CN104879163A - 一种井下小型超前定向探放水装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下小型超前定向探放水装置及方法，它通过现场钻孔轨迹控制主机、钻机、钻杆、探测钻杆、螺杆马达、钻头和泥浆泵对巷道前方围岩进行超前定向探放水；现场钻孔轨迹控制主机根据预设的定向超前探放水钻孔的轨迹路线进行钻孔；并接收探测钻杆自动测试的钻孔三维姿态数据，同时计算出钻孔实际轨迹，并将该钻孔实际轨迹与设计轨迹数据进行对比，根据钻孔实际偏差值计算出调整螺杆马达弯曲面的面向角值，使钻孔钻进轨迹向钻孔设计轨迹修正，并最终使实际钻孔轨迹到达设计目标。本发明可对掘进巷道或隧道迎头及工作面进行可控的定向钻孔探测并进行放水，确保巷道掘进前方及巷道周围一定距离范围内没有富水体，保障巷道掘进安全。

Description

一种井下小型超前定向探放水装置及方法

技术领域

本发明涉及井下超前探放水技术领域，具体涉及一种井下小型超前定向探放水装置及方法。

技术背景

超前探放水是指在掘进巷道迎头利用钻探直接向巷道或隧道掘进方向和工作面进行探放水，探测前方是否存在富水体、有害地质构造或导水通道等，若有水则通过钻孔进行放水，为巷道或隧道的安全掘进提供保障。

钻孔超前探放水是目前仍被广泛应用的最重要最有效的井下防治水方法之一。但由于目前井下超前钻孔探放水均为直孔10，按照煤矿防治水有关技术规定，一个掘进工作面如仅需探放煤层底板水，至少需打5个直孔10；如需探放顶板和底板水，至少需打7个直孔10；如需探放老空水、陷落柱水或钻孔水，所需探放直孔10数量就更多了。大量的超前钻探工程量占用了巷道许多掘进时间，严重影响了掘进工作面掘进速度，超前探放水与掘进速度相互间产生了尖锐矛盾和冲突，这种矛盾严重影响了井下超前钻孔探放水技术的推广应用。因此，在保证超前探放水质量和效果前提下如何减少探放水钻孔数量的技术变革就显的尤为重要，传统井下超前直孔探放水钻孔布置示意图见图1。

发明内容

本发明的目的是针对一种井下小型超前定向探放水装置及方法，该装置和方法，可对掘进巷道或隧道迎头及工作面进行可控的定向钻孔探测并进行放水，确保巷道掘进前方及巷道周围一定距离范围内没有富水体，保障巷道掘进安全。

为实现此目的，本发明所设计的井下小型超前定向探放水装置，它包括现场钻孔轨迹控制主机、钻机、设置在钻机上的钻杆、一端与钻杆螺纹连接的探测钻杆、通过螺杆马达安装在探测钻杆另一端的钻头、与钻头配合的泥浆泵，其中，所述探测钻杆的探测数据通信端连接现场钻孔轨迹控制主机的探测数据通信端，所述现场钻孔轨迹控制主机的钻机控制信号输出端连接钻机的控制端，现场钻孔轨迹控制主机的螺杆马达控制信号输出端连接螺杆马达的控制端。

一种利用上述井下小型超前定向探放水装置进行井下超前定向探放水的方法，它包括如下步骤：

步骤1：将钻机设置在巷道掘进工作面后方侧壁的洞中作为钻场；

步骤2：现场钻孔轨迹控制主机根据预设的超前定向探放水钻孔钻孔轨迹，通过控制钻机和螺杆马达来操作钻杆、探测钻杆和钻头，并配合泥浆泵对巷道前方围岩进行钻孔钻进；

步骤3：在对巷道前方围岩进行钻孔钻进的过程中，现场钻孔轨迹控制主机向探测钻杆发射弹性波控制信号，探测钻杆接收到上述弹性波控制信号后，控制探测钻杆内部的三维罗盘工作，三维罗盘自动测试巷道前方围岩钻进过程的实时三维姿态数据，探测钻杆将得到的上述实时三维姿态数据以弹性波信号的方式传输给现场钻孔轨迹控制主机，现场钻孔轨迹控制主机根据上述实时三维姿态数据并依据现有定向钻孔轨迹计算方式，计算出巷道前方围岩钻进过程的实时钻孔轨迹；

步骤4：现场钻孔轨迹控制主机将上述实时钻孔轨迹与预设的超前定向探放水钻孔钻孔轨迹进行数据比对，计算出钻孔实际偏差值，现场钻孔轨迹控制主机根据该钻孔实际偏差值来调整螺杆马达弯曲面的面向角值，使钻孔钻进轨迹向钻孔设计轨迹修正，并最终使实际钻孔轨迹到达设计目标轨迹，实现钻孔超前探放水处理，探测前方围岩是否存在富水体、有害地质构造或导水通道，若有水则通过钻孔进行放水。

本发明相比于现有的超前直孔探放水设备和方法，本发明的有益效果主要表现在：由于小型超前定向钻孔探放水技术具有人为定向和钻孔钻进轨迹可按照预先设计要求延伸到达预定目标等功能，一个定向钻孔探放水效果可代替多个直孔，可大大减少掘进工作面超前探放水直孔数量，而且本发明将定向探放水钻孔开孔位置放在掘进工作面后方，这样就能很好解决钻孔超前探放水与掘进工作面掘进速度相互间的冲突和矛盾。这种井下定向探放水钻孔具有开孔密度小、钻进轨迹可控性高、一孔多方位(即一个孔可自由控制其钻进的方位)、无效进尺(即废空)少、可与掘井同时平行作业互不影响、探测目标点准确和排水效率高等诸多优点，本发明是对传统井下探放水技术装备的一次革命。

附图说明

图1为传统井下超前直孔探放水钻孔布置示意图；

图2为本发明的井下超前定向探放水钻孔布置图；

图3为本发明中的结构示意图；

图4为本发明中现场钻孔轨迹控制主机和探测钻杆的结构框图。

其中，1—钻场、2—液压钻机、2.1—钻机、2.2—钻杆、2.3—钻头、2.4—泥浆泵、3—钻孔、4－未掘进巷道、5—巷道、6—围岩、7—现场钻孔轨迹控制主机、7.1—控制器、7.2—第一弹性波信号发射器驱动模块、7.3—第一弹性波信号发射器、7.4—第一弹性波信号接收器、7.5—第一弹性波信号处理模块、8—探测钻杆、8.1—探杆壳体、8.2—第二弹性波信号发射器、8.3—第二弹性波信号发射器驱动模块、8.4—第二弹性波信号接收器、8.5—第二弹性波信号处理模块、8.6—单片机、8.7—三维罗盘、9—螺杆马达、10—直孔。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图2～4所示的井下小型超前定向探放水装置，它包括现场钻孔轨迹控制主机7、钻机2.1、设置在钻机2.1上的钻杆2.2、一端与钻杆2.2螺纹连接的探测钻杆8、通过螺杆马达9安装在探测钻杆8另一端的钻头2.3(探测钻杆8一端与钻机2.1的钻杆头部螺纹连接、另一端与螺杆马达9的前端通过螺纹连接，螺杆马达9的后端与钻头2.3也通过螺纹连接)、与钻头2.3配合的泥浆泵2.4，其中，钻机2.1设置在巷道5掘进工作面后方侧壁的洞中，将该洞作为钻场1(本发明将定向探放水钻孔开孔位置放在掘进工作面后方，这样就能很好解决钻孔超前探放水与掘进工作面掘进速度相互间的冲突和矛盾)，所述探测钻杆8的探测数据通信端连接现场钻孔轨迹控制主机7的探测数据通信端，所述现场钻孔轨迹控制主机7的钻机控制信号输出端连接钻机2.1的控制端，现场钻孔轨迹控制主机7的螺杆马达控制信号输出端连接螺杆马达9的控制端。上述钻机2.1、钻杆2.2、钻头2.3和泥浆泵2.4形成普通的一套液压钻机。

上述技术方案中，所述探测钻杆8包括探杆壳体8.1、设置在探杆壳体8.1内的第二弹性波信号发射器8.2、第二弹性波信号发射器驱动模块8.3、第二弹性波信号接收器8.4、第二弹性波信号处理模块8.5、单片机8.6和三维罗盘8.7，三维罗盘8.7的数据通信端连接单片机8.6的数据通信端，单片机8.6的信号输出端通过第二弹性波信号发射器驱动模块8.3连接第二弹性波信号发射器8.2的信号通信端，单片机8.6的信号输入端通过第二弹性波信号处理模块8.5连接第二弹性波信号接收器8.4的信号通信端，上述三维罗盘8.7用于感应钻孔的方向和倾角数据。

上述技术方案中，所述现场钻孔轨迹控制主机7包括控制器7.1、第一弹性波信号发射器驱动模块7.2、第一弹性波信号发射器7.3、第一弹性波信号接收器7.4和第一弹性波信号处理模块7.5，所述控制器7.1通过第一弹性波信号发射器驱动模块7.2连接第一弹性波信号发射器7.3，所述第一弹性波信号接收器7.4通过第一弹性波信号处理模块7.5连接控制器7.1，所述第一弹性波信号发射器7.3与第二弹性波信号接收器8.4之间无线通信，第一弹性波信号接收器7.4与第二弹性波信号发射器8.2之间无线通信，所述控制器7.1的钻机控制信号输出端连接钻机2.1的控制端，控制器7.1的螺杆马达控制信号输出端连接螺杆马达9的控制端。

上述技术方案中，所述探杆壳体8.1为无磁铍铜壳体。无磁铍铜壳体能减少探测钻杆8在发射和接收信号时受到的干扰。

上述技术方案中，所述现场钻孔轨迹控制主机7和探测钻杆8是通过钻杆2.2以弹性波方式进行信号通信和数据传递，钻杆2.2是弹性波传播介质。现场钻孔轨迹控制主机7能完成信号接收和钻孔轨迹计算、分析、显示功能。

一种利用上述井下小型超前定向探放水装置进行井下超前定向探放水的方法，它包括如下步骤：

步骤1：将钻机2.1设置在巷道5掘进工作面后方侧壁的洞中作为钻场1；

步骤2：现场钻孔轨迹控制主机7根据预设的超前定向探放水钻孔3钻孔轨迹，通过控制钻机2.1和螺杆马达9来操作钻杆2.2、探测钻杆8和钻头2.3，并配合泥浆泵2.4对巷道5前方围岩6进行钻孔3钻进；

步骤3：在对巷道5前方围岩6进行钻孔3钻进的过程中，现场钻孔轨迹控制主机7向探测钻杆8发射弹性波控制信号，探测钻杆8接收到上述弹性波控制信号后，控制探测钻杆8内部的三维罗盘8.7工作，三维罗盘8.7自动测试巷道5前方围岩6钻进过程的实时三维姿态数据，探测钻杆8将得到的上述实时三维姿态数据以弹性波信号的方式传输给现场钻孔轨迹控制主机7，现场钻孔轨迹控制主机7根据上述实时三维姿态数据并依据现有定向钻孔轨迹计算方式(见《定向钻进技术规范(DZ/T0054-1993)》)，计算出巷道5前方围岩6钻进过程的实时钻孔轨迹；

步骤4：现场钻孔轨迹控制主机7将上述实时钻孔轨迹与预设的超前定向探放水钻孔3钻孔轨迹进行数据比对，计算出钻孔实际偏差值，现场钻孔轨迹控制主机7根据该钻孔实际偏差值来调整螺杆马达9弯曲面的面向角值，使钻孔3钻进轨迹向钻孔设计轨迹修正，并最终使实际钻孔3轨迹到达设计目标轨迹，实现钻孔超前探放水处理，探测前方围岩6是否存在富水体、有害地质构造或导水通道，若有水则通过钻孔3进行放水。

上述技术方案的步骤3中，所述弹性波控制信号和三维姿态弹性波信号的传播介质为钻杆2.2。

上述技术方案的步骤3中，所述现场钻孔轨迹控制主机7的控制器7.1通过第一弹性波信号发射器驱动模块7.2控制第一弹性波信号发射器7.3向外发送弹性波控制信号，弹性波控制信号经过钻杆2.2传播后由第二弹性波信号接收器8.4接收，第二弹性波信号处理模块8.5将接收到的弹性波控制信号进行滤波、放大和模数转换处理，并将处理后的弹性波控制信号传送给探测钻杆8的单片机8.6，单片机8.6接收到弹性波控制信号后，控制探测钻杆8的三维罗盘8.7工作；

三维罗盘8.7测得上述实时三维姿态数据后，传输给单片机8.6，单片机8.6通过第二弹性波信号发射器驱动模块8.3控制第二弹性波信号发射器8.2向外发送三维姿态弹性波信号，三维姿态弹性波信号经过钻杆2.2传播后由第一弹性波信号接收器7.4接收，第一弹性波信号处理模块7.5将接收到的三维姿态弹性波信号进行滤波、放大和模数转换处理，并将处理后的三维姿态弹性波信号传送给现场钻孔轨迹控制主机7的控制器7.1，控制器7.1根据上述实时三维姿态数据并依据现有定向钻孔轨迹计算方式，计算出巷道5前方围岩6钻进过程的实时钻孔轨迹。

上述技术方案中，所述现场钻孔轨迹控制主机7的控制器7.1根据该钻孔实际偏差值来调整螺杆马达9弯曲面的面向角值。

本发明的方法具有人为定向和钻孔钻进轨迹可按照预先设计要求延伸到达预定目标等功能，一个定向钻孔探放水效果可代替多个直孔10，可大大减少掘进工作面超前探放水直孔10数量，另外，这种井下定向探放水钻孔具有开孔密度小、钻进轨迹可控性高、一孔多方位、无效进尺少、可与掘井同时平行作业互不影响、探测目标点准确和排水效率高等诸多优点。本发明可对掘进巷道或隧道迎头及工作面进行可控的定向钻孔探测并进行放水，确保巷道掘进前方及巷道周围一定距离范围内没有富水体，保障巷道掘进安全。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种井下小型超前定向探放水装置，其特征在于：它包括现场钻孔轨迹控制主机(7)、钻机(2.1)、设置在钻机(2.1)上的钻杆(2.2)、一端与钻杆(2.2)螺纹连接的探测钻杆(8)、通过螺杆马达(9)安装在探测钻杆(8)另一端的钻头(2.3)、与钻头(2.3)配合的泥浆泵(2.4)，其中，所述探测钻杆(8)的探测数据通信端连接现场钻孔轨迹控制主机(7)的探测数据通信端，所述现场钻孔轨迹控制主机(7)的钻机控制信号输出端连接钻机(2.1)的控制端，现场钻孔轨迹控制主机(7)的螺杆马达控制信号输出端连接螺杆马达(9)的控制端。

2.根据权利要求1所述的井下小型超前定向探放水装置，其特征在于：所述探测钻杆(8)包括探杆壳体(8.1)、设置在探杆壳体(8.1)内的第二弹性波信号发射器(8.2)、第二弹性波信号发射器驱动模块(8.3)、第二弹性波信号接收器(8.4)、第二弹性波信号处理模块(8.5)、单片机(8.6)和三维罗盘(8.7)，三维罗盘(8.7)的数据通信端连接单片机(8.6)的数据通信端，单片机(8.6)的信号输出端通过第二弹性波信号发射器驱动模块(8.3)连接第二弹性波信号发射器(8.2)的信号通信端，单片机(8.6)的信号输入端通过第二弹性波信号处理模块(8.5)连接第二弹性波信号接收器(8.4)的信号通信端，上述三维罗盘(8.7)用于感应钻孔的方向和倾角数据。

3.根据权利要求2所述的井下小型超前定向探放水装置，其特征在于：所述现场钻孔轨迹控制主机(7)包括控制器(7.1)、第一弹性波信号发射器驱动模块(7.2)、第一弹性波信号发射器(7.3)、第一弹性波信号接收器(7.4)和第一弹性波信号处理模块(7.5)，所述控制器(7.1)通过第一弹性波信号发射器驱动模块(7.2)连接第一弹性波信号发射器(7.3)，所述第一弹性波信号接收器(7.4)通过第一弹性波信号处理模块(7.5)连接控制器(7.1)，所述第一弹性波信号发射器(7.3)与第二弹性波信号接收器(8.4)之间无线通信，第一弹性波信号接收器(7.4)与第二弹性波信号发射器(8.2)之间无线通信，所述控制器(7.1)的钻机控制信号输出端连接钻机(2.1)的控制端，控制器(7.1)的螺杆马达控制信号输出端连接螺杆马达(9)的控制端。

4.根据权利要求2所述的井下小型超前定向探放水装置，其特征在于：所述探杆壳体(8.1)为无磁铍铜壳体。

5.一种利用权利要求1所述井下小型超前定向探放水装置进行井下超前定向探放水的方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：将钻机(2.1)设置在巷道(5)掘进工作面后方侧壁的洞中作为钻场(1)；

步骤2：现场钻孔轨迹控制主机(7)根据预设的超前定向探放水钻孔(3)钻孔轨迹，通过控制钻机(2.1)和螺杆马达(9)来操作钻杆(2.2)、探测钻杆(8)和钻头(2.3)，并配合泥浆泵(2.4)对巷道(5)前方围岩(6)进行钻孔(3)钻进；

步骤3：在对巷道(5)前方围岩(6)进行钻孔(3)钻进的过程中，现场钻孔轨迹控制主机(7)向探测钻杆(8)发射弹性波控制信号，探测钻杆(8)接收到上述弹性波控制信号后，控制探测钻杆(8)内部的三维罗盘(8.7)工作，三维罗盘(8.7)自动测试巷道(5)前方围岩(6)钻进过程的实时三维姿态数据，探测钻杆(8)将得到的上述实时三维姿态数据以弹性波信号的方式传输给现场钻孔轨迹控制主机(7)，现场钻孔轨迹控制主机(7)根据上述实时三维姿态数据并依据现有定向钻孔轨迹计算方式，计算出巷道(5)前方围岩(6)钻进过程的实时钻孔轨迹；

步骤4：现场钻孔轨迹控制主机(7)将上述实时钻孔轨迹与预设的超前定向探放水钻孔(3)钻孔轨迹进行数据比对，计算出钻孔实际偏差值，现场钻孔轨迹控制主机(7)根据该钻孔实际偏差值来调整螺杆马达(9)弯曲面的面向角值，使钻孔(3)钻进轨迹向钻孔设计轨迹修正，并最终使实际钻孔(3)轨迹到达设计目标轨迹，实现钻孔超前探放水处理，探测前方围岩(6)是否存在富水体、有害地质构造或导水通道，若有水则通过钻孔(3)进行放水。

6.根据权利要求5所述的进行井下超前定向探放水的方法，其特征在于：步骤3中，所述弹性波控制信号和三维姿态弹性波信号的传播介质为钻杆(2.2)。

7.根据权利要求5所述的进行井下超前定向探放水的方法，其特征在于：步骤3中，所述现场钻孔轨迹控制主机(7)的控制器(7.1)通过第一弹性波信号发射器驱动模块(7.2)控制第一弹性波信号发射器(7.3)向外发送弹性波控制信号，弹性波控制信号经过钻杆(2.2)传播后由第二弹性波信号接收器(8.4)接收，第二弹性波信号处理模块(8.5)将接收到的弹性波控制信号进行滤波、放大和模数转换处理，并将处理后的弹性波控制信号传送给探测钻杆(8)的单片机(8.6)，单片机(8.6)接收到弹性波控制信号后，控制探测钻杆(8)的三维罗盘(8.7)工作；

三维罗盘(8.7)测得上述实时三维姿态数据后，传输给单片机(8.6)，单片机(8.6)通过第二弹性波信号发射器驱动模块(8.3)控制第二弹性波信号发射器(8.2)向外发送三维姿态弹性波信号，三维姿态弹性波信号经过钻杆(2.2)传播后由第一弹性波信号接收器(7.4)接收，第一弹性波信号处理模块(7.5)将接收到的三维姿态弹性波信号进行滤波、放大和模数转换处理，并将处理后的三维姿态弹性波信号传送给现场钻孔轨迹控制主机(7)的控制器(7.1)，控制器(7.1)根据上述实时三维姿态数据并依据现有定向钻孔轨迹计算方式，计算出巷道(5)前方围岩(6)钻进过程的实时钻孔轨迹。

8.根据权利要求7所述的进行井下超前定向探放水的方法，其特征在于：所述现场钻孔轨迹控制主机(7)的控制器(7.1)根据该钻孔实际偏差值来调整螺杆马达(9)弯曲面的面向角值。