CN110656931A - 矿用液动随钻孔径测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种矿用液动随钻孔径测量装置及方法，测量装置包括壳体，锥型弹簧，测量球，测杆，垂直复位弹簧，扶正筛管，滑动靴，轴向复位弹簧，外限位套，L型水流通道块，充电电池，信号发射器，上转接头，喷流嘴，轴向位移传感器，垂直位移传感器，信号接收器，数据分析器等。所述下限位环套设有L型泄流通道，所述扶正筛管带有长方形通孔和斜通道，用于通过液体扶正滑动靴；由此，本发明通过下放测量装置到孔内，随着钻孔作业的进行，实时测量成孔孔径，通过绘制出的孔深‑孔径的关系曲线可合理确定孔内不同下放物的实际需求量，为钻探技术领域提供安全可靠的测量。

Description

矿用液动随钻孔径测量装置及方法

技术领域

本发明涉及矿用钻探的技术领域，尤其涉及一种矿用液动随钻孔 径测量装置及方法。

背景技术

矿山生产过程中钻孔施工工程量浩大，如锚杆支护钻孔、爆破钻 孔、救援钻孔等。其中在巷道支护方面，锚固效果主要考虑孔径、锚 杆直径和锚固剂直径的“三径匹配”的问题，孔径直接影响锚固剂的 放入量；爆破钻孔方面，传统的排炮、多药包齐爆的粗放爆破步入了 精细爆破阶段，采用精细爆破技术的关键是成孔孔径的质量，及合理 确定炸药的送入量；另外在钻孔救援领域，需精确测量成孔直径的变 化，防止缩径现象的发生，确定钻孔救援的顺利实施。由此，能够正 确地、合理地实时评价成孔孔径，对提升锚杆支护、爆破钻孔以及钻 孔救援等钻探工程质量非常重要，对矿山安全生产具有重要意义。

目前，测定孔径主要凭借经验公式计算，而钻孔作业现场通常根 据钻头的尺寸来估计成孔直径，或者通过直尺测量孔口直径来获得成 孔孔径，无法得出孔内的准确成孔孔径。现有相关的测量仪器鲜少， 且多集中在浅孔孔径的测量，无法测得深孔孔径，而涉及到的深孔测 量仪器只存在于概念阶段，且需要在钻孔作业完成后，将测量仪器放 入孔内，然后对成孔孔径进行测量，无法实时准确表征钻孔形成过程 中孔径的变化。

由于矿山特殊环境，以及钻孔成孔的特点，测量装置应具有测量 孔壁凹凸不平成孔的能力，而且在随着孔深越深的同时，应具有测试 孔径大小不一的能力，另外应减小测量装置与孔壁的过度接触，减小 测量过程对孔壁的破坏。为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通 过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究 设计出一种矿用液动随钻孔径测量装置及方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿用液动随钻孔径测量装置及方法， 适用于钻探技术领域孔径的测量，可适应随着孔深浅的变化，孔径不 一的情况下成孔孔径的精确测量，可防止测量装置与孔壁的过度接 触，减小测量过程中对孔壁的破坏，尤其适用于在钻孔作业的同时， 能够有效地测量成孔孔径，正确地、合理地评价成孔孔径，实时掌握 成孔孔径的变化。

为解决上述问题，本发明公开了一种矿用液动随钻孔径测量装 置，包含依次设置的壳体、电池筒、发射器筒和上转接头，其特征在 于：

所述壳体的内腔设有下限位环套、外限位套和下限位套，所述外 限位套和下限位套之间设有L型水流通道块，所述外限位套内设有内 滑轨，所述内滑轨的内侧设有内环套，所述内滑轨为L型，其后端较 大部的内壁贴靠于内环套的外壁，所述内滑轨和内环套之间形成供一 活塞滑动的活塞运动空间；

以及一滑动靴，所述滑动靴的后端伸入活塞运动空间且与活塞之 间设置有轴向复位弹簧，所述下限位套的后部设有容置空间，一锥型 弹簧置于下限位环套的容置空间内，所述锥形弹簧的后端抵靠于滑动 靴以用于滑动靴的复位，所述滑动靴的前部外缘为锥形且设有导轨， 以及位于锥形导轨上的测量组件，所述测量组件包含测量球、测杆、 上端盖和滑块，所述测量球铰接于测杆上，所述滑块置于滑动靴的导 轨上用于滑动靴轴向运动转化为滑块的垂直运动，且所述滑块位于外 限位套与下限位环套之间形成的垂直滑轨中，所述外壳设有供测量组 件伸出的通孔。

其中：所述下限位环套的前部设有L型泄流通道，用于腔内液体 泄流，一单向阀置于下限位环套的L型泄流通道内以用于下限位环套 单向泄流。

其中：所述内滑轨后端较大部内设有环形的水流通道，所述L型 水流通道块内的L型水流通道为环形，所述L型水流通道的一端连通 至中心通道，另一端连通至内滑轨的水流通道，且内滑轨水流通道设 有喷流嘴。

其中：以及扶正筛管，所述扶正筛管设置于下限位环套和内环套 之间所述扶正筛管为阶梯筒状，其外直径较小的前部周缘设有多个长 方形通孔，外直径较大的后部周缘设有多个间隔排列且向前倾斜的斜 通道，所述滑动靴的前部内壁对应扶正筛管形成阶梯孔从而通过长方 形通孔和斜通孔的设置来实现液体扶正滑动靴。

其中：所述滑动靴上安装有轴向位移传感器，用于测量滑动靴轴 向位移，所述上端盖底部安装有垂直位移传感器，用于测量测杆的径 向位移。

其中：一充电电池置于电池筒与一内隔离套形成的环形空间，一 信号发射器置于发射器筒与另一内隔离套形成的环形空间，所述电池 筒和发射器筒上端部的分别设置有隔离环。

其中：所述测量组件为多个且间隔设置于滑动靴的周缘，所述滑 块的下端形成伸入滑动靴上导轨的导向部，其上端形成容置垂直复位 弹簧的凹槽，所述上端盖螺纹连接于滑块且封闭凹槽，所述测杆的下 端设置于凹槽内且抵靠于垂直复位弹簧的上端，所述测杆伸出上端盖 且顶部连接测量球。

还公开了一种矿用液动随钻孔径测量装置的测量方法，其特征在 于包含如下步骤：

步骤一：在钻孔作业前，将矿用液动随钻孔径测量装置与钻杆连 接；

步骤二：随着钻孔作业的进行，下放矿用液动随钻孔径测量装置 到孔内，在钻孔作业过程中，通过测量组件进行测量，将测量信号传 输到孔口，并绘制出孔深-孔径的关系曲线，实时掌握成孔孔径变化。

通过上述结构可知，本发明的矿用液动随钻孔径测量装置及方法 能实现如下技术效果：

1、能够实时测量成孔孔径的大小，通过测得的孔径数据，及时 把握成孔孔径的变化。不仅克服了现有的成孔孔径估算的误差过大的 问题，同时可以根据测量结果的反馈，及时把握成孔孔径的变化，得 出钻进不同岩层时的成孔效果。

2、测量装置在钻孔作业过程中测量成孔孔径，减少钻孔作业完 成后续的测量工作。

3、可根据垂直复位弹簧的作用，防止孔壁的不平整、不平滑对 测量装置的损伤，同时在垂直复位弹簧形变量允许的范围内，可适应 不同孔径的测量。

4、测量球铰接于测杆上，以及测杆尾端连接的垂直复位弹簧， 可以有效地减小测量过程中对成孔孔壁的损伤。

5、在钻孔作业过程中，根据反馈测得的孔径数据，实时掌握成 孔质量，通过数据分析器对孔径进行分析计算，并绘制出孔深-孔径 的关系曲线。

6、通过孔深-孔径的关系曲线可以合理确定钻孔不同下放物的实 际需求量。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的矿用液动随钻孔径测量装置的结构示意图。

图2显示了本发明初始状态的结构示意图。

图3显示了本发明工作状态的结构示意图。

图4显示了图3的A-A剖视图。

图5显示了本发明内环套示意图。

图6显示了本发明的L型水流通道块示意图。

附图标记：

1.壳体，2.下限位环套，3.单向阀，4.锥型弹簧，5.测量球，6.测 杆，7.上端盖，8.垂直复位弹簧，9.滑块，10.扶正筛管，11.滑动靴， 12.轴向复位弹簧，13.外限位套，14.L型水流通道块，15.上限位环套， 16.电池筒，17.充电电池，18.内隔离套，19.隔离环，20.发射器筒， 21.信号发射器，22.上转接头，23.喷流嘴，24.活塞块，25.内滑轨， 26.内环套，27.轴向位移传感器，28.防尘密封圈，29.垂直位移传感器， 30.信号接收器，31.数据分析器。

具体实施方式

参见图1至图2，显示了本发明的矿用液动随钻孔径测量装置。

所述矿用液动随钻孔径测量装置包含依次设置的壳体1、电池筒 16、发射器筒20和上转接头22，所述电池筒16的前端伸入壳体1 的后端且可通过螺纹进行连接，所述发射器筒20的前端伸入电池筒 16的后端且可通过螺纹进行连接，所述上转接头22的前端伸入发射 器筒20的后端且可通过螺纹进行连接。

其中，所述壳体1的前端设有锥形连接部，其内腔设有下限位环 套2、外限位套13和下限位套15，所述下限位套15设置于电池筒 16的前方，所述外限位套13和下限位套15之间设有L型水流通道 块14，所述上限位环套15与L型水流通道块14通过螺栓连接，用 于将壳体1内各部件形成整体，所述外限位套13内设有内滑轨25， 所述内滑轨25的内侧设有内环套26，所述内滑轨25为L型，其后 端较大部的内壁贴靠于内环套26的外壁，且较大部内设有环形的水 流通道，所述内滑轨25前端的较小部和内环套26之间形成活塞运动 空间，一活塞24可滑动的设置于活塞运动空间内，以及一滑动靴11， 所述滑动靴11的后端伸入活塞运动空间且与活塞之间设置有轴向复 位弹簧12，用于泄流后活塞块24的复位，所述L型水流通道块14 内的L型水流通道为环形，所述L型水流通道的一端连通至中心通道， 另一端连通至内滑轨25的水流通道，且内滑轨25水流通道设有喷流 嘴23，以用于腔体压力稳压增长、液体流入/泄流均匀，所述下限位 环套2的前部设有L型泄流通道，用于腔内液体泄流，一单向阀3置 于下限位环套2的L型泄流通道内以用于下限位环套2单向向壳体1 内部泄流，所述下限位套2的后部设有容置空间，一锥型弹簧4置于 下限位环套2的容置空间内，所述锥形弹簧4的后端抵靠于滑动靴 11以用于滑动靴11的复位，所述滑动靴11的前部外缘为锥形且设 有导轨，中部设有限位凸起以对滑动靴11的前后运动进行限位，以 及位于锥形导轨上的测量组件，所述测量组件包含测量球5、测杆6、 上端盖7、垂直复位弹簧8和滑块9，所述测量球5铰接于测杆6上， 所述上端盖7与滑块9通过螺栓连接，所述滑块9置于滑动靴11的 导轨上，用于滑动靴11轴向运动转化为滑块9的垂直运动，且所述 滑块9位于外限位套13与下限位环套之间形成的垂直滑轨中，用于 滑块9与滑动靴11的限位，所述外壳1设有供测量组件伸出的通孔。

以及扶正筛管10，所述扶正筛管10设置于下限位环套2和内环 套26之间以及滑动靴11前部内侧，其中，所述扶正筛管10为阶梯 筒状，其外直径较小的前部周缘设有多个长方形通孔，外直径较大的 后部周缘设有多个间隔排列且向前倾斜(如图所示)的斜通道，所述 滑动靴11的前部内壁对应扶正筛管10形成阶梯孔，从而通过长方形 通孔和斜通孔的设置来实现液体扶正滑动靴11。

所述下限位环套2和外限位套13外分别套设有防尘密封圈28， 用于测量装置内部的防尘和防水，所述滑动靴11上安装有轴向位移 传感器27，用于测量滑动靴11轴向位移，所述上端盖7底部安装有 垂直位移传感器29，用于测量测杆6的径向位移，一充电电池17置于电池筒16与一内隔离套18形成的环形空间，用于轴向位移传感器 27、垂直位移传感器29和信号发射器21工作所需的能量，一信号发 射器21置于发射器筒20与另一内隔离套18形成的环形空间，用于 轴向位移传感器27和垂直位移传感器29所测的信号传输，所述电池筒16和发射器筒20上端部的分别设置有隔离环19，用于防止外界 杂质或液体与充电电池17和信号发射器21，所述上转接头22用于 测量装置与无磁钻杆相连接。

如图3所示，显示了本发明的工作状态结构示意图，在随钻钻进 过程中，流入测量装置的内部液体分别通过内环套26、L型水流通道 块14、内滑轨25上的水流通道进入腔体，推动活塞块24，进而滑动 靴11进入下限位环套2的锥形腔体，滑动靴11推动滑块9垂直移动， 使得测量球5与孔壁接触，达到成孔孔径测量的目的。

如图4所示，显示了图3的A-A剖视图，所述测量组件为多个且 间隔设置于滑动靴11的周缘，所述滑块9的下端形成伸入滑动靴11 上导轨的导向部，其上端形成容置垂直复位弹簧8的凹槽，所述上端 盖7螺纹连接于滑块9且封闭凹槽，所述测杆6的下端设置于凹槽内 且抵靠于垂直复位弹簧8的上端，所述测杆6伸出上端盖7且顶部连 接测量球5，由此，垂直复位弹簧可调节测量球5与孔壁接触的压力， 在测量装置测量孔径时，如果测量孔径小于测量装置适用的最大孔 径，则可通过垂直复位弹簧8对测量球5和测杆6的调节，可减小测 量球5与孔壁的过接触，防止测量球5的损坏。

所述测量组件可根据实际情况进行布置，布置数可为2、4、6、 8等，布置数越多，测量计算出的孔径越精确。

如图4-5所示，所述内环套26的端部可设有4个供水流流过的 通道，L型水流通道块14设有4个L型水流通道和4个螺纹连接孔， 4个L型水流通道用于连接腔体与壳体1内部，L型水流通道块14与 上限位环套15通过螺栓连接，内环套26的通道与L型水流通道块 14的L型水流通道连通，可将通过测量装置的液体输入到内滑轨25 的水流通道，或将液体从内滑轨25的水流通道与L型水流通道块14 的L型水流通道泄流。

本发明还公开了一种矿用液动随钻孔径测量方法，将上述矿用液 动随钻孔径测量装置安装于钻头和钻杆之间。

如图2所示，测量装置处于未工作状态时，测量球5和测杆6 处于初始状态。

如图3-6所示，测量装置处于工作状态时，液体的一部分通过L 型水流通道块14的L行水流通道和内环套26端部的通道，穿过喷流 嘴23和内滑轨25的水流通道进入活塞块24与内滑轨25和内环套26形成的腔体中，推动滑动靴11，在滑动靴11的作用下，滑块9垂 直移动，进而测杆6与测量球5整体移动直至与孔壁接触，达到测量 孔径的作用，另一部分液体通过扶正筛管10的水流通道，可将滑动 靴11扶正。

通过信号发射器21将测量信号传输到信号接收器30，然后通过 信号接收器30将解码处理后的信号传输到数据分析器31，最后通过 数据分析器31对孔径进行分析计算，并绘制出孔深-孔径的关系曲线， 在锚杆支护和爆破钻孔可以确定锚固剂和炸药送入量。

设所测孔径为D，通过垂直位移传感器29可测得相对称的垂直 复位弹簧8的形变量分别为a₁、a₂，通过轴向位移传感器27可测得 滑动靴11位移为b，滑动靴11与滑块9接触面的斜率为α，初始状 态下测量球5顶部与滑块9底部的距离为c，内环套26的直径为d₀， 则D＝d₀+2c+(b tan α-a₁)+(b tan α-a₂)。

如图2所示，停泵泄压后，在锥型弹簧4的作用下，滑动靴11 逐渐恢复到初始状态，测量球5和测杆6恢复到初始状态，在轴向复 位弹簧12的作用下，活塞块24也逐渐恢复到初始状态，活塞块24 与内滑轨25和内环套26形成的腔体中的液体通过喷流嘴23和内滑 轨25的水流通道泄流，而通过扶正筛管10进入下限位环套2的液体， 通过单向阀3泄流出去。

由此可见，本发明的优点在于：

1、能够实时测量成孔孔径的大小，通过测得的孔径数据，及时 把握成孔孔径的变化。不仅克服了现有的成孔孔径估算的误差过大的 问题，同时可以根据测量结果的反馈，及时把握成孔孔径的变化，得 出钻进不同岩层时的成孔效果。

2、测量装置在钻孔作业过程中测量成孔孔径，减少钻孔作业完 成后续的测量工作。

3、可根据垂直复位弹簧的作用，防止孔壁的不平整、不平滑对 测量装置的损伤，同时在垂直复位弹簧形变量允许的范围内，可适应 不同孔径的测量。

4、测量球铰接于测杆上，以及测杆尾端连接的垂直复位弹簧， 可以有效地减小测量过程中对成孔孔壁的损伤。

5、在钻孔作业过程中，根据反馈测得的孔径数据，实时掌握成 孔质量，通过数据分析器对孔径进行分析计算，并绘制出孔深-孔径 的关系曲线。

6、通过孔深-孔径的关系曲线可以合理确定钻孔不同下放物的实 际需求量。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本 发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附 图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的 作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的 范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (8)

1.一种矿用液动随钻孔径测量装置，包含依次设置的壳体、电池筒、发射器筒和上转接头，其特征在于：

所述壳体的内腔设有下限位环套、外限位套和下限位套，所述外限位套和下限位套之间设有L型水流通道块，所述外限位套内设有内滑轨，所述内滑轨的内侧设有内环套，所述内滑轨为L型，其后端较大部的内壁贴靠于内环套的外壁，所述内滑轨和内环套之间形成供一活塞滑动的活塞运动空间；

以及一滑动靴，所述滑动靴的后端伸入活塞运动空间且与活塞之间设置有轴向复位弹簧，所述下限位套的后部设有容置空间，一锥型弹簧置于下限位环套的容置空间内，所述锥形弹簧的后端抵靠于滑动靴以用于滑动靴的复位，所述滑动靴的前部外缘为锥形且设有导轨，以及位于锥形导轨上的测量组件，所述测量组件包含测量球、测杆、上端盖和滑块，所述测量球铰接于测杆上，所述滑块置于滑动靴的导轨上用于滑动靴轴向运动转化为滑块的垂直运动，且所述滑块位于外限位套与下限位环套之间形成的垂直滑轨中，所述外壳设有供测量组件伸出的通孔。

2.如权利要求1所述的矿用液动随钻孔径测量装置，其特征在于：所述下限位环套的前部设有L型泄流通道，用于腔内液体泄流，一单向阀置于下限位环套的L型泄流通道内以用于下限位环套单向泄流。

3.如权利要求1所述的矿用液动随钻孔径测量装置，其特征在于：所述内滑轨后端较大部内设有环形的水流通道，所述L型水流通道块内的L型水流通道为环形，所述L型水流通道的一端连通至中心通道，另一端连通至内滑轨的水流通道，且内滑轨水流通道设有喷流嘴。

4.如权利要求1所述的矿用液动随钻孔径测量装置，其特征在于：以及扶正筛管，所述扶正筛管设置于下限位环套和内环套之间，所述扶正筛管为阶梯筒状，其外直径较小的前部周缘设有多个长方形通孔，外直径较大的后部周缘设有多个间隔排列且向前倾斜的斜通道，所述滑动靴的前部内壁对应扶正筛管形成阶梯孔从而通过长方形通孔和斜通孔的设置来实现液体扶正滑动靴。

5.如权利要求1所述的矿用液动随钻孔径测量装置，其特征在于：所述滑动靴上安装有轴向位移传感器，用于测量滑动靴轴向位移，所述上端盖底部安装有垂直位移传感器，用于测量测杆的径向位移。

6.如权利要求1所述的矿用液动随钻孔径测量装置，其特征在于：一充电电池置于电池筒与一内隔离套形成的环形空间，一信号发射器置于发射器筒与另一内隔离套形成的环形空间，所述电池筒和发射器筒上端部的分别设置有隔离环。

7.如权利要求1所述的矿用液动随钻孔径测量装置，其特征在于：所述测量组件为多个且间隔设置于滑动靴的周缘，所述滑块的下端形成伸入滑动靴上导轨的导向部，其上端形成容置垂直复位弹簧的凹槽，所述上端盖螺纹连接于滑块且封闭凹槽，所述测杆的下端设置于凹槽内且抵靠于垂直复位弹簧的上端，所述测杆伸出上端盖且顶部连接测量球。

8.一种如权利要求1至7中任一所述的矿用液动随钻孔径测量装置的测量方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：在钻孔作业前，将矿用液动随钻孔径测量装置与钻杆连接；

步骤二：随着钻孔作业的进行，下放矿用液动随钻孔径测量装置到孔内，在钻孔作业过程中，通过测量组件进行测量，将测量信号传输到孔口，并绘制出孔深-孔径的关系曲线，实时掌握成孔孔径变化。

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