CN104793264A - 应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测系统及方法，包括：钻机；高精度岩层钻孔探查仪，具有在钻进过程中收集岩石物理力学性质参数的传感器；钻机钻进参数实时分析系统；钻孔雷达，包括用以探测钻头所在位置周围一定范围内围岩岩石参数和水层等不良地质体的电磁波信号的发射天线和接收天线。利用地质状况实时反映与超前探测系统，不仅可以利用钻进参数实时分析系统精确测定所钻孔径范围内岩层的类别和物理力学性质，并且可以利用钻孔雷达预测钻头所在位置周围一定范围内的围岩状况并以岩层展布图形式呈现出来，还可以利用高精度岩层钻孔探查仪将围岩包括裂隙角度、数量、岩层分界等围岩信息记录下来。

Description

应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测系统及方法

技术领域

本发明涉及地下工程地质超前探测领域，特别涉及一种应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测系统。

背景技术

在地下工程建设中，围岩的断层软弱破碎带和不良地质体对隧道或巷道的工程建设造成极大的安全隐患，所以我们在隧道或者巷道的开挖之前必须探明前方的不良地质体和前方的围岩强度情况。目前对围岩强度的探测主要采用钻芯取样的方式，使用钻探法从现场取芯到得出实验报告的时间间隔长，严重的制约了施工的进度，增加了工程预算成本；对不良地质体的探测主要采用激发极化、钻孔雷达等方法进行，但由于钻孔雷达和激发极化当遇到复杂的地层环境时，探测结果往往存在较大的误差，而单纯的打孔测试只能探明打孔范围内的不良地质体情况，测量范围小，代表性差。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术存在的上述问题和不足：提供一种应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测系统，在钻机对前方围岩钻进中，不仅可以测定前方围岩的强度、类别，还能利用钻孔雷达测得较大范围内的围岩分级及类别和不良地质体。本发明采用如下技术方案：

应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测系统，

包括：数字化钻机，钻孔探查仪，钻孔雷达和主机，所述钻孔探查仪的探头和钻孔雷达的发射天线均安装于所述钻机上；

所述数字化钻机、钻孔探查仪和钻孔雷达分别将各自探测的数据传输给主机，所述主机通过高精度岩层钻孔探查仪记录包括裂隙角度、数量、岩层分界中一种或几种的围岩信息，通过数字化钻机实时获取钻孔径范围内岩层的类别和物理力学性质，通过钻孔雷达预测钻头所在位置周围一定范围内的围岩状况，并利用约束反演法将所收集的上述信息以岩层展布图形式呈现出来；

所述主机对岩层性质和不良地质体实现精确测定与大范围预测相结合，精确的数据记录与岩层性质三维展布相结合，从而实现对地下围岩进行快速准确的勘察和预报。

所述高精度岩层钻孔探查仪的探头和所述钻孔雷达的发射天线均设于与数字化钻机的钻头相连的钻杆中心位置；所述数字化钻机上设有探头，所述探头上设有在钻进过程中收集岩石物理力学性质参数的传感器，包括扭矩传感器、转速传感器和轴压力传感器，所述探头通过电线将所述传感器收集的信息传输给主机。

所述主机包括钻机钻进参数实时分析系统，所述分析系统将钻机钻进过程中传感器反映的岩石物理力学性质参数与岩层钻进参数数据库进行比对，进而精确判断岩层类别和确定其物理力学性质。

所述岩层钻进参数数据库，是通过大量全面试验所记录的钻机钻进各类岩层时传感器测得和获取的钻机的扭矩、转速、轴压力、钻头位移、穿孔速率和钻进比功等数据，所建立起的各类岩体物理力学性质与钻进参数的对应关系，所述岩体物理力学性质包括岩体强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角。

所述分析系统根据获取的信息，绘制各种参数随钻进深度变化的曲线，包括钻速随深度变化的曲线、钻进比功随深度变化的曲线。

所述钻机钻进参数实时分析系统将分析的到的钻孔周围一定范围内岩层精确状况以柱状图形式呈现。

所述钻孔雷达具有三维精细化成像系统，所述成像系统将电磁波保存的围岩信息以三维图像形式呈现。

所述三维精细化成像系统，是对数据采集完毕后实行约束反演成像。

钻孔雷达，包括用以探测钻头所在位置周围一定范围内围岩岩石参数和水层等不良地质体的电磁波信号的发射天线和接收天线。

所述主机将所述围岩信息的三维图像和频谱与围岩等级数据库进行对比，确定所预测的钻孔周围围岩类别及不良地质体的分布。

所述频谱与围岩等级数据库，是在大量钻孔雷达对不同围岩类型实测数据的基础上，统计不同围岩类型雷达波频率特征，所建立的数据库。

所述高精度岩层钻孔探查仪设有位于钻孔中心位置的具有不锈钢外壳的探头。

应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测方法，包括以下步骤：

步骤1：利用高精度岩层钻孔探查仪对钻头所在位置围岩裂隙角度、数量、岩层分界进行记录；

步骤2：钻机钻进参数实时分析系统将钻机钻进过程中传感器反映的岩石物理力学性质与岩层信息数据库进行比对进而精确判断岩层类别和确定其物理力学性质；

步骤3：利用钻孔雷达对钻头所在位置周围一定范围内围岩岩石参数和不良地质体进行预测；

步骤4：主机将上述信息分析处理，融合生成岩层展布图。

其中，步骤1包括：

(1)将高精度岩层钻孔探查仪的探头安装在与钻头相连的钻杆中心位置，动力系统推动钻头钻杆钻入岩层；

(2)钻头向前移动，探头将钻头钻进过程中围岩状况包括岩层分界、裂隙角度、数量以电信号形式保存；

(3)电信号通过高精度岩层钻孔探查仪电线传递给主机；

(4)主机将电信号保存的围岩信息以录像形式呈现。

步骤2包括：

(1)钻机在钻进过程中，由钻杆上的各种传感器记录扭矩、钻头转速、轴压力等数据，并传输到主机；

(2)主机中的钻机钻进参数实时分析系统绘制各种参数随钻进深度变化的曲线，包括钻速随深度变化的曲线、钻进比功随深度变化的曲线；

(3)将钻进参数随深度变化的曲线与数据库进行比对，确定各深度的围岩类别和物理力学性质；

(4)根据上述判断，绘制围岩类别与物理力学性质随深度变化的柱状直观图像。

步骤3包括：

(1)钻孔雷达的发射天线安装在与钻头相连的钻杆中心位置，动力系统推动钻头钻杆钻入岩层；

(2)钻头向前移动，发射天线将钻头钻进过程中钻头所在位置周围一定范围内围岩预测状况包括岩石物理力学参数和水层等不良地质体以电磁波形式保存；

(3)发射电线将电磁波发射给接收天线；

(4)接收天线将电磁波保存的围岩预测信息传递给三维精细化成像系统；

(5)三维精细化成像系统将电磁波保存的围岩信息在主机上以三维图像形式呈现；

(6)将呈现的围岩信息和频谱与围岩等级数据库进行比对，预测钻孔周围围岩类别及水层等不良地质体的分布。

步骤4包括：

(1)将钻机钻进参数实时分析系统和钻孔探查仪得到的精确围岩信息和钻孔雷达预测的围岩信息与围岩距钻孔中心的水平距离制作成岩层信息柱状图；

(2)将数据库中与探测岩层信息匹配的岩层各项参数加入柱状图中；

(3)根据柱状图信息绘制出岩层展布图。

本发明的有益效果：

一种应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测系统，包括小型数字化钻机、高精度岩层钻孔探查仪、钻孔雷达、频谱与围岩等级数据库、岩层钻进参数数据库、钻进参数实时分析系统。

高精度岩层钻孔探查仪可以将围岩包括裂隙角度、数量、岩层分界等围岩信息精确地以录像的形式在显示屏中展示出来。

钻孔雷达在成像系统作用下可以将岩层预测信息，包括岩石物理力学参数和水层等不良地质体通过与频谱与围岩等级数据库比对以岩层展布图形式呈现出来。

钻机钻进参数实时分析系统将钻机钻进过程中传感器反映的岩石物理力学性质与岩层钻进参数数据库进行比对，进而可以精确判断岩层类别和确定其物理力学性质。

利用地质状况实时反映与超前探测系统，不仅可以利用钻进参数实时分析系统精确测定所钻孔径范围内岩层的类别和物理力学性质，并且可以利用钻孔雷达预测钻头所在位置周围一定范围内的围岩状况并以岩层展布图形式呈现出来，还可以利用高精度岩层钻孔探查仪将围岩包括裂隙角度、数量、岩层分界等围岩信息记录下来。

本系统对岩层性质和不良地质体实现精确测定与大范围预测结合，精确数据记录与岩层性质三维展布相结合，从而实现对地下围岩实现快速准确的勘察和预报。

本发明中将数据库与成像系统结合起来，可以实现图像与数据库同时反映岩层信息、判断岩层类别，同时将岩层信息以岩层展布图形式呈现出来，直观、快捷、准确。

附图说明

图1：岩层信息展布图；

图2：组合钻机示意图；

图3：地质状况实时反映与超前探测系统工作原理及流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测方法，包括以下步骤：

1)利用高精度岩层钻孔探查仪对钻头所在位置围岩裂隙角度、数量、岩层分界进行记录；

2)钻机钻进参数实时分析系统将钻机钻进过程中传感器反映的岩石物理力学性质与岩层信息数据库进行比对进而精确判断岩层类别和确定其物理力学性质；

3)利用钻孔雷达对钻头所在位置周围一定范围内围岩岩石参数和水层不良地质体进行预测；

4)利用岩层数据库和高精度岩层钻孔探查仪及钻孔雷达反映的围岩信息生成岩层展布图。

所述围岩岩石参数测量步骤1)包括以下步骤：

(1)高精度岩层钻孔探查仪的探头探杆安装在与钻头相连的钻杆中心位置，动力系统推动钻头钻杆钻入岩层；

(2)钻头向前移动，探头将钻头钻进过程中围岩状况包括岩层分界、裂隙角度、数量以电信号形式保存；

(3)电信号通过高精度岩层钻孔探查仪电线传递给接收仪；

(4)接收仪将电信号保存的围岩信息以录像形式呈现。

所述围岩岩石参数测量步骤2)包括以下步骤：

(1)钻机在钻进过程中，由钻杆上的各种传感器记录扭矩、钻头转速、轴压力等数据，并传输到现场主机；

(2)主机中的钻机钻进参数实时分析系统绘制各种参数随钻进深度变化的曲线，如钻速随深度变化的曲线、钻进比功随深度变化的曲线等；

(3)将钻进参数原和钻进参数随深度变化的曲线与数据库进行比对，确定各深度得围岩的类别和物理力学性质；

(4)根据上述判断，绘制围岩类别与物理力学性质随深度变化的柱状直观图像。

所述围岩岩石参数测量步骤3)包括以下步骤：

(1)钻孔雷达的发射天线安装在与钻头相连的钻杆中心位置，动力系统推动钻头钻杆钻入岩层；

(2)钻头向前移动，发射天线将钻头钻进过程中钻头所在位置周围一定范围内围岩预测状况包括岩石物理力学参数和水层等不良地质体以电磁波形式保存；

(3)发射电线将电磁波发射给接收天线；

(4)接收天线将电磁波保存的围岩预测信息传递给三维精细化成像系统(已有技术)；

(5)三维精细化成像系统将电磁波保存的围岩信息以三维图像形式呈现；

(6)将呈现的围岩信息和频谱与围岩等级数据库进行比对，预测钻孔周围围岩类别及水层等不良地质体的分布。

所述围岩岩石参数测量步骤4)包括：

(1)将钻机钻进参数实时分析系统和钻孔探查仪得到的精确围岩信息和钻孔雷达预测的围岩信息与围岩距钻孔中心的水平距离制作成岩层信息柱状图；

(2)将数据库中与探测岩层信息匹配的岩层各项参数加入柱状图中；

(3)根据柱状图信息绘制出岩层。

Claims (11)

1.应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测系统，其特征在于，包括：所述数字化钻机、钻孔探查仪和钻孔雷达分别将各自探测的数据传输给主机，所述主机通过高精度岩层钻孔探查仪记录包括裂隙角度、数量、岩层分界中一种或几种的围岩信息，通过数字化钻机实时获取钻孔径范围内岩层的类别和物理力学性质，通过钻孔雷达预测钻头所在位置周围一定范围内的围岩状况，并利用约束反演法将所收集的上述信息以岩层展布图形式呈现出来；

所述主机对岩层性质和不良地质体实现精确测定与大范围预测相结合，精确的数据记录与岩层性质三维展布相结合，从而实现对地下围岩进行快速准确的勘察和预报。

2.根据权利要求1所述的应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测系统，其特征在于：所述高精度岩层钻孔探查仪的探头和所述钻孔雷达的发射天线均设于与数字化钻机的钻头相连的钻杆中心位置；所述数字化钻机上设有探头，所述探头上具有在钻进过程中收集岩石物理力学性质参数的传感器，包括扭矩传感器、转速传感器和轴压力传感器，所述探头通过电线将所述传感器收集的信息传输给主机。

3.根据权利要求1所述的应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测系统，其特征在于：所述主机包括钻机钻进参数实时分析系统，所述分析系统将钻机钻进过程中传感器反映的岩石物理力学性质参数与岩层钻进参数数据库进行比对，进而精确判断岩层类别和确定其物理力学性质；所述岩层钻进参数数据库，是通过大量全面试验所记录的钻机钻进各类岩层时传感器测得和获取的钻机的扭矩、转速、轴压力、钻头位移、穿孔速率和钻进比功，所建立起的各类岩体物理力学性质与钻进参数的对应关系，所述岩体物理力学性质包括岩体强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角。

4.根据权利要求3所述的应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测系统，其特征在于：所述分析系统根据获取的信息，绘制各种参数随钻进深度变化的曲线，包括钻速随深度变化的曲线、钻进比功随深度变化的曲线；所述钻机钻进参数实时分析系统将分析得到的钻孔周围一定范围内岩层精确状况以柱状图形式呈现。

5.根据权利要求1所述的应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测系统，其特征在于：所述钻孔雷达具有三维精细化成像系统，所述成像系统将电磁波保存的围岩信息以三维图像形式呈现。

6.根据权利要求5所述的应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测系统，其特征在于：所述主机将所述围岩信息的三维图像和频谱与围岩等级数据库进行对比，确定所预测的钻孔周围围岩类别及不良地质体的分布；所述频谱与围岩等级数据库，是在大量钻孔雷达对不同围岩类型实测数据的基础上，统计不同围岩类型雷达波频率特征，所建立的数据库。

7.应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用高精度岩层钻孔探查仪对钻头所在位置围岩裂隙角度、数量、岩层分界进行记录；

步骤2：钻机钻进参数实时分析系统将钻机钻进过程中传感器反映的岩石物理力学性质与岩层信息数据库进行比对进而精确判断岩层类别和确定其物理力学性质；

步骤3：利用钻孔雷达对钻头所在位置周围一定范围内围岩岩石参数和不良地质体进行预测；

步骤4：主机将上述信息分析处理，融合生成岩层展布图。

8.根据权利要求7所述的应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测方法，其特征在于，所述步骤1包括：

(1)将高精度岩层钻孔探查仪的探头安装在与钻头相连的钻杆的中心位置，动力系统推动钻头钻杆钻入岩层；

(2)钻头向前移动，探头将钻头钻进过程中围岩状况包括岩层分界、裂隙角度、数量以电信号形式保存；

(3)电信号通过高精度岩层钻孔探查仪电线传递给主机；

(4)主机将电信号保存的围岩信息以录像形式呈现。

9.根据权利要求7所述的应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测方法，其特征在于，所述步骤2包括：

(1)钻机在钻进过程中，由钻杆上的各种传感器记录扭矩、钻头转速、轴压力等数据，并传输到主机；

(2)主机中的钻机钻进参数实时分析系统绘制各种参数随钻进深度变化的曲线，包括钻速随深度变化的曲线、钻进比功随深度变化的曲线；

(3)将钻进参数随深度变化的曲线与数据库进行比对，确定各深度的围岩类别和物理力学性质；

(4)根据上述判断，绘制围岩类别与物理力学性质随深度变化的柱状直观图像。

10.根据权利要求7所述的应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测方法，其特征在于，所述步骤3包括：

(1)钻孔雷达的发射天线安装在钻头中心位置，动力系统推动钻头钻杆钻入岩层；

(2)钻头向前移动，发射天线将钻头钻进过程中钻头所在位置周围一定范围内围岩预测状况包括岩石物理力学参数和水层等不良地质体以电磁波形式保存；

(3)发射电线将电磁波发射给接收天线；

(4)接收天线将电磁波保存的围岩预测信息传递给三维精细化成像系统；

(5)三维精细化成像系统将电磁波保存的围岩信息在主机上以三维图像形式呈现；

(6)将呈现的围岩信息和频谱与围岩等级数据库进行比对，预测钻孔周围围岩类别及水层等不良地质体的分布。

11.根据权利要求7所述的应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测方法，其特征在于，所述步骤4包括：

(1)将钻机钻进参数实时分析系统和钻孔探查仪得到的精确围岩信息和钻孔雷达预测的围岩信息与围岩距钻孔中心的水平距离制作成岩层信息柱状图；

(2)将数据库中与探测岩层信息匹配的岩层各项参数加入柱状图中；

(3)根据柱状图信息绘制出岩层展布图。