CN105649607A - 一种矿用随钻式钻孔轨迹检测方法、钻杆及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿用随钻式钻孔轨迹检测方法、钻杆及系统，方法的步骤如下：1)：触发钻杆上的姿态检测装置，姿态检测装置被触发时，将检测到的姿态信息编码，并发射包含编码信息的弹性波，通过钻孔反向的路径回传；2)：接收所述包含编码信息的弹性波，对该弹性波进行解析，获取对应钻杆的姿态信息；钻杆上设有姿态检测装置，该姿态检测装置包括CPU、电池、编解码单元、姿态检测传感器和弹性波发射模块；一种随钻钻孔轨迹检测系统，包括测量主机和上述钻杆，测量主机驱动连接一个用于发射、接收弹性波的第一弹性波收发模块。通过本发明提供的钻孔深度检测方法，可以实现在线式的钻孔轨迹检测。

Description

一种矿用随钻式钻孔轨迹检测方法、钻杆及系统

技术领域

本发明涉及一种矿用随钻式钻孔轨迹检测方法，并涉及适用于该方法的钻杆及系统。

背景技术

煤矿在进行采煤作业前，通常会先进行地质勘探，以查明煤层、岩石、水的地质分布，有瓦斯的煤矿通常需要进行瓦斯抽放；进行这些作业主要靠在煤层或岩层中打入一定数量的钻孔。而煤矿井下的钻孔轨迹和钻孔深度的准确量对于衡量煤矿瓦斯抽采孔、探放水孔作业质量具有重要意义。目前煤矿井下现有的钻孔深度测量方法，大多采用人工记杆数的方法，但在杆数较多时容易出现漏计、误计的问题。也有使用仪器直接测量的产品，但是普遍存在安装复杂、计量不准、误差大的问题。

申请号为201420863880.0的实用新型专利《矿用随钻式钻孔轨迹测量系统》公开了这样的一种技术方案：测量系统包括测量探杆，测量探杆中设有主控制器，用于测量空间姿态的姿态检测传感器，所述的测量探杆中设有用于检测测量杆处于运动、静止状态的运动状态测量器。主控制器根据运动状态测量器的输出，在测量探杆由运动状态转为完全静止状态时，主控制器发出测量信号，控制所述姿态检测传感器进行空间姿态测量。

这种方案，姿态检测传感器测量得到的空间姿态信息存储在存储器中，为了得到钻孔轨迹需要将整个钻孔中的钻杆全部拔出后，从各个钻杆的存储器中得到钻孔过程中的空间姿态信息。因此，这种钻孔轨迹的测量是一种离线式的测量，不能够在钻孔过程中进行检测，不利于在钻孔过程中掌握钻孔的过程。

另外，上述方案为了节省钻杆中的电池电量，设定在静止时开始工作进行空间姿态的检测。所以需要一个加速度传感器来判断钻孔的静止、运动姿态，造成钻杆的成本、体积的增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种矿用随钻式钻孔轨迹检测方法，用以解决现有技术中煤矿井下钻孔轨迹测量是离线方式，无法在线检测的问题。同时，本发明还提供了应用上述方法的检测系统，以及钻杆。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种矿用随钻式钻孔轨迹检测方法，步骤如下：

步骤1)：触发钻杆上的姿态检测装置，姿态检测装置被触发时，将检测到的姿态信息编码，并发射包含编码信息的弹性波，通过钻孔反向的路径回传，该包含编码信息的弹性波沿钻杆传播回钻机处；

步骤2)：接收所述包含编码信息的弹性波，对该弹性波进行解析，获取对应钻杆的姿态信息。

进一步的，所述触发钻杆上的姿态检测装置的方式为：在钻机处，沿钻孔正向路径发射弹性波，弹性波沿着钻杆传播；当弹性波抵达钻杆时，钻杆上的姿态检测装置被触发。

优选的，所述步骤2)中，在钻杆上的姿态检测装置被触发后，开始工作，检测钻杆的姿态信息。

进一步的，所述轨迹检测方法包括钻孔深度检测方法：在钻机处，沿钻孔正向路径发射弹性波，弹性波沿着钻杆传播，达到最前端的钻杆时，弹性波反射，通过接收反射的弹性波，测量发射与接收弹性波的时间差，从而计算钻孔深度。

同时，本发明还提供了适用于本发明矿用随钻式钻孔轨迹检测方法的一种钻杆，所述钻杆上设有姿态检测装置，该姿态检测装置包括CPU、电池、编解码单元、姿态检测传感器和弹性波发射模块，以及一个用于触发弹性波发射模块发射弹性波的触发模块。

优选的，所述触发模块为弹性波接收模块，所述姿态检测传感器为电子罗盘或陀螺仪。

优选的，所述姿态检测传感器是电子罗盘，所述钻杆包括钻杆本体与钻杆本体上轴向连接的无磁探管，所述电子罗盘设于所述无磁探管内。

再者，本发明还提供了适用于上述矿用随钻式钻孔轨迹检测方法的一种系统，包括测量主机和钻杆，测量主机驱动连接一个用于发射、接收弹性波的第一弹性波收发模块，所述钻杆上设有姿态检测装置，该姿态检测装置包括CPU、编解码单元、姿态检测传感器和第二弹性波收发模块。

优选的，所述姿态检测传感器为电子罗盘或陀螺仪。

本发明的钻孔深度检测方法，是一种在线式的检测方法，姿态检测装置将检测到的姿态信息加载到回传的弹性波上进行回传，从而利用弹性波沿钻杆的传播实现了姿态信息的在线采集。

进一步的，在钻到一定深度时，沿钻杆路径发射弹性波，弹性波在沿钻杆传播过程中会触发钻杆上的姿态检测装置，相对于其他的触发姿态检测装置的方式，触发的时机容易掌握，而且在钻杆上同时设置弹性波接收与发射装置，优化利用硬件资源。而且，通过测量弹性波的发射与反射时间差，还能够直接获得钻孔深度，充分利用了弹性波收发模块的功能。同时本发明的方法操作相对简单。

进一步的，在触发时，姿态检测装置才开始检测，从而能够节省钻杆上的电池电量。

本发明提供的钻杆，能够应用上述方法。

本发明提供的一种矿用随钻式钻孔轨迹检测系统，通过第一弹性波收发模块、第二弹性波收发模块和测量主机的设置，能够快速准确的测得钻杆姿态和钻孔深度，从而结合得到钻孔轨迹，，能够实时监测钻孔轨迹。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是主机结构示意图；

图3是姿态检测装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

矿用随钻式钻孔轨迹检测系统的实施例

本发明提供的一种矿用随钻式钻孔轨迹检测系统，如图1所示包括测量主机1和钻杆2，测量主机还驱动连接一个用于接收和发送弹性波的第一弹性波收发模块3。如图2所示，测量主机包括中央处理器、人机界面、存储单元以及编解码单元，人机界面、存储单元、编解码单元均与中央处理器连接，编解码单元还驱动连接所述用于接收和发送弹性波的第一弹性波收发模块3；编解码单元用于将第一弹性波收发模块接收到的弹性波进行解码后传输给中央处理器，同时还将中央处理器需要发送的信号进行编码后传输给第一弹性波收发模块发送出去；中央处理器用于处理接收到的信号，处理完成后传输到存储器单元进行存储，还可以将所有数据进行处理后得到钻孔轨迹信息并将轨迹信息传输到人机界面进行显示。其中标号6为钻机。

钻杆包括钻杆本体4和无磁探管5，无磁探管设于钻杆本体上靠近钻头的部位，无磁探管内设有姿态检测装置。具体的，如图3所示姿态检测装置包括姿态检测传感器、中央处理器、编解码单元、用于给姿态检测装置供电的电池以及用于接收和发送弹性波的第二弹性波收发模块；中央处理器与姿态检测传感器的信号接口对应连接，用于控制姿态检测传感器进行检测，并且接收姿态检测传感器发送的姿态检测信息；编解码单元连接中央处理器和第二弹性波收发模块，用于接收第二弹性波收发模块接收的信号并进行解码后传输给中央处理器，同时还接收中央处理器发出的姿态信息并进行编码后传输给第二弹性波收发模块，使第二弹性波收发模块将姿态信息以弹性波的形式发射出去。

上述实施方式中采用触发的方式使得姿态检测装置工作，是为了在不需要发送姿态信息时姿态检测装置不工作，从而可以省电，延长姿态检测装置中电池的寿命。如果不考虑省电效果，还可以使得姿态检测装置持续工作，不采用触发工作的方式。

在这里，姿态检测传感器所采用的是电子罗盘，这就要求其工作环境必须没有磁场干扰，因此，这里的无磁探管采用无磁材料制成，以保证电子罗盘在工作过程中不受磁场干扰，得到准确的姿态检测信息；因为无磁探管的作用是保证电子罗盘的工作不受干扰，因此，也可以仅仅将电子罗盘设于无磁探管内，姿态检测装置的其他部件不设置在无磁探管中。当然，姿态检测传感器还可以使用其他的姿态检测传感器，比如陀螺仪等，由于陀螺仪不受磁场影响，因此不必设置无磁探管，直接将陀螺仪安装于探杆本体中。

在本实施例中，触发姿态检测装置工作的触发信号是第一弹性波收发模块发出的弹性波，因此在第二弹性波收发模块中设置有弹性波发射模块和弹性波接收模块，弹性波接收模块用于接收第一弹性波收发模块发出的用于触发姿态检测装置的弹性波，进而发出包含姿态信息的弹性波回波。触发姿态检测装置工作的触发信号也可以不是由第一弹性波收发模块发出的弹性波，而是设置于钻杆上的其他触发方式，比如在钻杆上设置检测钻杆是静止还是运动的状态传感器，当钻杆静止时发出触发信号触发姿态传感器工作，又或者是在姿态传感器的中央处理器中设置定时器，设置一定时间后触发姿态检测装置工作，相应的，则可以在第二弹性波收发模块中不设置弹性波接收模块，而仅仅设置弹性波发射模块，相应的第一弹性波收发模块也仅仅设置有弹性波接收模块。

需要说明的是，第一弹性波收发设置中的弹性波接收和发射模块所采用的是一体式的收发模块，当然，也可以是相互独立的接收器和发射器。而第一弹性波收发模块和第二弹性波收发模块接收和发射的弹性波是超声波或其它类型的弹性波。

需要说明的是，在本实施例中每节钻杆上都设有姿态检测装置，作为其他实施方式，还可以根据操作人员的需要设置若干节钻杆上有姿态检测装置，若干节钻杆上没有姿态检测装置。

下面对本发明提供的一种矿用随钻式钻孔轨迹检测系统的工作过程作出具体说明。当钻进一定深度时，将第一弹性波收发模块3安装到最后一根钻杆尾部，通过操作主机，开始进行角度测量：测量主机发出触发姿态检测装置工作的触发信号，该触发信号经过测量主机中的编解码单元编码后传输给第一弹性波收发模块形成触发弹性波，已经安装在钻机上最后一根钻杆尾部的第一弹性波收发模块从钻机处发出触发弹性波，该触发弹性波沿钻杆顺着钻孔正方向路径传播。

当该触发弹性波传播到第二弹性波收发模块时，第二弹性波收发模块接收该触发弹性波并将其传输到设于姿态检测装置中的编解码单元中，编解码单元将该触发弹性波解码后传输给姿态检测装置中的中央处理器，从而触发姿态检测装置进行工作。姿态检测装置开始工作后，设于其中的电子罗盘开始检测当前的方向角和俯仰角的角度数据等姿态信息，并将这些姿态信息传输到中央处理器中，中央处理器对这些姿态信息进行处理后传输给编解码单元，编解码单元将这些姿态信息进行编码处理并传输给第二弹性波收发模块中，第二弹性波收发模块以弹性波的形式将这些姿态信息发射出去，即开始回传姿态信息，第二弹性波收发模块发射的弹性波沿钻杆朝钻孔负方向路径传播。

当第一弹性波收发模块接收到第二弹性波收发模块发射的弹性波后，将该弹性波传输给设于主机内的编解码单元进行解码处理，解析出相应的姿态信息，然后编解码单元再将这些经过解码的姿态信息传输给测量主机的中央处理器，中央处理器根据需要将这些姿态信息进行处理，根据需要将处理完成的信息传输到存储器单元进行存储或者传输给人机界面进行显示。

上述过程即实现对钻孔姿态信息的一次检测，可以在继续钻进一定深度后再次进行检测

为了获得钻孔轨迹，还需要测量钻孔深度。具体的，利用本实施例的系统，当需要进行深度测量时，将与主机相连的第一弹性波收发模块连接在钻机上的最后一根钻杆的尾端，通过操作主机，开始进行深度测量：测量主机发出测量钻孔深度的测量信号，该测量信号经过测量主机中的编解码单元编码后传输给第一弹性波收发模块形成测量弹性波，第一弹性波收发模块从钻机处发出测量弹性波，该测量弹性波沿钻杆朝着钻孔正方向路径传播，测量主机记录此时发送弹性波的时刻。

当弹性波通过连续的钻杆到达第一根钻头时，由于到达了钻杆的边界，弹性波的大部分都会被反射回去，并且反射的弹性波沿钻杆朝钻孔的负方向路径传播。第一弹性波收发模块接收到反射的弹性波后，将该弹性波传输给测量主机，并记录此时接收到弹性波的时刻，然后测量主机根据弹性波发射时刻和接收时刻进行运算得到一个时间差，然后根据弹性波的速度和计算出来的时间差进行计算，从而得到从第一弹性波收发模块到钻头的整个长度，即为钻孔的当前深度。

需要说明的是，由于此时检测钻孔深度的弹性波不需要第二弹性波收发模块接收或发射弹性波，而仅需要在到达连续钻杆与钻头结合处返回即可，因此，此时发射的弹性波中不触发姿态检测装置。是否触发可以通过对第一弹性波收发模块发出的弹性波给予不同的编码方式来实现，编码后的弹性波具有这种编码信息，因此第二弹性波收发模块接收到沿钻杆传播来得弹性波时，根据编码，决定是否触发自身的姿态检测装置。

本发明所提供的一种矿用随钻式钻孔轨迹检测系统，在检测钻杆姿态的同时还可以检测钻孔的深度，因此可以将检测到的钻孔深度和检测到的钻杆姿态相结合，通过一定的处理得到一个更具有空间感的轨迹。

矿用随钻式钻孔轨迹检测方法实施例

矿用随钻式钻孔轨迹检测方法的具体实施方式在上述矿用随钻式钻孔轨迹检测系统实施例中已经详细说明，在此不再赘述。

矿用随钻式钻孔轨迹检测系统中所用钻杆的实施例

矿用随钻式钻孔轨迹检测系统所用钻杆的具体实施方式已经在上述矿用随钻式钻孔轨迹检测系统实施例中予以详细说明，在此不再赘述。

以上给出了本发明具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种矿用随钻式钻孔轨迹检测方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1)：触发钻杆上的姿态检测装置，姿态检测装置被触发时，将检测到的姿态信息编码，并发射包含编码信息的弹性波，通过钻孔反向的路径回传，该包含编码信息的弹性波沿钻杆传播回钻机处；

步骤2)：接收所述包含编码信息的弹性波，对该弹性波进行解析，获取对应钻杆的姿态信息。

2.根据权利要求1所述的一种矿用随钻式钻孔轨迹检测方法，其特征在于，所述触发钻杆上的姿态检测装置的方式为：在钻机处，沿钻孔正向路径发射弹性波，弹性波沿着钻杆传播；当弹性波抵达钻杆时，钻杆上的姿态检测装置被触发。

3.根据权利要求2所述的一种矿用随钻式钻孔轨迹检测方法，其特征在于，所述步骤2)中，在钻杆上的姿态检测装置被触发后，开始工作，检测钻杆的姿态信息。

4.根据权利要求2所述的一种矿用随钻式钻孔轨迹检测方法，其特征在于，所述轨迹检测方法包括钻孔深度检测方法：在钻机处，沿钻孔正向路径发射弹性波，弹性波沿着钻杆传播，达到最前端的钻杆时，弹性波反射，通过接收反射的弹性波，测量发射与接收弹性波的时间差，从而计算钻孔深度。

5.一种钻杆，其特征在于，所述钻杆上设有姿态检测装置，该姿态检测装置包括CPU、电池、编解码单元、姿态检测传感器和弹性波发射模块，以及一个用于触发弹性波发射模块发射弹性波的触发模块。

6.根据权利要求5所述的一种钻杆，其特征在于，所述触发模块为弹性波接收模块。

7.根据权利要求5或6所述的一种钻杆，其特征在于，所述姿态检测传感器为电子罗盘或陀螺仪。

8.根据权利要求5或6所述的一种钻杆，其特征在于，所述姿态检测传感器是电子罗盘，所述钻杆包括钻杆本体与钻杆本体上轴向连接的无磁探管，所述电子罗盘设于所述无磁探管内。

9.一种随钻钻孔轨迹检测系统，其特征在于，包括测量主机和钻杆，测量主机驱动连接一个用于发射、接收弹性波的第一弹性波收发模块，所述钻杆上设有姿态检测装置，该姿态检测装置包括CPU、电池、编解码单元、姿态检测传感器和第二弹性波收发模块。

10.根据权利要求9所述的一种随钻钻孔轨迹检测系统，其特征在于，所述姿态检测传感器为电子罗盘或陀螺仪。