شماره مدرك
21084
شماره راهنما
18083
پديد آورنده
اسلامي، عرفان
عنوان
پيشبيني نوع و پارامترهاي ژئومكانيكي سنگها با استفاده از پايش عمليات حفاري و بهرهگيري از روشهاي يادگيري ماشين
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
استخراج مواد معدني
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
هفده،142ص. :مصور،جدول،نمودار
توصيفگر ها
ويژگيهاي ژئومكانيكي سنگ , دادههاي حفاري , يادگيري ماشين , پيشبيني خواص ژئومكانيكي سنگ , طبقه بندي نوع سنگ
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/11
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي معدن
دانشكده
مهندسي معدن
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/03/12
كد ايرانداك
23220129
چكيده فارسي
با توجه به اهميت شناخت دقيق ويژگيهاي ژئومكانيكي سنگ در طراحي و اجراي عمليات حفاري و معدنكاري و همچنين محدوديتهاي روشهاي آزمايشگاهي از نظر زمان، هزينه و اجرا، اين پژوهش از يادگيري ماشين بهعنوان رويكردي سريع و دادهمحور براي برآورد اين ويژگيها استفاده ميكند. هدف اصلي، پيشبيني خواص ژئومكانيكي سنگ شامل مقاومت فشاري تكمحوري (UCS)، سختي (Schmidt) و شاخص سايندگي (Cerchar) و نيز طبقهبندي نوع سنگ بر اساس دادههاي حفاري است. وروديهاي مدل شامل سرعت چرخش مته (RPM)، وزن روي مته (WOB)، نرخ نفوذ (PR) و جريان بار وارد بر مته (LOB(A)) بوده است. در راستاي انجام اين پژوهش، دادههاي عملياتي مرتبط با فرآيند حفاري از ديواره جنوبي معدن مس سرچشمه واقع در شهرستان رفسنجان، استان كرمان استخراج و تحليل شدهاند. همزمان با عمليات حفاري، نمونههاي سنگ برداشت شده و آزمونهاي آزمايشگاهي براي تعيين مقاومت فشاري تكمحوري، سختي و سايندگي در دانشكده معدن دانشگاه صنعتي اصفهان انجام شدهاند و پارامترهاي حفاري در حين عمليات حفاري ثبت گرديدهاند. با تلفيق دادههاي آزمايشگاهي و ميداني، مجموعهاي شامل 2037 داده تشكيل شده است. دادهها از نظر آماري و توصيفي بررسي و همبستگي پارامترها محاسبه گرديد؛ سپس دادههاي پرت با روش چاركبندي حذف و مقياس دادهها با نرمالسازي حداقل و حداكثر يكسانسازي شد. براي مدلسازي، مدلهاي XGBoost، Random Forest، ANFIS و PSO-BP بهكار رفتند. نتايج نشان داد مدلهاي مبتني بر درخت، بهويژه XGBoost و Random Forest، در پيشبيني ويژگيهاي ژئومكانيكي(با دقت به ترتيب 99/0 و 95/0 در پيشبيني مقاومت فشاري تك محوري و 94/0 و 83/0 در پيشبيني سختي و 99/0 و 97/0 در پيشبيني سايندگي) و نيز در طبقهبندي نوع سنگ( هر دو با دقت 98/0) عملكرد برتري نسبت به ANFIS و PSO-BP دارند. در مجموع، يافتهها نشان ميدهد كه تركيب دادههاي حفاري و يادگيري ماشين ميتواند راهكاري سريع، دقيق و كمهزينه براي پيشبيني خواص ژئومكانيكي سنگ و طبقهبندي نوع سنگ فراهم كند و در بهينهسازي طراحي حفاري، انتخاب ابزار مناسب و كنترل هوشمند فرآيند حفاري نقش مؤثري داشته باشد.
چكيده انگليسي
Given the critical importance of accurately characterizing rock geomechanical properties in the design and execution of drilling and mining operations, and considering the time-consuming, costly, and operational limitations of conventional laboratory testing methods, this study adopts machine learning as a fast and data-driven approach for estimating these properties. The main objective is the prediction of rock mechanical properties, including uniaxial compressive strength (UCS), hardness (Schmidt), and the abrasivity index (Cerchar), as well as the classification of rock types, based on drilling data. The model inputs consist of rotational speed (RPM), weight on bit (WOB), penetration rate (PR), and load-on-bit electrical current (LOB(A)). To conduct this study, operational data related to the drilling process were extracted and analyzed from the southern wall of the Sarcheshmeh copper mine, located in Rafsanjan County, Kerman Province.
Concurrently with drilling operations, rock samples were collected, and laboratory tests for determining uniaxial compressive strength, hardness, and abrasivity were performed at the Department of Mining Engineering, Isfahan University of Technology. Drilling parameters were recorded during the drilling operations. By integrating laboratory measurements with field drilling data, a dataset comprising 2037 records was compiled. The data were first subjected to descriptive and statistical analyses, and correlations among parameters were evaluated. Outliers were removed using a interquartile range (IQR) method, and the data were scaled through min–max normalization. For modeling purposes, XGBoost, Random Forest, ANFIS, and PSO-BP algorithms were employed.
The results indicate that tree-based models, particularly XGBoost and Random Forest, outperform ANFIS and PSO-BP in both geomechanical property prediction (with accuracies of 0.99 and 0.95 for UCS prediction, respectively; 0.94 and 0.83 for hardness prediction; and 0.99 and 0.97 for abrasivity prediction) and rock-type classification (both with an accuracy of 0.98). Overall, the findings demonstrate that integrating drilling data with machine learning techniques provides a rapid, accurate, and cost-effective alternative to laboratory testing, and can play a significant role in optimizing drilling design, selecting appropriate drilling tools, and enabling intelligent control of the drilling process.
استاد راهنما
راحب باقرپور
استاد مشاور
مهربد خشوعي اصفهاني
استاد داور
محمود بهنيا , نادر فتحيان پور