CN106837303A - 一种根据液压钻机运行参数实时确定钻孔深度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种根据液压钻机运行参数实时确定钻孔深度的方法，属于煤矿防治水、冲击地压防治以及瓦斯抽采技术等领域。通过压力变送器实时测量钻机的旋转压力；通过压力变送器实时测量钻机的给进压力；利用拉线位移传感器测试钻杆的钻进速率。然后针对每台钻机，确定旋转压力、给进压力和钻进速率的特征值，钻机运行过程中，根据上述参数与其特征值的关系确定钻机的工作状态(钻进、空转、送钻杆或撤钻杆)，当钻机处于钻进状态时，将钻进速率乘以钻进的时间即为该段时间内的钻进深度，最后将每个有效钻进时间段的钻进深度累加，即可获得实时的钻孔深度，解决现有方法存在的费时费力，且结果不可靠的问题。
Description
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，特别是一种根据液压钻机运行参数实时确定钻孔深度的方法。
背景技术
目前，煤炭仍然是我国经济的主要能源供给，持续稳定的煤炭供给将是我国经济建设稳步发展的基础。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。目前煤矿井下验收钻孔深度的主要手段是通过数钻杆数量的方式，该方法工作量大，而且结果会受人为因素的影响。另外，打钻过程中如果遇到地质异常，如断层、陷落柱等，施工人员需要手工记录异常区域的深度，如果钻孔深度记录不准确，将直接影响地质资料的质量，不利于煤矿的安全生产。
现有的中国专利号为：201120412707.5，公开了一种煤矿用全液压钻机钻孔深度行程综合检测***，具体公开了以下技术方案，包括平台移动行程检测装置，包括安装在全液压钻机平台上的传感装置，所述传感装置用于实时检测出钻杆轴向驱动油缸往复运动的行程；压力检测装置，包括压力传感器，所述压力传感器安装在双向液压驱动马达液体进出口处，用于实时检测进出口处的压力；以及主机控制单元，所述主机控制单元通过实时回馈的平台行程S、差分压力P的数值，实现钻机各过程的智能判决；其中，
a.当|P|<＝Pkf，S无增减，钻机为空转状态；
b.当|P|<＝Pkf，△S>0，平台无负载前移状态；
c.当|P|<＝Pkf，△S<0，平台无负载后移状态；
d.当P>Pkf，△S>0，进杆状态；
e.当P>Pkf，△S<0，退杆状态；
f.当P<-Pkf，S无增减，取杆状态；
所述Pkf为空转压力门限，为钻杆旋转液压驱动马达在不带负载进行正反运转所需的差 分驱动压力的最大值。
其总体情况如下表所示：
表1
| 序号 | 状态 | 压力 | 平台位移 | 钻头位置 |
| 1 | 空转 | |P|<＝Pkf | S无增减 | |
| 2 | 平台无负载前移 | |P|<＝Pkf | △S>0 | |
| 3 | 平台无负载后移 | |P|<＝Pkf | △S<0 | |
| 4 | 进杆 | P>Pkf | △S>0 | Lp＝Lp+△S |
| 5 | 退杆 | P>Pkf | △S<0 | Lp＝Lp+△S |
| 6 | 取杆 | P<-Pkf | S无增减 |
该发明通过检测钻杆轴向驱动油缸往复运动的行程，以及检测双向液压驱动马达液体进出口处的压力，实现钻机正常钻进过程识别、空钻识别、进杆识别，退杆识别、取杆识别等过程的智能判决，从而计算出钻进深度，同时还可以结合钻进过程中每米所用的钻进时间，可得到实时钻进深度参数，成功地实现多种模式识别以及深度参数获取，但是，该专利不能识别塌孔，当进杆处于塌孔时，不能得出有效的钻孔深度，其测得的钻孔深度不准确。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种根据液压钻机运行参数实时确定钻孔深度的方法，解决现有方法存在的费时费力，且结果不可靠的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种根据液压钻机运行参数实时确定钻孔深度的方法，包括以下步骤：
步骤1，将压力变送器一串联入液压钻机的旋转马达的输入油路，实时测量钻机的旋转压力。将压力变送器二串联入液压钻机的给进油缸的输入油路，实时测量钻机的给进压力。利用拉线位移传感器测试钻杆的钻进速率。
步骤2，针对每台钻机，确定在不同工作状态下其旋转压力特征值和给进压力特征值，钻机的工作状态包括钻进状态、空转状态、送钻杆状态或撤钻杆状态。
步骤3，在钻机运行过程中，根据实时测量的旋转压力、给进压力、钻进速率与旋转压力特征值、给进压力特征值、钻进速率特征值的关系确定钻机的工作状态，当钻机处于钻进状态时，将钻进速率乘以该钻进状态下的钻进时间即为该段时间内的钻进深度，最后将每个钻进状态下的钻进深度累加，即可获得实时的钻孔深度。
优选的：所述步骤2中旋转压力特征值包括正常钻进条件下旋转压力的最大值为P旋1和最小值为P旋2。
所述给进压力特征值包括正常钻进条件下给进压力的最大值为P进1和最小值为P进2。
优选的：步骤3中据实时测量的旋转压力、给进压力、钻进速率与旋转压力特征值、给进压力特征值、钻进速率特征值的关系确定钻机的工作状态的方法：
当V进>0，P旋2≤P旋≤P旋1，P进2≤P进≤P进1，钻机处于钻进状态。
当V进>0，P旋2≤P旋≤P旋1，0≤P进≤P进2，钻机处于塌孔条件下送钻杆状态，此时如果通过岩屑判断不存在塌孔，对P旋2进行修正，提高P旋2。
当V进>0，0≤P旋≤P旋2，0≤P进≤P进2，钻机处于不塌孔条件下送钻杆状态，此时如果通过岩屑判断存在塌孔，对P旋2进行修正，降低P旋2。
当V进＝0，P旋2≤P旋≤P旋1，钻机处于塌孔条件下空转状态，此时如果通过岩屑判断不存在塌孔，对P旋2进行修正，提高P旋2。
当V进＝0，0≤P旋≤P旋2，钻机处于不塌孔条件下空转状态，此时如果通过岩屑判断存在塌孔，对P旋2进行修正，降低P旋2。
V进<0，撤钻杆状态下。
其中，V进表示钻进速率，P旋表示旋转压力，P进表示给进压力。
优选的：所述步骤2中旋转压力特征值、给进压力特征值通过监测1-2个钻孔的钻进过程进行确定。
本发明的工作原理是：煤矿井下液压钻机的运行状态可通过监测其运行参数来确定，当钻机处于钻进状态时，将钻进速率乘以钻进的时间即为该段时间内的钻进深度，然后将每个有效钻进时间段的钻进深度累加，即可获得实时的钻孔深度。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明通过对钻机运行时的油路压力和位移实时自动采集获得分析数据，不影响钻机的正常工作。
(2)多参数联合判断钻机运行状态，结果更可靠。尤其适用于由于应力较大、岩体较软或瓦斯压力大等引起塌孔的情况。
(3)可对参数特征值进行动态修正，以适应复杂的地质条件。
(4)本发明的实施过程可由程序自动完成，钻孔深度结果更为可靠，避免人为因素的影响。
(5)本发明方案思路清晰，分析操作简便，对技术人员的要求低。
本发明的整个实施过程可由程序控制完成，不需要人工干预，解决了现有技术存在的费时费力，且结果不可靠的问题，同时，钻孔结束后即存储了钻孔深度，无需额外验收钻孔深度，应用简便，具有广阔推广应用前景。
附图说明
图1是本发明中确定钻机工作状态的流程图。
图2是本发明中确定旋转压力、给进压力和钻进速率特征值的方法。
图3是本发明中不塌孔时确定钻机工作状态的实例。
图4时本发明中塌孔时确定钻机工作状态的实例。
图5是本发明利用钻机运行参数实时确定钻孔深度的方法图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种根据液压钻机运行参数实时确定钻孔深度的方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，将压力变送器一串联入液压钻机的旋转马达的输入油路，实时测量钻机的旋转压力。将压力变送器二串联入液压钻机的给进油缸的输入油路，实时测量钻机的给进压力。利用拉线位移传感器测试钻杆的钻进速率。
步骤2，针对每台钻机，确定在不同工作状态下其旋转压力特征值、给进压力特征值、钻进速率特征值。
旋转压力(P旋)的特征值指钻机不同工作状态下，旋转马达的输入油压大小，可通过现场试验确定。旋转压力特征值包括正常钻进条件下旋转压力的最大值为P旋1和最小值为P旋2，则P旋的取值范围为0≤P旋≤P旋1。
给进压力(P进)的特征值指钻机不同工作状态下，给进油缸的输入油压大小，可通过现场试验确定。所述给进压力特征值包括正常钻进条件下给进压力的最大值为P进1和最小值为P进2，则P进的取值范围为0≤P进≤P进1。
当地质条件或者钻机型号改变时，旋转压力特征值、给进压力特征值通过监测1-2个钻孔的钻进过程进行确定。
所述的钻进速率(V进)的特征值指钻机不同工作状态下，钻头钻进速率的大小。在钻进状态下，V进>0；在空转状态下，V进＝0；在送钻杆状态下，V进>0；在撤钻杆状态下，V进<0。
钻机的工作状态是指钻机处于打钻过程的某个状态，包括钻进状态、空转状态、送钻杆状态或撤钻杆状态，可利用旋转压力、给进压力和钻进速率值进行确定，具体流程见图1。
步骤3，在钻机运行过程中，根据实时测量的旋转压力、给进压力、钻进速率与旋转压力特征值、给进压力特征值、钻进速率特征值、钻进速率特征值的关系确定钻机的工作状态，当钻机处于钻进状态时，将钻进速率乘以该钻进状态下的钻进时间即为该段时间内的钻进深 度，最后将每个钻进状态下的钻进深度累加，即可获得实时的钻孔深度。
其中，根据实时测量的旋转压力、给进压力、钻进速率与旋转压力特征值、给进压力特征值、钻进速率特征值的关系确定钻机的工作状态的方法：
当V进>0，P旋2≤P旋≤P旋1，P进2≤P进≤P进1，钻机处于钻进状态。
当V进>0，P旋2≤P旋≤P旋1，0≤P进≤P进2，钻机处于塌孔条件下送钻杆状态，此时如果通过岩屑判断不存在塌孔，对P旋2进行修正，提高P旋2。
当V进>0，0≤P旋≤P旋2，0≤P进≤P进2，钻机处于不塌孔条件下送钻杆状态，此时如果通过岩屑判断存在塌孔，对P旋2进行修正，降低P旋2。
当V进＝0，P旋2≤P旋≤P旋1，钻机处于塌孔条件下空转状态，此时如果通过岩屑判断不存在塌孔，对P旋2进行修正，提高P旋2。
当V进＝0，0≤P旋≤P旋2，钻机处于不塌孔条件下空转状态，此时如果通过岩屑判断存在塌孔，对P旋2进行修正，降低P旋2。
V进<0，撤钻杆状态下。
其中，V进表示钻进速率，P旋表示旋转压力，P进表示给进压力。
塌孔的判断方法如下：空转状态或送钻杆状态下，是否有岩屑从钻孔涌出，如果没有岩屑涌出，可判断不存在塌孔；反之，可判断存在塌孔。
鉴于煤矿井下地质条件的复杂性和多变性，旋转压力(P旋)的特征值可能是变化的，本发明中根据给钻杆(送钻杆)和空转状态下参数进行旋转压力(P旋)的特征值的动态修正，确保分析结果的准确性。
实例
将压力变送器串联入液压钻机的旋转马达的输入油路，实时测量钻机的旋转压力；将压力变送器串联入液压钻机的给进油缸的输入油路，实时测量钻机的给进压力；利用拉线位移传感器测试钻杆的钻进速率。通过监测1-2个钻孔的钻进过程，利用图2确定旋转压力、给进压力和钻进速率的特征值。
利用旋转压力、给进压力和给进速率与其特征值的关系判断钻机的运行状态。特别地，当存在塌孔时，旋转压力会发生变化，此时送钻杆和钻进时的旋转压力比较接近，需要结合给进压力的大小区分两种状态。图3和图4分别为钻孔不塌孔和塌孔条件下钻机运行状态确定实例，其中图3为不塌孔时的钻机状态，图4为塌孔时的钻机状态。
当钻机处于钻进状态时，将钻进速率乘以钻进的时间即为该段时间内的钻进深度，最后将每个有效钻进时间段的钻进深度累加，即可获得实时的钻孔深度，结果参见图5。
本发明针对煤矿井下各类地质钻孔施工中不能实时确定钻孔深度的问题，提出利用钻机 运行参数，包括：旋转压力、给进压力和旋转速率等，实时分析确定钻孔深度的方法。此方法可由钻机运行参数记录设备自动实施，并可实时显示钻机目前的钻进状态和钻孔深度，为钻孔质量验收和地质异常情况记录提供参考。本发明解决了目前煤矿井下钻孔深度验收工作量大，人为因素干扰等问题。由于本发明充分利用了钻机的各个运行参数，可以精确判断钻机的运行状态，尤其适用于由于应力较大、岩体较软或瓦斯压力大等会引起塌孔的情况。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种根据液压钻机运行参数实时确定钻孔深度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将压力变送器一串联入液压钻机的旋转马达的输入油路，实时测量钻机的旋转压力；将压力变送器二串联入液压钻机的给进油缸的输入油路，实时测量钻机的给进压力；利用拉线位移传感器测试钻杆的钻进速率；
步骤2，针对每台钻机，确定在不同工作状态下其旋转压力特征值、给进压力特征值和钻进速率特征值，钻机的工作状态包括钻进状态、空转状态、送钻杆状态或撤钻杆状态；
步骤3，在钻机运行过程中，根据实时测量的旋转压力、给进压力、钻进速率与旋转压力特征值、给进压力特征值、钻进速率特征值的关系确定钻机的工作状态，当钻机处于钻进状态时，将钻进速率乘以该钻进状态下的钻进时间即为该段时间内的钻进深度，最后将每个钻进状态下的钻进深度累加，即可获得实时的钻孔深度。
2.根据权利要求1所述根据液压钻机运行参数实时确定钻孔深度的方法，其特征在于：所述步骤2中旋转压力特征值包括正常钻进条件下旋转压力的最大值为P旋1和最小值为P旋2；
所述给进压力特征值包括正常钻进条件下给进压力的最大值为P进1和最小值为P进2。
3.根据权利要求1所述根据液压钻机运行参数实时确定钻孔深度的方法，其特征在于：步骤3中根据实时测量的旋转压力、给进压力、钻进速率与旋转压力特征值、给进压力特征值、钻进速率特征值的关系确定钻机的工作状态的方法：
当V进>0，P旋2≤P旋≤P旋1，P进2≤P进≤P进1，钻机处于钻进状态；
当V进>0，P旋2≤P旋≤P旋1，0≤P进≤P进2，钻机处于塌孔条件下送钻杆状态，此时如果通过岩屑判断不存在塌孔，对P旋2进行修正，提高P旋2；
当V进>0，0≤P旋≤P旋2，0≤P进≤P进2，钻机处于不塌孔条件下送钻杆状态，此时如果通过岩屑判断存在塌孔，对P旋2进行修正，降低P旋2；
当V进＝0，P旋2≤P旋≤P旋1，钻机处于塌孔条件下空转状态，此时如果通过岩屑判断不存在塌孔，对P旋2进行修正，提高P旋2；
当V进＝0，0≤P旋≤P旋2，钻机处于不塌孔条件下空转状态，此时如果通过岩屑判断存在塌孔，对P旋2进行修正，降低P旋2；
V进<0，撤钻杆状态下；
其中，V进表示钻进速率，P旋表示旋转压力，P进表示给进压力。
4.根据权利要求1所述根据液压钻机运行参数实时确定钻孔深度的方法，其特征在于：所述步骤2中旋转压力特征值、给进压力特征值通过监测1-2个钻孔的钻进过程进行确定。
5.根据权利要求1所述根据液压钻机运行参数实时确定钻孔深度的方法，其特征在于：塌孔的判断方法如下：空转状态或送钻杆状态下，是否有岩屑从钻孔涌出，如果没有岩屑涌出，可判断不存在塌孔；反之，可判断存在塌孔。
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