一种用于冲击钻进的钻孔数据智能测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于冲击钻进的钻孔数据智能测量系统及方法，智能测量系统与钻机支架和重锤配合使用，重锤的后端连接有钢丝绳，钢丝绳穿过钻机支架顶端的导向滑轮后与钻机卷扬机连接；该测量系统包括移动钻孔数据管理平台以及测量装置，移动钻孔数据管理平台用于向测量装置发送冲击钻进的工作模式指令，并存储、显示及共享测量装置传回的钻孔数据；测量装置设置在导向滑轮处，包括压力传感器、声波接收传感器、单片机控制单元、无线通信单元、警示信号单元和供电单元。利用本发明专利技术，可以实现锤击及冲击钻探过程中钻孔数据智能自动实时测量及显示，并生成钻孔数据报告；提高钻孔数据测量的效率和精度，也同时提高钻探质量及效率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于冲击钻进的钻孔数据智能测量系统及方法
本专利技术属于岩土工程钻探领域，尤其是涉及一种用于冲击钻进的钻孔数据智能测量系统及方法。
技术介绍
对于钻孔深度等钻孔数据的测量，无论是岩土工程钻探领域还是油气、煤矿资源钻探领域，均没有十分有效、可靠的方法。在油气、煤矿资源钻探领域，钻孔主要采取回转转进方法，回转转进是借助钻杆带动钻具回转使钻头削磨岩土并使之破碎。回转转进中，主要是通过各种手段来测量钻孔内钻杆长度来间接测量孔深。主要有人工计算钻孔内钻杆长度获得钻孔深度、通过检测钻机推杆液压值来推算钻杆深度及孔深、基于光电编码器测量钻杆的位移得到钻孔深度数据、利用弹性波回波测距原理测量钻杆长度实现钻孔深度的测量等。公开号为CN202510098U的中国专利文献公开了一种牙轮钻机孔深监控装置，它包括中央控制器、声波收发单元、声波反射件、计数单元、掉电存储单元、继电器和人机对话单元，所述的计数单元、人机对话单元、掉电存储单元和继电器分别与中央控制器连接，所述的声波反射件通过声波与声波收发单元连接，声波收发单元与计数单元连接。在岩土工程钻探领域，钻孔所采用的钻进方法主要有冲击钻进和回转转进。冲击钻进方法分为锤击钻探和冲击钻探，两者均主要是借助钢丝绳起落重锤并靠重锤下落的冲击力来使钻头破碎岩土，钻进过程中两种钻探方式可以根据地层变化随时切换。现有工程钻探钻机均没有附带的钻孔深度自动测量装置，孔深的测量基本靠人工用米尺或是卷尺测量完成。该方法测量误差大、效率低、人为因素影响大，有时钻探工人为了工作量甚至会谎报、错报钻孔深度数据。而在钻探过程中，编录技术员需要掌握实时的钻孔深度来编录岩土资料、判断采取原状土样及进行原位测试的深度；钻机机长也需要根据地层岩性及地下水位的变化深度来调整钻探步骤、手段。另一方面，锤击取原状土试样时需要监控取土器的实时贯入度，以免贯入太多对进入取土器衬管内的原状土样形成挤压或贯入太少而不能满足室内土工试验对土试样长度的要求；取土器贯入度应从孔底即最近一个钻探回次最终钻孔深度起算，实际情况是孔底会存在残留浮土，而浮土厚度不应计入取土器贯入度，以保证所采取的试样为原状未扰动土试样。目前的做法是人工在钢丝绳上做记号，观察钢丝绳上所做记号的贯入度来推测钻孔内取土器的贯入度；且无有效手段来测量残留浮土的厚度保证取土器已经下放至孔底。因此传统方法可靠性低、效率低且存在缺陷。工程钻探领域的钻探设备普遍较为老旧，其结构构造近几十年基本上没有明显的改进。科学技术的不断发展将要求地质钻探设备应不断朝着自动化、智能化的方向发展。因此在工程钻探领域应该根据现有钻探设备及钻探方式的特点结合高新技术进行创新，使得钻孔数据的测量手段及方法更加自动、智能化。
技术实现思路
为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种用于冲击钻进的钻孔数据智能测量系统，可以实现锤击及冲击钻探过程中钻孔深度等数据智能自动实时测量及显示，提高钻孔深度测量的效率和精度，也同时提高钻探质量及效率。本专利技术的技术方案如下：一种用于冲击钻进的钻孔数据智能测量系统，该测量系统与钻机支架和重锤配合使用，所述重锤的后端连接有钢丝绳，钢丝绳穿过钻机支架顶端的导向滑轮后与钻机卷扬机连接；钻孔数据智能测量系统包括移动钻孔数据管理平台以及测量装置，所述的移动钻孔数据管理平台用于向测量装置发送冲击钻进的各种工作模式指令，并存储、显示及共享测量装置传回的钻孔数据并最终生成钻孔数据报告；所述的测量装置设置在导向滑轮处，具体包括：压力传感器，设置在导向滑轮的轴部，用于实时测量钢丝绳对导向滑轮轴部的压力，并将压力信号传输给单片机控制单元；声波接收传感器，设置在导向滑轮上，用于接收并识别从钻孔中沿钢丝绳传来的声波信号，并传输给单片机控制单元；单片机控制单元，分别与压力传感器和声波接收传感器电连接，用于在接收到压力信号小于设定的阈值时开始计时，中断压力传感器工作电路，并同时开启声波接收传感器工作电路；在接收到声波信号后，根据冲击钻进的工作模式计算钻孔数据，包括实时钻孔深度、钻进回次数、回次进尺和原状土试样采取深度等；无线电通信单元，与单片机控制单元连接，用于将单片机控制单元传来的钻孔数据传输至移动钻孔数据管理平台及接收来自移动钻孔数据管理平台的工作指令；警示信号单元，与单片机控制单元连接，包括警报器模块和信号灯模块，用于原状土试样采取模式下提醒钻探工人取样过程的终止。供电单元，用于给单片机控制单元、压力传感器、声波接收传感器、警示信号单元和无线电通信单元供电。本专利技术的智能测量系统通过收集分析钻机钻进过程中锤击或者冲击形成的沿钻头、重锤及起吊重锤钢丝绳传播的声波数据，记录其传播时间来计算获得钻孔实时孔深、钻进回次数、回次进尺和原状土试样采取深度等钻孔数据；获得的钻孔数据可在移动移动钻孔数据管理平台进行存储、显示，并可以将数据上传云端实现共享。冲击钻进的工作模式包括锤击钻探模式、冲击钻探模式和原状土试样采取模式。其中，锤击钻探模式时，重锤通过花管与钻头传力配合，所述的重锤活动插接于花管的内部，花管的闭口端与钻头固定；冲击钻探模式时，重锤通过连接体直接与钻头固定；原状土试样采取模式时，重锤通过花管与取土器传力配合，所述的重锤活动插接于花管的内部，花管的闭口端与取土器固定。锤击钻探模式和冲击钻探模式主要区别在于重锤的冲击力作用在钻头上的方式不同。锤击钻探主要适用于黏性土、粉土、砂土地层的钻探，冲击钻探主要适用于砂土、碎石土地层，钻孔深度一般均小于30m。钻探过程中两种钻探方式可以随时切换，主要取决于地层的类型。原状土试样采取模式与锤击钻探模式的工作原理相同，区别在于采取原状土试样时用厚壁取土器代替了圆筒状钻头。通过反复提升下落插接于花管内的重锤，使重锤在花管内反复锤击与花管的闭口端连接的厚壁取土器来获取原状土试样。警示信号单元在单片机控制单元检测到取土器结束取样时发出警示信号，提醒钻探工人取样过程的终止。所述的压力传感器由压力敏感元件和压力信号处理电路组成，压力敏感元件测量的压力信号经压力信号处理电路传输给单片机控制单元。所述的声波接收传感器包括声波信号接收器和声波信号处理电路，声波信号接收器接收到声源点发出的声波信号后，经声波信号处理电路放大、滤波、整形处理后传输给单片机控制单元。进一步地，所述的声波接收传感器设置在导向滑轮的钢丝绳限位架上，从而使声波接收传感器在工作过程中始终与钢丝绳相接触，更准确的接收钢丝绳传递过来的声波信号。所述的供电单元与单片机控制单元连接，并通过单片机控制单元上间接给压力传感器、声波接收传感器、无信通信单元、警示信号单元、无信通信单元进行供电。本专利技术还提供了一种用于冲击钻进的钻孔数据智能测量方法，采用上述自动测量系统，包括以下步骤：(1)将测量装置按要求安装在导向滑轮处；(2)根据地层的类型及钻探目的选择钻探工作模式，并使用移动钻孔数据管理平台向测量装置发送工作模式的指令，工作模式包括锤击本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于冲击钻进的钻孔数据智能测量系统，该测量系统与钻机支架和重锤配合使用，所述重锤的后端连接有钢丝绳，钢丝绳穿过钻机支架顶端的导向滑轮后与钻机卷扬机连接；其特征在于，钻孔数据智能测量系统包括移动钻孔数据管理平台以及测量装置，所述的移动钻孔数据管理平台用于向测量装置发送冲击钻进的各种工作模式指令，并存储、显示及共享测量装置传回的钻孔数据并最终生成钻孔数据报告；/n所述的测量装置设置在导向滑轮处，具体包括：/n压力传感器，设置在导向滑轮的轴部，用于实时测量钢丝绳对导向滑轮轴部的压力，并将压力信号传输给单片机控制单元；/n声波接收传感器，设置在导向滑轮上，用于接收并识别从钻孔中沿钢丝绳传来的声波信号，并传输给单片机控制单元；/n单片机控制单元，分别与压力传感器和声波接收传感器电连接，用于在接收到压力信号小于设定的压力阈值时开始计时，中断压力传感器工作电路，并同时开启声波接收传感器工作电路；在接收到声波信号后，根据冲击钻进的工作模式计算钻孔数据，包括实时钻孔深度、钻进回次数、回次进尺和原状土试样采取深度；/n无线电通信单元，与单片机控制单元连接，用于将单片机控制单元传来的钻孔数据传输至移动钻孔数据管理平台及接收来自移动钻孔数据管理平台的工作指令；/n警示信号单元，与单片机控制单元连接，包括警报器模块和信号灯模块，用于原状土试样采取模式下提醒钻探工人取样过程的终止；/n供电单元，用于给单片机控制单元、压力传感器、声波接收传感器、警示信号单元和无线电通信单元供电。/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于冲击钻进的钻孔数据智能测量系统，该测量系统与钻机支架和重锤配合使用，所述重锤的后端连接有钢丝绳，钢丝绳穿过钻机支架顶端的导向滑轮后与钻机卷扬机连接；其特征在于，钻孔数据智能测量系统包括移动钻孔数据管理平台以及测量装置，所述的移动钻孔数据管理平台用于向测量装置发送冲击钻进的各种工作模式指令，并存储、显示及共享测量装置传回的钻孔数据并最终生成钻孔数据报告；
所述的测量装置设置在导向滑轮处，具体包括：
压力传感器，设置在导向滑轮的轴部，用于实时测量钢丝绳对导向滑轮轴部的压力，并将压力信号传输给单片机控制单元；
声波接收传感器，设置在导向滑轮上，用于接收并识别从钻孔中沿钢丝绳传来的声波信号，并传输给单片机控制单元；
单片机控制单元，分别与压力传感器和声波接收传感器电连接，用于在接收到压力信号小于设定的压力阈值时开始计时，中断压力传感器工作电路，并同时开启声波接收传感器工作电路；在接收到声波信号后，根据冲击钻进的工作模式计算钻孔数据，包括实时钻孔深度、钻进回次数、回次进尺和原状土试样采取深度；
无线电通信单元，与单片机控制单元连接，用于将单片机控制单元传来的钻孔数据传输至移动钻孔数据管理平台及接收来自移动钻孔数据管理平台的工作指令；
警示信号单元，与单片机控制单元连接，包括警报器模块和信号灯模块，用于原状土试样采取模式下提醒钻探工人取样过程的终止；
供电单元，用于给单片机控制单元、压力传感器、声波接收传感器、警示信号单元和无线电通信单元供电。


2.根据权利要求1所述的用于冲击钻进的钻孔数据智能测量系统，其特征在于，冲击钻进的工作模式包括锤击钻探模式、冲击钻探模式和原状土试样采取模式。其中，锤击钻探模式时，重锤通过花管与钻头传力配合，所述的重锤活动插接于花管的内部，花管的闭口端与钻头固定；冲击钻探模式时，重锤通过连接体直接与钻头固定；原状土试样采取模式时，重锤通过花管与取土器传力配合，所述的重锤活动插接于花管的内部，花管的闭口端与取土器固定。


3.根据权利要求1所述的用于冲击钻进的钻孔数据智能测量系统，其特征在于，所述的压力传感器由压力敏感元件和压力信号处理电路组成，压力敏感元件测量的压力信号经压力信号处理电路传输给单片机控制单元。


4.根据权利要求1所述的用于冲击钻进的钻孔数据智能测量系统，其特征在于，所述的声波接收传感器包括声波信号接收器和声波信号处理电路，声波信号接收器接收到声源点发出的声波信号后，经声波信号处理电路放大、滤波、整形处理后传输给单片机控制单元。


5.根据权利要求1所述的用于冲击钻进的钻孔数据智能测量系统，其特征在于，所述的声波接收传感器设置在导向滑轮的钢丝绳限位架上。


6.根据权利要求1所述的用于冲击钻进的钻孔数据智能测量系统，其特征在于，所述的供电单元与单片机控制单元连接，并通过单片机控制单元上间接给压力传感器、声波接收传感器、警示信号单元、无信通信单元进行供电。


7.一种用于冲击钻进的钻孔数据智能测量方法，其特征在于，采用权利要求1～6任一所述的钻孔数据智能测量系统，包括以下步骤：
(1)将测量装置按要求安装在导向滑轮处；
(2)根据地层类型及钻探目的选择钻探工作模式，并使用移动钻孔数据管理平台向测量装置发送工作模式的指令，工作模式包括锤击钻探模式、冲击钻探模式和原状土试样采取模式；
(3)在钻孔钻进过程中，钻机支架顶部的导向滑轮轴部压力随着重锤的起落而变化，当压力传感器检测到压力值骤降到小于设定的压力阈值时，单片机控制单元内的计时器开始计时，中断压力传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海飞，肖锐，程铁洪，蔡冻，乐海洪，黄平，熊聪，黄磊，周丁，
申请(专利权)人：中国电建集团江西省电力设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：江西;36