CN111852439A - 一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统 - Google Patents

一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统，包括：钻机特征参数检测模块、钻机运行状态判定模块和钻孔深度计算模块；在进行钻机运行状态判定时，辅以推进压力、一杆内钻机有效钻进位移、一杆钻杆钻至终点时的动作状态(钻机快退和终点反转)判定是否加钻杆或退钻杆，加钻杆或退动作是否有效，通过多种途径判定以保证判定结果的可靠性；实现多种模式识别以及深度参数获取，不容易漏数钻杆，避免将累计的打滑距离计入钻孔深度中，丰富了钻机有效钻进判定参数，使判定结果更准确。

Description

一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统
技术领域
本发明涉及煤矿防治水、冲击地压防治以及瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统。
背景技术
随着煤炭资源的开采，现有煤矿的开采深度逐年加大，地质条件也越来越复杂，突水、瓦斯突出和冲击地压等地质灾害时有发生，严重威胁煤矿的安全生产。当前，煤矿采取了很多措施来预防和控制上述地质灾害，其中布置钻孔是最常用的措施，譬如，为了预防突水，通常在巷道掘进迎头附近向前方打数个不同深度的钻孔用于探测地质情况；瓦斯治理方面，钻孔预抽瓦斯已成为强制措施；防治冲击地压方面，钻孔卸压被证明是有效的手段。煤矿井下各类钻孔的设计均有严格的设计规范，只有严格按照设计要求施工的钻孔才能有效发挥作用。钻孔深度是各类钻孔设计的一个关键参数，同时也是验收钻孔的主要依据，利用钻机施钻实时参数综合判定存在以下问题：
1、软岩或煤层中钻进时，旋转压力与空转时变化不大，加之抖动原因，有效钻进判定易出现错误。
2、只用旋转反转判定加(退)钻杆容易造成漏数钻杆现象，也容易被操作人员空钻打假孔。
3、当钻杆与卡盘打滑时，旋转油压压力大于门限油压，滑动的距离仍视为有效钻进，而实际未钻进，测量数据不真实。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统，适当调低旋转压力门限，辅以推进压力、一杆内钻机有效钻进位移、一杆钻杆钻至终点时的动作状态进行判断，综合判定出是否加钻杆或退钻杆，使得有效钻进判定准确，避免了钻机钻进打滑时的打滑距离误差。
本发明通过下述技术方案实现：
本方案提供一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统，包括：钻机特征参数检测模块、钻机运行状态判定模块和钻孔深度计算模块；
钻机特征参数检测模块实时检测钻机特征参数：钻杆推进压力差△P、钻杆的旋转压力差△F和钻杆轴向驱动油缸往复运动的行程S；
钻机运行状态判定模块基于钻机特征参数进行钻机运行状态、钻机的有效加杆和有效减杆的判定；
钻孔深度计算模块基于有效加杆和有效减杆数量计算出钻孔深度；
所述钻机运行状态包括：空钻状态、钻进状态、后退状态、无效钻进状态和无效后退状态。
进一步优化方案为，所述钻机特征参数检测模块包括：双向推进压力差传感装置、双向旋转压力差传感装置和位移传感装置；
安装在钻机推进油缸上的双向推进压力传感装置实时测量活塞前端压力值P1和活塞后端压力值P2、并计算出钻杆推进压力差△P，△P＝P2-P1；
安装在钻机旋转马达上的双向旋转压力传感装置实时测量马达进液端的压力值F1和马达出液端的压力值F2、并计算钻杆的旋转压力差△F，△F＝F1-F2；
安装在与推进油缸相连的拖板上的位移传感装置实时测量钻杆轴向驱动油缸往复运动的行程S；当油缸内的活塞运行到底部时，S＝0；当油缸内的活塞运行到顶部时，S＝Smax；S满足0≤S≤Smax；记△S为t时刻与其相邻前一时刻的钻杆轴向驱动油缸往复运动的行程的差值。
进一步优化方案为，当△P＞0时，钻杆向前推进，有钻杆前进压力差△P1；
当△P<0时，钻杆向后退回，有钻杆后退压力差△P2；
当△F＞0，钻机旋转马达正转，有钻杆的正向旋转压力差△F1；
当△F＜0，钻机旋转马达反转，有钻杆的反向旋转压力差△F2。
进一步优化方案为，钻机运行状态的判定方法为：
当△S＝0时，钻机为空钻状态；
当△P1＞推进压力差阈值P、△F1＞正向旋转压力差阈值F，且△S＞0时，钻机为钻进状态；
当△P2＜钻杆后退压力差阈值-Q、△F2＜反向旋转压力差阈值-M，且△S＜0时，钻机为后退状态；
情形一：-Q＜△P＜P，
情形二：-M＜△F＜F；
当满足情形一或情形二，且△S＞0时，钻机为无效钻进状态；
当满足情形一或情形二，且△S＜0时，钻机为无效后退状态。
进一步优化方案为，钻机有效加杆和有效减杆判定方法为：
a.当△F2＜反向旋转压力阈值-M，且S＝Smax时，准备加杆动作；
b.钻机快退位移Sq≥快退位移阈值Sqy时，准备加杆动作；
c.一钻杆内钻机累积的有效钻进位移Sd＞钻进位移阈值Sdy时，准备加杆动作；
当满足上述a、b、c任一准备加杆动作，且准备加杆动作后钻机在起点处为钻进状态，则判定为有效加杆；
当△F2＜反向旋转压力阈值-M，且S＝0时，准备减杆动作；
钻机快进位移Sj≥快进位移阈值Sjy时，准备减杆动作；
当满足所述任一准备减杆动作，且准备减杆动作后钻机在终点处为退杆状态，则判定为有效减杆。
进一步优化方案为，所述钻机快退位移Sq表示操作快退档位时钻机移动的位移；
所述钻机快进位移Sj表示操作快进档位时钻机移动的位移。
本方案工作原理：本发明提供的一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统，在进行钻机运行状态判定时，辅以推进压力、一杆内钻机有效钻进位移、一杆钻杆钻至终点时的动作状态(钻机快退和终点反转)判定出是否加(退)钻杆，加(退)钻杆动作是否有效，丰富了钻机有效钻进判定参数，使判定结果更准确。现有的钻孔深度行程的综合检测方法通常是以动油缸往复运动的行程、马达正转或反转的压力等参数来判断钻机的运行状态，在实际工程实施过程中，特殊的状况会影响判断结果，导致实际钻孔深度与计算值差距大，例如钻机在软岩或煤层中钻进时，旋转的压力与空转变化不大，加上钻机抖动原因，旋转压力这一参数就失去参考性，有效钻进判定易出现错误；而只用旋转反转来判定加(退)钻杆容易造成漏数钻杆现象，也容易被操作人员空钻打假孔；在钻杆与卡盘打滑时，旋转油压压力大于门限油压，滑动的距离仍会被视为有效钻进，而实际未钻进，测量的钻进数据不真实；本方案提供的综合检测方法在钻进打滑时，退回采取措施后继续钻进，不判定为有效加钻，因此不计为钻进钻杆数，且在加钻或减钻后起点处钻机的状态也作为判定参数，保证判定结果的可靠性；实现多种模式识别以及深度参数获取，不会将累计的打滑距离计入钻孔深度中。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统，综合判定出是否为有效加(退)钻杆，以钻杆数量计算钻孔深度；在判定有效加(退)钻杆时增加钻杆终点处的退杆反向压力、反向旋转压力、快退(快进)位移、一杆内钻机有效钻进位移等状态参量为判定参数，同时，根据钻杆为固定长度，对钻孔深度进行计算；通过多种途径判定以保证判定结果的可靠性；实现多种模式识别以及深度参数获取，不容易漏数钻杆，不会将累计的打滑距离计入钻孔深度中。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
在附图中：
图1为本发明监测系统结构示意图；
图2为钻机运行状态逻辑判定流程图；
图3为钻机有效加杆和有效减杆逻辑判定流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1所示，一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统，包括：钻机特征参数检测模块、钻机运行状态判定模块和钻孔深度计算模块；
钻机特征参数检测模块实时检测钻机特征参数：钻杆推进压力差△P、钻杆的旋转压力差△F和钻杆轴向驱动油缸往复运动的行程S；
钻机运行状态判定模块基于钻机特征参数进行钻机运行状态、钻机的有效加杆和有效减杆的判定；
钻孔深度计算模块基于有效加杆和有效减杆数量计算出钻孔深度；
所述钻机运行状态包括：空钻状态、钻进状态、后退状态、无效钻进状态和无效后退状态。
所述钻机特征参数检测模块包括：双向推进压力差传感装置、双向旋转压力差传感装置和位移传感装置；
安装在钻机推进油缸上的双向推进压力传感装置实时测量活塞前端压力值P1和活塞后端压力值P2、并计算出钻杆推进压力差△P，△P＝P2-P1；
安装在钻机旋转马达上的双向旋转压力传感装置实时测量马达进液端的压力值F1和马达出液端的压力值F2、并计算钻杆的旋转压力差△F，△F＝F1-F2；
安装在与推进油缸相连的拖板上的位移传感装置实时测量钻杆轴向驱动油缸往复运动的行程S；当油缸内的活塞运行到底部时，S＝0；当油缸内的活塞运行到顶部时，S＝Smax；S满足0≤S≤Smax；记△S为t时刻与其相邻前一时刻的钻杆轴向驱动油缸往复运动的行程的差值。
当△P＞0时，钻杆向前推进，有钻杆前进压力差△P1；
当△P＜0时，钻杆向后退回，有钻杆后退压力差△P2；
当△F＞0，钻机旋转马达正转，有钻杆的正向旋转压力差△F1；
当△F＜0，钻机旋转马达反转，有钻杆的反向旋转压力差△F2。
钻机运行状态的判定方法为：
当△S＝0时，钻机为空钻状态；
当△P1＞推进压力差阈值P、△F1＞正向旋转压力差阈值F，且△S＞0时，钻机为钻进状态；
当△P2＜钻杆后退压力差阈值-Q、△F2＜反向旋转压力差阈值-M，且△S＜0时，钻机为后退状态；
情形一：-Q＜△P＜P，
情形二：-M＜△F＜F；
当满足情形一或情形二，且△S＞0时，钻机为无效钻进状态；
当满足情形一或情形二，且△S＜0时，钻机为无效后退状态。
钻机有效加杆和有效减杆判定方法为：
a.当△F2＜反向旋转压力阈值-M，且S＝Smax时，准备加杆动作；
b.钻机快退位移Sq≥快退位移阈值Sqy时，准备加杆动作；
c.一钻杆内钻机累积的有效钻进位移Sd＞钻进位移阈值Sdy时，准备加杆动作；
当满足上述a、b、c任一准备加杆动作，且准备加杆动作后钻机在起点处为钻进状态，则判定为有效加杆；
当△F2＜反向旋转压力阈值-M，且S＝0时，准备减杆动作；
钻机快进位移Sj≥快进位移阈值Sjy时，准备减杆动作；
当满足所述任一准备减杆动作，且准备减杆动作后钻机在终点处为退杆状态，则判定为有效减杆。
所述钻机快退位移Sq表示操作快退档位时钻机移动的位移；
所述钻机快进位移Sj表示操作快进档位时钻机移动的位移。
采取钻机综合运行参数判定是否加(退)钻杆，即终点反转或快退一定距离(为缩短施工时间，加钻杆时操作人员都会操作快退)或有效推进长度达到一根钻杆的长度，但必须在起点附近重新有效钻进才加钻杆，同时，根据钻杆为固定长度，对钻孔深度进行计算；退钻杆则反之。通过多种途径判定，不容易漏数钻杆，加钻后要在起点附近有效钻进才判定加钻杆，有效避免了作假现象；本实施例中的加钻杆判定同时也解决了打滑问题，钻进打滑时，退回采取措施后继续钻进，不会计算钻进钻杆数，误差只是最后一根钻杆的打滑距离，不会累计之前的打滑距离。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统，其特征在于，包括：钻机特征参数检测模块、钻机运行状态判定模块和钻孔深度计算模块；
钻机特征参数检测模块实时检测钻机特征参数：钻杆推进压力差△P、钻杆的旋转压力差△F和钻杆轴向驱动油缸往复运动的行程S；
钻机运行状态判定模块基于钻机特征参数进行钻机运行状态、钻机的有效加杆和有效减杆的判定；
钻孔深度计算模块基于有效加杆和有效减杆数量计算出钻孔深度；
所述钻机运行状态包括：空钻状态、钻进状态、后退状态、无效钻进状态和无效后退状态。
2.根据权利要求1所述的一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统，其特征在于，所述钻机特征参数检测模块包括：双向推进压力差传感装置、双向旋转压力差传感装置和位移传感装置；
安装在钻机推进油缸上的双向推进压力传感装置实时测量活塞前端压力值P1和活塞后端压力值P2、并计算出钻杆推进压力差△P，△P＝P2-P1；
安装在钻机旋转马达上的双向旋转压力传感装置实时测量马达进液端的压力值F1和马达出液端的压力值F2、并计算钻杆的旋转压力差△F，△F＝F1-F2；
安装在与推进油缸相连的拖板上的位移传感装置实时测量钻杆轴向驱动油缸往复运动的行程S；当油缸内的活塞运行到底部时，S＝0；当油缸内的活塞运行到顶部时，S＝Smax；S满足0≤S≤Smax；记△S为t时刻与其相邻前一时刻的钻杆轴向驱动油缸往复运动的行程的差值。
3.根据权利要求2所述的一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统，其特征在于，
当△P＞0时，钻杆向前推进，有钻杆前进压力差△P1；
当△P＜0时，钻杆向后退回，有钻杆后退压力差△P2；
当△F＞0，钻机旋转马达正转，有钻杆的正向旋转压力差△F1；
当△F＜0，钻机旋转马达反转，有钻杆的反向旋转压力差△F2。
4.根据权利要求3所述的一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统，其特征在于，
钻机运行状态的判定方法为：
当△S＝0时，钻机为空钻状态；
当△P1＞推进压力差阈值P、△F1＞正向旋转压力差阈值F，且△S＞0时，钻机为钻进状态；
当△P2＜钻杆后退压力差阈值-Q、△F2＜反向旋转压力差阈值-M，且△S＜0时，钻机为后退状态；
情形一：-Q＜△P＜P，
情形二：-M＜△F＜F；
当满足情形一或情形二，且△S＞0时，钻机为无效钻进状态；
当满足情形一或情形二，且△S＜0时，钻机为无效后退状态。
5.根据权利要求1所述的一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统，其特征在于，钻机有效加杆和有效减杆判定方法为：
a.当△F2＜反向旋转压力阈值-M，且S＝Smax时，准备加杆动作；
b.钻机快退位移Sq≥快退位移阈值Sqy时，准备加杆动作；
c.一钻杆内钻机累积的有效钻进位移Sd＞钻进位移阈值Sdy时，准备加杆动作；
当满足a、b、c任一准备加杆动作，且准备加杆动作后钻机在起点处为钻进状态，则判定为有效加杆；
当△F2＜反向旋转压力阈值-M，且S＝0时，准备减杆动作；
钻机快进位移Sj≥快进位移阈值Sjy时，准备减杆动作；
当满足所述任一准备减杆动作，且准备减杆动作后钻机在终点处为退杆状态，则判定为有效减杆。
6.根据权利要求5所述的一种坑道钻机钻孔深度综合监测系统，其特征在于，
所述钻机快退位移Sq表示操作快退档位时钻机移动的位移；
所述钻机快进位移Sj表示操作快进档位时钻机移动的位移。
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