CN113236225B - 一种煤矿钻进偏离预警传感器系统和钻进纠偏方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤矿钻进偏离预警传感器系统和钻进纠偏方法，涉及采矿工程和定向钻孔技术领域。该系统包括无线传感器、控制器、钻头、旋转联轴器、连接头、钻杆和钻机，钻杆和钻机相连，钻杆端部设置有连接头，连接头和旋转联轴器连接，钻转联轴器与钻头相连，钻头上设置有风孔；钻杆之间通过套管连接，套管内均设置有无线传感器；各个无线传感器之间传递测量信息，钻孔孔口位置设置的信号接收器接收无线传感器的信号后判断钻头的钻进轨迹偏差，控制器根据轨迹偏差控制旋转联轴器和密封开关；风机通过钻杆供风，钻头上的风孔出风软化破煤，调整钻进角度。利用该钻机完成钻孔纠偏的方法方便了实时监控钻进轨迹，减少了信号衰减，保证了钻进精度。

Description

一种煤矿钻进偏离预警传感器系统和钻进纠偏方法

技术领域

本发明涉及采矿工程和定向钻孔技术领域，尤其是一种煤矿钻进偏离预警传感器系统和钻进纠偏方法。

背景技术

在煤矿开采水平钻进过程中，可能会钻进上百米甚至上千米的近水平孔的钻孔，钻进过程中必然会产生钻孔偏离水平方向的偏斜，有时甚至会发生钻孔相互交叉的情况。实际钻孔轨迹发生偏离的影响因素主要是包括煤层地质条件及结构构造、技术因素、钻具自重、钻进工艺和钻进参数以及设备问题和人员等。由于煤层的非均质性与各向异性，煤层地质条件及结构构造对钻孔的特征及性质有着较大的影响，在钻进过程中由于孔底受力不均衡容易引起力矩倾倒从而导致钻孔偏离。其中由于技术因素导致的钻孔偏离可以分为两类，一是由于钻具与钻机之间不具备适配性导致钻杆与钻孔中心没有对齐，或者采用的钻杆与碎岩工具丝扣不同心等；二是钻杆及其他钻进工具的刚度结构特性，其偏斜强度随钻具长度增加与直径的减小降低。钻进过程中钻孔偏离不仅会使煤矿开采效果不佳，更严重的还会产生钻孔空白带，使得后续煤矿开采作业存在巨大风险，导致矿山灾害事故发生。因此，为了准确地进行煤层钻孔和，必须在钻孔产生偏离时引起足够的重视，并通过有效的技术和措施来保证近水平钻孔按照设计轨迹进行。

利用回转钻机进行煤矿施工钻孔时，如果钻进时实际开孔参数与原定设计的开孔参数一致，则钻孔成孔轨迹就会与原定轨迹方向保持一致，如果钻进延伸方向和原定的钻孔轨迹方向无法保持一致时，那么此时钻孔必然会发生偏离。在实际煤矿现场钻孔施工过程中，受煤层地质条件、钻具结构以及自重等各种因素的影响，而钻孔偏离原定轨迹则是由于钻孔的力学条件、位置条件和空间条件。力学条件是指钻进过程中，钻头唇面与孔底接触的轴向受力不平衡，钻孔钻速差导致孔底平面产生不对称、不均匀的破碎，且有研究表明，钻进偏离的角度会随着切削速度的增大而增大；另外粗径钻具的歪倒会使得钻孔轨迹偏离原来的中心轴线，导致钻机所给进的钻压产生一定的偏离角度，无法沿着原定轴线方向施加给钻头，轴向破碎孔底的压力作用和径向孔壁的侧向力作用使孔底破碎不对称产生钻孔偏离。空间条件是指粗径钻杆钻具与孔壁之间存在的间隙，只有粗径钻具的轴压作用偏离原钻孔轴线时，与孔壁产生间隙，粗径钻杆钻具才有偏离倾斜的空间。位置条件则是指钻机对钻头作用力的方向固定、相对大小固定以及偏离的方向固定。力学条件和空间条件是钻进轴线方向上有可能发生偏离钻孔轴线的必要条件，但并不是钻头轴线方向上偏离钻孔轴线的全部条件。只有同时有力学条件、空间条件、位置条件，才会最终发生钻头轴线偏离钻孔轴线。因为只有在钻机给定的作用力方向和相对大小以及偏离方向均固定后，才能造成钻头轴线向固定的作用力方向、钻速差方向以及偏离方向的偏斜。

目前，现有技术中主要根据钻头在孔内的受力情况，采用钻具组合来实现轨迹保直或者控向。国外主要采用孔底动力的方式来进行钻孔控向。而目前已出现水力纠偏技术控制钻孔导向，其方法是利用正常钻进配套泥浆泵提供的水流通过专用钻具形成能够破碎煤岩的高速淹没射流的方法进行钻孔导向。而在普通煤层气水平钻孔施工现场，一般使用水钻和风钻两种形式，因此，本文拟采用风力纠偏的方式，利用井下风机提供的风流通过专用钻具实现在预定方向上的定向风力破碎煤岩，在钻进方向上的孔底平面上形成破碎难易度不同软硬不同的煤岩结构，引导后续钻孔沿预定的“软”方向偏转，即利用风钻凿煤，进而实现近水平孔钻孔纠偏的目的。

无线传感器在煤矿开采施工现场的复杂环境中所传输出的信号，会随着传输距离的增大，受到各种复杂干扰，无线传感器发送的有效信号极易湮没。实时掌握钻孔偏差角度，解决无线传感器有效信号传送以及风力纠偏，有助于煤矿开采的科学设计和施工，及时发现和纠正钻孔偏差，对于矿井安全生产具有重要意义。

发明内容

为了实时监控钻进轨迹，减少无线信号衰减，保证钻进精度，本发明提供了一种煤矿钻进偏离预警传感器系统和钻进纠偏方法，具体的技术方案如下。

一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，包括无线传感器、控制器、钻头、旋转联轴器、连接头、钻杆、风机和钻机，钻杆和钻机相连，钻杆端部设置有连接头，连接头和旋转联轴器连接，钻转联轴器与钻头相连，钻头上设置有风孔；钻杆之间通过套管连接，套管内均设置有无线传感器；各个无线传感器之间传递测量信息，钻孔孔口位置设置的信号接收器接收无线传感器的信号，计算机判断钻头的钻进轨迹偏差，控制器根据轨迹偏差控制旋转联轴器和密封开关；风机连通钻杆并供风，钻头上的风孔出风软化破煤，调整钻进角度。

优选的是，套管内设置有掏槽，无线传感器固定在掏槽内，所述无线传感器外侧还包裹有密封罩；无线传感器测量相连钻杆之间的方位偏差。

优选的是，无线传感器包括电路板，电路板上配置有电源、信号发射器、控制电路模块和采集电路模块，电路板的电源为控制电路模块和采集电路模块供电，控制电路模块包括方位信号接收电路、信号调节器、低通滤波器和单片机，信号调节器和低通滤波器对输出信号进行处理，标准信号输入单片机，单片机解析信号并控制无线信号传感器的指示灯工作；采集电路模块包括A/D转换器和风压采集电路，A/D转换器将监测信号转换为数字信号，风压采集电路监测输出的风压；信号发射器发送数字信号。

还优选的是，各个所述无线传感器设置有编号，无线传感器优先接收并处理相邻布置的无线传感器发送的数字信号。

还优选的是，无线传感器监测相连两节钻杆之间的方位角，所述旋转联轴器控制钻头上风孔的朝向。

进一步优选的是，钻头和钻杆在单轴饱和抗压强度大于30MPa的煤岩层中钻进，形成孔道；钻进过程中钻机向孔道内注水对钻头降温。

进一步优选的是，风力压强平衡的计算公式为：

其中P_F为风力压强，P_L为水汽压强，α为水的表面张力系数，μ为水的黏性系数，R为风在钻杆中的半径，

为风在钻杆中对时间的一阶导即速度。

进一步优选的是，钻口外风压的计算公式为：

其中，ρ为风压的流量密度，P_∞为距离钻头口处风压远端的压强，

为风在钻杆中对时间的二阶导即加速度。

一种煤矿钻进偏离预警及钻进纠偏的方法，利用上述的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，步骤包括：

S1.连接钻头和钻杆，钻杆之间通过套管连接，套管内配置无线传感器；

S2.钻机控制钻头和钻杆钻进形成孔道，钻进过程中无线传感器监测钻杆的受力并对相邻钻杆之间进行方位测量；

S3.无线传感器之间传递测量信息，钻孔孔口位置设置的信号接收器接收无线传感器的信号，计算机判断钻头的钻进轨迹偏差；

S4.根据计算机的判断结果输出钻进偏离监测结果，指示灯发出预警信号；

S5.钻机根据偏离角度控制旋转联轴器转动，调节风孔的朝向；

S6.高速风机输入高压风，风孔朝向预定的钻进方向软化煤岩体；

S7.钻机继续控制钻头和钻杆钻进，钻头沿软化后的煤岩体方向钻进。

还进一步优选的是，无线传感器监测相邻钻杆的偏差角度，多个无线传感器测量的偏差角度拟合钻杆整体的轨迹偏差。

本发明提供的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统和钻进纠偏方法有益效果包括：

(1)该系统通过无线传感器与风力纠偏的方法对钻孔偏离进行预警与矫正，在钻孔发生偏离时，无线传感器向智能钻机发送预警信号，钻机通过分析偏离角度利用风压对钻孔进行纠偏，这样不仅可消除由钻孔偏离带来的安全隐患，也为煤矿井下高效安全生产提供了重要的参考价值。

(2)无线传感器可以对方位信号进行测量，从而避免了传统有线传感器的布线操作，减少有线传输的成本及线路缠绕问题，且无线传感器的测量信号不会因为无线传输方式在煤层施工钻孔中发生严重信号衰减，无线传感器的传输距离仅为一段钻杆的长度，这样避免了传输距离长导致的信号衰减率高导，以及信号损耗的问题。

(3)利用该系统进行纠偏的方法中，通过放置在两节钻杆之间的套管掏槽处的无线测量传感器，同时测量前后两节钻杆的方位角，节约了测量传感器的布置成本，同时提高了测量精度；且以第一个无线测量传感器为衡量指标测量下一个无线传感器在钻进过程中的钻进方位是否发生变化，将信号接收器所得信号通过计算机进行分析，如果两个无线传感器输出信号不一致，则计算机会向钻机发送偏离预警信号，有效降低了钻孔轨迹发生偏离的情况。

附图说明

图1是煤矿钻进偏离预警传感器系统的结构示意图；

图2是无线传感器的结构示意图；

图3是无线传感器的电路板示意图；

图4是风压采集电路的示意图；

图5是煤矿钻进偏离预警及钻进纠偏的方法的工作流程图；

图6是无线传感器的工作流程图；

图中：1-钻头；2-连接头；3-无线传感器；4-钻杆；5-钻机；6-信号接收器；7-计算机；8-孔道；9-密封罩；10-套管；11-显示屏；12-传感器指示灯；13-旋转联轴器；14-风孔；15-风机开关；16-风机；17-电路板；18-控制电路模块；19-采集电路模块；20-方位信号接收电路；21-信号调节器；22-单片机；23-电压调节电路；24-导线；25-电源；26-微处理器；27-信号发射器；28-风压采集电路；29-A/D转换器；30-低通滤波器。

具体实施方式

结合图1至图6所示，对本发明提供的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统和钻进纠偏方法的具体实施方式进行说明。

一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，包括无线传感器、控制器、钻头、旋转联轴器、连接头、钻杆、风机和钻机，钻杆5和钻机4相连，钻杆4端部设置有连接头2，连接头2和旋转联轴器13连接，钻转联轴器13与钻头1相连，钻头1上设置有风孔14。钻杆4之间通过套管10连接，套管10内均设置有无线传感器。各个无线传感器3之间传递测量信息，钻孔孔口位置设置的信号接收器6接收无线传感器的信号，计算机7判断钻头的钻进轨迹偏差，钻机5中的控制器根据轨迹偏差控制旋转联轴器和密封开关。风机16连通钻杆并供风，钻头上的风孔14出风软化破煤，调整钻进角度。

钻机5开动后，带动钻杆3旋转钻进，钻杆3与钻头1之间通过连接头2相接，无线传感器4放置在套管10的掏槽中，套管10用于连接前后两节钻杆4，用密封罩9对无线传感器4进行密封。钻杆3钻进时钻头1旋转切削煤体，钻进一定深度后形成孔道8，无线传感器4通过测量与衡量指标即第一个无线传感器4之间的方位偏差，由孔口处的信号接收器6进行汇总进而由计算机7判断钻进轨迹是否发生偏离，随即向钻机5发送偏离预警信号，钻机5接收到偏离信号后，通过控制旋转联轴器13旋转以及密封开关15开启，使得钻头12对准原定钻进方向，利用风机16向钻杆中压入高速风压，由风孔14向原定方向的孔底进行软化破煤，调整钻进角度直到钻进维持平稳水平延伸至原定区域。

其中套管10内设置有掏槽，无线传感器3固定在掏槽内，无线传感器3外侧还包裹有密封罩9，防止钻进过程中产生的煤屑粉尘进入到开槽部位影响无线传感器3工作。无线传感器3测量相连钻杆之间的方位偏差。

无线传感器3包括电路板，电路板上配置有电源、信号发射器、控制电路模块和采集电路模块19，电路板的电源为控制电路模块和采集电路模块供电，控制电路模块包括方位信号接收20、信号调节器21、低通滤波器30和单片机22，信号调节器和低通滤波器对输出信号进行处理，标准信号输入单片机，单片机解析信号并控制无线信号传感器的指示灯工作；采集电路模块包括A/D转换器29和风压采集电路28，A/D转换器29将监测信号转换为数字信号，风压采集电路28监测输出的风压；信号发射器27发送数字信号。

其中方位信号接收电路20将上一个无线传感器3的方位信号进行整合，信号调节器21和低通滤波器30对输出的信号进行处理，经其放大、滤波等处理可以得到标准的信号，标准信号通过单片机22对信号进行分析处理，当钻进发生偏离时，单片机21将信号解析后控制无线传感器3中的指示灯12发出红光；采集电路模块19由A/D转换器29和风压采集电路28组成，A/D转换器29将钻进过程中产生的模拟信号转换成数字信号，经由风压采集电路28对高速风压进行采集分析，以此判断是否达到破煤风力值；电源25为各个电路进行供电，供电范围是12V-16V，由于无线传感器3中采用的是低功耗的单片机21，故需选用电压调节电路23以提供稳定电压。将所有采集到的信号经过A/D转换器29将信号转化为可传输信号，由微处理器25对各传感器进行开关、时序等控制，将信号经过导线24传输给信号发射器27，由信号发射器27将信号发送到下一无线传感器3中。

无线传感器3在套管10上安装完毕后用连接头2接上钻头1开始施工钻孔。以第一个无线传感器3为衡量指标，在钻杆4上安装完毕接上钻头1开始施工钻孔时，无线传感器3开始向信号接收器6发送信号，直到无线传感器3处于水平位置时，计算机7会输出“信号0”；同样，在第二个无线传感器3安装完毕后，用套管10连接前后两节钻杆4，钻孔继续施工时，第二个无线传感器3以第一个无线传感器3为衡量指标，当第二个无线传感器3的方位角向上偏离第一个无线传感器3时，计算机7会输出信号“+偏离角度”且传感器3的指示灯12会发出红光，当第二个无线传感器3的方位角向下偏离第一个无线传感器3时，计算机会输出信号“-偏离角度”，同样无线传感器3的指示灯12会发出红光。例如，第二个无线传感器3的方位角向上偏离第一个无线传感器3的角度为5°，则此时计算机7会输出信号“+5°”，若第二个无线传感器3的方位角向下偏离第一个无线传感器3的角度为6°，则此时计算机7会输出信号“-6°”，同时传感器的指示灯12会发出红光。当智能钻机5接收到计算机7的偏离预警信号后，根据钻杆所偏离的角度，智能钻机5通过控制钻杆旋转“风眼”调整到指定位置，通过风机16的高速定向风压“软化”破碎原定方向上的煤岩，使得钻头1向“易”破碎的方向钻进，维持钻杆平稳水平钻进，从而实现自动调整钻孔方向轨迹，让钻孔轨迹按设计要求延伸钻进至原定区域；无线传感器3还可测量钻进过程中钻杆受力状态，当钻进没有发生偏离时，将受力情况与方位信号一起传送到孔口计算机7处进行存储与处理分析。当钻进按原定轨迹前进时，钻孔测量数据将会存储在计算机7中，并在显示屏12中实时显示当前钻进状态，方便查看；当钻进发生偏离时，显示屏12将会发出预警提醒直到钻进角度调整正确。第三个无线传感器3的安装及预警信号传递同上，预警系统将运行直至达到所需钻孔深度。

各个无线传感器3设置有编号，无线传感器3优先接收并处理相邻布置的无线传感器3发送的数字信号；具体的是安装在前端的无线传感器3向安装在后方的无线传感器传输监测信号，在前的无线信号传感器在其信号传输距离范围内还可以向在后的任一无线传感器发送监测信号，在后的无线传感器优先接收处理相邻无线传感器的信号。无线传感器3监测相连两节钻杆之间的方位角，旋转联轴器13控制钻头上风孔14的朝向，风孔14向原定方向的孔底出风并软化破煤。

钻头1和钻杆4在单轴饱和抗压强度大于30MPa的煤岩层中钻进，形成孔道8，钻进过程中钻机向孔道内注水对钻头降温。

风力压强平衡的计算公式为：

其中P_F为风力压强，P_L为水汽压强，α为水的表面张力系数，μ为水的黏性系数，R为风在钻杆中的半径，

为风在钻杆中对时间的一阶导即速度。

钻口外风压的计算公式为：

其中，ρ为风压的流量密度，P_∞为距离钻头口处风压远端的压强，

为风在钻杆中对时间的二阶导即加速度。

上述公式合并得到风压的关系式为：

根据风压关系可以根据实际的煤岩体硬度、钻杆内通风的孔径和输送距离，确定具体的风压条件，从而选择风机的类型，适用不同的地质条件。

一种煤矿钻进偏离预警及钻进纠偏的方法，利用上述的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，步骤包括：

S1.连接钻头和钻杆，钻杆之间通过套管连接，套管内配置无线传感器。通过无线传感器可以监测钻杆之间的偏差角度，另外钻杆通过钻头出水给钻头降温，钻杆供风可以软化预定方向上的煤岩体。

S2.钻机控制钻头和钻杆钻进形成孔道，钻进过程中无线传感器监测钻杆的受力并对相邻钻杆之间进行方位测量。分别对相邻钻杆之间的方位偏差计量，从而可以判断整体钻杆的偏移方向和距离。

S3.无线传感器之间传递测量信息，钻孔孔口位置设置的信号接收器接收无线传感器的信号，计算机判断钻头的钻进轨迹偏差。其中无线传感器监测相邻钻杆的偏差角度，多个无线传感器测量的偏差角度拟合钻杆整体的轨迹偏差。无线传感器可以对方位信号进行测量，从而避免了传统有线传感器的布线操作，减少有线传输的成本及线路缠绕问题，且无线传感器的测量信号不会因为无线传输方式在煤层施工钻孔中发生严重信号衰减，无线传感器的传输距离仅为一段钻杆的长度，这样避免了传输距离长导致的信号衰减率高导，以及信号损耗的问题。

以第一个无线测量传感器为衡量指标测量下一个无线传感器在钻进过程中的钻进方位是否发生变化，将信号接收器所得信号通过计算机进行分析，如果两个无线传感器输出信号不一致，则计算机会向钻机发送偏离预警信号，有效降低了钻孔轨迹发生偏离的情况

S4.根据计算机的判断结果输出钻进偏离监测结果，指示灯发出预警信号。

S5.钻机根据偏离角度控制旋转联轴器转动，调节风孔的朝向。

S6.高速风机输入高压风，风孔朝向预定的钻进方向软化煤岩体。

S7.钻机继续控制钻头和钻杆钻进，钻头沿软化后的煤岩体方向钻进。

该方法通过无线传感器与风力纠偏的方法对钻孔偏离进行预警与矫正，在钻孔发生偏离时，无线传感器向智能钻机发送预警信号，钻机通过分析偏离角度利用风压对钻孔进行纠偏，这样不仅可消除由钻孔偏离带来的安全隐患，也为煤矿井下高效安全生产提供了重要的参考。

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 (8)

1.一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，其特征在于，包括无线传感器、控制器、钻头、旋转联轴器、连接头、钻杆、风机和钻机，所述钻杆和钻机相连，钻杆端部设置有连接头，连接头和旋转联轴器连接，钻转联轴器与钻头相连，钻头上设置有风孔；所述钻杆之间通过套管连接，套管内均设置有无线传感器；各个所述无线传感器之间传递测量信息，钻孔孔口位置设置的信号接收器接收无线传感器的信号，计算机判断钻头的钻进轨迹偏差，所述控制器根据轨迹偏差控制旋转联轴器和密封开关；所述风机连通钻杆并供风，钻头上的风孔出风软化破煤，调整钻进角度；

所述套管内设置有掏槽，无线传感器固定在掏槽内，所述无线传感器外侧还包裹有密封罩；无线传感器测量相连钻杆之间的方位偏差；所述无线传感器监测相连两节钻杆之间的方位角，所述旋转联轴器控制钻头上的风孔朝向。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，其特征在于，所述无线传感器包括电路板，电路板上配置有电源、信号发射器、控制电路模块和采集电路模块，电路板的电源为控制电路模块和采集电路模块供电，控制电路模块包括方位信号接收电路、信号调节器、低通滤波器和单片机，信号调节器和低通滤波器对输出信号进行处理，标准信号输入单片机，单片机解析信号并控制无线信号传感器的指示灯工作；采集电路模块包括A/D转换器和风压采集电路，A/D转换器将监测信号转换为数字信号，风压采集电路监测输出的风压；信号发射器发送数字信号。

3.根据权利要求2所述的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，其特征在于，各个所述无线传感器设置有编号，无线传感器优先接收并处理相邻布置的无线传感器发送的数字信号。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，其特征在于，所述钻头和钻杆在单轴饱和抗压强度大于30MPa的煤岩层中钻进，形成孔道；钻进过程中钻机向孔道内注水对钻头降温。

5.根据权利要求4所述的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，其特征在于，风力压强平衡的计算公式为：

其中P_F为风力压强，P_L为水汽压强，α为水的表面张力系数，μ为水的黏性系数，R为风在钻杆中的半径，

为风在钻杆中对时间的一阶导即速度。

6.根据权利要求5所述的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，其特征在于，钻口外风压的计算公式为：

其中，ρ为风压的流量密度，P_∞为距离钻头口处风压远端的压强，

为风在钻杆中对时间的二阶导即加速度。

7.一种煤矿钻进偏离预警及钻进纠偏的方法，利用权利要求1至6任一项所述的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，其特征在于，步骤包括：

S1.连接钻头和钻杆，钻杆之间通过套管连接，套管内配置无线传感器；

S2.钻机控制钻头和钻杆钻进形成孔道，钻进过程中无线传感器监测钻杆的受力并对相邻钻杆之间进行方位测量；

S3.无线传感器之间传递测量信息，钻孔孔口位置设置的信号接收器接收无线传感器的信号，计算机判断钻头的钻进轨迹偏差；

S4.根据计算机的判断结果输出钻进偏离监测结果，指示灯发出预警信号；

S5.钻机根据偏离角度控制旋转联轴器转动，调节风孔的朝向；

S6.高速风机输入高压风，风孔朝向预定的钻进方向软化煤岩体；

S7.钻机继续控制钻头和钻杆钻进，钻头沿软化后的煤岩体方向钻进。

8.根据权利要求7所述的一种煤矿钻进偏离预警及钻进纠偏的方法，其特征在于，所述无线传感器监测相邻钻杆的偏差角度，多个无线传感器测量的偏差角度拟合钻杆整体的轨迹偏差。

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