一种煤矿钻进偏离预警传感器系统和钻进纠偏方法技术方案

本发明专利技术提供了一种煤矿钻进偏离预警传感器系统和钻进纠偏方法，涉及采矿工程和定向钻孔技术领域。该系统包括无线传感器、控制器、钻头、旋转联轴器、连接头、钻杆和钻机，钻杆和钻机相连，钻杆端部设置有连接头，连接头和旋转联轴器连接，钻转联轴器与钻头相连，钻头上设置有风孔；钻杆之间通过套管连接，套管内均设置有无线传感器；各个无线传感器之间传递测量信息，钻孔孔口位置设置的信号接收器接收无线传感器的信号后判断钻头的钻进轨迹偏差，控制器根据轨迹偏差控制旋转联轴器和密封开关；风机通过钻杆供风，钻头上的风孔出风软化破煤，调整钻进角度。利用该钻机完成钻孔纠偏的方法方便了实时监控钻进轨迹，减少了信号衰减，保证了钻进精度。

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿钻进偏离预警传感器系统和钻进纠偏方法
本专利技术涉及采矿工程和定向钻孔
，尤其是一种煤矿钻进偏离预警传感器系统和钻进纠偏方法。
技术介绍
在煤矿开采水平钻进过程中，可能会钻进上百米甚至上千米的近水平孔的钻孔，钻进过程中必然会产生钻孔偏离水平方向的偏斜，有时甚至会发生钻孔相互交叉的情况。实际钻孔轨迹发生偏离的影响因素主要是包括煤层地质条件及结构构造、技术因素、钻具自重、钻进工艺和钻进参数以及设备问题和人员等。由于煤层的非均质性与各向异性，煤层地质条件及结构构造对钻孔的特征及性质有着较大的影响，在钻进过程中由于孔底受力不均衡容易引起力矩倾倒从而导致钻孔偏离。其中由于技术因素导致的钻孔偏离可以分为两类，一是由于钻具与钻机之间不具备适配性导致钻杆与钻孔中心没有对齐，或者采用的钻杆与碎岩工具丝扣不同心等；二是钻杆及其他钻进工具的刚度结构特性，其偏斜强度随钻具长度增加与直径的减小降低。钻进过程中钻孔偏离不仅会使煤矿开采效果不佳，更严重的还会产生钻孔空白带，使得后续煤矿开采作业存在巨大风险，导致矿山灾害事故发生。因此，为了准确地进行煤层钻孔和，必须在钻孔产生偏离时引起足够的重视，并通过有效的技术和措施来保证近水平钻孔按照设计轨迹进行。利用回转钻机进行煤矿施工钻孔时，如果钻进时实际开孔参数与原定设计的开孔参数一致，则钻孔成孔轨迹就会与原定轨迹方向保持一致，如果钻进延伸方向和原定的钻孔轨迹方向无法保持一致时，那么此时钻孔必然会发生偏离。在实际煤矿现场钻孔施工过程中，受煤层地质条件、钻具结构以及自重等各种因素的影响，而钻孔偏离原定轨迹则是由于钻孔的力学条件、位置条件和空间条件。力学条件是指钻进过程中，钻头唇面与孔底接触的轴向受力不平衡，钻孔钻速差导致孔底平面产生不对称、不均匀的破碎，且有研究表明，钻进偏离的角度会随着切削速度的增大而增大；另外粗径钻具的歪倒会使得钻孔轨迹偏离原来的中心轴线，导致钻机所给进的钻压产生一定的偏离角度，无法沿着原定轴线方向施加给钻头，轴向破碎孔底的压力作用和径向孔壁的侧向力作用使孔底破碎不对称产生钻孔偏离。空间条件是指粗径钻杆钻具与孔壁之间存在的间隙，只有粗径钻具的轴压作用偏离原钻孔轴线时，与孔壁产生间隙，粗径钻杆钻具才有偏离倾斜的空间。位置条件则是指钻机对钻头作用力的方向固定、相对大小固定以及偏离的方向固定。力学条件和空间条件是钻进轴线方向上有可能发生偏离钻孔轴线的必要条件，但并不是钻头轴线方向上偏离钻孔轴线的全部条件。只有同时有力学条件、空间条件、位置条件，才会最终发生钻头轴线偏离钻孔轴线。因为只有在钻机给定的作用力方向和相对大小以及偏离方向均固定后，才能造成钻头轴线向固定的作用力方向、钻速差方向以及偏离方向的偏斜。目前，现有技术中主要根据钻头在孔内的受力情况，采用钻具组合来实现轨迹保直或者控向。国外主要采用孔底动力的方式来进行钻孔控向。而目前已出现水力纠偏技术控制钻孔导向，其方法是利用正常钻进配套泥浆泵提供的水流通过专用钻具形成能够破碎煤岩的高速淹没射流的方法进行钻孔导向。而在普通煤层气水平钻孔施工现场，一般使用水钻和风钻两种形式，因此，本文拟采用风力纠偏的方式，利用井下风机提供的风流通过专用钻具实现在预定方向上的定向风力破碎煤岩，在钻进方向上的孔底平面上形成破碎难易度不同软硬不同的煤岩结构，引导后续钻孔沿预定的“软”方向偏转，即利用风钻凿煤，进而实现近水平孔钻孔纠偏的目的。无线传感器在煤矿开采施工现场的复杂环境中所传输出的信号，会随着传输距离的增大，受到各种复杂干扰，无线传感器发送的有效信号极易湮没。实时掌握钻孔偏差角度，解决无线传感器有效信号传送以及风力纠偏，有助于煤矿开采的科学设计和施工，及时发现和纠正钻孔偏差，对于矿井安全生产具有重要意义。
技术实现思路
为了实时监控钻进轨迹，减少无线信号衰减，保证钻进精度，本专利技术提供了一种煤矿钻进偏离预警传感器系统和钻进纠偏方法，具体的技术方案如下。一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，包括无线传感器、控制器、钻头、旋转联轴器、连接头、钻杆、风机和钻机，钻杆和钻机相连，钻杆端部设置有连接头，连接头和旋转联轴器连接，钻转联轴器与钻头相连，钻头上设置有风孔；钻杆之间通过套管连接，套管内均设置有无线传感器；各个无线传感器之间传递测量信息，钻孔孔口位置设置的信号接收器接收无线传感器的信号，计算机判断钻头的钻进轨迹偏差，控制器根据轨迹偏差控制旋转联轴器和密封开关；风机连通钻杆并供风，钻头上的风孔出风软化破煤，调整钻进角度。优选的是，套管内设置有掏槽，无线传感器固定在掏槽内，所述无线传感器外侧还包裹有密封罩；无线传感器测量相连钻杆之间的方位偏差。优选的是，无线传感器包括电路板，电路板上配置有电源、信号发射器、控制电路模块和采集电路模块，电路板的电源为控制电路模块和采集电路模块供电，控制电路模块包括方位信号接收电路、信号调节器、低通滤波器和单片机，信号调节器和低通滤波器对输出信号进行处理，标准信号输入单片机，单片机解析信号并控制无线信号传感器的指示灯工作；采集电路模块包括A/D转换器和风压采集电路，A/D转换器将监测信号转换为数字信号，风压采集电路监测输出的风压；信号发射器发送数字信号。还优选的是，各个所述无线传感器设置有编号，无线传感器优先接收并处理相邻布置的无线传感器发送的数字信号。还优选的是，无线传感器监测相连两节钻杆之间的方位角，所述旋转联轴器控制钻头上风孔的朝向。进一步优选的是，钻头和钻杆在单轴饱和抗压强度大于30MPa的煤岩层中钻进，形成孔道；钻进过程中钻机向孔道内注水对钻头降温。进一步优选的是，风力压强平衡的计算公式为：其中PF为风力压强，PL为水汽压强，α为水的表面张力系数，μ为水的黏性系数，R为风在钻杆中的半径，为风在钻杆中对时间的一阶导即速度。进一步优选的是，钻口外风压的计算公式为：其中，ρ为风压的流量密度，P∞为距离钻头口处风压远端的压强，为风在钻杆中对时间的二阶导即加速度。一种煤矿钻进偏离预警及钻进纠偏的方法，利用上述的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，步骤包括：S1.连接钻头和钻杆，钻杆之间通过套管连接，套管内配置无线传感器；S2.钻机控制钻头和钻杆钻进形成孔道，钻进过程中无线传感器监测钻杆的受力并对相邻钻杆之间进行方位测量；S3.无线传感器之间传递测量信息，钻孔孔口位置设置的信号接收器接收无线传感器的信号，计算机判断钻头的钻进轨迹偏差；S4.根据计算机的判断结果输出钻进偏离监测结果，指示灯发出预警信号；S5.钻机根据偏离角度控制旋转联轴器转动，调节风孔的朝向；S6.高速风机输入高压风，风孔朝向预定的钻进方向软化煤岩体；S7.钻机继续控制钻头和钻杆钻进，钻头沿软化后的煤岩体方向钻进。还进一步优选的是，无线传感器监测相邻钻杆的偏差角度，多个无线传感器测量的偏差角度拟合钻杆整体的轨迹偏差。本专利技术提供的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统和钻进纠偏方法有益效果包括：(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，其特征在于，包括无线传感器、控制器、钻头、旋转联轴器、连接头、钻杆、风机和钻机，所述钻杆和钻机相连，钻杆端部设置有连接头，连接头和旋转联轴器连接，钻转联轴器与钻头相连，钻头上设置有风孔；所述钻杆之间通过套管连接，套管内均设置有无线传感器；各个所述无线传感器之间传递测量信息，钻孔孔口位置设置的信号接收器接收无线传感器的信号，计算机判断钻头的钻进轨迹偏差，所述控制器根据轨迹偏差控制旋转联轴器和密封开关；所述风机连通钻杆并供风，钻头上的风孔出风软化破煤，调整钻进角度。/n

【技术特征摘要】
1.一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，其特征在于，包括无线传感器、控制器、钻头、旋转联轴器、连接头、钻杆、风机和钻机，所述钻杆和钻机相连，钻杆端部设置有连接头，连接头和旋转联轴器连接，钻转联轴器与钻头相连，钻头上设置有风孔；所述钻杆之间通过套管连接，套管内均设置有无线传感器；各个所述无线传感器之间传递测量信息，钻孔孔口位置设置的信号接收器接收无线传感器的信号，计算机判断钻头的钻进轨迹偏差，所述控制器根据轨迹偏差控制旋转联轴器和密封开关；所述风机连通钻杆并供风，钻头上的风孔出风软化破煤，调整钻进角度。


2.根据权利要求1所述的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，其特征在于，所述套管内设置有掏槽，无线传感器固定在掏槽内，所述无线传感器外侧还包裹有密封罩；无线传感器测量相连钻杆之间的方位偏差。


3.根据权利要求1所述的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，其特征在于，所述无线传感器包括电路板，电路板上配置有电源、信号发射器、控制电路模块和采集电路模块，电路板的电源为控制电路模块和采集电路模块供电，控制电路模块包括方位信号接收电路、信号调节器、低通滤波器和单片机，信号调节器和低通滤波器对输出信号进行处理，标准信号输入单片机，单片机解析信号并控制无线信号传感器的指示灯工作；采集电路模块包括A/D转换器和风压采集电路，A/D转换器将监测信号转换为数字信号，风压采集电路监测输出的风压；信号发射器发送数字信号。


4.根据权利要求3所述的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，其特征在于，各个所述无线传感器设置有编号，无线传感器优先接收并处理相邻布置的无线传感器发送的数字信号。


5.根据权利要求4所述的一种煤矿钻进偏离预警传感器系统，其特征在于，所述无线传感器监测相连两节钻杆之间的方位角，所述旋转联轴器控制钻头上的风孔朝向。


6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭健，郭伟耀，郑雅华，赵同彬，谭云亮，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37