CN111119859B - 一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量系统及方法，涉及煤矿井下随钻测量技术领域，系统包括钻进装置、测量装置和数据传输装置，钻进装置包括钻头、钻杆和钻机回转器，测量装置包括测力节和光电旋转接头，数据传输装置包括光纤和信号处理器，测力节分为前部和后部，前部设置的凹槽和后部设置的肋筋配合，凹槽和肋筋上均设置有光纤光栅传感器，光纤沿钻杆内部延伸至光电旋转接头，将光谱信息传输至信号处理器；该测量系统应用于钻孔卸压过程中，钻进装置作用下钻头钻进，测量装置对钻头位置处的扭矩、转速、钻进压力和孔深进行测量，数据传输至信号处理器，随着钻杆钻进依次连接钻杆，随钻测量；解决了长钻孔多参数测量误差较大的问题。

Description

一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量系统及方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下随钻测量技术领域，尤其是一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量系统，及利用该测量系统进行测量的方法。

背景技术

煤矿深部开采中，冲击地压防治是保障安全开采的重点，钻孔卸压作为冲击地压防治中重要的技术手段，并且应用非常广泛。良好的卸压效果取决于同煤岩体应力相匹配的卸压参数，而现有煤岩体应力测量方法多为现场应力测试获得。考虑到二次复孔应力测量的滞后性，随钻测量能够在施工卸压钻孔的同时得到钻进参数并计算煤岩体应力，从而调节卸压参数，以达到最佳卸压效果。

其中瓦斯抽放、地质勘探、煤矿开采等领域，存在的随钻测量技术如下，现有的专利文献，[专利文献1]：中国专利201358711Y；[专利文献2]：中国专利107503734A。

专利文献1公开的一种具有随钻测量功能的钻机，由动力机、传动轴、减速箱、底盘、液压控制箱、六方钻杆、机头壳体、横梁、立轴、活塞杆、液压缸构成，其中在立轴的下部同轴安装扭矩测量装置，在横梁上安装转速测量装置及位移测量装置，在液压控制箱内安装油压测量装置，扭矩、油压、转速以及位移测量装置均由相应的传感器和电路板组成，电路板上均安装有蓝牙模块。该装置测量结构设置在钻机处，由于钻杆在钻进过程中受到钻孔围岩挤压，其测量结构测得扭矩为钻头所受扭矩和钻杆所受扭矩之和，其测量误差随钻进深度增加而增大。

专利文献2公开的一种矿用随钻测量探管装置，包括端盖部件、支撑组件、减震体组件、基体组件、外管、顶柱组件，支撑组件前端连接端盖部件；减震体组件安装于支撑组件的中心轴螺纹孔位；外管一端安装于支撑组件后端；顶柱组件安装于外管另一端；基体组件安装于所述减震体组件后端芯部连接头上。该装置结构复杂，信号传输干扰因素多，且使用和维护成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题：

在钻孔过程中，尤其是矿井深部钻孔卸压过程中，需要实时测量钻头位置的钻进参数，从而确定该位置的煤岩应力情况，判断钻孔卸压是否达到卸压的效果；但是现有的随钻测量钻机如专利文献1中，在钻孔外部的钻机位置测量扭矩和钻进压力，但是需要测的扭矩应该为钻头位置处的扭矩，另外所测钻进压力也受钻杆摩擦力等阻力影响，测量误差也随着孔深增大而增大；如专利文献2中，采用探管的方式测量则不方便长距离钻孔排出钻屑，其信号传输也容易收到干扰。

为了准确测量近钻头位置的扭矩、转速、钻进压力和孔深参数，实时根据测量参量判断钻孔卸压的效果，需要避免长距离钻孔时钻头至钻杆距离长导致的误差，同时还要方便钻孔排出钻屑，防止信号干扰。本发明提供了一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量系统及方法，具体技术方案如下。

一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量系统，包括钻进装置、测量装置和数据传输装置，所述钻进装置包括钻头、钻杆和钻机回转器，钻进装置通过钻头钻进，所述测量装置包括测力节和光电旋转接头，测量装置的测力节和钻头相连并测量钻头的扭矩、转速、钻进压力和孔深参数；所述数据传输装置包括光纤和信号处理器，数据传输装置的光纤将测量参数传输至信号处理器，信号处理器接收并存储测量参数；钻头后端和测力节通过螺纹连接，测力节后端通过螺纹和钻杆连接，钻杆穿过钻机回转器，钻杆后端连接有光电旋转接头，钻机回转器和光电旋转接头通过滑轨相连；测力节包括测力节前部和测力节后部，测力节前部设置有凹槽，测力节后部设置有肋筋，凹槽和肋筋相互配合安装；测力节后部肋筋的前端面和测力节前部的接触面之间设置有钻进压力测量光纤光栅传感器，沿肋筋长度方向设置有扭矩测量光纤光栅传感器；钻杆和光电旋转接头的转子相连，光电旋转接头的定子与信号处理器相连。

优选的是，测力节前端通过螺纹和卡槽与钻头连接，测力节后端通过螺纹和卡槽与钻杆连接，测力节长度和钻头长度相等。

优选的是，测力节后部的肋筋和测力节前部的凹槽上均设置有安装槽，用于安放扭矩测量光纤光栅传感器；所述钻进压力测量光纤光栅传感器呈圆环状，安放在测力节后部肋筋的前端面安装槽内。

进一步优选的是，测力节前部和测力节后部通过缩口和缩颈在钻杆轴向上限定两部分的相对位置。

进一步优选的是，钻头、测力节、钻杆沿长度方向的轴线设置有注水孔，钻头、测力节和钻杆注水孔相连通。

一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量方法，利用上述的一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量系统，步骤包括：

步骤一.确定钻孔位置，组装钻进装置、测量装置和数据传输装置；

步骤二.开始钻孔，同时随钻头推进，测力节后部挤压钻进压力测量光纤光栅传感器，光纤将光谱信号传输至信号处理器；肋筋和凹槽卡合，挤压扭矩测量光纤光栅传感器，光纤将光谱信号传输至信号处理器；

步骤三.光电旋转接头随钻杆推进，沿滑轨靠近钻机回转器，通过钻杆接入光纤的长度确定孔深，利用光电旋转接头确定钻头的转速；

步骤四.拆分第一钻杆和光电旋转接头，接入第二钻杆，光电旋转接头与第二钻杆的后端相连，继续钻进；信号处理器记录钻头的扭矩、转速、钻进压力和孔深参数；

重复上述步骤四直至完成全长钻孔。

进一步优选的是，钻孔为卸压钻孔，根据钻孔的扭矩、转速、钻进压力和孔深参数确定卸压效果。

本发明的有益效果是：

(1)提供一种简便、低成本、高效、准确的基于光纤光栅的近钻头多参数测量系统，使用了光纤光栅传感器进行实时精确的测量，在靠近钻头位置的钻头后方设置测力节，进而避免了长钻孔的测量误差，并且简化了钻孔参数测量装置，降低了钻孔参数测量装置的制作成本，提升了随钻测量的效率。

(2)钻孔期间即时测量钻头位置处钻头的扭矩、转速、钻进压力和孔深等多个参数，进而可以判断钻头深度位置处的钻孔卸压效果；通过设置光纤光栅传感器，测量系统可以适用于高瓦斯矿井；测量用的传感器设置在测力节内部，所以钻头扭矩和钻进压力的测量更加准确，不受钻孔孔壁及钻孔深度的影响。

该测量方法还具有操作简便，适用范围广，测量准确等优点。

附图说明

图1是实施例1中的基于光纤光栅的近钻头多参数测量系统结构示意图；

图2是测力节结构示意图；

图3是测力节拆分结构示意图；

图4是测力节上传感器安装结构示意图；

图5是钻头结构示意图；

图6是钻机回转器和光电旋转接头结构示意图；

图7是光电旋转接头结构示意图；

图8是实施例2中的近钻头多参数测量系统结构示意图；

图9是实施例3中的数据处理曲线示意图。

图中:1-钻进装置；11-钻头；12-钻杆；13-钻机回转器；14-滑轨；2-测量装置；21-测力节；211-测力节前部；212-测力节后部；213-凹槽；214-肋筋；215-钻进压力测量光纤光栅传感器；216-扭矩测量光纤光栅传感器；22-光电旋转接头；23-电源；3-数据传输装置；31-光纤；32信号处理器；33-数据线。

具体实施方式

结合图1至图9所示，本发明提供的一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量系统及方法具体实施方式如下。

钻头参数的测量装置一般是设置在钻机的位置，通过钻机位置处测量钻杆转速、扭矩、钻进压力等参数。但是，随着钻杆加长，在实际的钻孔过程中钻头位置和钻机位置钻杆的参数差异较大，为了准确确定长钻孔时钻头附近的钻进参数，提供一种近钻头位置的参数测量系统及测量方法。

实施例1

本实施例提供了一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量系统，具体结构包括钻进装置1、测量装置2和数据传输装置3，钻进装置1保证钻头和钻杆正常钻进，测量装置2能够对钻头的扭矩、转速、钻进压力和孔深等多个参数进行测量，数据传输装置3保证钻机工作过程中数据的实时传输和处理。该系统使用了光纤光栅传感器进行实时精确的测量，在靠近钻头位置的钻头后方设置测力节，进而避免了长钻孔的测量误差，并且简化了钻孔参数测量装置，降低了钻孔参数测量装置的制作成本，提升了随钻测量的效率。

其中钻进装置1包括钻头11、钻杆12和钻机回转器13，钻进装置1通过钻头11钻进，钻杆12后端接在钻机回转器上，前端通过测力节连接钻头。测量装置2包括测力节21和光电旋转接头22，测量装置2的测力节21和钻头11相连并测量钻头的扭矩、转速、钻进压力和孔深参数，光电旋转接头22方便钻机工作过程中数据的传输。数据传输装置3包括光纤31和信号处理器32，数据传输装置3的光纤将测量参数传输至信号处理器，信号处理器32接收并处理光谱信息、存储测量参数。

该系统具体的连接结构如图1至图7所示，以钻头11的钻进方向为钻头的前端，钻头11后端和测力节21通过螺纹连接，测力节21后端通过螺纹和钻杆连接，钻杆12穿过钻机回转器，钻机回转器13推进钻杆钻进，钻杆12后端连接有光电旋转接头22，钻机回转器13和光电旋转接头22通过滑轨相连，光电旋转接头22沿滑轨运动。测力节21包括测力节前部211和测力节后部212，测力节前部211设置有凹槽213，测力节后部212设置有肋筋，凹槽213和肋筋214相互配合安装。测力节后部肋筋214的前端面和测力节前部的接触面之间设置有钻进压力测量光纤光栅传感器，用于测量钻头位置的钻进压力，沿肋筋214长度方向设置有扭矩测量光纤光栅传感器216，用于测量准头的扭矩。钻杆12和光电旋转接头22的转子相连，光电旋转接头的定子与信号处理器相连，光电旋转接头22可以测量钻机的转速，并根据钻杆的进尺确定孔深。

测力节21的具体结构是，测力节的前端通过螺纹和卡槽与钻头连接，螺纹使两者连接，卡槽防止钻机转动或者钻杆轴向运动导致两者的脱节，测力节21的后端通过螺纹和卡槽与钻杆连接，测力节长度和钻头长度相等，从而可以进一步的保证测量的准确性。测力节后部212的肋筋和测力节前部211的凹槽上均设置有安装槽，用于安放扭矩测量光纤光栅传感器216，其中安装槽具体是在肋筋转动时压紧凹槽的面，即钻头钻进转动方向上肋筋的径向面上。钻进压力测量光纤光栅215传感器呈圆环状，安放在测力节后部212肋筋的前端面安装槽内。另外安装槽处均设置有放水密封，沿安装槽设置有密封条。测力节前部211和测力节后部212通过缩口和缩颈在钻杆轴向上限定两部分的相对位置，测力节前、后两部分通过缩口与缩颈轴向卡死，防止撤出钻头时测力节前后两部分受拉分离。

钻头11、测力节21、钻杆12沿长度方向的轴线设置有注水孔，用于钻进时给钻头和钻杆降温，钻头11、测力节21和钻杆12注水孔相连通。另外光纤31也沿测力节和钻杆设置，可以在其内部另设光纤通道，钻杆12之间的光纤31通过快速接头连接，钻进过程中光纤31随钻杆12转动，在末节钻杆的后端钻杆的光纤通过光电旋转接头传输，光电旋转接头22连接信号处理器32。

一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量方法，利用上述的一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量系统，步骤包括：

步骤一.确定钻孔位置，具体是通过测量放线的方式定位钻孔位置，同时组装钻进装置、测量装置和数据传输装置。

步骤二.开始钻孔，同时随钻头推进，测力节后部挤压钻进压力测量光纤光栅传感器，光纤将光谱信号传输至信号处理器；肋筋和凹槽卡合，挤压扭矩测量光纤光栅传感器，光纤将光谱信号传输至信号处理器。

步骤三.光电旋转接头随钻杆推进，沿滑轨靠近钻机回转器，通过钻杆接入光纤的长度确定孔深，利用光电旋转接头确定钻头的转速。

步骤四.拆分第一钻杆和光电旋转接头，接入第二钻杆，光电旋转接头与第二钻杆的后端相连，继续钻进；信号处理器记录钻头的扭矩、转速、钻进压力和孔深参数。

重复上述步骤四直至完成全长钻孔。

上述的钻孔为卸压钻孔，根据钻孔的扭矩、转速、钻进压力和孔深参数确定卸压效果。

实施例2

本实施例提供一种基于应变片的近钻头多参数测量系统，如图8所示，具体是利用应变片替换光纤光栅，虽然效果不及光纤光栅，但是其在本发明设计思路和整体结构的基础上也可以实现本发明的目的。

一种基于应变片的近钻头多参数测量系统，包括钻进装置、测量装置和数据传输装置，所述钻进装置包括钻头、钻杆和钻机回转器，钻进装置通过钻头钻进。测量装置包括测力节和光电旋转接头，测量装置的测力节和钻头相连并测量钻头的扭矩、转速、钻进压力和孔深参数；数据传输装置包括数据线和信号处理器，数据传输装置的数据线将测量参数传输至信号处理器，信号处理器接收应变片的电信号处理并存储测量参数。钻头后端和测力节通过螺纹连接，测力节后端通过螺纹和钻杆连接，钻杆穿过钻机回转器，钻杆后端连接有光电旋转接头，钻机回转器和光电旋转接头通过滑轨相连；测力节包括测力节前部和测力节后部，测力节前部设置有凹槽，测力节后部设置有肋筋，凹槽和肋筋相互配合安装；测力节后部肋筋的前端面和测力节前部的接触面之间设置有钻进压力测量应变片传感器，沿肋筋长度方向设置有扭矩测量应变片传感器。钻杆和光电旋转接头的转子相连，光电旋转接头的定子与信号处理器相连，将光谱信号传输至信号处理器。

测力节前端通过螺纹和卡槽与钻头连接，测力节后端通过螺纹和卡槽与钻杆连接，测力节长度和钻头长度相等。测力节后部的肋筋和测力节前部的凹槽上均设置有安装槽，用于安放扭矩测量应变片传感器；钻进压力测量应变片传感器呈圆环状，安放在测力节后部肋筋的前端面安装槽内，测力节内还设置有电源为扭矩测量应变片传感器和钻进压力测量应变片传感器供电。其中扭矩测量应变片传感器具体是设置在安装槽具体是在肋筋转动时压紧凹槽的面，即钻头钻进转动方向上肋筋的径向面上；测力节前部和测力节后部通过缩口和缩颈在钻杆轴向上限定两部分的相对位置。钻头、测力节、钻杆沿长度方向的轴线设置有注水孔，钻头、测力节和钻杆注水孔相连通。

实施例3

本实施例在实施例1或实施例2的基础上对近钻头多参数测量方法做进一步的说明，并结合钻孔卸压，对本发明的有益效果做进一步说明。

某矿西翼总回风大巷自西翼总回风车场开门沿方位角256°沿3°上山掘进至1305轨道顺槽联络巷，先后穿过风氧化带及F11和ZF1断层，之后沿方位角220°沿3煤顶板向前掘进，穿过F3断层与二采区回风上山连接。巷道掘进期间靠近断层区域，承受较高的支承压力作用，若巷道围岩支护强度偏弱，巷道上覆顶板岩层断裂运动容易导致巷道围岩系统失稳，均有一定的冲击危险；掘进过断层期间，较高的支承压力与构造应力叠加作用，易使断层活化，引起断层的突然相对错动而猛烈释放能量，造成断层带与上下盘围岩系统失稳，冲击危险程度高。

在上述巷道具有冲击地压危险的区域施工钻孔卸压，其中巷道迎头布置2个钻孔，间距2m，卸压钻孔直径110mm，钻孔距巷道底板1.2m，钻孔终孔位置位于煤层中部。掘进迎头和巷帮的钻孔孔深20m，巷道每掘进8m，即距钻孔底部12m时，进行下一轮钻孔，随掘随打。由于钻孔长达20m，所以需要使用10节以上的钻杆才能完成钻孔卸压的施工，并且在施工钻孔卸压的时候随着孔深的增大，难以确定钻头位置的应力情况，因此不能对钻孔卸压的参数做进一步的调整。

利用上述的近钻头多参数测量方法步骤包括：

步骤一.确定钻孔位置，具体是通过测量放线的方式定位钻孔位置，钻孔距巷道底板1.2m，钻孔间距2m，同时组装钻进装置、测量装置和数据传输装置，准备施工钻孔卸压。

步骤二.开始钻孔，同时随钻头推进，测力节后部挤压钻进压力测量传感器(挤压钻进压力光纤光栅测量传感器或挤压钻进压力测量应变片传感器)，测量参数的信号经过钻杆传输至信号处理器；肋筋和凹槽卡合，挤压扭矩测量传感器(扭矩测量光纤光栅传感器或扭矩测量应变片传感器)，参数信息传输至信号处理器，信号处理器进行处理，并存储数据。

步骤三.光电旋转接头随钻杆推进，沿滑轨靠近钻机回转器，通过钻杆接入光纤的长度确定孔深，利用光电旋转接头确定钻头的转速。

步骤四.拆分第一钻杆和光电旋转接头，接入第二钻杆，光电旋转接头与第二钻杆的后端相连，继续钻进；重复上述步骤四直至完成全长钻孔。

信号处理器记录钻头的扭矩、转速、钻进压力和孔深参数，对比应力分布曲线与钻头的扭矩、转速、钻进压力和孔深参数如图9所示。

根据钻孔的扭矩、转速、钻进压力和孔深参数确定应力巷道围岩应力集中的情况，根据图示，巷道围岩仍存在应力集中，需要继续施工钻孔卸压，卸压钻孔的长度可以调整为14m，进而对应力集中区域更好的卸压，并可以节约施工成本。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量系统，其特征在于，包括钻进装置、测量装置和数据传输装置，所述钻进装置包括钻头、钻杆和钻机回转器，钻进装置通过钻头钻进，所述测量装置包括测力节和光电旋转接头，测量装置的测力节和钻头相连并测量钻头的扭矩和钻进压力，光电旋转接头测量钻机的转速，根据钻杆的进尺确定孔深参数；所述数据传输装置包括光纤和信号处理器，数据传输装置的光纤将测量参数传输至信号处理器，信号处理器接收并存储测量参数；

所述钻头后端和测力节通过螺纹连接，测力节后端通过螺纹和钻杆连接，钻杆穿过钻机回转器，钻杆后端连接有光电旋转接头，钻机回转器和光电旋转接头通过滑轨相连；

所述测力节包括测力节前部和测力节后部，测力节前部设置有凹槽，测力节后部设置有肋筋，凹槽和肋筋相互配合安装；测力节后部肋筋的前端面和测力节前部的接触面之间设置有钻进压力测量光纤光栅传感器，沿肋筋长度方向设置有扭矩测量光纤光栅传感器；钻杆和光电旋转接头的转子相连，光电旋转接头的定子与信号处理器相连；

所述测力节前端通过螺纹和卡槽与钻头连接，测力节后端通过螺纹和卡槽与钻杆连接，测力节长度和钻头长度相等；

所述测力节后部的肋筋和测力节前部的凹槽上均设置有安装槽，用于安放扭矩测量光纤光栅传感器；所述钻进压力测量光纤光栅传感器呈圆环状，安放在测力节后部肋筋的前端面安装槽内；

所述测力节前部和测力节后部通过缩口和缩颈在钻杆轴向上限定两部分的相对位置；

所述钻头、测力节、钻杆沿长度方向的轴线设置有注水孔，钻头、测力节和钻杆注水孔相连通。

2.一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量方法，利用权利要求1所述的一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量系统，其特征在于，步骤包括：

步骤一.确定钻孔位置，组装钻进装置、测量装置和数据传输装置；

步骤二.开始钻孔，同时随钻头推进，测力节后部挤压钻进压力测量光纤光栅传感器，光纤将光谱信号传输至信号处理器；肋筋和凹槽卡合，挤压扭矩测量光纤光栅传感器，光纤将光谱信号传输至信号处理器；

步骤三.光电旋转接头随钻杆推进，沿滑轨靠近钻机回转器，通过钻杆接入光纤的长度确定孔深，利用光电旋转接头确定钻头的转速；

步骤四.拆分第一钻杆和光电旋转接头，接入第二钻杆，光电旋转接头与第二钻杆的后端相连，继续钻进；信号处理器记录钻头的扭矩、转速、钻进压力和孔深参数；

重复上述步骤四直至完成全长钻孔。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅的近钻头多参数测量方法，其特征在于，所述钻孔为卸压钻孔，根据钻孔的扭矩、转速、钻进压力和孔深参数确定卸压效果。

Images