CN111577152A - 一种基于中心通缆的矿用钻杆及数据采集传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中心通缆的矿用钻杆及数据采集传输系统，基于中心通缆的矿用钻杆，设置钻杆本体，沿轴向，钻杆本体内设置中心通缆；与所述的中心通缆电连接，在钻杆本体表面嵌设采集通信电路，采集通信电路上设置钻进状态模块、姿态测量模块和健康监测模块；所述的健康监测模块包括沿周向设置在钻杆本体表面上的多个健康监测传感阵列，每个健康监测传感阵列包括径向应变传感器和轴向应变传感器。通过本发明的钻杆，可以实现跳钻杆测量，在需要进行钻进调整时进行一次测量，测量结果将获得孔中每一根钻杆的轨迹测量数据，极大地提高了施工效率。

Description

一种基于中心通缆的矿用钻杆及数据采集传输系统

技术领域

本发明涉及煤矿井下钻具技术领域，特别是钻杆钻具技术领域，具体涉及一种基于中心通缆的矿用钻杆及数据采集传输系统。

背景技术

钻探工艺技术在预防与治理煤矿井下瓦斯、水的突出灾害得到了广泛的应用，钻杆作为煤矿井下钻探工艺中主要的钻具装备，目前其主要功能仅是钻头与钻机的连接推进装置及孔口水压与气压传动装置，测量功能并未得到有效开发。随着科学技术的不断发展，智能钻杆概念也逐步被人们提出。专利CN201610703133一种磁感应波智能钻杆测量系统及CN201610703120一种基于电容耦合的智能钻杆系统中所述的智能钻杆仅解决了数据通信方面问题，测量功能仍未进行开发。而我公司在专利“CN200710018252”中提出的一种中心通缆式高强度大通孔钻杆，通过内缆芯，在实现有缆供电的同时有效的完成了数据通信，该方法的可行性在实际工程应用中得到了充分验证。

然而，在实际应用中，传统的钻探施工方法也暴露出了一定的不足：第一，要保证轨迹测量的准确性与测量分辨率，需要对每一根钻杆位置进行姿态测量，测量过程需要进行停钻等待、连接测量装置等工序，该过程繁琐耗时，极大的占用了施工时间，影响施工效率；第二，目前钻孔深度的计量方式仍采用传统的人工数钻杆的方式，该方式不仅耗时，还时常会出现错报、误报，更有甚者为获取更多的进尺效益出现虚报、假报的现象，严重的影响了轨迹测量的准确性，造成了极大的安全隐患。第三，钻杆在钻探施工过程中属于损耗钻具，在长期使用过程中均有着不同程度的磨损，井下施工中时常会出现由于钻杆疲劳使用或过度使用造成的断裂现象，造成掉钻事故，给后期的开采施工留下了极大的安全隐患。

就上述问题，相关技术人员也展开了一定研究。施工效率问题，专利CN201510393078钻杆式轨迹监测仪中提出针对通用钻杆内加装存储式姿态测量模块，姿态无需进行二次复测，在一定程度上提高了测量效率，但该方式为成孔后测量，实时性差，无法进行及时的轨迹调整，同时该发明未解决深度测量问题，且采用电池供电，施工时间受到了极大的限制。钻进深度问题，专利CN201210407172矿用钻孔深度监测装置、CN201410847131钻杆钻孔深度测量装置及使用该测量装置的测量方法、CN201310568983轮式钻孔深度测量仪及钻孔深度测量方法及CN201810308728一种煤矿钻机钻杆深度测量装置等发明均是采用孔外测量方式，由于其测量位置的特殊性，无论采用位移传感器、磁性传感器、滚轮等方式都无法避免虚报、作假等现象的发生，无法保证测量的真实性；专利CN201811559045一种钻孔深度测量设备及方法、CN201410765946一种基于弹性波的钻孔深度检测系统及其检测方法、CN201810308728一种煤矿钻机钻杆深度测量装置、CN201110299147一种有线钻杆钻进过程中监测孔深的方法及CN201811373628一种快速测定煤层钻孔深度装置和方法等发明均采用的是孔内间接测量方法，无论采用压力、超声波、弹性波、电阻值等测量方法，由于钻杆材质不统一、钻杆耦合程度不一致、煤层密封性不同等因素的影响，都无法保证测量的准确性。钻杆健康监测问题，专利CN201710069466一种水平定向钻钻杆疲劳损伤检测系统、CN201410378333钻杆监控方法和钻杆监控装置及CN201510988423-水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验方法及实验装置等发明仅提出了针对单一钻杆的健康状况的检测方法及装置，并不适合随钻过程中多个钻杆同时测量的实际工程应用。

发明内容

本发明能适用于煤矿井下爆炸性气体环境中工作，提出了一种基于中心通缆的矿用钻杆及控制方法，通过对中心通缆钻杆的改造，扩展其测量功能。

本发明采用的技术方案：

一种基于中心通缆的矿用钻杆，设置钻杆本体，沿轴向，钻杆本体内设置中心通缆；

与所述的中心通缆电连接，在钻杆本体表面嵌设采集通信电路，采集通信电路上设置钻进状态模块、姿态测量模块和健康监测模块；

所述的健康监测模块包括沿周向设置在钻杆本体表面上的多个健康监测传感阵列，每个健康监测传感阵列包括径向应变传感器和轴向应变传感器。

可选的，在所述的钻杆本体表面挖设健康监测阵列安装槽，在健康监测阵列安装槽宽度边设置径向应变传感器，在健康监测阵列安装槽长度边设置轴向应变传感器。

可选的，所述的健康监测传感阵列有三个，三个健康监测传感阵列以120°的夹角嵌设分布在所述钻杆本体表面。

可选的，健康监测传感阵列的线缆通过过线端子连接至采集通信电路的健康监测模块上；

过线端子包括中空六角螺栓、中空环形密封垫和安装槽，安装槽由左至右分为光滑的水平段、光滑的斜坡段及带螺纹的水平段，中空六角螺栓与中空环形密封垫轴向插接后，中空六角螺栓通过螺纹挤压中空环形密封垫进入安装槽的斜坡段。

可选的，在所述的健康监测传感阵列与采集通信电路之间还依次设置第一过线端子、健康监测阵列过线槽和第二过线端子。

可选的，所述的采集通信电路通过接线端子与所述的中心通缆电连接，所述的接线端子包括沿轴向依次套接的端子螺母、端子螺杆和端子接头，沿轴向贯穿设置端子芯；

在端子螺母与端子螺杆套接处设置第一密封圈，在端子螺杆与端子接头的套接处设置第二密封圈。

可选的，在所述的钻杆本体表面嵌设采集通信电路安装槽、健康监测阵列过线槽和健康监测阵列安装槽，与采集通信电路安装槽连通，岩钻杆本体径向设置接线端子安装孔。

一种矿用钻杆数据采集传输系统，依次连接设置监测计算机、电缆水变、至少一个钻杆和钻头；

所述的钻杆为本发明所述的基于中心通缆的矿用钻杆。

一种矿用钻杆数据采集传输系统，包括钻进状态模块、姿态测量模块和健康监测模块；

健康监测模块通过采集平均分布于钻杆杆体上的三组应变监测阵列实时获取钻杆的应变参数；

钻进状态模块利用三轴震动传感器中的三轴加速度传感器与三轴磁阻传感器，判断钻杆是否处于钻进状态，当钻杆处于非钻进状态则运行姿态测量模块；

姿态测量模块，采用三轴加速度计和三轴磁阻传感器设计，求得钻杆测量位点的面向角γ、倾角β及方位角α，将该点的三个角度信息与对应的深度信息相结合就可得到该位置的钻杆姿态；

还包括孔深记录模块，采用铁电存储芯片，通过读取ID号码的个数推断出当前连接钻杆的个数得到当前钻孔的深度；

温度补偿模块，采用高精度数字温度传感器，为姿态测量模块与健康监测模块的传感单元进行温度补偿；

UART通信模块，嵌入式MCU将采集到的数据进行打包，通过该模块转变为串口信号进行通信；

载波传输模块，将从机UART通信模块发出的串口信号通过信号调制转变为低压电力载波信号，与监测计算机进行通信。

可选的，所述的钻进状态模块，采用三轴震动传感器设计，通过打钻过程震动阈值判定当前钻机的启停状态，停钻状态时运行姿态测量模块；

所述的姿态测量模块，采用三轴加速度计和三轴磁阻传感器设计，通过三轴加速度计可采集得到重力场的三个轴向输出G_X、G_Y、G_Z(m/s2，米/秒^2)，利用三轴磁阻传感器可采集得到大地磁场的三个轴向输出H_X、H_Y、H_Z(G，高斯)，将采集到的各项数据依次带入以下公式：

γ＝arctan(-G_X/G_Z)

即可求得钻杆测量位点的工具面向角γ、倾角β及方位角α(°，度)，将该点的三个角度信息与对应的钻杆深度信息相结合就可得到该位置的钻杆姿态；

所述的健康监测模块，采用电桥式应变片阵列与高精度AD采集芯片结合，电桥式应变片阵列封装于健康监测阵列安装槽底板与侧帮的各个测试点上，高精度AD采集电路采集各电桥式应变片阵列的输出电压，进而推算出个测试点的应变大小，再根据各点的应变值与设定各点的应变上限值进行比较实现钻杆的健康监测。

本发明的功能特点及优势：

通过本发明的钻杆，可以实现跳钻杆测量，在需要进行钻进调整时进行一次测量，测量结果将获得孔中每一根钻杆的轨迹测量数据，极大地提高了施工效率。同时，本发明设计了钻进状态模块，能够准确的进行钻机启停状态的判定，当需要测量时无需人工操作监测计算机，轨迹测量数据就会自动更新，简化了轨迹测量的操作过程。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。

图1是本发明原理示意图；

图2是本发明矿用钻杆总装结构示意图中的剖视图；

图3是本发明矿用钻杆总装结构示意图中的正视图；

图4是本发明矿用钻杆总装结构示意图中的左视图；

图5是本发明接线端子子装配结构示意图；

图6是本发明过线端子子装配结构示意图，其中(a)为零件图、(b)为子装配结构图；

图7是本发明多功能数据采集传输系统电气框图；

图8是本发明系统控制中的多功能数据采集传输系统控制流程图；

附图标记：

1-钻杆本体、2-中心通缆、3-通缆支撑环、4-采集通信电路安装槽、5-健康监测阵列过线槽、6-健康监测阵列安装槽、7-采集通信电路、8-采集通信电路密封垫、9-采集通信电路盖板、10-接线端子、11-第一过线端子、12-过线槽盖板、13-径向应变传感器、14-轴向应变传感器、15-健康监测传感阵列密封垫、16-健康监测传感阵列盖板、17-第二过线端子；

10-1端子螺母、10-2端子螺杆、10-3端子接头、10-4第一密封圈、10-5第二密封圈、10-6端子芯；

中空六角螺栓11-1、中空环形密封垫11-2、安装槽11-3。

具体实施方式

为了使被发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中：

钻进状态模块，通过打钻过程震动阈值判定当前钻机的启停状态，用于控制姿态测量模块开启与关闭，打钻过程带来的震动会影响姿态测量模块的准确性，该过程关闭姿态测量，反之当判定为停钻状态时进行姿态测量。

姿态测量模块，求得各测量位置的工具面向角γ、倾角β及方位角α，将该点的三个角度信息与对应的深度信息相结合就可得到该位置的钻杆姿态。

健康监测模块，推算出钻杆轴向和径向应变大小，再根据实时应变值与设定应变上限值进行比较，从而实现智能钻杆的健康监测。

为提高随钻过程施工效率，一次性解决姿态测量、钻进深度测量及实时钻杆健康监测的问题，本发明提出了一种基于中心通缆钻杆的矿用钻杆，此外，由于实际施工中多级智能钻杆将通过级联的形式进行连接与通信，为了避免各级智能钻杆的通信冲突，同时满足煤矿井下特殊使用环境的功耗要求，本发明还提出了一种基于中心通缆钻杆的矿用钻杆控制系统和方法，本发明具有实用性强、工作稳定可靠、集成度高和便于推广等优势的特点。在钻进过程中仅需要一次测量就可以准确获取各级智能钻杆实时的钻杆姿态信息、钻进深度信息及钻杆健康状况的信息，实现施工效率的提高，避免了各级智能钻杆的通信冲突，满足煤矿井下特殊使用环境的功耗要求。

在传统的轨迹测量工程中，为了保证钻孔轨迹测量的准确性与测量分辨率，需要在每一根钻杆钻进后都需要进行一次姿态测量，测量过程工序繁琐，众多钻杆测量下来将消耗大量的施工时间，若想减少测量次数就必须牺牲两个测量点间的轨迹数据，影响了轨迹测量的准确性。通过本发明的智能钻杆，就可以实现跳钻杆测量，在需要进行钻进调整时进行一次测量，测量结果将获得孔中每一根钻杆的轨迹测量数据，极大地提高了施工效率。同时，本发明设计了钻进状态模块，能够准确的钻机启停状态的判定，当需要测量时无需人工操作监测计算机，轨迹测量数据就会自动更新，简化了轨迹测量的操作过程。

本发明准确解决了钻孔深度的计量的问题，节约了传统人工数钻杆方式消耗的人力与时间，通过纯数字式的钻孔深度纪录方式，每安装一根智能钻杆都将会对钻孔深度自动进行记录，彻底避免了错报、误报、虚报、假报的问题，数据结果实时性高，真实可靠。

本发明设计了钻杆的健康监测模块，能够实时的获取当前每根智能钻杆的受力应变情况，进而达到了钻杆健康监测与疲劳度报警的功能目的。

参见图1，展示了本发明的工作原理，该系统包括：监测计算机、电缆水变、智能钻杆(即本发明的基于中心通缆的矿用钻杆)和钻头。智能钻杆通过螺纹形式安装于钻头等钻具后端，各级智能钻杆以螺纹形式进行级联至孔口，电缆水变以螺纹形式安装于末级智能钻杆后端，监测计算机通过线缆与电缆水变连接，形成本发明的矿用钻杆数据采集传输系统。

参见图2-6，展示了本发明基于中心通缆的矿用钻杆的总装结构和各个部件的具体结构，具体为：

设置钻杆本体1，沿轴向，钻杆本体1内设置中心通缆2；与中心通缆2电连接，在钻杆本体1表面嵌设采集通信电路7，采集通信电路7上设置钻进状态模块、姿态测量模块和健康监测模块；健康监测模块包括沿周向设置在钻杆本体1表面上的多个健康监测传感阵列，每个健康监测传感阵列包括径向应变传感器13和轴向应变传感器14。钻杆本体1，作为各部件载体，采用无磁材料制成，以避免钻杆自身磁性对姿态测量的准确性造成影响。中心通缆2，作为电力载波信号传输介质，由外至内分别采用铍铜外壳、尼龙套管、铍铜芯体以铸塑一体工艺制成，铍铜外壳起固定保护作用，尼龙套管起绝缘作用，铍铜芯体起导通通信作用。通缆支撑环3，一根钻杆配有3个通缆支撑环3，采用三足支撑结构，如图4所示，用于固定中心通缆2。通过上述结构的设置，本发明的提供的钻杆可以进行钻进状态、钻杆姿态及钻杆健康状态的数据信息收集，从而实时掌控钻杆的工作情况，特别是，可以将多个钻杆进行轴向螺纹连接，每个钻杆都可以单独进行数据测量，测量数据搜集及时准确。

在钻杆本体1表面挖设健康监测阵列安装槽6，在健康监测阵列安装槽6宽度边设置径向应变传感器13，在健康监测阵列安装槽6长度边设置轴向应变传感器13。

最好的，健康监测传感阵列有三个，三个健康监测传感阵列以120°的夹角嵌设分布在钻杆本体1表面。一根钻杆包括三组健康监测传感阵列，在径向方向以夹角120°平均分布于钻杆本体1一周，径向应变传感器13与轴向应变传感器14分别表贴于健康监测阵列安装槽6的侧板与底板上，通过线缆连接，三组健康监测传感阵列的线缆分别穿过各自健康监测阵列安装槽6上的第一过线端子11进入健康监测阵列过线槽5，再通过第二过线端子17一起进入采集通信电路安装槽4，连接至采集通信电路7的健康监测模块上。

健康监测传感阵列的线缆通过过线端子连接至采集通信电路7的健康监测模块上；过线端子包括中空六角螺栓11-1、中空环形密封垫11-2和安装槽11-3，安装槽11-3由左至右分为光滑的水平段、光滑的斜坡段及带螺纹的水平段，中空六角螺栓11-1与中空环形密封垫轴向插接后，中空六角螺栓11-1通过螺纹挤压中空环形密封垫11-2进入安装槽11-3的斜坡段。参见图6，展示了本发明过线端子子装配结构，其功能是将三组健康监测传感阵列的线缆引入采集通信电路7的健康监测模块上，并保证线缆经过处各槽间的防水效果。其包括：中空六角螺栓11-1、中空环形密封垫11-2、安装槽11-3。如图(b)所示安装槽11-3，由左至右分为三段，分别是光滑的水平段、光滑的斜坡段及带螺纹的水平段，线缆穿过中空六角螺栓11-1与中空环形密封垫11-2后，中空六角螺栓11-1通过螺纹挤压中空环形密封垫11-2进入安装槽11-3的斜坡段，利用该斜坡将中空环形密封垫11-2、线缆、槽壁挤死，固定线缆的同时，保证防水。

在健康监测传感阵列与采集通信电路7之间还依次设置第一过线端子11、健康监测阵列过线槽5和第二过线端子17。一根钻杆包括两个过线端子，用于健康监测传感阵列线缆的走线与固定防水，分别通过螺纹形式安装至采集通信电路安装槽4与健康监测阵列过线槽5、健康监测阵列过线槽5与健康监测阵列安装槽6之间。

采集通信电路7过接线端子10与中心通缆2电连接，接线端子10包括沿轴向依次套接的10-1端子螺母、10-2端子螺杆和10-3端子接头，沿轴向贯穿设置端子芯；在端子螺母与端子螺杆套接处设置10-4第一密封圈，在端子螺杆与端子接头的套接处设置10-5第二密封圈。参见图5，展示了本发明接线端子子装配结构，用于采集通信电路7的正极与中心通缆2的铍铜芯体导通，并保证其接触面两端的防水效果。其包括：10-1端子螺母、10-2端子螺杆和10-3端子接头构成的特质六角螺栓；特质六角螺栓采用尼龙材料，端子芯10-6采用铍铜材料，通过铸塑一体工艺制成。端子螺母10-1为六角螺栓头结构；端子螺杆10-2外表面为螺纹结构；端子接头10-3表面光滑，尺寸与端子螺杆10-2螺纹内径相同；第一密封圈10-4安装于端子螺母10-1后端；第二密封圈10-5安装于端子螺杆10-2后端，外尺寸与端子螺杆10-2螺纹外径相同；端子芯10-6安装于特质六角螺栓中心轴上。

在本公开的实施例中，在钻杆本体1表面嵌设采集通信电路安装槽4、健康监测阵列过线槽5和健康监测阵列安装槽6与采集通信电路安装槽4连通，沿钻杆本体1径向设置接线端子安装孔。采集通信电路安装槽4内部设有采集通信电路7的固定仓、采集通信电路接线端子安装孔、管段壳体接线点。采集通信电路7通过螺丝固定于采集通信电路安装槽4固定仓处，采集通信电路接线端子10通过螺纹固定至安装孔中，一端与中心通缆2的铍铜芯体接触，另一端与采集通信电路7的正极通过线缆连接，采集通信电路7的负极通过线缆与管段壳体接线点连接。安装完成后在采集通信电路安装槽4、健康监测阵列过线槽5及健康监测阵列安装槽6内部均利用环氧树脂覆盖密封，再在三个槽上分别对应安装采集通信电路密封垫8、采集通信电路盖板9、过线槽盖板12、健康监测传感阵列密封垫15、健康监测传感阵列盖板16进行固定密封。

参见图7，展示了本发明多功能数据采集传输系统电气框图，其功能是实现各测量参数的采集与数据通信。

包括：电源管理模块、嵌入式MCU、节能控制开关、钻进状态模块、姿态测量模块、孔深记录模块、健康监测模块、温度补偿模块、UART通信模块、载波传输模块。

电源管理模块，其功能是为其余各个模块提供稳定且高质量的电源。由于钻孔深度较深，孔口电压与孔底电压存在较大压差，因此该模块采用宽电源输入的DC/DC芯片加低压稳压芯片设计。

嵌入式MCU为本系统的主控芯片，其功能是保证系统的低功耗控制、数据采集控制与数据通信控制。

节能控制开关采用多路模拟开关设计，由嵌入式MCU控制其开关状态，实现系统功耗控制。

钻进状态模块，采用三轴震动传感器设计，通过打钻过程震动阈值判定当前钻机的启停状态，用于控制姿态测量模块开启与关闭，打钻过程带来的震动会影响姿态测量模块的准确性，该过程关闭姿态测量，反之当判定为停钻状态时进行姿态测量。

姿态测量模块，采用三轴加速度计和三轴磁阻传感器设计，通过三轴加速度计可采集得到重力场的三个轴向输出G_X、G_Y、G_Z(m/s2，米/秒^2)，利用三轴磁阻传感器可采集得到大地磁场的三个轴向输出H_X、H_Y、H_Z(G，高斯)，将采集到的各项数据依次带入以下公式：

γ＝arctan(-G_X/G_Z)；

即可求得钻杆测量位点的工具面向角γ、倾角β及方位角α(°，度)，将该点的三个角度信息与对应的钻杆深度信息相结合就可得到该位置的钻杆姿态。

健康监测模块，采用电桥式应变片阵列与高精度AD采集芯片设计，电桥式应变片阵列封装于健康监测阵列安装槽底板与侧帮的各个测试点上，当钻杆本体在钻进过程中发生形变时，电桥式应变片阵列也会一同产生应变，导致其输出电压产生变化，该变化的电压与应变量呈线性关系，通过高精度AD采集电路采集各电桥式应变片阵列的输出电压，进而推算出个测试点的应变大小，再根据各点的应变值与设定各点的应变上限值进行比较，从而实现智能钻杆的健康监测。

孔深记录模块，采用铁电存储芯片设计，可进行无限次擦除，且每个铁电存储芯片都有一个独立的ID号码，不仅可用于数据的存储，还可通过读取ID号码的个数推断出当前连接钻杆的个数，由于钻杆长度为固定已知值，这样就可以顺利推算出当前钻孔的深度。

温度补偿模块，采用高精度数字温度传感器设计，为姿态测量模块与健康监测模块的传感单元进行温度补偿。

UART通信模块，嵌入式MCU将采集到的数据进行打包，通过该模块转变为串口信号进行通信。

载波传输模块，将从机UART通信模块发出的串口信号通过信号调制转变为低压电力载波信号，以便于中心通缆钻杆的数据传输，与监测计算机进行通信。

参见图8，展示了本发明系统控制流程，其中图8为多功能数据采集传输系统控制流程，有效的避免各级智能钻杆的通信冲突，同时通过低功耗控制很好的满足了煤矿井下特殊使用环境的功耗要求。

具体步骤如下：

矿用钻杆初始化编号为相同的特定编号。

步骤1：钻杆上电后将节能控制开关设置为关断状态；

步骤2：孔外的监测计算机格式化数据库，完成后向智能钻杆发送ID索要指令；

步骤3：钻杆收到ID索要指令后将ID编号发送给监测计算机，由监测计算机根据先后获取的ID顺序进行编号排序，再将编号发送给钻杆，钻杆将编号写入通信协议；

步骤4：钻杆进入休眠状态，等待监测计算机发送测量指令；

步骤5：钻杆接收到测量指令后打开节能控制开关进行钻进深度信息、钻杆健康状况信息及钻杆姿态信息的采集，完毕后关闭节能控制开关，并将数据打包发送给监测计算机；

步骤6：钻杆进入休眠等待状态；

步骤7：整个钻孔测量完成后，监测计算向各级钻杆依次发送编号初始化指令，将编号修改为统一特定编号。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于中心通缆的矿用钻杆，其特征在于，设置钻杆本体(1)，沿轴向，钻杆本体(1)内设置中心通缆(2)；

与所述的中心通缆(2)电连接，在钻杆本体(1)表面嵌设采集通信电路(7)，采集通信电路(7)上设置钻进状态模块、姿态测量模块和健康监测模块；

所述的健康监测模块包括沿周向设置在钻杆本体(1)表面上的多个健康监测传感阵列，每个健康监测传感阵列包括径向应变传感器(13)和轴向应变传感器(14)。

2.根据权利要求1所述的基于中心通缆的矿用钻杆，其特征在于，在所述的钻杆本体(1)表面挖设健康监测阵列安装槽(6)，在健康监测阵列安装槽(6)宽度边设置径向应变传感器(13)，在健康监测阵列安装槽(6)长度边设置轴向应变传感器(14)。

3.根据权利要求1或2所述的基于中心通缆的矿用钻杆，其特征在于，所述的健康监测传感阵列有三个，三个健康监测传感阵列以120°的夹角嵌设分布在所述钻杆本体(1)表面。

4.根据权利要求1或2所述的基于中心通缆的矿用钻杆，其特征在于，健康监测传感阵列的线缆通过过线端子连接至采集通信电路(7)的健康监测模块上；

过线端子包括中空六角螺栓(11-1)、中空环形密封垫(11-2)和安装槽(11-3)，安装槽(11-3)由左至右分为光滑的水平段、光滑的斜坡段及带螺纹的水平段，中空六角螺栓(11-1)与中空环形密封垫(11-2)轴向插接后，中空六角螺栓(11-1)通过螺纹挤压中空环形密封垫(11-2)进入安装槽(11-3)的斜坡段。

5.根据权利要求4所述的基于中心通缆的矿用钻杆，其特征在于，在所述的健康监测传感阵列与采集通信电路(7)之间还依次设置第一过线端子(11)、健康监测阵列过线槽(5)和第二过线端子(17)。

6.根据权利要求1所述的基于中心通缆的矿用钻杆，其特征在于，所述的采集通信电路(7)通过接线端子(10)与所述的中心通缆(2)电连接，所述的接线端子(10)包括沿轴向依次套接的端子螺母(10-1)、端子螺杆(10-2)和端子接头(10-3)，沿轴向贯穿设置端子芯(10-6)；

在端子螺母(10-2)与端子螺杆(10-2)套接处设置第一密封圈(10-4)，在端子螺杆(10-2)与端子接头(10-3)的套接处设置第二密封圈(10-5)。

7.根据权利要求1所述的基于中心通缆的矿用钻杆，其特征在于，在所述的钻杆本体(1)表面嵌设采集通信电路安装槽(4)、健康监测阵列过线槽(5)和健康监测阵列安装槽(6)，与采集通信电路安装槽(4)连通，岩钻杆本体(1)径向设置接线端子安装孔。

8.一种矿用钻杆数据采集传输系统，其特征在于，依次连接设置监测计算机、电缆水变、至少一个钻杆和钻头；

所述的钻杆为权利要求1-7任一权利要求所述的基于中心通缆的矿用钻杆。

9.一种矿用钻杆数据采集传输系统，其特征在于，包括钻进状态模块、姿态测量模块和健康监测模块；

健康监测模块通过采集平均分布于钻杆杆体上的三组应变监测阵列实时获取钻杆的应变参数；

钻进状态模块利用三轴震动传感器中的三轴加速度传感器与三轴磁阻传感器，判断钻杆是否处于钻进状态，当钻杆处于非钻进状态则运行姿态测量模块；

姿态测量模块，采用三轴加速度计和三轴磁阻传感器设计，求得钻杆测量位点的面向角γ、倾角β及方位角α，将该点的三个角度信息与对应的深度信息相结合就可得到该位置的钻杆姿态；

还包括孔深记录模块，采用铁电存储芯片，通过读取ID号码的个数推断出当前连接钻杆的个数得到当前钻孔的深度；

温度补偿模块，采用高精度数字温度传感器，为姿态测量模块与健康监测模块的传感单元进行温度补偿；

UART通信模块，嵌入式MCU将采集到的数据进行打包，通过该模块转变为串口信号进行通信；

载波传输模块，将从机UART通信模块发出的串口信号通过信号调制转变为低压电力载波信号，与监测计算机进行通信。

10.根据权利要求9所述的矿用钻杆数据采集传输系统，其特征在于，所述的钻进状态模块，采用三轴震动传感器设计，通过打钻过程震动阈值判定当前钻机的启停状态，停钻状态时运行姿态测量模块；

所述的姿态测量模块，采用三轴加速度计和三轴磁阻传感器设计，通过三轴加速度计可采集得到重力场的三个轴向输出G_X、G_Y、G_Z(m/s²，米/秒^2)，利用三轴磁阻传感器可采集得到大地磁场的三个轴向输出H_X、H_Y、H_Z(G，高斯)，将采集到的各项数据依次带入以下公式：

γ＝arctan(-G_X/G_Z)；

即可求得钻杆测量位点的工具面向角γ、倾角β及方位角α(°，度)，将该点的三个角度信息与对应的钻杆深度信息相结合就可得到该位置的钻杆姿态；

所述的健康监测模块，采用电桥式应变片阵列与高精度AD采集芯片结合，电桥式应变片阵列封装于健康监测阵列安装槽底板与侧帮的各个测试点上，高精度AD采集电路采集各电桥式应变片阵列的输出电压，进而推算出个测试点的应变大小，再根据各点的应变值与设定各点的应变上限值进行比较实现钻杆的健康监测。

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