CN107701174A - 一种快速测定煤层钻孔轴线形状的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速测定煤层钻孔轴线形状的装置与方法，在胶管内壁每隔一定距离黏贴一组应变计，并利用光纤将应变计的受力情况传递给微机系统，微机系统根据每组应变计的受力情况，确定其弯曲变形趋势，快速绘制出所测煤层的钻孔轴线形状，掌握煤层钻孔的空间结构，以便在向钻孔内送入测定仪器、炸药及其它刚性物件时，采取有针对性的技术措施，确保上述物料能够被准确、快速送入钻孔深部预定位置。从而解决了长期以来煤矿工程技术人员不了解煤层钻孔空间结构的技术难题。

Description

一种快速测定煤层钻孔轴线形状的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种测定装置，特别是关于一种能够快速测定煤层钻孔轴线形状的装置与方法。

背景技术

众所周知，在煤矿井下，钻孔施工是一项必不可少的工艺；由于煤层赋存地质条件，例如煤质软硬、各种构造及应力集中等和打钻工艺自身，例如钻杆自重、钻孔振动和操作人员的技术熟练程度等的影响，施工所得的钻孔，不仅钻孔的轴线是非线性的，而且该轴线很有可能不在同一个平面上，呈现某种非常复杂的空间结构。当井下工人向钻孔内送入某些刚性物件时，就会出现阻力大、送不动等现象。只有准确掌握钻孔轴线的空间结构，才能制定有效的将物件顺利送入钻孔预定位置的技术措施。

目前，有关钻孔轴线形状测定方面的工艺与方法，主要成果如下：在地质勘探方面，根据经验和构建的方程，对钻孔轴线轨迹进行计算，并采用计算机自动绘制出该曲线；在煤矿井下，当实施定向钻进时，也可以根据孔底马达的运行轨迹确定钻孔轴线形状；另外，采用钻孔窥视仪可以观察煤层钻孔。

地质勘探工作往往在地面实施，钻孔呈垂直状，或稍微倾斜状态，这与煤矿井下的近水平钻孔是有区别的；煤矿井下的定向钻进成本较高，无法大范围推广使用；钻孔窥视仪只能观察煤层钻孔壁面，而不具备探测钻孔弯曲变形状态的功能。

因此，针对煤矿井下普遍存在的常规钻孔，为了掌握钻孔轴线的空间结构，为作业人员制定送入物件的技术措施提供技术支持，探索出一种能够快速测定煤层钻孔轴线形状的装置与方法就显得尤为迫切。

发明内容

为了解决上述技术问题本发明提供了一种快速测定煤层钻孔轴线形状的装置与方法。

本发明所采用的技术方案是：一种快速测定煤层钻孔轴线形状的装置，包括微机系统、主光纤、支光纤、胶管和应变计组，所述胶管沿其长度设置若干测点，每个测点设置有应变计组，每个应变计组均由多个周向均布于胶管内壁的应变计组成；所述应变计分别由支光纤联接主光纤，再通过主光纤连接微机系统；当胶管送入钻孔内，胶管的外径与钻孔内径贴合，且形状适应钻孔的形状自动弯曲，应变计受力向微机系统发出感应信号；如果应变计承受拉应力，则其所在位置的胶管处于拉伸状态，如果应变计承受压应力，则其所在位置的胶管处于压缩状态，如果应变计无应力显现，则其所在位置的胶管处于原始状态；根据每组中各应变计的受力状态，得出每组应变计处的胶管的弯曲变形趋势，从而获取整个钻孔的形状。

所述胶管，采用单层钢丝胶囊制成，软硬合适，既能根据钻孔形状而自动弯曲，又能较好的传递应力，便于快速送入钻孔深处。

所述应变计，为光纤传感器，黏贴于胶管的内壁，每个应变计组包括6-12个应变计，最好为8个。

所述测点每隔1米设置一个。

所述主光纤设置一根，主光纤的一端与微机系统相联接；支光纤的数量由应变计的个数决定，每个应变计设置一根支光纤，支光纤用于联接应变计和主光纤，联接方式为电焊联接。通过光纤可以将各应变计的受力状态传递给微机系统。

所述微机系统由采集数据的硬件和分析数据的软件组成，既能采集各个应变计的应力，又能给出各测点的弯曲变形趋势，并将各测点的弯曲变形趋势连成一条曲线，该曲线即为胶管的弯曲变形曲线。

所述胶管外径与煤层钻孔直径基本相当，当胶管被送入整个钻孔；处于钻孔内部的胶管的弯曲变形状态与钻孔轴线形状基本相似，所测的胶管弯曲变形曲线可以被认为是煤层钻孔轴线形状。

一种用于测定煤层钻孔轴线形状的方法，具体步骤为：

步骤1）制作测定装置，将胶管和光纤以及应变计组装，步骤1.1）将胶管截为若干根1米长的管体，各胶管两端预留100mm连接接头，其中一端剥掉外表皮，另一端去掉内部的钢丝网及内保护层，确保两段胶管能够吻合插接；步骤1.2）选取一根经步骤1.1）处理的胶管，将一组联接好的光纤和应变计从胶管中穿过，将应变计粘贴在该段胶管的内壁；1.3）再选取一根经步骤1.1）处理的胶管，预先涂上强力胶水；然后将第二组联接好的光纤和应变计从胶管中穿过，将应变计粘贴在该段胶管的内壁，再将两段胶管插接固定；1.4）重复上述步骤，直至将应变计全部黏贴好为止；

步骤2）将主光纤与微机系统连接；

步骤3）将胶管3送入待测煤层钻孔5，直至到达钻孔5底端为止；

步骤4）打开微机系统，启动数据监测软件，获取所有应变计的数据；

步骤5）启动自动绘图软件，导入应变计监测数据，自动给出每个测点的弯曲变形趋势，如果应变计承受拉应力，则其所贴位置的胶管处于拉伸状态，如果应变计承受压应力，则其所贴位置的胶管处于压缩状态，如果应变计无应力显现，则其所贴位置的胶管处于原始状态；软件将每个测点的弯曲变形趋势连成一条平滑的曲线，即为煤层钻孔的轴线形状，从而获取整个钻孔的形状。

本发明的有益效果是：一种快速测定煤层钻孔轴线形状的装置与方法，该装置在胶管内壁每隔一定距离黏贴一组应变计，并利用光纤将应变计的受力情况传递给微机系统，微机系统根据每组应变计的受力情况，确定其弯曲变形趋势，并最终绘制出所测煤层的钻孔轴线形状，从而解决了长期以来煤矿工程技术人员不了解煤层钻孔空间结构的技术难题。应用本发明的装置与方法，可快速测定煤层钻孔轴线形状，掌握煤层钻孔的空间结构，以便在向钻孔内送入测定仪器、炸药及其它刚性物件时，采取有针对性的技术措施，确保上述物料能够被准确、快速送入钻孔深部预定位置。本发明在胶管测点的内壁均匀布置应变计，根据监测的应变计受力情况，确定胶管壁面的伸缩状态；综合这该点处各个应变计的伸缩状态，确定胶管在该测点的弯曲变形趋势；再将所有测点的弯曲变形趋势连成一条光滑曲线，该曲线即为胶管的弯曲变形曲线；再利用煤层钻孔轴线形状与胶管弯曲变形曲线之间的相似性，推断出煤层钻孔的轴线形状；是本发明的核心技术。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为应变计的安装结构示意图。

图中标记如下：1.微机系统，2.光纤，2-1.主光纤，2-2.支光纤，3.胶管，4.应变计组，4-1.应变计，5.钻孔。

具体实施方式

如附图1-2所示，一种快速测定煤层钻孔5轴线形状的装置，包括微机系统1、主光纤2-1、支光纤2-2、胶管3和应变计4组成，所述胶管3沿其长度设置若干测点，每个测点设置有应变计组4，每个应变计组4均由多个周向均布于胶管内壁的应变计4-1组成；所述应变计4-1分别由支光纤2-2联接主光纤2-1，再通过主光纤2-1连接微机系统1；当胶管3送入钻孔内，胶管3的外径与钻孔5内径贴合，且形状适应钻孔5的形状自动弯曲，应变计4-1受力向微机系统1发出感应信号；如果应变计4-1承受拉应力，则其所在位置的胶管3处于拉伸状态，如果应变计4-1承受压应力，则其所在位置的胶管3处于压缩状态，如果应变计4-1无应力显现，则其所在位置的胶管3处于原始状态；根据每组中各应变计4-1的受力状态，得出每组应变计4-1处的胶管3的弯曲变形趋势，从而获取整个钻孔5的形状。

所述胶管3，采用单层钢丝胶囊制成，软硬合适，既能根据钻孔5形状而自动弯曲，又能较好的传递应力，便于快速送入钻孔3深处。

所述应变计4-1，为光纤传感器，黏贴于胶管3的内壁，每个应变计组4包括6-12个应变计4-1，最好为8个。

所述测点每隔1米设置一个。

所述主光纤2-1设置一根，主光纤2-1的一端与微机系统1相联接；支光纤2-2的数量由应变计4-1的个数决定，每个应变计4-1设置一根支光纤2-2，支光纤2-2用于联接应变计4-1和主光纤2-1，联接方式为电焊联接。通过光纤2可以将各应变计4-1的受力状态传递给微机系统1。

所述微机系统1由采集数据的硬件和分析数据的软件组成，既能采集各个应变计4-1的应力，又能给出各测点的弯曲变形趋势，并将各测点的弯曲变形趋势连成一条曲线，该曲线即为胶管3的弯曲变形曲线。

所述胶管3外径与煤层钻孔5直径基本相当，当胶管3被送入整个钻孔5；处于钻孔5内部的胶管3的弯曲变形状态与钻孔5轴线形状基本相似，所测的胶管3弯曲变形曲线可以被认为是煤层钻孔5轴线形状。

一种用于测定煤层钻孔轴线形状的装置的制作方法：步骤1）将胶管3截为若干根1米长的管体，各胶管3两端预留100mm连接接头，其中一端剥掉外表皮，另一端去掉内部的钢丝网及内保护层，确保两段胶管3能够吻合插接；步骤2）选取一根经步骤1）处理的胶管3，将一组联接好的光纤2和应变计4-1从胶管3中穿过，将应变计4-1粘贴在该段胶管3的内壁；3）再选取一根经步骤1）处理的胶管3，预先涂上强力胶水；然后将第二组联接好的光纤2和应变计4-1从胶管3中穿过，将应变计4-1粘贴在该段胶管3的内壁，再将两段胶管3插接固定；4）重复上述步骤，直至将应变计4-1全部黏贴好为止。

本发明的一个实施例如下：

微机系统1为一个具有防爆外壳的笔记本电脑，装有数据监测软件和自动绘图软件。

光纤2由1根2-1主光纤和若干根支光纤2-2组成，材料为爱谱华顿 GYXTW室外型铠装4芯单模光缆，长度依据钻孔深度而定。

胶管3为单层钢丝液压胶管，壁厚5mm，长和外径依据钻孔的规格而定。

应变计4-1为SENPUM深浦光纤传感器；各部分之间主要采用电焊联接。

工作过程如下：光纤2分别与微机系统1和应变计4相联接；截断胶管3，对每根的两端进行处理，以便联接。

让联接好的光纤2和应变计4-1穿过截断的胶管3，并黏贴应变计4-1；再联接下一根截断的胶管3，依次进行，直至应变计4-1全部黏贴好为止。

将胶管3送入待测煤层钻孔5，直至到达钻孔5底端为止。

打开微机系统1，启动数据监测软件，获取所有应变计4-1的数据。

启动自动绘图软件，导入监测数据，自动给出每个测点的弯曲变形趋势，并连成一条平滑的曲线，即为煤层钻孔5的轴线形状。

Claims (8)

1.一种快速测定煤层钻孔轴线形状的装置，其特征在于，包括微机系统、主光纤、支光纤、胶管和应变计组，所述胶管沿其长度设置若干测点，每个测点设置有应变计组，每个应变计组均由多个周向均布于胶管内壁的应变计组成；所述应变计分别由支光纤联接主光纤，再通过主光纤连接微机系统；当胶管送入钻孔内，胶管的外径与钻孔内径贴合，且形状适应钻孔的形状自动弯曲，应变计受力向微机系统发出感应信号；如果应变计承受拉应力，则其所在位置的胶管处于拉伸状态，如果应变计承受压应力，则其所在位置的胶管处于压缩状态，如果应变计无应力显现，则其所在位置的胶管处于原始状态；根据每组中各应变计的受力状态，得出每组应变计处的胶管的弯曲变形趋势，从而获取整个钻孔的形状。

2.根据权利要求1所述的一种快速测定煤层钻孔轴线形状的装置，其特征在于，所述胶管，采用单层钢丝胶囊制成，软硬合适，既能根据钻孔形状而自动弯曲，又能较好的传递应力，便于快速送入钻孔深处。

3.根据权利要求1所述的一种快速测定煤层钻孔轴线形状的装置，其特征在于，所述应变计，为光纤传感器，黏贴于胶管的内壁，每个应变计组包括6-12个应变计。

4.根据权利要求3所述的一种快速测定煤层钻孔轴线形状的装置，其特征在于，每个应变计组包括8个应变计。

5.根据权利要求1所述的一种快速测定煤层钻孔轴线形状的装置，其特征在于，所述测点每隔1米设置一个。

6.根据权利要求1所述的一种快速测定煤层钻孔轴线形状的装置，其特征在于，所述主光纤设置一根，主光纤的一端与微机系统相联接；支光纤的数量由应变计的个数决定，每个应变计设置一根支光纤，支光纤用于联接应变计和主光纤，联接方式为电焊联接；通过光纤可以将各应变计的受力状态传递给微机系统。

7.根据权利要求1所述的一种快速测定煤层钻孔轴线形状的装置，其特征在于，所述胶管外径与煤层钻孔直径相当，当胶管被送入整个钻孔，处于钻孔内部的胶管的弯曲变形状态与钻孔轴线形状基本相似，所测的胶管弯曲变形曲线被认为是煤层钻孔轴线形状。

8.利用利要求1-7任意一项权利要求所述的装置的用于测定煤层钻孔轴线形状的方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1）制作测定装置，将胶管和光纤以及应变计组装，步骤1.1）将胶管截为若干根1米长的管体，各胶管两端预留100mm连接接头，其中一端剥掉外表皮，另一端去掉内部的钢丝网及内保护层，确保两段胶管能够吻合插接；步骤1.2）选取一根经步骤1.1）处理的胶管，将一组联接好的光纤和应变计从胶管中穿过，将应变计粘贴在该段胶管的内壁；1.3）再选取一根经步骤1.1）处理的胶管，预先涂上强力胶水；然后将第二组联接好的光纤和应变计从胶管中穿过，将应变计粘贴在该段胶管的内壁，再将两段胶管插接固定；1.4）重复上述步骤，直至将应变计全部黏贴好为止；

步骤2）将主光纤与微机系统连接；

步骤3）将胶管3送入待测煤层钻孔5，直至到达钻孔5底端为止；

步骤4）打开微机系统，启动数据监测软件，获取所有应变计的数据；

步骤5）启动自动绘图软件，导入应变计监测数据，自动给出每个测点的弯曲变形趋势，如果应变计承受拉应力，则其所贴位置的胶管处于拉伸状态，如果应变计承受压应力，则其所贴位置的胶管处于压缩状态，如果应变计无应力显现，则其所贴位置的胶管处于原始状态；软件将每个测点的弯曲变形趋势连成一条平滑的曲线，即为煤层钻孔的轴线形状，从而获取整个钻孔的形状。