CN117027653A - 一种激光辅助钻进破岩智能控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光辅助钻进破岩智能控制系统及方法，包括：感知模块，用于获取激光钻机各组件的状态信息、掘进参数和钻头钻进力；决策模块，用于根据激光钻机各组件的状态信息判断激光钻机运行是否正常，根据掘进参数判断当前掘进状态下的围岩等级，以及根据钻头钻进力确定各钻齿之间的钻进压力差值，并通过钻进方向偏移发生阈值判断钻头钻进方向是否发生偏移；执行模块，用于根据激光钻机运行判断结果决策是否发出报警并关闭激光钻机，根据围岩等级选择启动对应的钻进方式，以及根据钻头钻进方向判断结果调节激光束出射角度。提高掘进效率，保证钻进稳定性和安全性。

Description

一种激光辅助钻进破岩智能控制系统及方法

技术领域

本发明涉及地下工程钻进技术领域，特别是涉及一种激光辅助钻进破岩智能控制系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

工程钻机作为一种高度自动化钻进机械，具有钻进速度快、成孔质量好、安全性高等优点，被广泛应用到石油开采、地质钻探、锚杆支护、超前钻探等地下施工中。由于地下环境复杂多变，钻机在钻进过程中往往会遭遇坚硬地层、断层破碎带、复合地层等复杂地质条件，采用传统的钻机钻进会出现钻进速率低下、钻头磨损严重、钻头切削齿损坏、钻杆扭断甚至出现钻机整体损毁等问题，既延长施工工期、增加施工成本，又增加了工程风险，严重影响工程效益。

激光作为一种辅助破岩手段，在破岩效率、环境友好、安全性等方面具有明显的优势，同时激光装置体积较小，容易在钻杆内部布置，辅助钻机机械钻头钻进破岩，已在石油领域得到应用。激光作为辅助破岩方式应用到钻机上，通过激光预损伤，能够有效降低坚硬岩石的强度和硬度，从而减少机械刀具和钻具的磨损与破坏。

但是，激光钻机内部结构较为复杂，联合钻具由激光光纤、激光头、高压水、高压气、机械钻头等多相耦合，在钻进过程中存在以下问题：联合钻具在钻进过程中不可视，一旦有组件出现问题，很难察觉，继续钻进很容易引发安全事故；钻机在钻进过程中遇到的地层条件复杂多变，钻机难以立即察觉并迅速调整钻进方式以适应不同地层情况，以及激光钻机在复杂地质条件下如何实现高效快速的钻进。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种激光辅助钻进破岩智能控制系统及方法，在激光钻机钻进过程中实时监测各组件运行状态，实时判断前方围岩等级，并选择相应的钻进方式进行钻进，提高掘进效率，保证钻进稳定性和安全性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种激光辅助钻进破岩智能控制系统，包括：

感知模块，用于获取激光钻机各组件的状态信息、掘进参数和钻头钻进力；

决策模块，用于根据激光钻机各组件的状态信息判断激光钻机运行是否正常，根据掘进参数判断当前掘进状态下的围岩等级，以及根据钻头钻进力确定各钻齿之间的钻进压力差值，并通过钻进方向偏移发生阈值判断钻头钻进方向是否发生偏移；

执行模块，用于根据激光钻机运行判断结果决策是否发出报警并关闭激光钻机，根据围岩等级选择启动对应的钻进方式，以及根据钻头钻进方向偏移判断结果调节激光束出射角度。

作为可选择的实施方式，所述感知模块包括岩体感知模块和安全感知模块；

所述岩体感知模块用于获取掘进参数和钻头钻进力；

所述安全感知模块用于监测高压水压力、高压水流量、高压气压力、激光传输功率以及钻头的钻进推力与扭矩。

作为可选择的实施方式，所述决策模块中，根据激光钻机各组件的状态信息，判断激光、高压水、高压气和钻头的运行状态是否正常；

所述执行模块包括开关控制器，若判断各组件运行正常时，则开关控制器控制激光钻机启动向前钻进；若判断某个组件运行异常时，则触发报警器进行报警，同时开关控制器控制激光钻机关闭。

作为可选择的实施方式，所述钻进方式包括激光辅助分步钻进模式和连续机械钻进模式；所述激光辅助分步钻进模式为：

关闭钻机的旋转机构和推进机构，启动激光器，激光光束通过钻头的中心孔辐照到岩石上进行辅助破岩，以在岩石上产生热应力造成预损伤；

关闭激光器，启动钻机的旋转机构和推进机构，旋转机构与推进机构带动钻头旋转推进以破岩；

钻头钻进到设定步长后，重复上述步骤，直到钻机钻进到最终设定长度。

作为可选择的实施方式，所述连续机械钻进模式为：关闭激光器，启动钻机的旋转机构和推进机构，直接通过钻头进行连续机械钻进破岩。

作为可选择的实施方式，每个钻进步长中激光功率大小和激光辐照岩石的时间根据围岩等级进行调节。

作为可选择的实施方式，所述执行模块包括开关控制器，所述钻进方式的选择分为自动控制与手动控制，在自动控制下，通过开关控制器控制激光器的开启与关闭，以启动对应的钻进方式，在手动控制下，决策模块根据围岩等级提供相适配的钻进参数建议。

作为可选择的实施方式，所述决策模块中，判断钻头钻进方向是否发生偏移的过程包括：

从获取的所有钻头钻进力压力值中选取最小的压力值；

将每个钻进力压力值与最小压力值作差，根据各个钻进压力差值与两个压力传感器之间距离的乘积得到相应偏移弯矩，对比各偏移弯矩并选出最大偏移弯矩；

比较最大偏移弯矩与最大许用弯矩的大小，判断当前钻头钻进方向是否发生偏移。

作为可选择的实施方式，当最大偏移弯矩小于或等于最大许用弯矩时，判断当前钻头钻进方向未发生偏移，继续保持激光中心照射辅助破岩。

作为可选择的实施方式，当最大偏移弯矩大于最大许用弯矩时，判断当前钻头钻进方向发生偏移，使得执行模块决策调节激光束出射角度，指向引起最大偏移弯矩的压力传感器位置，弱化此处岩石强度，使钻头前方的岩石强度相对均匀。

第二方面，本发明提供一种激光辅助钻进破岩智能控制方法，包括：

获取激光钻机各组件的状态信息、掘进参数和钻头钻进力；

根据激光钻机各组件的状态信息判断激光钻机运行是否正常，根据激光钻机运行判断结果决策是否发出报警并关闭激光钻机；

根据掘进参数判断当前掘进状态下的围岩等级，根据围岩等级选择启动对应的钻进方式；

根据钻头钻进力确定各钻齿之间的钻进压力差值，并通过钻进方向偏移发生阈值判断钻头钻进方向是否发生偏移，根据钻头钻进方向偏移判断结果调节激光束出射角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出一种激光辅助钻进破岩智能控制系统及方法，解决了激光钻机在高效穿越坚硬地层和智能应变复杂地层的问题，提高钻进效率，降低能耗，节约成本；同时通过实时监测钻机各组成部分的运行状态，一旦异常，立即停机，避免钻机因为组件异常发生安全事故。

本发明提出一种激光辅助钻进破岩智能控制系统及方法，通过在钻具内部布置力传感器、流量计、光电探测器、气压传感器等感应装置，实时监测高压水、气以及激光传输过程是否正常，同时根据力传感器反馈的应力-时间曲线监测钻头是否发生损坏，当钻机发生钻头损坏、激光传输异常、高压气管或水管堵塞等问题时，可及时停止施工，进行钻机部件维修和更换，避免钻机异常带来的施工安全隐患，保证钻进稳定性和安全性。

本发明提出一种激光辅助钻进破岩智能控制系统及方法，在激光钻机钻进过程中，通过实时判断前方围岩等级，并选择与围岩条件相适配的钻进模式，在提高钻进效率的同时最大程度上节约能耗，减少钻具磨损，降低钻进成本，实现激光钻机的全自动化钻进。

本发明提出一种激光辅助钻进破岩智能控制系统及方法，利用激光钻机自身的激光装置实现钻头的自动纠偏功能，节省其他辅助扶正和纠偏装置的安装和搭载，节省激光钻机的空间并降低结构复杂度。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的激光辅助钻进破岩智能控制系统主体框图；

图2为本发明实施例1提供的激光钻机整体结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的安全感知模块总体结构框图；

图4为本发明实施例1提供的模式选择模块总体结构框图；

其中，11、供水机构，12、供水管线，21、气泵，22、高压气管，31、激光器，32、激光光纤，33、激光头，41、受力框架，42、旋转机构，43、抱紧机构，44、推进机构，51、钻头主体，52、切削齿，61、钻杆外杆，62、钻杆内杆。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

正如背景技术中所提到的，若想实现激光钻机在坚硬岩层中快速钻进，及时察觉激光钻机联合钻具组件出现的问题，避免继续钻进带来的危害，并且能快速调整钻进方式适应不同地质条件，实现安全高效钻进，科学合理的智能控制系统是非常有必要的。由此，本实施例提供一种激光辅助钻进破岩智能控制系统，包括：感知模块、决策模块和执行模块；

其中，感知模块，用于获取激光钻机各组件的状态信息、掘进参数和钻头钻进力；

决策模块，用于根据激光钻机各组件的状态信息判断激光钻机运行是否正常，根据掘进参数判断当前掘进状态下的围岩等级，以及根据钻头钻进力确定各钻齿之间的钻进压力差值，并通过钻进方向偏移发生阈值判断钻头钻进方向是否发生偏移；

执行模块，用于根据激光钻机运行判断结果决策是否发出报警并关闭激光钻机，根据围岩等级选择启动对应的钻进方式，以及根据钻头钻进方向偏移判断结果调节激光束出射角度。

在本实施例中，如图1所示，所述激光辅助钻进破岩智能控制系统还包括：触控显示屏、上位计算机、输入模块、存储模块、PLC控制器和输出模块；

具体地：

所述PLC控制器用于连接触控显示屏、上位计算机、输入模块、存储模块、感知模块、决策模块、执行模块和输出模块。

所述触控显示屏用于显示激光钻机各组件的状态信息，并通过触控显示屏进行人工设置和操作，控制激光钻机的运行与停止。

所述存储模块用于存储激光钻机钻进全过程的钻进参数和钻进状态等信息，以供后期查看。

所述输入模块用于输入各参数阈值，以帮助决策模块进行安全诊断决策和围岩等级判断。

所述输出模块包括激光系统、机械系统和报警器，作为执行模块的输出端，通过报警器发出报警，调节激光系统激光束出射角度，开启或关闭激光系统和机械系统。

所述处理器用于接收输入信号，根据输入信号设定相应的阈值，并输出信号给决策模块和执行模块。

作为可选择的一种实施方式，所述输入模块包括但不限于触摸屏、键盘、鼠标、按键等中的一个或多个。

如图2所示，本实施例的激光钻机包括供水机构11、供水管线12、气泵21、高压气管22、激光器31、激光光纤32、激光头33、受力框架41、旋转机构42、抱紧机构43、推进机构44、钻头主体51、切削齿52、钻杆外杆61和钻杆内杆62。

所述供水机构11通过供水管线12连接至钻杆外杆61与钻杆内杆62之间，供水机构11提供一定压力的高压水，通过供水管线12将高压水传输到钻杆外杆61与钻杆内杆62之间的导水通道。

所述气泵21通过高压气管22连接至钻头主体51，气泵21提供高压气体，经布置在钻杆内杆62中的高压气管22传输到钻头主体51处。

所述激光器31通过激光光纤32连接激光头33，激光光纤32设于钻杆内杆62中，激光头33位于钻头主体51处，激光光束经过布置在钻杆内杆62中的激光光纤32传输到激光头33，然后经激光头33输出后，透过钻头主体51的中心孔照射到前方岩体上；通过调节激光器31的功率改变激光功率，通过调节激光头的照射角度使激光光束辐照在岩石的不同位置。

所述受力框架41作为钻机主体的反力架和受力传导装置，由旋转机构42、抱紧机构43和推进机构44组成动力机构，旋转机构42为钻具提供转矩，通过抱紧机构43夹紧钻杆外杆61，并将转矩传到钻杆外杆61上，经过钻杆外杆61带动钻头主体51和切削齿52旋转；推力机构44为钻机提供推进力，通过抱紧机构43将推力传到钻杆外杆61，并经过钻杆外杆61带动钻头主体51和切削齿52推进破岩。

钻杆包括钻杆外杆61和内杆62，钻杆外杆61经过抱紧机构43与动力机构连接，钻杆内杆62与钻杆外杆61分离，在钻进过程中钻杆外杆61在旋转机构42和推进机构44的作用下旋转推进，钻杆内杆62只随推进机构44向前推进，不进行旋转。

钻头包括钻头主体51和切削齿52，钻头主体51中心开孔，允许激光光束通过，切削齿52分布在钻头主体51的边缘。

在本实施例中，所述感知模块包括岩体感知模块和安全感知模块；

所述岩体感知模块用于获取掘进参数和钻头钻进力，掘进参数包括钻进扭矩和钻进压力等；

如图2-图3所示，所述安全感知模块包括布置在钻杆内杆62中的水压传感器、流量计、气压传感器和光电探测器以及布置在钻头主体51与钻杆外杆61之间的力传感器；在整个钻进过程中，安全感知模块一直工作，实时监测各部分的运行状态，如出现异常，立即停机报警；

其中，所述水压传感器布置在钻杆外杆61和钻杆内杆62之间的高压水通道内，用于实时监测高压水压力，以检测水压是否正常；

所述流量计布置在钻杆外杆61与钻杆内杆62之间的高压水通道的前后两端，在钻杆前后段各布置一个，以实时监测流入钻杆和流传钻杆的高压水流量，用于检测水流量是否正常；

所述气压传感器布置在高压气管22内，用于实时监测高压气压力，以检测高压气管是否通畅；

所述光电探测器布置在激光光纤32内，用于实时监测激光传输功率，以检测激光传输路径是否正常；

所述力传感器布置在钻头处，用于实时监测钻头钻进推力与扭矩。

作为可选择的一种实施方式，所述气压传感器布设4个，所述水压传感器布设两个。

在本实施例中，所述决策模块包括诊断应急模块、模式选择模块和自动纠偏模块；

所述诊断应急模块根据激光钻机各组件的状态信息，判断激光、高压水、高压气、钻头等各组件的运行状态是否正常；若判断各组件运行正常时，则在触控显示屏上显示绿灯，并启动激光钻机向前钻进；若判断某个组件运行异常时，则在触控显示屏上对应组件显示红灯，触发报警器进行报警，同时将异常信号发送给开关控制器，开关控制器立即关闭激光系统和机械系统，停止钻机运行。

所述模式选择模块根据掘进参数，通过设置的阈值，判断当前掘进状态下的前方围岩等级，并决定是否开启激光辅助钻进破岩，有效清晰地划分了判定的边缘，保证了判定过程的简便性和准确性；

所述自动纠偏模块根据钻头钻进力计算各钻齿之间的钻进压力差值，并通过钻进方向偏移发生阈值判断钻头钻进方向是否发生偏移。

在本实施例中，所述执行模块包括激光角度调整装置和开关控制器；所述激光角度调整装置用来调节激光系统激光束出射角度，所述开关控制器控制钻机激光系统和机械系统的开启与关闭。

在本实施例中，所述诊断应急模块通过PLC控制器连接到报警器、开关控制器和存储模块，诊断应急模块将安全感知模块获取的激光钻机各组件的状态信息与设定阈值进行对比，判断激光钻机运行是否正常；

具体判断过程包括：

(1)根据两个流量计测得的流量差值判断高压水是否通畅；

远离钻头一端的流量计测得的水流量记为Q₁/(m³/min)，靠近钻头一端的流量计测得的水流量记为Q₂/(m³/min)，两者的差值为ΔQ/(m³/min)，即ΔQ＝Q₁-Q₂，当ΔQ＞0.4Q₁时，则判断高压水通道发生堵塞或流通不畅，触发报警。

(2)根据水压传感器监测的高压水通道不同杆段的水压力值差值以及每个水压传感器自身监测值的变化幅度来判断高压水通道是否堵塞；

若干水压力传感器检测得到的水压值分别记为P₁/(Pa)、P₂/(Pa)、P₃/(Pa)……，并将检测值实时传输给诊断应急模块，诊断应急模块实时计算每两个水压力检测值的差值大小，记为ΔP_ij/(Pa)，ΔP_ij＝|ΔPi-ΔPj|，当ΔP_ij＞0.5P_i时，判断高压水传输异常，触发报警装置；同时每个水压传感器的检测值实时计算平均值，记为当下一个检测值/>时，诊断应急模块判断高压水传输异常。

(3)根据气压传感器检测高压气传输是否正常的步骤同水压传感器检测水压力值。

(4)所述光电探测器通过检测输入激光功率与输出激光功率的差值来判断激光传输是否正常；

光电探测器检测激光输入功率值记为H₁/(W)，检测激光输出功率值记为H₂/(W)，记两者的差值为ΔH/(W)，即ΔH＝H₁-H₂，当ΔH＞0.3H₁时，则判断激光传输异常，触发报警。

(5)如果判断激光钻机运行正常，则触控显示屏各指示灯显示为绿色，激光钻机继续钻进，在钻进过程中由岩体感知模块实时收集当前掘进状态下的掘进参数和钻头钻进力。

(6)如果判断激光钻机运行异常，如力传感器检测应力-时间曲线中出现异常突变点，则判断钻头磨损严重或发生损坏；光电探测器检测值低于设定阈值，则判断激光传输异常；钻杆前后两端流量计监测水流量差值高于设定阈值，则判断高压水通道发生堵塞；气压传感器监测数值低于或高于设定阈值，则判断供气不足或高压气管堵塞；

则一方面，诊断应急模块连接报警器，发出故障报警信号，同时触控显示屏上故障位置对应的信号灯变红；另一方面，诊断应急模块通过PLC控制器连接开关控制器，直接关闭激光器、供水机构、气泵、旋转机构和推进机构等运行系统，同时系统运行的整个过程中，得到的感知数据和钻进数据均保存到存储模块，可供后期查看。

在本实施例中，如图4所示，所述岩体感知模块通过实时获取钻头主体和切削齿钻进过程中的掘进参数，并传输到模式选择模块，模式选择模块根据激光钻机的掘进参数和钻头固有参数对当前钻孔的围岩等级进行实时划分，将钻头推进力Fn/(kN)和钻头前表面积A/(cm²)的比值作为判定值Fn/A，根据判定值与设定的岩体等级边界的对比，判断当前掘进状态下的围岩等级，根据不同围岩等级选择不同的钻进方式。

其中，当判定值在[0,N₁]区间内时，判定围岩等级为V级；当判定值在(N₁,N₂]区间内时，判定围岩等级为IV级；当判定值在(N₂,N₃]区间内时，判定围岩等级为III级；当判定值在(N₃,N₄]区间内时，判定围岩等级为II级；判定值在大于N₄时，判定围岩等级为I级。

由于钻头在钻进过程中，钻进环境并不是均匀的岩层，难免存在钻头接触的岩石强度不同的情况，此时钻头容易破碎强度弱的岩石，而对强度高的岩石则较难破碎，这就导致钻头向岩石强度弱的一侧，偏离设定的钻进轨迹。所以，本实施例根据围岩等级的不同选择启动对应的钻进方式。

在本实施例中，模式选择模块可选择自动控制与手动控制，如图4所示，在自动控制模式下，通过开关控制器控制激光器的开启与关闭，以实现不同的钻进方式；具体地：

判断当前的钻进工况为I、II级围岩时，前方岩体为坚硬岩体，此时只采用钻头主体和切削齿的钻进效率下降，且钻头切削齿磨损严重，故此时采用“激光辅助分步钻进”模式。为降低钻具磨损，提高钻进效率，先通过开关控制器关闭旋转机构和推力机构，停止钻头主体与切削齿的钻进，开启激光器，大功率激光经激光光纤由激光头输出，通过钻头主体的中心孔辐照到前方岩体上进行辅助破岩；照射一定时间后在岩石上产生热应力造成预损伤，形成熔坑和裂纹网，弱化前方岩体；然后通过开关控制器关闭激光器，再次打开机械钻进系统，即钻机的旋转机构和推进机构，旋转机构与推进机构将推力与扭矩经过钻杆外杆传到钻头主体，带动钻头主体和切削齿的旋转推进便可较容易地破除前方被弱化的岩体，减少钻具磨损并提高钻进效率；钻头钻进到设定的步长后，继续重复上述步骤，直到钻机钻进到最终设定长度，PLC控制器通过开关控制器关闭激光器、钻机的旋转机构和推进机构等运行机构，完成整个钻进过程。

判断钻进工况为III、IV、V类围岩时，前往岩体为中软地层，故此时采用“连续机械钻进”模式，只用机械钻具便可以较快地破除岩石，通过开关控制系统自动关闭激光器，直接通过钻头主体和切削齿进行连续机械钻进破岩，节省中间换步时间，提高钻进效率。

在本实施例中，若采用手动控制的钻进模式，根据围岩等级提供与等级相适配钻进参数的建议。模式选择模块会根据围岩等级为操作者提供相适配的钻进参数建议选项；如图4所示，当判断围岩等级为I、II级时，则在触控显示屏上显示“建议开启强激光辅助钻进”的闪烁红色字样，当判断围岩等级为III级时，则在触控显示屏上显示“建议开启激光系统”的红色字样，当判断围岩等级为IV、V级时，则在触控显示屏上显示“建议直接机械钻进”的绿色字样，操作员根据提示信息和现场操作情况选择是否开启激光器，并设置合理的钻进参数进行激光辅助钻进。

作为可选择的一种实施方式，PLC控制器与触控显示屏连接，触控显示屏上显示有钻进参数、激光功率、水压大小和气压大小的调节按钮，可调节钻进参数、激光、高压水和高压气的参数大小，其中钻进参数可包括但不限于钻进推力、转矩、转速、钻进速度等。

作为可选择的一种实施方式，当选择自动控制模式时，每一个钻进步长中激光功率大小和激光辐照岩石的时间可根据具体的围岩强弱程度进行调节，围岩强弱程度由判定值Fn/A的数值大小确定，判定值Fn/A越大表明围岩强度越高；例如，围岩强度越强，则功率越大，照射时间相应越长，通过PLC控制器自动调节激光器的功率，并通过开关控制器选择激光器的开启关闭时间差调节激光照射时间，实现对激光参数的自动调节。当选择手动控制模式时，根据围岩强弱程度，在触控显示屏上给出激光功率大小和激光照射时间的建议。

在本实施例中，所述自动纠偏模块判断钻头钻进方向是否发生偏移的过程包括：

在钻头各切削齿附近布置压力传感器，各压力传感器之间的直线距离s在设计安装时即可确定；

实时获得各压力传感器测量的钻头钻进力压力值F_i，对比各压力传感器的压力值，并选取其中最小的压力值F_min；

将每个压力值F_i与最小压力值F_min作差，记为ΔF_i，即ΔF_i＝F_i-F_min，并用该压力差值与两个压力传感器之间距离的乘积ΔF_i×s_i表示由于岩石强度不均匀引起的偏移弯矩M_i，即M_i＝ΔF_i×s_i；

对比各偏移弯矩值M_i大小并选出最大值M_max；

比较最大偏移弯矩值M_max与最大许用弯矩值[M]的大小，判断当前钻头钻进方向是否发生偏移；

当M_max≤[M]时，判断当前钻头钻进方向不会发生偏移，激光钻机继续保持当前钻进状态；

当M_max＞[M]时，判断当前钻头钻进方向发生偏移，导致钻孔倾斜；

当判断钻头钻进方向发生偏移后，自动纠偏模块将决策结果传输至执行模块中的激光头角度调整装置，通过激光头调整装置调节激光头的照射角度，使其指向引起最大偏移弯矩值M_max的压力传感器F_i位置对应的岩石，弱化此处岩石强度，使钻头主体前方的岩石强度相对均匀，避免钻头长距离钻进发生过大偏移。

本实施例通过岩体感知模块获取掘进参数，以通过模式选择模块判断当前岩体围岩等级，并决定是否开启激光系统辅助破岩，同时安全感知模块实时监测供水压力及流量、供气管道、激光传输和钻头磨损状态参数，并将检测值传输给诊断应急模块，当检测参数值超过或低于设定的阈值时，判定出现异常，及时通过开关控制器关闭激光系统和机械系统，自动纠偏模块利用激光钻机自身的激光装置实现钻头的自动纠偏功能，有效提高激光钻机在复杂地层中的适应性和钻进效率，同时保证激光钻机的钻进安全性。

实施例2

本实施例提供一种实施例1所述的激光辅助钻进破岩智能控制系统的控制方法，包括：

获取激光钻机各组件的状态信息、掘进参数和钻头钻进力；

根据激光钻机各组件的状态信息判断激光钻机运行是否正常，根据激光钻机运行判断结果决策是否发出报警并关闭激光钻机；

根据掘进参数判断当前掘进状态下的围岩等级，根据围岩等级选择启动对应的钻进方式；

根据钻头钻进力确定各钻齿之间的钻进压力差值，并通过钻进方向偏移发生阈值判断钻头钻进方向是否发生偏移，根据钻头钻进方向偏移判断结果调节激光束出射角度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种激光辅助钻进破岩智能控制系统，其特征在于，包括：

感知模块，用于获取激光钻机各组件的状态信息、掘进参数和钻头钻进力；

决策模块，用于根据激光钻机各组件的状态信息判断激光钻机运行是否正常，根据掘进参数判断当前掘进状态下的围岩等级，以及根据钻头钻进力确定各钻齿之间的钻进压力差值，并通过钻进方向偏移发生阈值判断钻头钻进方向是否发生偏移；

执行模块，用于根据激光钻机运行判断结果决策是否发出报警并关闭激光钻机，根据围岩等级选择启动对应的钻进方式，以及根据钻头钻进方向偏移判断结果调节激光束出射角度。

2.如权利要求1所述的一种激光辅助钻进破岩智能控制系统，其特征在于，所述感知模块包括岩体感知模块和安全感知模块；

所述岩体感知模块用于获取掘进参数和钻头钻进力；

所述安全感知模块用于监测高压水压力、高压水流量、高压气压力、激光传输功率以及钻头的钻进推力与扭矩。

3.如权利要求1所述的一种激光辅助钻进破岩智能控制系统，其特征在于，

所述决策模块中，根据激光钻机各组件的状态信息，判断激光、高压水、高压气和钻头的运行状态是否正常；

所述执行模块包括开关控制器，若判断各组件运行正常时，则开关控制器控制激光钻机启动向前钻进；若判断某个组件运行异常时，则触发报警器进行报警，同时开关控制器控制激光钻机关闭。

4.如权利要求1所述的一种激光辅助钻进破岩智能控制系统，其特征在于，所述钻进方式包括激光辅助分步钻进模式和连续机械钻进模式；

所述激光辅助分步钻进模式为：

关闭钻机的旋转机构和推进机构，启动激光器，激光光束通过钻头的中心孔辐照到岩石上进行辅助破岩，以在岩石上产生热应力造成预损伤；

关闭激光器，启动钻机的旋转机构和推进机构，旋转机构与推进机构带动钻头旋转推进以破岩；

钻头钻进到设定步长后，重复上述步骤，直到钻机钻进到最终设定长度；

所述连续机械钻进模式为：关闭激光器，启动钻机的旋转机构和推进机构，直接通过钻头进行连续机械钻进破岩。

5.如权利要求4所述的一种激光辅助钻进破岩智能控制系统，其特征在于，每个钻进步长中激光功率大小和激光辐照岩石的时间根据围岩等级进行调节。

6.如权利要求4所述的一种激光辅助钻进破岩智能控制系统，其特征在于，所述执行模块包括开关控制器，所述钻进方式的选择分为自动控制与手动控制，在自动控制下，通过开关控制器控制激光器的开启与关闭，以启动对应的钻进方式，在手动控制下，决策模块根据围岩等级提供相适配的钻进参数建议。

7.如权利要求1所述的一种激光辅助钻进破岩智能控制系统，其特征在于，所述决策模块中，判断钻头钻进方向是否发生偏移的过程包括：

从获取的所有钻头钻进力压力值中选取最小的压力值；

将每个钻进力压力值与最小压力值作差，根据各个钻进压力差值与两个压力传感器之间距离的乘积得到相应偏移弯矩，对比各偏移弯矩并选出最大偏移弯矩；

比较最大偏移弯矩与最大许用弯矩的大小，判断当前钻头钻进方向是否发生偏移。

8.如权利要求7所述的一种激光辅助钻进破岩智能控制系统，其特征在于，当最大偏移弯矩小于或等于最大许用弯矩时，判断当前钻头钻进方向未发生偏移，继续保持激光中心照射辅助破岩。

9.如权利要求7所述的一种激光辅助钻进破岩智能控制系统，其特征在于，当最大偏移弯矩大于最大许用弯矩时，判断当前钻头钻进方向发生偏移，使得执行模块决策调节激光束出射角度，指向引起最大偏移弯矩的压力传感器位置，弱化此处岩石强度，使钻头前方的岩石强度相对均匀。

10.一种激光辅助钻进破岩智能控制方法，其特征在于，包括：

获取激光钻机各组件的状态信息、掘进参数和钻头钻进力；

根据激光钻机各组件的状态信息判断激光钻机运行是否正常，根据激光钻机运行判断结果决策是否发出报警并关闭激光钻机；

根据掘进参数判断当前掘进状态下的围岩等级，根据围岩等级选择启动对应的钻进方式；

根据钻头钻进力确定各钻齿之间的钻进压力差值，并通过钻进方向偏移发生阈值判断钻头钻进方向是否发生偏移，根据钻头钻进方向偏移判断结果调节激光束出射角度。