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隧道围岩钻进机理研究与数字钻进系统开发

面向复杂地层高效作业难题，拟开展隧道围岩钻进机理与数字钻进系统研究。主要内容包括：

1. 隧道围岩钻具-岩体耦合作用破岩机理：基于隧道围岩钻进损伤模型试验与数值模拟，研究隧道围岩在钻具作用下的裂纹萌生和扩展、损伤演化、岩屑形成等规律，研究钻具冲击参数和切削参数的敏感性指标，分析不同因素对隧道围岩的影响规律，揭示钻进荷载下隧道围岩与钻具耦合作用的破岩机理。

2. 基于钻进参数反演的围岩智能分级方法：基于现场收集的大量钻进参数样本，分析围岩性质与钻速、钻压、扭矩、轴向/周向冲击力度与频率等钻进参数匹配关系，反演出围岩坚硬程度、完整程度和级别等性质。基于神经网络算法,提出数字钻进围岩分级方法,以数字钻进技术为基础,从钻进参数中提取有用信息,构建围岩智能分级方法与系统。实现定性评价围岩地质条件，使围岩分级指标的量化更符合实际情况，提高指标量化的准确性，为隧道施工提供更准确的参考依据。

3. 面向快速钻进的辅助钻进策略与模型：研究变介质变载荷情况下钻进系统动力学特性，提出复杂地层下的最优作业方法；研究监控数据与钻进方向、扭矩、压力等钻进参数的映射关系，提出基于深度学习的监控数据与钻进参数映射模型建立方法，建立钻进作业参数与岩层属性匹配关系，开发基于深度学习与海量钻进数据的作业参数智能优化模型，形成钻进过程中作业参数优化控制策略，实现智能辅助钻进。

1.形成凿岩台车、多功能钻机2款装备复杂地层钻进仿真模型（含数字化模型、数值模拟方法），仿真与测试趋势吻合性优于85%；形成破岩机理分析报告1份；

2.建立围岩智能辨识数学模型，形成围岩智能分级方法与程序1套，围岩强度/硬度识别准确率大于80%。

3.建立快速钻进参数优化模型（含代码），形成凿岩台车、多功能钻机2款装备作业参数智能优化程序1套，钻进效率提升10%。

4.发表EI或SCI检索论文1篇，申请发明专利3项（含PCT 1 件）。

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定向钻复杂地层破岩机理研究与数字钻进系统开发

本项目面向定向钻复杂地层高效作业需求，采用理论分析、数值模拟、模型试验等研究方法，揭示复杂地层钻进机岩耦合机制，建立钻进参数-工程岩土参数数据库，构建岩体参数智能辨识模型，提出钻进过程中作业参数优化控制策略，本项目主要研究内容包括：

1.  复杂地层冲击-旋切破岩机理：基于连续非连续数值模拟方法，建立考虑螺杆马达运动特征的冲击-旋切破岩过程仿真模型，研究在冲击-旋切作用下不同钻进参数对不同硬度、强度岩石裂纹扩展、岩体应力状态、破坏模式、塑性耗能比以及塑-脆性转变的影响规律，揭示冲击-旋切破岩过程机-岩作用机制。

2. 基于钻进参数的岩石力学参数辨识方法:基于复杂地层冲击-旋切破岩机理与正交试验设计方法，开展不同钻进参数组合的岩石模型钻进试验，构建钻进参数-工程岩土参数数据库，基于深度学习自适应遗传算法改进的BP神经网络，构建不同岩石力学参数与钻进参数之间的映射关系，建立基于随钻参数的岩石力学参数感知模型。

3. 定向钻钻进参数优化策略与系统:以“最佳施工效率”为目标，基于复杂地层钻进过程机-岩作用机制，建立岩层属性与最优钻进作业参数匹配关系，研究钻进过程中钻压、泵压、转速、扭矩等作业参数优化控制策略，提出基于多目标粒子群算法的钻进参数优化算法，开发钻进作业参数智能优化程序，实现定向钻钻进作业参数自适应优化。

1.形成水平定向钻机复杂地层钻进仿真模型（含数字化模型、数值模拟方法），仿真与测试趋势吻合性优于85%；形成破岩机理分析报告1份；

2.建立岩石力学参数随钻感知数学模型，形成定向钻岩石力学参数随钻感知程序1个，围岩强度/硬度识别准确率大于80%。

3.建立辅助钻进控制模型（含代码），形成水平定向钻机作业参数智能优化程序1套，钻进效率提升10%。

4.发表EI或SCI检索论文1篇，申请发明专利3项（含PCT 1 件）。

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