煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置，它的进尺测距激光器安装在钻机的钻机液压伸缩支腿，随钻测试短节器的钻机连接端安装在钻机的钻杆插口上，随钻测试短节器的钻杆连接端安装钻杆，钻机能通过随钻测试短节器带动钻杆钻进，且随钻测试短节器用于获取钻杆的扭矩信息、钻杆的推力信息、钻杆的转速信息；进尺测距激光器用于测量钻杆往前钻进的距离；现场主机用于根据当前钻进时间内平均的钻杆扭矩信息、当前钻进时间内平均的钻杆推力信息、当前钻进时间内平均的钻杆转速信息、钻孔直径、当前钻进时间和当前钻进时间内钻杆往前钻进的距离信息计算围岩强度。本发明专利技术可以准确分析确定围岩的强度参数。

In situ testing device and method for mechanical parameters of surrounding rock while drilling in coal mine

The invention discloses an in-situ testing device for mechanical parameters of surrounding rock while drilling in coal mine. The footage ranging laser is installed on the hydraulic expansion leg of the drilling machine, the drilling machine connecting end of the while drilling testing joint is installed on the drill pipe socket of the drilling machine, and the drill pipe connecting end of the while drilling testing joint is installed with the drill pipe. The drilling machine can drive the drill pipe to drill through the while drilling testing joint and test while drilling The short joint device is used to obtain the torque information, thrust information and rotation speed information of the drill pipe; the footage ranging laser is used to measure the distance of the drill pipe drilling forward; the on-site host machine is used to obtain the average torque information of the drill pipe in the current drilling time, the average thrust information of the drill pipe in the current drilling time, the average rotation speed information of the drill pipe in the current drilling time, the drilling diameter The strength of surrounding rock is calculated by the information of the current drilling time and the distance of drill pipe drilling forward in the current drilling time. The invention can accurately analyze and determine the strength parameters of surrounding rock.

【技术实现步骤摘要】
煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置及方法
本专利技术涉及煤矿井下围岩支护
，具体地指一种煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置及方法。
技术介绍
巷道支护理论与技术一直是煤矿岩层控制的核心研究内容，锚杆支护具有成本低、支护性能可靠等优点，已成为煤矿巷道的主要支护形式。对于国有大中型煤矿，其巷道锚杆支护率达到60％，有些矿区超过90％。尽管锚杆支护技术已在我国应用超过60年，但是由于煤矿巷道有复杂地质条件，加上人们对锚杆支护的机理还缺乏足够的认识，造成锚杆支护的工程质量难以控制，相关工程事故也时常发生。造成目前围岩支护现状不尽人意的主要原因是尚缺乏系统、可靠的支护设计方法。目前我国煤巷支护设计常用方法有工程类比法、理论分析法和现场监测法等，其中以工程类比法应用最广，实际应用中，往往简单按照以往类似巷道的支护设计方案对新巷道进行支护设计，很少考虑工程地质条件的变化和影响，即使技术人员考虑工程地质条件的差异，也无法定量进行分析，只能凭其主观经验进行支护的调整。从根本上讲，以地质条件为基础的支护设计方法是解决巷道稳定性控制的关键，而围岩地质条件的快速、定量、精确评价是解决该方法中理论和技术问题的突破口。然而，目前煤矿巷道围岩地质条件的评估方法有限，主要依靠地面钻孔提供的地质剖面图和掘进面揭露的岩体情况，前者由于钻孔间距较大，提供的地质条件精度较低，而后者仅能反映巷道围岩表面的情况，因而现有的地质条件评价方法无法满足支护设计的需求。煤矿锚杆/索钻孔的钻进过程蕴含丰富信息，利用这些信息可以判断岩体的赋存状态，例如，施工人员可以根据岩屑判断岩石的岩性，也可以根据单位时间钻机进尺判断前方是否存在断层等地质异常区域。然而，目前钻孔施工过程中的信息获取和解译主要依赖施工人员的经验和素质，难免会造成所获取信息和不完整和不可靠，无法有效发挥作用。因而，如果能从煤矿井下数量庞大的锚杆/索钻孔的施工过程中自动获取岩体赋存状态的信息，无疑对巷道的支护设计和煤矿的安全生产具有重要的意义。达到上述目标的核心是要在钻机钻井信息与岩体状态关联机理方面取得突破。参考文献：康红普.我国煤矿巷道锚杆支护技术发展60年及展望[J].中国矿业大学学报,2016.45(6)；康红普，王金华，林健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析[J].岩土力学与工程学报，2010.29(4):649-664；王茂源.煤矿锚杆支护设计混合智能系统研究[D].中国矿业大学(北京)，2016孙荣军.煤矿井下随钻测量技术及钻孔轨迹数据处理方法研究[D].煤炭科学研究部院，2009；杨金显，陈超，李志鹏.随钻测量用MIMU信号处理[J].测井技术.2015,39(6)；751-755。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要提供一种煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置及方法，通过该装置和方法可以分析确定围岩的强度参数。为实现此目的，本专利技术所设计的一种煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置，其特征在于：它包括现场主机、钻机、进尺测距激光器和随钻测试短节器，其中，进尺测距激光器安装在钻机的钻机液压伸缩支腿上，随钻测试短节器的钻机连接端安装在钻机的钻杆插口上，随钻测试短节器的钻杆连接端安装钻杆，钻机能通过随钻测试短节器带动钻杆钻进，且随钻测试短节器用于获取钻杆的扭矩信息、钻杆的推力信息、钻杆的转速信息；在钻机钻进时，进尺测距激光器能与钻机、随钻测试短节器和钻杆同步运动，进尺测距激光器用于测量钻杆往前钻进的距离；现场主机用于根据当前钻进时间内平均的钻杆扭矩信息、当前钻进时间内平均的钻杆推力信息、当前钻进时间内平均的钻杆转速信息、钻孔直径、当前钻进时间和当前钻进时间内钻杆往前钻进的距离信息计算围岩强度。一种煤矿随钻围岩力学参数原位测试方法，它包括如下步骤：步骤1：将钻机液压伸缩支腿设置在巷道围岩底板上，将钻机的底端安装在钻机液压伸缩支腿上，钻机的钻杆对巷道围岩顶板上的围岩6进行钻进；步骤2：在钻杆对巷道围岩顶板上的围岩进行初始钻进的过程中，获取当前钻进时间内平均的钻杆扭矩信息、当前钻进时间内平均的钻杆推力信息、当前钻进时间内平均的钻杆转速信息、钻孔直径、当前钻进时间和当前钻进时间内钻杆往前钻进的距离信息，并利用当前钻进时间内平均的钻杆扭矩信息、当前钻进时间内平均的钻杆推力信息、当前钻进时间内平均的钻杆转速信息、钻孔直径、当前钻进时间和当前钻进时间内钻杆往前钻进的距离信息计算煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置初始测量得到的围岩强度E1；对同一块岩石根据弹模测试仪测量的岩石强度，将对同一块岩石根据弹模测试仪测量的岩石强度与煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置初始测量得到的围岩强度的比值作为调整系数a；对巷道围岩顶板上的围岩进行后续钻进，同时，获取当前钻进时间内平均的钻杆扭矩信息、当前钻进时间内平均的钻杆推力信息、当前钻进时间内平均的钻杆转速信息、钻孔直径、当前钻进时间和当前钻进时间内钻杆往前钻进的距离信息，并利用当前钻进时间内平均的钻杆扭矩信息、当前钻进时间内平均的钻杆推力信息、当前钻进时间内平均的钻杆转速信息、钻孔直径、当前钻进时间和当前钻进时间内钻杆往前钻进的距离信息以及调整系数a计算围岩强度E。应用本专利技术可以实现煤矿随钻围岩力学参数原位测试，相比于现有的围岩力学参数设备及方法，本专利技术的有益效果主要表现在：采用本专利技术，可获得煤矿巷道周围6～8米范围内岩体的精细的地质条件；采用本专利技术，可以实时对巷道地质条件进行评价，现场即可给出评价结果；采用本专利技术，地质评价结果不受人为因素干扰；(所有评价结果是凭测试数据计算统计分析，与使用人员无关)采用本专利技术，不需增加地质勘查钻孔，(传统的巷道围岩的力学参数测试需要钻很多钻孔才能进行围岩测试)无额外成本，对生产进度无影响。附图说明图1为本专利技术中煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置的工作示意图；图2为本专利技术中随钻测试短节器的结构框图。其中，1—现场主机、2—随钻测试短节器、2.1—钻杆扭矩传感器、2.2—钻杆推力传感器、2.3—钻杆转速传感器、2.4—钻杆温度传感器、2.5—钻杆角度传感器、2.6—钻杆振动加速度传感器、2.7—单片机、2.8—通信模块、2.9—存储器、3—进尺测距激光器、4—钻机、5—钻杆、6—围岩、7—钻机液压伸缩支腿、8—巷道围岩底板、9—巷道围岩顶板。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明：煤岩地质力学参数随钻原位测试技术是一种对煤岩体钻孔过程中随钻参数实时监测的技术，其中随钻测试参数包括钻机转速、钻头扭力、钻杆推进力、钻杆的振动状态、钻孔角度、钻机输出功率、煤岩钻进速率、卡钻、跳钻和钻孔深度等。国内外众多学者的研究表明，随钻参数与岩体强度参数及岩体结构面参数具有密切的相关性，并推导验证了随钻参数快速预测围岩力学参数的定量关系。可以提供工程岩体质量评价完善和提升所需要的新的测量方法和数据，从而可以快速、有效、定量地测量到岩石块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置，其特征在于：它包括现场主机(1)、钻机(4)、进尺测距激光器(3)和随钻测试短节器(2)，其中，进尺测距激光器(3)安装在钻机(4)的钻机液压伸缩支腿(7)上，随钻测试短节器(2)的钻机连接端安装在钻机(4)的钻杆插口上，随钻测试短节器(2)的钻杆连接端安装钻杆(5)，钻机(4)能通过随钻测试短节器(2)带动钻杆(5)钻进，且随钻测试短节器(2)用于获取钻杆(5)的扭矩信息、钻杆(5)的推力信息、钻杆(5)的转速信息；/n在钻机(4)钻进时，进尺测距激光器(3)能与钻机(4)、随钻测试短节器(2)和钻杆(5)同步运动，进尺测距激光器(3)用于测量钻杆(5)往前钻进的距离；/n现场主机(1)用于根据当前钻进时间内平均的钻杆(5)扭矩信息、当前钻进时间内平均的钻杆(5)推力信息、当前钻进时间内平均的钻杆(5)转速信息、钻孔直径、当前钻进时间和当前钻进时间内钻杆(5)往前钻进的距离信息计算围岩强度。/n

【技术特征摘要】
1.一种煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置，其特征在于：它包括现场主机(1)、钻机(4)、进尺测距激光器(3)和随钻测试短节器(2)，其中，进尺测距激光器(3)安装在钻机(4)的钻机液压伸缩支腿(7)上，随钻测试短节器(2)的钻机连接端安装在钻机(4)的钻杆插口上，随钻测试短节器(2)的钻杆连接端安装钻杆(5)，钻机(4)能通过随钻测试短节器(2)带动钻杆(5)钻进，且随钻测试短节器(2)用于获取钻杆(5)的扭矩信息、钻杆(5)的推力信息、钻杆(5)的转速信息；
在钻机(4)钻进时，进尺测距激光器(3)能与钻机(4)、随钻测试短节器(2)和钻杆(5)同步运动，进尺测距激光器(3)用于测量钻杆(5)往前钻进的距离；
现场主机(1)用于根据当前钻进时间内平均的钻杆(5)扭矩信息、当前钻进时间内平均的钻杆(5)推力信息、当前钻进时间内平均的钻杆(5)转速信息、钻孔直径、当前钻进时间和当前钻进时间内钻杆(5)往前钻进的距离信息计算围岩强度。


2.根据权利要求1所述的煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置，其特征在于：所述随钻测试短节器(2)还用于获取钻杆(5)的相对于水平面的角度信息，现场主机(1)用于根据钻杆(5)的相对于水平面的角度信息来获取相同围岩的不同角度的围岩强度值，从而确定围岩强度的各相异性特性。


3.根据权利要求1所述的煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置，其特征在于：所述随钻测试短节器(2)还用于获取钻杆(5)钻进的三维振动加速度信息，三维振动加速度信息包括三维振动加速度幅度和振动的次数，现场主机(1)根据三维振动加速度幅度和振动的次数统计分析钻孔(5)钻进过程中出现的卡钻次数和卡钻程度，以及跳钻的次数和跳钻的程度，钻孔(5)钻进过程中出现的卡钻次数和卡钻程度，以及跳钻的次数和跳钻的程度用于分析围岩(6)的冲击地压情况。


4.根据权利要求1所述的煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置，其特征在于：所述现场主机(1)利用当前钻进时间内平均的钻杆(5)扭矩信息、当前钻进时间内平均的钻杆(5)推力信息、当前钻进时间内平均的钻杆(5)转速信息、钻孔直径、当前钻进时间和当前钻进时间内钻杆(5)往前钻进的距离信息，并根据如下公式计算围岩强度：






式中，E1为煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置初始测量得到的围岩强度、E为围岩强度、T为当前钻进时间内平均的钻杆(5)扭矩信息、F为当前钻进时间内平均的钻杆(5)推力信息、n为当前钻进时间内平均的钻杆(5)转速信息、D为钻孔直径、t为当前钻进时间、h为当前钻进时间内钻杆(5)往前钻进的距离信息、a为调整系数，该系数由对同一块岩石根据弹模测试仪测量的岩石强度与煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置初始测量得到的围岩强度的比值。


5.根据权利要求1所述的煤矿随钻围岩力学参数原位测试装置，其特征在于：所述随钻测试短节器(2)中内置有钻杆扭矩传感器(2.1)、钻杆推力传感器(2.2)、钻杆转速传感器(2.3)、钻杆温度传感器(2.4)、钻杆角度传感器(2.5)、钻杆振动加速度传感器(2.6)、单片机(2.7)、通信模块(2.8)，其中，钻杆扭矩传感器(2.1)、钻杆推力传感器(2.2)、钻杆转速传感器(2.3)、钻杆温度传感器(2.4)、钻杆角度传感器(2.5)、钻杆振动加速度传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鎏，陶凤娟，刘春生，向启安，付吉奎，杨炼，
申请(专利权)人：武汉长盛煤安科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42