CN105735971A - 一种基于弹性波的钻孔深度检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弹性波的钻孔深度检测系统及其检测方法，检测系统由手持机、采集器和传感器组成。通过该系统可对地面和井下钻杆进行测试，测试方法以一维杆状体纵波传播理论为基础，分别从时间域和频率域计算钻杆的长度，两种方法相互补充、相互验证，从而确定钻孔的孔深。本发明作为一种无损检测方法，不仅提高了测试的精度，而且以钻杆为载体，不受钻孔角度的偏差和塌孔等因素的影响，可实现对钻孔真实深度的有效测试；另外，现场测试施工效率高，单个钻孔的测试时间约为2分钟，能够实现对钻孔的快速检测且对生产影响较小；在现场测试时，可对测试结果进行实时显示，并形成防伪记录，便于对钻孔的管理。

Description

一种基于弹性波的钻孔深度检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种测量钻孔深度的系统及方法，特别涉及一种一种基于弹性波的钻孔深度检测系统及其检测方法。

背景技术

钻探工作是保障煤矿安全生产的最直接、有效的方法，但由于人为虚报、遇岩、遇水、遇瓦斯高应力区等主观及客观因素的影响，导致钻孔施工过程中钻孔实际进尺与钻孔设计存在较大偏差，这不仅造成一定经济损失，更重要的是由于钻孔施工达不到设计深度，造成对隐伏地质构造(富水区、瓦斯富集区等)的漏判和误判。传统测量方法主要是采用人工清点钻杆数量来确定，或者成孔后往里捅铁丝、塞木棍等，费工费时，极不方便。

目前常用的方法有红外测深和声波法等。但这些方法存在一定的局限性，如红外测深技术要求钻孔没有角度的变化；声波法需要孔内干净(没有煤灰堵塞、塌孔等)。而在实际钻孔施工过程中，钻孔都会存在一定的角度偏差和塌孔现象，尤其是在遇软岩和高瓦斯煤层中，绝大多数的钻孔都会在退出钻杆之后塌孔，这些方法得到的并不是钻孔的实际深度。应力波无损检测技术在锚杆锚固质量检测、基桩动测等方面应用较为广泛，但对于长距离(几十到几百米)孔深测量尚未研究。因此，找到一个能快速有效判定钻孔深度的方法是确保煤矿安全生产的有效途径。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种以钻杆为载体，以弹性波理论为基础，不受钻孔角度偏差和塌孔等因素影响，并能对几十到几百米深孔进行快速检测的钻孔深度检测方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于弹性波的钻孔深度检测系统，由手持机、采集器和传感器构成；所述采集器和传感器安装在钻杆尾部；所述传感器用于激发和接收振动信号，其由内置式电磁激振器和振动传感器构成，所述手持机通过无线传输方式向采集器发送采集命令并接收采集器所采集的振动信号，所述采集器通过有线传输方式向电磁激振器和振动传感器供电并采集、存储振动信号。

所述手持机包括ARM多核处理器，和分别与之交互连接的显示屏、RAM(a)、TF卡(a)、WIFI芯片(a)及电源(a)，运行Andriod操作系统及控制程序，通过WIFI向所述采集器发送采集命令并接收采集器所采集的振动信号。

所述采集器包括M4处理器，和分别与之交互连接的RAM(b)、TF卡(b)、A/D模块、WIFI芯片(b)及电源(b)；所述A/D模块通过线缆连接振动传感器，根据采集命令进行振动信号采集，并通过WIFI芯片(b)将采集到的数据发给所述手持机。

所述振动传感器为MEMS振动传感器或加速度传感器。

根据一维杆状体纵波传播理论，弹性波在波阻抗界面会发生反射，同时不同长度钻杆的纵波振型各不相同，通过在钻杆尾部激发和接收弹性波可分别从时间域和频率域上求取钻杆长度。

结合上述理论基础，本发明的另一目的，是提供基于弹性波的钻孔深度检测系统的检测方法，具体包括下述步骤：

(1)作业前，安装好采集器与传感器，并打开采集器与手持机的电源；

(2)通过无线方式连接采集器与手持机，在手持机上设置钻孔信息和采集参数后给采集器下发采集命令；

(3)激振器激发信号，采集器接收弹性波振动信号，并将振动信号通过无线传送给手持机；

(4)在手持机上进行数据的自动分析，为防止人为篡改，可系统生成包含钻孔信息、探测时间、操作人员、测试结果等信息的图片。

进一步，在手持机上进行数据分析时，可从时间域和频率域两方面进行钻杆长度计算，从而确定钻孔深度，即

1)从时间域计算钻杆长度：

钻杆底端激发的弹性波在传播到钻杆顶端时，会发生反射，通过拾取直达波和顶端反射波的时间差，已知弹性波在钻杆中的传播速度，即可从时间域求出钻杆的长度，从而确定钻孔深度。即设钻杆中弹性波波速为V，直达波与杆底反射波到时时差为△T，则钻杆长度为其中V可以通过测试前对多根钻杆进行标定。

2)从频率域计算钻杆长度：

弹性波振动信号是由不同频率的震相组成，速度一定时，一维杆状体各振型的频差是固定的，且随着杆长的增加而降低。通过对时间域波形信号进行快速傅里叶变换，得到弹性波的频谱，拾取各震相的频率f_i，计算频差△f，根据公式即可从频率域求出钻杆的长度，从而确定钻孔的深度。

时间域和频率域钻杆长度求取之后，可分别对其进行利用，也可对杆长标定结果进行误差分析，误差大，未达要求。对于时间域波形反射波不明显的信号，可以通过频率域求取钻杆的长度，同时时间域的计算结果可以弥补频率域对于长钻杆分辨率低的缺点。为确保钻孔深度检测的准确性，两种计算方法的结果可以相互补充、相互验证，从而提高测试的精度。

本发明的有益效果是：第一，作为一种无损检测方法，弹性波测试技术可以分别从时间域和频率域求取钻杆的长度，两种计算结果相互补充、相互验证，提高了测试的精度；第二，本发明以钻杆为载体，不受钻孔角度的偏差和塌孔等因素的影响，可实现对钻孔真实深度的有效测试；第三，现场测试施工效率高，单个钻孔的测试时间约为2分钟，能够实现对钻孔的快速检测且对生产影响较小；第四，可对现场测试结果进行实时显示，并形成防伪记录，便于对钻孔的管理。

附图说明

图1是本发明检测系统原理图。

图2是本发明手持机结构框图。

图3是本发明采集器结构框图。

图4是本发明现场测试系统示意图。

图5是本发明时间域弹性波波形图。

图6是本发明弹性波频谱图。

图中，1.钻孔，2.钻杆，3.手持机，4.采集器，5.传感器(电磁激振器51，MEMS振动传感器52)，6.锁扣。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1-4所示，本发明由手持机3、采集器4和传感器5组成。采集器4和传感器5安装在钻杆尾部；传感器用于激发和接收振动信号，其由内置式电磁激振器和振动传感器构成，手持机通过无线传输方式向采集器发送采集命令并接收采集器所采集的振动信号，所述采集器通过有线传输方式向电磁激振器和振动传感器供电并采集、存储振动信号。本发明的无线传输方式除了采用WIFI芯片外，还可采用GPRS或Zigbee等。

手持机3内部由ARM多核处理器，和分别与之交互连接的显示屏、RAM(a)、TF卡(a)及电源(a)等构成，运行Andriod操作系统及控制程序，通过WIFI芯片(a)向采集器4发送采集命令并接收采集器4所采集的振动信号。传感器5用于激发和接收振动信号，其由内置式电磁激振器51和MEMS振动传感器52(或采用加速度振动传感器)构成。采集器4内部由M4处理器，和分别与之交互连接的RAM(b)、TF卡(b)、A/D模块及电源(b)等构成，通过线缆连接电磁激振器51和MEMS振动传感器52，根据采集命令进行激发和振动信号采集，并通过WIFI芯片(b)将采集到的数据发给手持机3。电磁激振器由M4处理器直接通过信号控制，A/D模块根据采集参数同步对传感器的信号进行转换。

根据一维杆状体纵波传播理论，弹性波在波阻抗界面会发生反射，同时不同长度钻杆的纵波振型各不相同，通过在钻杆尾部激发和接收弹性波可分别从时间域和频率域上求取钻杆长度。

结合上述理论基础，本发明的另一目的，是提供基于弹性波的钻孔深度检测系统的检测方法，具体包括下述步骤：

(1)作业前，安装好采集器与传感器，并打开采集器与手持机的电源；

(2)通过无线方式连接采集器与手持机，在手持机上设置钻孔信息和采集参数后给采集器下发采集命令；

(3)激振器激发信号，采集器接收弹性波振动信号，并将振动信号通过无线传送给手持机；

(4)在手持机上进行数据的自动分析，为防止人为篡改，可系统生成包含钻孔信息、探测时间、操作人员、测试结果等信息的图片。

进一步，在手持机上进行数据分析时，可从时间域和频率域两方面进行钻杆长度计算，从而确定钻孔深度，即

1)从时间域计算钻杆长度：

钻杆底端激发的弹性波在传播到钻杆顶端时，会发生反射，通过拾取直达波和顶端反射波的时间差，已知弹性波在钻杆中的传播速度，即可从时间域求出钻杆的长度，从而确定钻孔深度。即设钻杆中弹性波波速为V，直达波与杆底反射波到时时差为△T，则钻杆长度为其中V可以通过测试前对多根钻杆进行标定。

2)从频率域计算钻杆长度：

弹性波振动信号是由不同频率的震相组成，速度一定时，一维杆状体各振型的频差是固定的，且随着杆长的增加而降低。通过对时间域波形信号进行快速傅里叶变换，得到弹性波的频谱，拾取各震相的频率f_i，计算频差△f，根据公式即可从频率域求出钻杆的长度，从而确定钻孔的深度。

时间域和频率域钻杆长度求取之后，可分别对其进行利用，也可对杆长标定结果进行误差分析，误差大，未达要求。对于时间域波形反射波不明显的信号，可以通过频率域求取钻杆的长度，同时时间域的计算结果可以弥补频率域对于长钻杆分辨率低的缺点。为确保钻孔深度检测的准确性，两种计算方法的结果可以相互补充、相互验证，从而提高测试的精度。

本发明在某突出矿井以螺纹接口钻杆为例进行了试验，该矿在巷道掘进和工作面瓦斯抽采的过程中要施工大量的超前探测孔和瓦斯抽采孔，急需快速检测钻孔质量的技术。其具体的检测方法为：

①波速标定：通过地面和井下钻杆测试，每钻进几根钻杆进行一次测量，根据直达波和杆底反射波的到时差和已知杆长来计算弹性波在钻杆中的传播速度。本次波速标定为：V＝4564m/s。

②杆长测试：

时间域杆长计算：以57.2m钻杆(钻杆实际长度＝钻杆根数×单根杆长(1m)+钻头(约0.2m))为例，图5为钻杆上测得的时间域波形，可以清晰地识别杆端的反射波和多次反射波，反射周期为25.120ms(如图中所示t₂-t₁)，根据已标定的速度值V＝4564m/s，计算出杆长为57.324m。

频率域杆长标定：图6为通过对时间域波形进行快速傅里叶变换，得到57.2m钻杆弹性波频谱，可以看出，该杆长弹性波各震相的频差基本一致，计算出平均频差△f＝40hz(如图中所示f_n-f_n-1)，根据已标定的代表速度值V＝4564m/s，计算出杆长为57.05m。

通过对现场多个正在施工的钻孔随机抽查，无论是时间域还是频率域都取得了很好的效果，误差都在2％以内，满足煤矿生产要求。

上述仅为本发明的实施例而已，对本领域的技术人员来说，本发明有多种更改和变化。凡在本发明的发明思想和原则之内，作出任何修改，等同替换，改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于弹性波的钻孔深度检测系统，其特征在于：由手持机、采集器和传感器构成；所述采集器和传感器安装在钻杆尾部；所述传感器用于激发和接收振动信号，其由内置式电磁激振器和振动传感器构成，所述手持机通过无线传输方式向采集器发送采集命令并接收采集器所采集的振动信号，所述采集器通过有线传输方式向电磁激振器和振动传感器供电并采集、存储振动信号。

2.根据权利要求1所述的基于弹性波的钻孔深度检测系统，其特征在于：所述手持机包括ARM多核处理器，和分别与之交互连接的显示屏、RAM(a)、TF卡(a)、WIFI芯片(a)及电源(a)，运行Andriod操作系统及控制程序，通过WIFI向所述采集器发送采集命令并接收采集器所采集的振动信号。

3.根据权利要求1所述的基于弹性波的钻孔深度检测系统，其特征在于：所述采集器包括M4处理器，和分别与之交互连接的RAM(b)、TF卡(b)、A/D模块、WIFI芯片(b)及电源(b)；所述A/D模块通过线缆连接振动传感器，根据采集命令进行振动信号采集，并通过WIFI芯片(b)将采集到的数据发给所述手持机。

4.根据权利要求1所述的基于弹性波的钻孔深度检测系统，其特征在于：所述振动传感器为MEMS振动传感器或加速度传感器。

5.根据权利要求1-4任一项所述系统的检测方法，其特征在于：包括下述步骤：

(1)作业前，安装好采集器与传感器，并打开采集器与手持机的电源；

(2)通过无线方式连接采集器与手持机，在手持机上设置钻孔信息和采集参数后给采集器下发采集命令；

(3)电磁激振器激发信号，振动采集器接收弹性波振动信号，并将振动信号通过无线传送给手持机；

(4)手持机数据分析处理，通过时间域或频率域分别计算钻杆总长度，从而确定钻孔深度。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：步骤(4)中，通过时间域计算钻杆总长度L：设钻杆中弹性波波速为V，直达波与杆底反射波到时时差为ΔT，则钻杆总长度为其中V通过测试前对钻杆进行标定。

7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：步骤(4)中，频率域计算钻杆总长度L：设钻杆中弹性波波速为V，通过对时间域波形信号傅里叶变换，得到弹性波的频谱，拾取各震相的频率f_i，计算频差Δf，根据公式求出钻杆的总长度，从而确定钻孔深度。

8.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于：所述步骤(4)中，手持机数据分析处理还包括生成信息的图片，所述图片的信息包含钻孔信息、探测时间、操作人员和测试结果。

9.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于：步骤(4)中，还包括比对时间域或频率域分别计算的结果，相互补充、相互验证，确定钻孔深度。