CN115853493A - 地质分析用数据采集方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明的地质分析用数据采集方法和系统用于隧道施工中钻孔作业时产生的数据收集，为地质情况研判提供数据支持。包括钻孔深度计算模块，根据拉线编码器检测值k计算钻杆的钻孔深度数据m，每钻一个单位深度b，触发数据采集模块采集推进油缸压力传感器、旋转油缸压力传感器、打击油缸压力传感器、送水流量传感器的检测值；钻杆动力数据计算模块根据检测值计算动力数据，即钻孔速度V、推进力F、旋转扭矩N；数据关联模块将当前的钻孔深度数据和动力数据关联得到钻孔作业数据；钻孔作业数据保存模块将钻孔作业数据实时上传数据管理平台保存。因此钻孔的同时施工人员能实时获取动力数据，直观地对当前以及不同深度的地质情况进行研判。

Description

地质分析用数据采集方法和系统

技术领域

本发明涉及地质分析用数据采集方法和系统，尤其涉及隧道施工中用于对地质情况进行研判所需要的钻孔作业数据的采集。

背景技术

隧道施工不可避免的需要对山体进行钻孔。由于地质结构的复杂性，在进行钻孔过程中，需要及时对地质情况进行研判，对于地质情况不好的现场还需要采用管棚支护、打锚杆孔、注浆加固等措施，以防止坍塌。

在钻孔过程中也需要根据地质情况随时调整钻孔时的动力输出，例如钻杆遇到坚硬的岩石部分时，需要降低动力头的转速、提高旋转扭矩、同时提高打击能等对动力做相应的调整，而钻到松土或有空洞的部分，则需要降低旋转扭矩，并加快钻孔速度，对于容易塌方的地质还需要降低或停止打击能。如果钻孔时的动力参数设置不当，不仅影响钻孔效率，还容易造成钻杆卡死、动力头过载损坏等工程事故的发生。

对于钻孔设备的动力调整，现有技术中依靠施工人员的经验，例如钻孔时设备发出的声音以及由钻孔流出的泥浆等判断钻孔设备的工作状态，对动力做相应的调整，这需要有经验的施工人员位于现场，无法远距离判别。

现有技术中作为数据保存，也有采用人工的方式记录钻孔设备的各种参数。但人工记录的数据只限于能立即读取的数据，如钻杆的数量、各种压力表的数值等，根据这些数据无法对钻孔过程中的地质情况进行研判。例如在钻孔的过程中，遇到坚硬的岩石，钻孔速度会变慢，而进入到松土或空洞时，钻孔速度会变快，钻孔的速度并不是均匀的，按照时间间隔记录施工数据，无法直观地了解不同深度的地质情况。通常为避免遗漏有用的数据，记录的时间间隔设置的较短，而这不仅增加记录的工作量，也容易造成前后记录的施工数据相近，影响对地质情况的研判。

关于钻孔时的地质情况分析，现有技术中例如在“应用于钻机的地质状况实时反映与超前探测系统及方法（申请号201510159253.8）”中披露了利用钻机钻进过程中传感器反映的岩石物理力学性质参数与岩层钻进参数数据库中的数据进行比对，判断岩层类别和物理力学性质的技术。但该技术需要在钻机上安装探测岩层的探头以及扭矩传感器、转速传感器和轴压力传感器等传感器，结构复杂，只适用于隧道实际开挖前的地质调查。

本发明的第一目的在于利用现有的施工设备，在隧道施工过程中，获取钻机的动力数据，使施工人员能够在钻孔的同时，对地质情况做出研判。

第二目的在于提供施工人员能够直观地对地质情况进行研判的钻孔作业数据。

发明内容

本发明的第一技术方案为地质分析用数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤，钻孔深度数据采集步骤，使用钻孔设备对山体进行钻孔，在钻孔的同时按照规定的周期，采集钻杆进入山体的钻孔深度数据m；动力传感器检测值采集步骤，所述钻孔深度数据m每增加一个单位深度b，触发采集动力传感器的检测值，所述动力传感器用于检测所述钻孔设备的输出动力；钻杆动力数据计算步骤，根据所述动力传感器的检测值，计算所述钻杆的动力数据；数据关联步骤，将当前的所述钻孔深度数据m和计算得到的所述动力数据关联，得到钻孔作业数据；数据保存步骤，将各个所述钻孔作业数据，实时上传至数据管理平台保存，得到由不同钻孔深度构成的钻孔作业数据组。

因此，施工人员能够在钻孔的同时根据获取的动力数据，对当前的地质情况进行研判，在需要时及时调整钻杆的动力或对作业现场进行加固防止塌方。

并且在钻孔过程中得到的钻孔作业数据组是以单位深度b的整数倍深度为采样点采集得到的动力数据，因此，各个钻孔作业数据分别对应于不同的钻孔深度，施工人员按照上传钻孔作业数据的序号，即可直观的知道动力数据所对应的钻孔深度，不仅能对当前钻孔位置的地质情况进行研判，还可根据动力数据的变化情况对不同地质层的厚度进行研判。

由于与钻孔相关的动力数据实时保存至数据管理平台上，作为数据档案省去人工记录所需要的人工成本。

优选，所述单位深度b为6～8cm。

因此，能够以6～8cm钻孔深度为间隔，不断获取相应的动力数据，既满足了工程上调整钻杆动力的需要，也满足了对地质层厚度研判所需要的检测精度，与密集采集相比减少了数据的冗余，提高了采集和处理的效率。

优选，所述钻孔设备包括驱动所述钻杆的动力头，所述动力头由推进油缸驱动，带动所述钻杆推进和后退，由旋转油缸驱动所述钻杆旋转，并由打击油缸驱动所述钻杆进行冲击，所述钻杆推进时拉动拉线编码器的拉线对钻孔深度进行计量，所述动力传感器包括检测推进油缸压力的推进油缸压力传感器、检测旋转油缸压力的旋转油缸压力传感器、检测打击油缸压力的打击油缸压力传感器中的任意一个或任意多个的组合。

所述钻孔深度数据采集步骤，采集拉线编码器的输出值k，根据输出值k，计算所述钻杆的钻孔深度数据m；所述动力传感器检测值采集步骤，获取拉线编码器的输出值k、由所述推进油缸压力传感器采集推进油缸供油压力Pt、由所述旋转油缸压力传感器采集旋转油缸供油压力Pm、由所述打击油缸压力传感器采集打击油缸供油压力Pc。

所述钻杆动力数据计算步骤，根据钻孔单位深度b所花费的时间t或规定时间内的钻孔深度计算钻孔速度V、根据所述推进油缸供油压力Pt计算推进力F、根据所述旋转油缸供油压力Pm计算旋转扭矩N、根据所述打击油缸供油压力Pc和打击效率，计算打击能Wd、根据所述打击油缸供油压力Pc计算打击次数U、根据所述钻孔速度V、钻杆的横截面积、打击次数U、打击能Wd计算破坏能Wp。所述钻孔速度V、推进力F、旋转扭矩N、打击能Wd和打击次数U、破坏能Wp中的任意一个或任意组合作为所述钻杆的动力数据与当前的钻孔深度数据m关联

由于推进油缸供油压力Pt、旋转油缸供油压力Pm、打击油缸供油压力Pc表示的状态过于抽象，施工人员即使读取推进油缸供油压力Pt、旋转油缸供油压力Pm、打击油缸供油压力Pc也无法立即对地质状态进行研判，即，缺乏直观性。本发明中，由于根据推进油缸供油压力Pt、旋转油缸供油压力Pm、打击油缸供油压力Pc，计算出钻杆的推进力F、旋转扭矩N、打击能Wd、破坏能Wp、打击次数U，因此施工人员能够直观地对钻孔时地质情况进行研判。

由于拉线编码器、推进油缸压力传感器、旋转油缸压力传感器、打击油缸压力传感器均为钻孔设备上现有的设置，因此，能够直接在现有的钻孔设备上，通过编制软件实现钻孔深度数据的采集，降低了成本。

优选，所述钻孔设备在进行钻孔的同时，向钻孔内送水，所述动力传感器还包括检测送水流量的送水流量传感器，所述动力传感器检测值采集步骤中，还采集送水流量传感器的检测值；所述钻杆动力数据计算步骤中，根据所述送水流量传感器的检测值计算送水流量数据q，所述数据关联步骤中，将包含所述送水流量数据q在内的所述动力数据与当前的所述钻孔深度数据m关联，得到钻孔作业数据。

由于动力数据中还包含送水流量数据q，因此，能够更正确的当前钻孔的地质情况进行研判。

优选，所述钻孔深度数据采集步骤，在接受到使所述动力头中断钻孔的中断信号时，记录当前的钻孔深度数据m，并将所述拉线编码器的输出值k赋值给变量n，在钻孔再开时，根据所述拉线编码器的输出值k和变量n，计算所述钻杆的钻孔深度数据m。

因此，加装钻杆等需要向后移动动力头时，也不会因动力头的移动而造成计算钻孔深度时，得到的钻孔深度比实际的钻孔深度要少的错误，保证钻孔深度数据的准确性。

优选，还包括显示步骤, 由所述数据管理平台实时获取所述钻孔作业数据，将所述钻孔作业数据按照数据采集的顺序，实时显示在显示屏上。

由于钻孔作业数据按照数据采集的顺序，实时显示在显示屏上，施工人员不仅能够根据动力数据直观对当前的地质情况进行研判，还可根据动力数据的变化情况判断地质层的厚度，在需要时可以及时调整钻杆的动力或对现场进行加固防止塌方等。

第二技术方案为地质分析用数据采集系统，其特征在于，包括：钻孔深度计算模块，使用钻孔设备对山体进行钻孔，在钻孔的同时按照规定的周期，计算钻杆进入山体的钻孔深度数据m；数据采集模块，所述钻孔深度数据m每增加一个单位深度b，触发采集动力传感器的检测值，所述动力传感器用于检测所述钻孔设备的输出动力；钻杆动力数据计算模块，根据所述动力传感器的检测值，计算所述钻杆的动力数据；数据关联模块，将当前的所述钻孔深度数据m和计算得到的所述动力数据关联，得到钻孔作业数据；钻孔作业数据保存模块，将各个所述钻孔作业数据，实时上传至数据管理平台保存，得到由不同钻孔深度构成的钻孔作业数据组。

因此，与第一技术方案相同，第二技术方案中，施工人员能够在钻孔的同时根据获取的动力数据，对当前的地质情况进行研判，在需要时及时调整钻杆的动力或对作业现场进行加固防止塌方。按照上传钻孔作业数据的序号，施工人员即可直观的知道动力数据所对应的钻孔深度，不仅能对当前钻孔位置的地质情况进行研判，还可以根据动力数据的变化情况对不同地质层的厚度进行研判。

优选，所述钻孔设备包括驱动所述钻杆的动力头，所述动力头由推进油缸驱动，带动所述钻杆推进和后退，由旋转油缸驱动所述钻杆旋转，并由打击油缸驱动所述钻杆进行冲击，所述钻杆推进时拉动拉线编码器的拉线对钻孔深度进行计量，所述动力传感器包括检测推进油缸压力的推进油缸压力传感器、检测旋转油缸压力的旋转油缸压力传感器、检测打击油缸压力的打击油缸压力传感器中的任意一个或任意多个的组合，所述钻孔深度计算模块，根据拉线编码器的输出值k，计算所述钻杆的钻孔深度数据m。

所述数据采集模块，获取所述拉线编码器的输出值k、由所述推进油缸压力传感器采集推进油缸供油压力Pt、由所述旋转油缸压力传感器采集旋转油缸供油压力Pm、由所述打击油缸压力传感器采集打击油缸供油压力Pc。所述钻杆动力数据计算模块包括钻孔速度计算模块、推进力计算模块、旋转扭矩计算模块、打击能计算模块、破坏能计算模块、打击次数计算模块、送水流量计算模块。

所述钻孔速度计算模块，根据钻孔单位深度b所花费的时间t或规定时间内的钻孔深度计算钻孔速度V；所述推进力计算模块，根据所述推进油缸供油压力Pt，计算推进力F；所述旋转扭矩计算模块，根据所述旋转油缸供油压力Pm，计算旋转扭矩N；所述打击能计算模块，根据所述打击油缸供油压力Pc和打击效率，计算打击能Wd；所述打击次数计算模块，根据所述打击油缸供油压力Pc计算打击次数U；所述破坏能计算模块，根据所述钻孔速度V、所述钻杆的横截面积、所述打击次数U、所述打击能Wd，计算破坏能Wp。

所述钻孔速度V、推进力F、旋转扭矩N、打击能Wd和打击次数U、破坏能Wp中的任意一个或任意组合作为所述钻杆的动力数据与当前的钻孔深度数据m关联

因此，与推进油缸供油压力Pt、旋转油缸供油压力Pm、打击油缸供油压力Pc相比，钻杆的推进力F、旋转扭矩N、打击能Wd、破坏能Wp、打击次数U更具直观性，施工人员能够直观地对钻孔时地质情况进行研判。

优选，所述钻孔设备在进行钻孔的同时，向钻孔内送水，所述动力传感器还包括检测送水流量的送水流量传感器，所述数据采集模块，还采集送水流量传感器的检测值；钻杆动力数据计算模块，还包括根据送水流量传感器的检测值，计算送水流量数据q；

所述数据关联模块，将包含所述送水流量数据q在内的所述动力数据与当前的所述钻孔深度数据m关联，得到钻孔作业数据。

由于动力数据中还包含送水流量数据q，因此，施工人员能够更正确的当前钻孔的地质情况进行研判。

优选，还包括显示所述钻孔作业数据的显示屏，所述钻孔作业数据由所述数据管理平台实时获取，按照数据采集的顺序，实时显示在显示屏上。

因此，施工人员不仅能够根据动力数据直观对当前的地质情况进行研判，还可根据动力数据的变化情况判断地质层的厚度，在需要时可以及时调整钻杆的动力或对现场进行加固防止塌方等。

附图说明

图1是隧道钻孔施工时的施工车辆与地质分析用数据采集系统的关系说明框图；

图2是地质分析用数据采集系统的整体结构框图；

图3是地质分析用数据采集的流程图；

图4是隧道钻孔施工开始时的施工车辆状态说明图；

图5是隧道钻孔施工过程中的施工车辆状态说明图；

图6是变形例的地质分析用数据采集的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，参考标号是指本发明中的组件、技术，以便本发明的优点和特征在适合的环境下实现能更易于被理解。

图1是隧道钻孔施工时的施工车辆与地质分析用数据采集系统的关系说明框图。如图1所示，施工车辆300中安装有动力头200以及钻机控制台100组成，由动力头200驱动钻杆对山体进行钻孔。施工车辆300的具体组成参见图4和5，即，动力头200安装在可移动的车体上，由未图示的推进油缸驱动，带动钻杆220推进和后退，并由未图示的旋转油缸驱动钻杆220旋转，未图示的打击油缸对钻杆220进行打击。车体上安装有拉线编码器210，动力头200带动钻杆220推进时拉动拉线编码器210的拉线210a（参见图5），拉线编码器210根据拉线被拉出的长度，输出相应的电信号。

钻机控制台100由施工人员操作，用于控制动力头200的移动和输出动力，包括控制推进油缸液压油流量的推进油缸流量控制101、以及动力头前进后退控制102、控制进入旋转油缸液压油流量的旋转油缸流量控制103、控制进入打击油缸液压油流量的打击油缸流量控制104、中断按钮105、控制向钻孔送水的送水流量控制106。

中断按钮105用于控制数据采集模块10在数据采集过程中的中断，按一次，数据采集模块10中断采集数据，再按一次，恢复采集，周而复始，在中断时，之前的数据得以保留，不会造成数据丢失。

在动力头200的各个油压管路中分别安装有传感器，用于监控各个油缸的压力，即，推进油缸压力传感器201、旋转油缸压力传感器203、打击油缸压力传感器204，分别用于检测推进油缸的供油压力Pt、旋转油缸的供油压力Pm、打击油缸的供油压力Pc。施工车辆中还设置有送水流量传感器206用于检测钻孔过程中的送水流量。

推进油缸压力传感器201、旋转油缸压力传感器203、打击油缸压力传感器204以及送水流量传感器206，构成权利要求书中的动力传感器。

地质分析用数据采集系统60由数据采集模块10、钻孔深度计算模块21、钻杆动力数据计算模块20、数据关联模块30、钻孔作业数据保存模块40组成。

数据采集模块10分别由拉线编码器210、推进油缸压力传感器201、旋转油缸压力传感器203、打击油缸压力传感器204以及送水流量传感器206采集数据，即，采集拉线编码器210的输出值k、推进油缸的供油压力Pt、旋转油缸的供油压力Pm、打击油缸的供油压力Pc及送水流量的检测值。

在本实施方式中，数据采集模块10按照控制周期（规定的周期），采集拉线编码器210的输出值k，并将输出值k输入到钻孔深度计算模块21，钻孔深度计算模块21根据输出值k和转换系数x，计算钻杆220的钻孔深度数据m。钻孔深度计算模块21每计算出一个单位深度b，输出触发信号，触发数据采集模块10采集各个动力传感器的检测值。本实施方式中单位深度b为7cm。

钻杆动力数据计算模块20根据数据采集模块10采集到的各个动力传感器的检测值，计算钻杆上的动力数据：推进力F、钻孔速度V、旋转扭矩N、破坏能Wp、打击次数U和送水流量数据q。

数据关联模块30将当前的钻孔深度数据m和动力数据进行关联，得到钻孔作业数据。随着钻孔深度m的增加，每钻入一个单位深度b，获得一个钻孔作业数据，因此，随着钻孔的进行，动力数据不断被采集，最终得到以单位深度b整数倍深度时的动力数据所构成的钻孔作业数据组。

钻孔作业数据保存模块40将获得的钻孔作业数据实时上传至数据管理平台保存并提供给施工人员做地质分析用。本实施方式中数据管理平台采用云平台。

图2是地质分析用数据采集系统的整体结构框图。通过图2对本发明的地质分析用数据采集系统进行详细说明。如图2所示，钻杆动力数据计算模块20包括钻孔速度计算模块22、推进力计算模块23、旋转扭矩计算模块24、打击能计算模块25、破坏能计算模块26、打击次数计算模块27、送水流量计算模块28。

钻孔深度计算模块21，根据拉线编码器210的输出值k，计算钻杆的钻孔深度数据m。

钻孔速度计算模块22，由钻孔深度计算模块21获取钻孔深度数据m，根据钻孔单位深度b所花费的时间t或规定时间内的钻孔深度计算钻孔速度V。

推进力计算模块23，根据推进油缸压力传感器201检测到的推进油缸供油压力Pt，计算推进力F。

旋转扭矩计算模块24，根据旋转油缸压力传感器203检测到的旋转油缸供油压力Pm，计算旋转扭矩N。

打击能计算模块25，根据打击油缸压力传感器204检测到的打击油缸供油压力Pc和打击效率，计算打击能Wd。

打击次数计算模块27，根据打击油缸压力传感器204检测到的打击油缸供油压力Pc，计算打击次数U。

破坏能计算模块，根据钻孔速度V、钻杆的横截面积、打击次数U、打击能Wd，计算破坏能Wp。

计算公式如下：

钻孔速度V＝单位深度/推进单位深度（例如7cm）花费的时间或单位时间（例如500ms的控制周期）内的钻孔深度；旋转扭矩N＝旋转油缸供油压力Pm×旋转扭矩系数常数；打击能＝打击油缸供油压力 Pc×打击效率；破坏能＝（打击能×打击次数）/（钻杆的横截面积×钻孔速度V)；打击次数＝（打击油缸供油压力Pc×打击效率）＋打击数。

钻孔深度计算模块21计算得到的钻孔深度数据m每增加7cm，触发数据采集模块10采集一次动力数据，即，由推进油缸压力传感器201、旋转油缸压力传感器203、打击油缸压力传感器204以及送水流量传感器206分别获得推进油缸的供油压力Pt、旋转油缸的供油压力Pm、打击油缸的供油压力Pc及送水流量检测值，并计算旋转扭矩N、打击能Wd、打击次数U、破坏能Wp和送水流量数据q。

钻孔深度数据m和对应的动力数据在数据关联模块30关联得到钻孔作业数据后，钻孔作业数据保存模块40将钻孔作业数据实时上传至数据管理平台400保存，本实施方式中数据管理平台400采用云平台，因此，钻孔作业数据不仅作为数据档案保存在数据管理平台400还通过网络实时发送到电脑500，按照数据采集的顺序，以数字或图标形式实时显示在显示屏510上。

本发明中，由于利用推进油缸压力传感器201、旋转油缸压力传感器203、打击油缸压力传感器204等施工车辆中原有的传感器，不需要另外安装传感器，通过编制软件即可提供用于地质分析的数据。

即，推进油缸压力传感器201、旋转油缸压力传感器203、打击油缸压力传感器204等传感器输出的只是抽象的压力数值，缺乏直观性，施工人员无法将这些压力数值与具体的地质情况联系起来。并且有的油缸，例如打击油缸同时关联到打击能、打击次数，而其提供的破坏能还与钻孔速度相关，基于这些抽象的压力数值，施工人员很难其与地质情况关联起来，对地质情况做出正确的研判。

本发明中，由于提供给施工人员的不是各个传感器检测到的抽象的压力数值，而是基于各个油缸的压力数值，通过换算得到具有物理含义的数值，例如，钻孔速度、钻杆上的扭矩以及打击能等数值，因此，施工人员能够直观的对地质情况进行研判。

由于钻孔过程中得到的钻孔作业数据组是以单位深度b的整数倍深度为采样点采集得到的动力数据，因此，各个钻孔作业数据分别对应于不同的钻孔深度，施工人员只要按照上传钻孔作业数据的序号，即可知道动力数据所对应的钻孔深度，直观地对不同钻孔深度的地质情况和不同地质层的厚度进行研判。

由于与钻孔相关的动力数据实时保存至数据管理平台400上，作为数据档案省去人工记录所需要的人工成本。并且，施工人员能够在一个工作地点同时获取不同现场的钻孔作业数据，根据电脑500的显示屏510上显示的动力数据，对不同现场的地质情况进行研判，而不需要到现场，节省了人力成本。在需要时能够及时指示现场的工作人员调整钻杆的动力或对作业现场进行加固防止塌方。

以下对钻孔作业数据的采集流程进行说明，图3是地质分析用数据采集的流程图。

如图3所示，步骤 S10，动力头200退回最后面的位置，并使钻杆220位于预定的钻孔位置。即，如图4所示，将施工车辆300移动至预定位置，动力头200退回最后面的位置，在动力头200上安装钻杆200，使钻杆200的头部顶在山体600上，完成准备工作后进入步骤S20。

步骤S20，施工人员操作钻孔深度计算模块21将拉线编码器210输出值k清零后，启动数据采集模块10开始采集数据。

步骤S30，触发动力头200前进信号，使得动力头200带动钻杆220前行在山体600上钻孔。

步骤S40，将计时器的计时值t清零后启动计时。计时器的计时值t用于根据单位钻孔深度（7cm）计算平均的钻孔速度V。

在动力头200前进触发信号发出之前，施工人员在钻机控制台100，进行各项动力参数设定，例如通过推进油缸流量控制101，旋转油缸流量控制103、打击油缸流量控制104、送水流量控制106，设定推进油缸的压油流量、旋转油缸的压油流量、打击油缸的压油流量以及送水流量。

在钻孔过程中，各个油缸压力会随着负载的增减而变化，例如松软的地质或空洞处时，各个油缸的油压降低，遇到岩石等重负载时，油缸的压力上升，因此油缸压力的大小，反应了钻孔处的地质情况，由于油缸压力所反应的地质情况缺乏直观性，施工人员无法根据油缸压力对地质情况进行正确的研判。本发明中，根据油缸压力，计算出推进力F、旋转扭矩N、打击能Wd、打击次数U、破坏能Wp，施工人员能够直观地对地质情况进行研判。

步骤S50，在钻孔过程中，数据采集模块10按照控制周期，读取拉线编码器210的输出值k。此时，只要读取拉线编码器210的输出值k即可，其他压力传感器的检测值暂时不需要，可以读取也可以不读取。

步骤S60，钻孔深度计算模块21根据输出值k和转换系数x计算钻孔深度数据m。计算公式为m=m+（k-n）x，初始时m=0、n=0。

步骤S70，数据采集模块10判断是否按下中断按钮105，没有（NO），进入步骤80，有（YES），则进入步骤S160。

步骤S80，数据采集模块10判断钻孔深度数据m是否推进了7cm（单位深度），有（YES），进入步骤S90，否（NO），则返回步骤S50，重复以上步骤。

步骤S90，钻孔速度计算模块22读取计时器的计时值t。

步骤S100，钻孔速度计算模块22根据计时器的计时值t与钻孔深度7cm，计算出钻孔单位深度7cm时的平均速度作为钻孔速度V。

步骤80、步骤110对应于权利要求书中动力传感器检测值采集步骤。

步骤S110，触发数据采集模块10采集推进油缸压力传感器201，旋转油缸压力传感器203、打击油缸压力传感器204 的检测值和送水流量传感器206的检测值。

步骤S120，旋转扭矩计算模块24，根据旋转油缸压力传感器203检测到的旋转油缸供油压力Pm，计算旋转扭矩N。打击能计算模块25根据打击油缸压力传感器204检测到的打击油缸供油压力Pc和打击效率计算打击能Wd。打击次数计算模块27根据打击油缸供油压力Pc计算打击次数U, 送水流量计算模块28根据送水流量检测值计算送水流量数据q。

步骤S100、步骤120对应于权利要求书中钻杆动力数据计算步骤。

步骤S130，数据关联模块30将当前的钻孔深度数据m（单位深度的整数倍）与推进力F，旋转扭矩N、打击能Wd、破坏能Wp、打击次数U和送水流量数据q关联得到当前的钻孔作业数据。

步骤130对应于权利要求书中数据关联步骤。

步骤S140，钻孔作业数据保存模块40将当前的钻孔作业数据实时上传数据管理平台400保存。

步骤140对应于权利要求书中数据保存步骤。

步骤S150，上传到数据管理平台400的钻孔作业数据实时发送到电脑500的显示屏510上以数字或图表按顺序显示。因此施工人员能够远距离地对钻孔处的地质情况进行研判。

步骤150对应于权利要求书中显示步骤。

之后返回步骤S40，将计时器的计时值t清零后重新计时。随着钻孔深度的增加，不断重复以上步骤，钻孔深度每增加7cm（单位深度），就有一个与钻孔深度对应的钻孔作业数据上传至数据管理平台（云平台）400保存，在电脑500的显示屏510上按顺序显示在不同钻孔深度获得的钻孔作业数据。因此施工人员能够直观地知道钻杆进入山体600的深度，并动力数据对该处的地质情况进行研判。

图5为隧道钻孔施工过程中的施工车辆状态说明图。如图5所示，随着钻杆220向前推进，钻孔620的深度不断增加，动力头200不断向前移动，移动到终点时，需要向后退回动力头另外加装钻杆，此时，施工人员按下中断按钮105，数据采集模块10停止采集数据。施工人员向后退回动力头200安装新的钻杆。

此时，步骤S70，数据采集模块10判断中断按钮105按下后，进入步骤S160。

步骤S160，数据采集模块10记录当前的钻孔深度数据m，并将拉线编码器210的输出值k赋值给变量n，以避免因移动动力头200加装钻杆所造成的钻孔深度数据m计算错误。

步骤S170，数据采集模块10判断中断按钮105是否被再次按下，没有（NO）继续等待直至中断按钮105被再次按下，返回步骤S50，数据采集模块10重新开始读取拉线编码器210的输出值k。

步骤50、步骤60、步骤S70、步骤S160、步骤S170对应于权利要求书中钻孔深度数据采集步骤。

因此，加装钻杆等需要向后移动动力头时，也不会因动力头的向后移动而造成计算钻孔深度时，得到的钻孔深度比实际的深度要少，保证钻孔深度数据的准确性。

之后重复以上步骤，直至钻孔完毕。在整个钻孔过程中，每钻孔7cm就有一个动力数据被采集与钻孔深度数据m关联后作为钻孔作业数据上传至数据管理平台400后，显示在电脑500的显示屏510上。

因此，对于图4、5所示地质结构复杂的山体600，钻孔620穿越不同的地质结构，在钻孔过程中，作用于钻杆220的动力，即钻孔速度V、钻孔扭矩N、打击能Wd、打击次数U、破坏能Wp会随着地质结构的变化而变化。例如在最初的岩石上钻孔时，钻孔速度V较低，而钻孔扭矩N较大、打击能Wd、打击次数U、破坏能Wp也较高，而随着钻孔的深入，钻到空洞610时，钻孔速度V会增高，而钻孔扭矩N、打击能Wd、打击次数U、破坏能Wp均降低，施工人员能够据此判定，岩石被打穿，进入到松软或空洞的地质结构，通知操作人员调整推进油缸流量，加快钻孔速度。之后，钻孔进入到包含碎石的硬质层时，钻杆220上的负载增加，导致钻孔速度V下降，而钻孔扭矩N、打击能Wd、打击次数U、破坏能Wp上升，施工人员能够判定穿过松软地质，为避免动力头200过载，钻杆220被卡在钻孔中，操作人员可调低推进油缸的流量，并加大旋转油缸、打击油缸的流量，以适应硬质的地质结构。

本实施方式中，电脑500由数据管理平台（云平台）400实施获取钻孔作业数据，并按照数据采集的顺序以图表形式实时显示在显示屏510上，因此施工人员或地质分析人员就能够追踪动力数据的变化，对当前钻孔深度的地质情况直观地进行研判并根据研判的结果及时在钻机控制台100调整输入到动力头200的动力。

并且，对于需要多根钻杆钻孔的施工也不会影响钻孔作业数据的正确性。

作为单位深度，本实施方式中采用7cm，但可以根据需要调整，由于7cm附近的深度（例如3~15cm）范围涵盖了钻孔中需要考虑的地质情况发生的变化的范围，在深度上例如比3cm更小的范围内即使有局部的地质不同，对钻孔的影响不大，不需要调整钻孔设备的动力参数。比3cm更小的范围，固然可以增加对细小地质情况的变化进行研判，其实质意义不大，而且单位深度设置的过小容易拾取地质的不均匀性以及碎石带来的杂音，不利于对地质情况的研判。相反单位深度设置地过大，容易遗漏数据，不能及时判别地质情况的变化，在3~15cm范围选择即可，优选在6~8cm范围内选择。

以下对本发明的变形例进行说明。图6是变形例的地质分析用数据采集的流程图。

在图3中通过设置计时器对钻孔到单位深度的7cm所花费的时间进行计时，根据计时时间t计算钻孔过程中的平均速度V。图6的变形例中，省略使用计时器，用每个控制周期（500ms）的钻孔深度，代替计时器计算时间。即省略图3中的S40，将图3中的步骤90变更为步骤90’。

与图3相比，图6中数据采集模块10在每个控制周期（500ms），计算钻孔深度，在钻孔深度达到单位深度（7cm）的整数倍时，进入步骤90’，读取最后一个周期获得的钻孔深度。

步骤100中，用步骤90’得到的钻孔深度和控制周期t计算钻孔速度V。

作为技术方案，除了用最后一个控制周期的钻孔深度计算钻孔速度V与之前的实施例有区别外，其余均相同，具有相同的技术效果，具体参见之前的说明，此处不再赘述。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。

Claims (10)

1.地质分析用数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤，

钻孔深度数据采集步骤，使用钻孔设备对山体进行钻孔，在钻孔的同时按照规定的周期，采集钻杆进入山体的钻孔深度数据m；

动力传感器检测值采集步骤，所述钻孔深度数据m每增加一个单位深度b，触发采集动力传感器的检测值，所述动力传感器用于检测所述钻孔设备的输出动力；

钻杆动力数据计算步骤，根据所述动力传感器的检测值，计算所述钻杆的动力数据；

数据关联步骤，将当前的所述钻孔深度数据m和计算得到的所述动力数据关联，得到钻孔作业数据；

数据保存步骤，将各个所述钻孔作业数据，实时上传至数据管理平台保存，得到由不同钻孔深度构成的钻孔作业数据组。

2.根据权利要求1所述的地质分析用数据采集方法，其特征在于，所述单位深度b为6～8cm。

3.根据权利要求1所述的地质分析用数据采集方法，其特征在于，所述钻孔设备包括驱动所述钻杆的动力头，所述动力头由推进油缸驱动，带动所述钻杆推进和后退，由旋转油缸驱动所述钻杆旋转，并由打击油缸驱动所述钻杆进行冲击，所述钻杆推进时拉动拉线编码器的拉线对钻孔深度进行计量，

所述动力传感器包括检测推进油缸压力的推进油缸压力传感器、检测旋转油缸压力的旋转油缸压力传感器、检测打击油缸压力的打击油缸压力传感器中的任意一个或任意多个的组合，

所述钻孔深度数据采集步骤，采集拉线编码器的输出值k，根据输出值k，计算所述钻杆的钻孔深度数据m；

所述动力传感器检测值采集步骤，获取拉线编码器的输出值k、由所述推进油缸压力传感器采集推进油缸供油压力Pt、由所述旋转油缸压力传感器采集旋转油缸供油压力Pm、由所述打击油缸压力传感器采集打击油缸供油压力Pc，

所述钻杆动力数据计算步骤，根据钻孔单位深度b所花费的时间t或规定时间内的钻孔深度计算钻孔速度V、根据所述推进油缸供油压力Pt计算推进力F、根据所述旋转油缸供油压力Pm计算旋转扭矩N、根据所述打击油缸供油压力Pc和打击效率，计算打击能Wd、根据所述打击油缸供油压力Pc计算打击次数U、根据所述钻孔速度V、钻杆的横截面积、打击次数U、打击能Wd计算破坏能Wp，

所述钻孔速度V、推进力F、旋转扭矩N、打击能Wd和打击次数U、破坏能Wp中的任意一个或任意组合作为所述钻杆的动力数据与当前的钻孔深度数据m关联。

4.根据权利要求3所述的地质分析用数据采集方法，其特征在于，所述钻孔设备在进行钻孔的同时，向钻孔内送水，

所述动力传感器还包括检测送水流量的送水流量传感器，

所述动力传感器检测值采集步骤中，还采集送水流量传感器的检测值；

所述钻杆动力数据计算步骤中，根据所述送水流量传感器的检测值计算送水流量数据q，

所述数据关联步骤中，将包含所述送水流量数据q在内的所述动力数据与当前的所述钻孔深度数据m关联，得到钻孔作业数据。

5.根据权利要求4所述的地质分析用数据采集方法，其特征在于，

所述钻孔深度数据采集步骤，在接受到使所述动力头中断钻孔的中断信号时，记录当前的钻孔深度数据m，并将所述拉线编码器的输出值k赋值给变量n，在钻孔再开时，根据所述拉线编码器的输出值k和变量n，计算所述钻杆的钻孔深度数据m。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的地质分析用数据采集方法，其特征在于，还包括显示步骤, 由所述数据管理平台实时获取所述钻孔作业数据，将所述钻孔作业数据按照数据采集的顺序，实时显示在显示屏上。

7.地质分析用数据采集系统，其特征在于，包括：

钻孔深度计算模块，使用钻孔设备对山体进行钻孔，在钻孔的同时按照规定的周期，计算钻杆进入山体的钻孔深度数据m；

数据采集模块，所述钻孔深度数据m每增加一个单位深度b，触发采集动力传感器的检测值，所述动力传感器用于检测所述钻孔设备的输出动力；

钻杆动力数据计算模块，根据所述动力传感器的检测值，计算所述钻杆的动力数据；

数据关联模块，将当前的所述钻孔深度数据m和计算得到的所述动力数据关联，得到钻孔作业数据；

钻孔作业数据保存模块，将各个所述钻孔作业数据，实时上传至数据管理平台保存，得到由不同钻孔深度构成的钻孔作业数据组。

8.根据权利要求7所述的地质分析用数据采集系统，其特征在于，

所述钻孔设备包括驱动所述钻杆的动力头，所述动力头由推进油缸驱动，带动所述钻杆推进和后退，由旋转油缸驱动所述钻杆旋转，并由打击油缸驱动所述钻杆进行冲击，所述钻杆推进时拉动拉线编码器的拉线对钻孔深度进行计量，

所述动力传感器包括检测推进油缸压力的推进油缸压力传感器、检测旋转油缸压力的旋转油缸压力传感器、检测打击油缸压力的打击油缸压力传感器中的任意一个或任意多个的组合，

所述钻孔深度计算模块，根据拉线编码器的输出值k，计算所述钻杆的钻孔深度数据m；

所述数据采集模块，获取所述拉线编码器的输出值k、由所述推进油缸压力传感器采集推进油缸供油压力Pt、由所述旋转油缸压力传感器采集旋转油缸供油压力Pm、由所述打击油缸压力传感器采集打击油缸供油压力Pc；

所述钻杆动力数据计算模块包括钻孔速度计算模块、推进力计算模块、旋转扭矩计算模块、打击能计算模块、破坏能计算模块、打击次数计算模块、送水流量计算模块，

所述钻孔速度计算模块，根据钻孔单位深度b所花费的时间t或规定时间内的钻孔深度计算钻孔速度V；

所述推进力计算模块，根据所述推进油缸供油压力Pt，计算推进力F；

所述旋转扭矩计算模块，根据所述旋转油缸供油压力Pm，计算旋转扭矩N；

所述打击能计算模块，根据所述打击油缸供油压力Pc和打击效率，计算打击能Wd；

所述打击次数计算模块，根据所述打击油缸供油压力Pc计算打击次数U，

所述破坏能计算模块，根据所述钻孔速度V、所述钻杆的横截面积、所述打击次数U、所述打击能Wd，计算破坏能Wp，

所述钻孔速度V、推进力F、旋转扭矩N、打击能Wd和打击次数U、破坏能Wp中的任意一个或任意组合作为所述钻杆的动力数据与当前的钻孔深度数据m关联。

9.根据权利要求7所述的地质分析用数据采集系统，其特征在于，所述钻孔设备在进行钻孔的同时，向钻孔内送水，

所述动力传感器还包括检测送水流量的送水流量传感器，

所述数据采集模块，还采集送水流量传感器的检测值；

钻杆动力数据计算模块，还包括根据送水流量传感器的检测值，计算送水流量数据q；

所述数据关联模块，将包含所述送水流量数据q在内的所述动力数据与当前的所述钻孔深度数据m关联，得到钻孔作业数据。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的地质分析用数据采集系统，其特征在于，还包括显示所述钻孔作业数据的显示屏，所述钻孔作业数据由所述数据管理平台实时获取，按照数据采集的顺序，实时显示在显示屏上。

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