸压沿空留巷方法”公开号为cn104806246b，该方法优化爆破孔布置与定向圆管设计，降低了巷旁充填的成本与复杂度；

4、大同煤矿集团的于斌团队提出“地面精准切顶卸压方法”公开号为cn110080769b，该方法通过地面钻井加射孔压裂技术，解决了临空巷道坚硬顶板的切顶难题，拓展了技术适用场景；

5、安徽理工大学的张向阳团队提出“煤层工作面末采预先切顶卸压方法”公开号为cn113863927b，该方法针对特厚煤层坚硬顶板优化钻孔与爆破方案，提升了末采阶段的采出率与安全性。

6、水射流切顶加水力压裂泄压凭借低扰动、高安全性的优势，已广泛应用于高瓦斯环境下的坚硬顶板巷道支护，但是目前水射流切顶的施工参数的设计缺乏动态适配能力，现有方法多基于静态地质参数或经验公式计算钻孔间距，未充分结合水射流切顶系统的实际性能及水力压裂设备的额定压力约束，为确保切顶成功，常采用过度保守的钻孔间距设计，导致钻孔密度过大、施工工作量增加，切顶工期较长，严重制约煤矿开采效率。

7、为此，发明人提出一种矿用可移动式高压水射流精准切顶卸压方法，以实际压裂压力逼近额定压力为核心目标，通过cnn的强特征提取与非线性拟合能力，优化参数建模与反馈修正过程，在保证切顶效果及安全冗余的前提下，最大化降低钻孔密度、缩短切顶工期。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种矿用可移动式高压水射流精准切顶卸压方法，以解决背景技术中提出的问题。具体技术方案如下：

2、本发明的目的是提供一种矿用可移动式高压水射流精准切顶卸压方法，包括以下步骤：

3、s1：采集施工区域的顶板地质参数、水射流系统性能参数、水力压裂系统额定参数及矿井环境参数，经预处理后形成输入特征数据；

4、s2：构建cnn模型，基于所述输入特征数据提取参数间的非线性耦合特征，输出表征顶板不同区域切顶难易程度的局部可切性系数矩阵及全局可切性系数，同时输出与矿井环境参数匹配的安全冗余系数；

5、s3：基于所述全局可切性系数、水射流系统性能参数及预设的常规有效切缝半径，计算钻孔间距基准值，并按保守系数生成初始钻孔参数，所述初始钻孔参数包括钻孔横向间距、钻孔角度、钻孔深度、钻孔位置分布及切顶循环步距；

6、s4：按所述初始钻孔参数执行水射流切顶施工，在压裂施工时，实时采集水力压裂系统的实际起裂压力，计算实际起裂压力与额定压力的压力逼近系数；

7、s5：将历史施工参数、历史压力逼近系数、当前局部可切性系数矩阵及水射流实时性能参数输入cnn参数优化网络，输出自适应迭代步长和深度-间距耦合系数，并根据当前压力逼近系数与预设目标区间的比较结果修正钻孔横向间距，同时按所述耦合系数同步修正钻孔深度；

8、s6：重复步骤s4至s5进行多轮迭代优化，直至压力逼近系数稳定在预设目标区间内且钻孔参数波动满足稳定条件，生成最优钻孔参数并执行后续施工。

9、优选的，在步骤s1中，

10、所述顶板地质参数包括：普氏系数f、节理密度jd、顶板平均应力σavg、顶板厚度h、岩层破断角α、单轴抗压强度σc；

11、所述水射流系统性能参数包括：射流压力、射流流量、磨料掺混比；

12、所述水力压裂系统额定参数包括：额定压力；

13、所述矿井环境参数包括：矿井灾害等级、巷道断面尺寸、支护结构参数。

14、优选的，所述步骤s2中的cnn模型包括：

15、参数特征提取网络，采用1维卷积神经网络，含4层卷积层、3层池化层，输出64维特征向量，用于提取不同参数之间的非线性耦合特征及历史序列趋势特征；

16、可切性系数预测网络，包括3层全连接层，输出32×32维局部可切性系数矩阵，用于基于所述深层空间特征向量输出局部可切性系数矩阵及全局可切性系数；

17、安全冗余预测网络，采用mobilenet架构，用于基于矿井环境参数输出安全冗余系数β。

18、优选的，所述步骤s3中初始钻孔间距基准值的计算公式为：

19、；

20、其中，为常规有效切缝半径；为全局可切性系数；为参考可切性系数；为经验耦合系数；

21、为水射流有效作用系数，计算公式为：

22、；

23、其中，a、b、c为权重系数，a、b、c之和为1；为额定射流压力，为额定射流流量，为额定磨料掺混比；且f取值不大于1。

24、优选的，所述步骤s3中初始钻孔横向间距的计算公式为：

25、；

26、其中，为保守系数，取值为0.8~0.9，冲击倾向性矿井取0.8，常规矿井取0.9；

27、初始钻孔角度的计算公式为：

28、；

29、其中，取值范围0.8°~1.2°，且∈[60°，90°]；

30、初始钻孔深度d1的计算公式为：

31、；

32、其中为穿透预留深度；

33、初始钻孔位置分布根据局部可切性系数矩阵确定，可切性系数低于预设阈值的区域钻孔加密布设。

34、优选的，所述压力逼近系数的计算公式为：

35、；

36、其中为实际起裂压力，为额定压力；所述压力逼近系数的预设目标区间为[0.85，1.05]。

37、优选的，所述步骤5中修正钻孔横向间距的规则为：基于压力逼近系数的值，调整cnn参数优化网络输出的自适应迭代步长δscnn，具体的：

38、若∈[0.85，1.05]，保持当前参数，δscnn取最小值；

39、若<0.85，判定为压力偏低，增大钻孔横向间距，=+δscnn；

40、若>1.05，判定为压力偏高，减小钻孔横向间距，=δscnn；

41、δscnn取值范围为0.05~0.3m。

42、优选的，所述步骤5中修正钻孔深度的公式为：

43、；

44、其中，为cnn参数优化网络同步输出的深度-间距耦合系数，取值范围0.3~0.6；

45、修正后的钻孔横向间距满足安全约束：

46、∈[0.7×xbase，xbase×β]；

47、修正后的钻孔深度满足安全约束：

48、∈[dmin，dmax]；

49、其中，β为安全冗余系数，dmin为保证切顶效果的最小深度，dmax为保护上位关键层的最大允许深度。

50、优选的，所述步骤6中，压力逼近系数稳定在预设目标区间内且钻孔参数波动满足稳定条件的判定为：

51、连续3轮施工的值均落入[0.85，1.05]区间，且钻孔横向间距波动幅度不超过0.1m，钻孔深度波动幅度不超过0.2m。

52、优选的，所述最优钻孔参数包括最优横向间距sopt、最优钻孔角度θopt、最优钻孔深度dopt、最优切顶循环步距lopt；所述方法还包括在生成最优钻孔参数后，持续监测切缝贯通率、应力释放率及顶板垮落率进行效果验收；所述cnn模型基于矿区历史施工数据集进行预训练，预训练损失函数采用均方误差，迭代至损失值小于0.001时停止；施工过程中每完成一个优化阶段进行一次增量学习微调。

53、本发明提供的一种矿用可移动式高压水射流精准切顶卸压方法，具有以下有益效果：

54、本发明通过轻量化cnn模型对顶板节理分布、应力集中区、岩层纹理等特征进行特征提取，结合水射流系统实际性能参数，建立顶板条件、施工参数、压裂压力响应的非线性耦合特征，并以水力压裂设备的额定压力为唯一优化目标，通过cnn参数优化网络实时计算压力逼近系数，并输出自适应迭代步长与权重组合，使实际压裂压力在多轮反馈中快速逼近额定压力，将钻孔间距从保守初始值逐步向最优值递增，在保证切顶效果及动态安全冗余的前提下，最大化降低了钻孔密度、缩短了切顶工期，同时显著提升了不同矿井环境的工况适配能力。