【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统及其使用方法，属于室内钻探模拟。
技术介绍
1、在煤矿井下钻孔施工中，钻机能否高效钻进是影响煤矿井下钻孔施工效率的关键因素。对于底板钻孔施工而言，钻机由上往下钻进，煤矿底板钻进效率受多种因素影响，包括底板岩层的岩性、所处的应力以及孔内积水和孔内岩粉清扫不干净造成的泥化岩粉。底板钻孔施工在煤矿井下生产占据重要地位，施工过程中，只有明确岩石含水率、岩性、应力和钻进参数之间的响应特征以及这种响应特征如何影响钻进效率的，才能通过调整合适的钻机钻进参数来提高钻进效率。因此，开发一种实验室模拟系统研究底板岩层高效钻进的影响因素具有重要意义。
2、为了在室内模拟钻机钻进，中国专利文件cn112983252a公开了一种用于室内钻进模拟的顶驱式微钻实验平台，包括：通过动力头总成系统可以研究地质勘探中金刚石钻头直径和回转速度对钻进效率的影响，通过泥浆循环系统可以研究钻进过程中泥化岩粉对钻进效率的影响。该平台不能对岩石试件施加围压，因此无法研究不同围压情况对钻进效率的影响。
3、为了研究钻井工程中高温高压及钻井液体系对钻进速度影响，中国专利文件cn108952671a公开了一种多因素环境下的室内钻进模拟装置及评价方法，包括：通过岩心夹持系统中的承压外筒为岩样施加围压和上覆压力，电加热装置对岩样进行加温，来模拟井下高温高压环境对钻进效率的影响；通过高压钻井液往复循环装置和钻井液洗井装置，来研究不同钻井液处理剂及钻井液体系对钻进效率的影响。该装置可以记录钻机的钻进参数，但是不能同
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统，可以研究分析垂直钻进情况下影响高效钻进的关键因素。
2、本专利技术还提供上述基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统的使用方法。
3、本专利技术的技术方案如下：
4、一种基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统，包括垂直钻进系统、移动控制系统、围压加载系统和控制系统，其中，围压加载系统顶部设置有移动控制器，移动控制系统底部连接有垂直钻进系统，垂直钻进系统、移动控制系统和围压加载系统均连接有控制器；
5、围压加载系统包括第一反力架、第二反力架、围压加载油缸、固定油缸和加载板，第一反力架为矩形框架，第一反力架顶部设置有移动控制系统，第一反力架底部垂直固定设置有c型的第二反力架，第二反力架一侧和第一反力架一侧分别设置有固定油缸，第二反力架另一侧和第一反力架另一侧分别设置有围压加载油缸，固定油缸和围压加载油缸置于同一水平面，固定油缸和围压加载油缸输出轴上均设置有加载板。
6、根据本专利技术优选的，移动控制系统包括x向位移滑块、x向位移导轨、x向位移螺杆、x向电机、y向位移滑块、y向位移导轨、y向位移螺杆和y向电机，第一反力架顶部并列设置有2个x向位移导轨，2个x向位移导轨之间设置有x向位移螺杆，x向位移螺杆一端连接有x向电机，x向位移导轨上滑动设置有x向位移滑块，x向位移滑块内螺纹连接有x向位移螺杆，x向位移滑块下侧并列设置有2个y向位移导轨，2个y向位移导轨之间设置有y向位移螺杆，y向位移螺杆一端连接有y向电机，y向位移导轨上滑动设置有y向位移滑块，y向位移滑块内螺纹连接有y向位移螺杆，y向位移滑块下侧设置有垂直钻进系统。
7、根据本专利技术优选的，垂直钻进系统包括进给油缸、钻机、钻杆和钻头，进给油缸顶部连接有移动控制系统，进给油缸底部输出轴上设置有钻机，钻机输出端通过套筒连接有钻杆，钻杆末端设置有钻头。
8、根据本专利技术进一步优选的，进给油缸底部输出轴与钻机之间设置有动态扭矩速度传感器，监测钻杆的输出扭矩和钻杆转速，进给油缸一侧设置有拉线位移传感器，监测钻杆位移，围压加载油缸和进给油缸上均设置有油压传感器，方便确定压力加载值。
9、根据本专利技术优选的，钻杆内部中空，套筒螺纹连接有注水管道，注水管道通过套筒向钻杆中空部分注水，完成对试件的湿式钻进。
10、根据本专利技术优选的，第二反力架底侧设置有凹槽，凹槽内设置有承载板，承载板和第二反力架上设置有对应的贯穿通孔，凹槽深度大于承载板厚度，可以收集钻杆钻进试件时流出的水，第二反力架下方的第一反力架内设置有水池，水池通过水管外接污水收集桶，水池收集钻进过程中的水并通过水管排出，水池上设置有滤网，过滤钻进试件时的岩屑。
11、上述基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统的使用方法，干燥钻进打孔步骤如下：
12、(1)制作试件：从工程现场分别采集具有不同力学性质和不同含水率的大块软岩岩块，将大块软岩岩块处理为大小为300mm×300mm×300mm的正方体原岩试件，工程现场取得的软岩具有一定的水分，制作的试件烘干后称重，根据含水率的计算公式测得原岩试件的含水率，制作具有不同含水率和不同力学性质的软岩试件若干块；
13、采用不同配比的水泥、河砂和水浇筑具有不同力学性质的300mm×300mm×300mm的正方体浇筑试件，将制作好的浇筑试件，放置水中，根据放置时间不同,含水率不同，制作具有不同含水率的浇筑试件若干块；
14、取不同含水率或不同力学性质的原岩试件和浇筑试件各1块进行取芯，每块试件取芯3次并进行单轴压缩实验，取3次实验结果的平均值得到试件的岩体力学性质参数，包括单轴抗压强度和弹性模量；
15、(2)放置试件：将完整的含水率相同，力学参数不同的原岩试件或浇筑试件放在承载板上，固定油缸伸长接触试件，然后围压加载油缸伸长，当加载板接触到试件后停止围压加载；
16、(3)钻进试件：通过移动控制系统调节钻机位置，然后启动钻机，设定给进速度和旋转速度，控制进给油缸伸长，使钻杆沿垂直方向缓慢移向试件，对试件完成钻进作业；通过油压传感器、拉线位移传感器和动态扭矩速度传感器采集钻进过程中的钻进参数，包括：位移、进给压力、旋转压力、扭矩、功率、给进速度和旋转速度；位移是指钻杆钻进深度，进给压力指给进油缸的液压油压力，旋转压力是指马达液压油压力，旋转压力和进给压力都由传感器测量，功率是指供电的功率，给进速度是指给进机构在钻进中送进钻具的速度，旋转速度是指主方向的转速；
17、(4)通过钻进含水率相同力学参数不同的原岩和浇筑试件，获得对应的钻进参数，研究钻进过程不同岩性与钻进参数间的响应特征规律。
18、根据本专利技术优选的，根据现场不同深度岩石所受围压不同，模拟现场钻进不同深度试件所受围压不同的情况，在围压加载系统放入含水率和力学性质相同的试件，对试件施加不同围压，研究试件所受围压与钻进参数间的响应特征规律；
19、保持一定的围压，在围压加载系统放置不同含水率的原岩和浇筑试件，研究钻进过程中岩石含水率与钻进参数间的响应特征规律；
20、放置具有相同含水率或相同力学性质的试件，对钻机设置不同的进给压力、旋转压力、扭矩、钻进速度和旋转速度等钻进参数，研究不同钻本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统，其特征在于，包括垂直钻进系统、移动控制系统、围压加载系统和控制系统，其中，围压加载系统顶部设置有移动控制器，移动控制系统底部连接有垂直钻进系统，垂直钻进系统、移动控制系统和围压加载系统均连接有控制器；
2.如权利要求1所述的基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统，其特征在于，移动控制系统包括X向位移滑块、X向位移导轨、X向位移螺杆、X向电机、Y向位移滑块、Y向位移导轨、Y向位移螺杆和Y向电机，第一反力架顶部并列设置有2个X向位移导轨，2个X向位移导轨之间设置有X向位移螺杆，X向位移螺杆一端连接有X向电机，X向位移导轨上滑动设置有X向位移滑块，X向位移滑块内螺纹连接有X向位移螺杆，X向位移滑块下侧并列设置有2个Y向位移导轨，2个Y向位移导轨之间设置有Y向位移螺杆，Y向位移螺杆一端连接有Y向电机，Y向位移导轨上滑动设置有Y向位移滑块，Y向位移滑块内螺纹连接有Y向位移螺杆，Y向位移滑块下侧设置有垂直钻进系统。
3.如权利要求2所述的基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统，其特征在于，垂直钻进系统包括进给油缸、钻机、钻杆和钻头，
4.如权利要求3所述的基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统，其特征在于，进给油缸底部输出轴与钻机之间设置有动态扭矩速度传感器，进给油缸一侧设置有拉线位移传感器，围压加载油缸和进给油缸上均设置有油压传感器。
5.如权利要求4所述的基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统，其特征在于，钻杆内部中空，套筒螺纹连接有注水管道。
6.如权利要求5所述的基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统，其特征在于，第二反力架底侧设置有凹槽，凹槽内设置有承载板，承载板和第二反力架上设置有对应的贯穿通孔，凹槽深度大于承载板厚度，第二反力架下方的第一反力架内设置有水池，水池通过水管外接污水收集桶，水池上设置有滤网。
7.如权利要求6所述的基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统的使用方法，其特征在于，干燥钻进打孔步骤如下：
8.如权利要求7所述的基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统的使用方法，其特征在于，在围压加载系统放入含水率和力学性质相同的试件，对试件施加不同围压，研究试件所受围压与钻进参数间的响应特征规律；
9.如权利要求7所述的基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统的使用方法，其特征在于，湿式钻进打孔时，步骤(3)为，通过移动控制系统调节钻机位置，然后启动钻机，设定给进速度和旋转速度，控制进给油缸伸长，使钻杆沿垂直方向移向试件，当钻头距离试件1-5cm
...【技术特征摘要】
1.一种基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统，其特征在于，包括垂直钻进系统、移动控制系统、围压加载系统和控制系统，其中，围压加载系统顶部设置有移动控制器，移动控制系统底部连接有垂直钻进系统，垂直钻进系统、移动控制系统和围压加载系统均连接有控制器；
2.如权利要求1所述的基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统，其特征在于，移动控制系统包括x向位移滑块、x向位移导轨、x向位移螺杆、x向电机、y向位移滑块、y向位移导轨、y向位移螺杆和y向电机，第一反力架顶部并列设置有2个x向位移导轨，2个x向位移导轨之间设置有x向位移螺杆，x向位移螺杆一端连接有x向电机，x向位移导轨上滑动设置有x向位移滑块，x向位移滑块内螺纹连接有x向位移螺杆，x向位移滑块下侧并列设置有2个y向位移导轨，2个y向位移导轨之间设置有y向位移螺杆，y向位移螺杆一端连接有y向电机，y向位移导轨上滑动设置有y向位移滑块，y向位移滑块内螺纹连接有y向位移螺杆，y向位移滑块下侧设置有垂直钻进系统。
3.如权利要求2所述的基于数字钻探的煤岩高效钻进模拟系统，其特征在于，垂直钻进系统包括进给油缸、钻机、钻杆和钻头，进给油缸顶部连接有移动控制系统，进给油缸底部输出轴上设置有钻机，钻机输出端通过套筒连接有钻杆，钻杆末端设置有钻头。
4.如权利要求3所述的基于数字钻...
【专利技术属性】
技术研发人员：郝清旺，栾恒杰，陈建刚，刘建康，贾良杰，蒋宇静，张勇，白宗萌，王均明，刘统申，付立志，王敏，张联升，张小平，孙昭，
申请(专利权)人：内蒙古上海庙矿业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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