一種巖石模擬鉆進(jìn)與測(cè)試裝置及使用方法
【專利摘要】一種巖石模擬鉆進(jìn)與測(cè)試裝置，由模擬鉆進(jìn)系統(tǒng)與測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成。所述模擬鉆進(jìn)系統(tǒng)的主體由C616-1型車床改進(jìn)而成，安裝有鉆頭的鉆桿通過一旋轉(zhuǎn)密封輸水器裝夾在三爪卡盤上，巖石試件由固定裝置安裝在溜板上，鉆進(jìn)過程中分別由車床主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制鉆頭轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度，由手輪調(diào)節(jié)鉆孔位置。所述測(cè)試系統(tǒng)由安裝于兩根鉆桿之間的傳感器組和控制柜組成，鉆進(jìn)過程中由傳感器采集轉(zhuǎn)速、推力、扭矩、位移信號(hào)，經(jīng)信號(hào)電纜傳輸至控制柜中的工控機(jī)進(jìn)行處理并輸出。此外，本發(fā)明還涉及利用該裝置進(jìn)行巖石鉆進(jìn)與測(cè)試的方法。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣、準(zhǔn)確度高，安全可靠，可廣泛用于巖石鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。
【專利說明】一種巖石模擬鉆進(jìn)與測(cè)試裝置及使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉一種巖石模擬鉆進(jìn)與測(cè)試裝置及使用方法，具體涉及一種在巖石模擬鉆進(jìn)過程中，對(duì)轉(zhuǎn)速，扭矩，推力和軸向位移進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的測(cè)試裝置，特別適用于實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)進(jìn)行巖石模擬鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)相關(guān)鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與優(yōu)化。
【背景技術(shù)】
[0002]我國煤炭生產(chǎn)中，煤與瓦斯突出事故的大量存在嚴(yán)重影響著煤礦安全生產(chǎn)。石門揭煤穿層作業(yè)后進(jìn)行瓦斯抽采可以大幅度的減少煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，鉆孔抽采瓦斯是煤礦井下瓦斯抽采的關(guān)鍵措施。在煤礦井下，鉆孔經(jīng)常要穿過巖層或者煤層，這就對(duì)巖石鉆進(jìn)過程中相關(guān)參數(shù)的確定提出了要求。同時(shí)，在其它工程領(lǐng)域(如石油鉆井，隧道開挖)內(nèi)均存在這巖石鉆進(jìn)的問題。為了能高效、快速、安全的進(jìn)行巖石鉆進(jìn)工作，必須對(duì)鉆進(jìn)過程中嚴(yán)重制約著鉆進(jìn)效果的相關(guān)鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行選擇優(yōu)化，如鉆進(jìn)過程中的轉(zhuǎn)速、扭矩、推力和軸向位移。然而，由于井下條件復(fù)雜多變，使得在礦井下進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量難度較大。為此，有必要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以推廣到實(shí)際操作中。為此，已經(jīng)有研究者對(duì)巖石鉆進(jìn)過程中的參數(shù)測(cè)量方法做出了研究。如專利文獻(xiàn)CN 102140889 A公告的《一種水平井隨鉆測(cè)井地質(zhì)導(dǎo)向方法》，利用了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)繪制了測(cè)井曲線圖，從而確定鉆頭在目的層中的實(shí)際位置；專利文獻(xiàn)CN 201367895Y公告的《多相位補(bǔ)償隨鉆電阻率測(cè)井儀器》通過獲得不同探測(cè)深度的地層電阻率測(cè)井曲線，可以進(jìn)行含油飽和度、滲透率、鉆井液浸入、油層厚度的計(jì)算；專利文獻(xiàn)CN 101029866 B公告的《翼肋伸縮式隨鉆密度測(cè)井儀》則可以適應(yīng)不同的井眼，保證儀器貼合井壁的情況下進(jìn)行密度測(cè)量。但這些研究仍存在著以下缺點(diǎn):
(I)大多數(shù)的公開文獻(xiàn)都集中在石油工程領(lǐng)域，在礦業(yè)領(lǐng)域的研究較少。且它們大多運(yùn)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，對(duì)室內(nèi)巖石鉆進(jìn)過程的模擬和參數(shù)測(cè)量的研究較少。
[0003](2)以上公開專利均是對(duì)周圍巖層進(jìn)行測(cè)量，如密度、電阻率等，而沒有在巖石鉆進(jìn)過程中對(duì)于鉆井系統(tǒng)本身的鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，如轉(zhuǎn)速、扭矩、推力和軸向位移；
(3)以上專利均是被動(dòng)的對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，而不能對(duì)所測(cè)量參數(shù)進(jìn)行控制，不具有可調(diào)可控的特點(diǎn)，且測(cè)量范圍較小，不利于進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，針對(duì)煤礦井下穿巖層鉆孔過程中鉆進(jìn)參數(shù)需要優(yōu)化的實(shí)際情況，在普通機(jī)床(如C616-1車床)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)發(fā)明了一套巖石模擬鉆進(jìn)與測(cè)試裝置。該系統(tǒng)可以在室內(nèi)進(jìn)行巖石鉆進(jìn)的過程模擬，同時(shí)可以高效、準(zhǔn)確的測(cè)量巖石鉆進(jìn)過程中的轉(zhuǎn)速、扭矩、推力和軸向位移，為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行鉆頭優(yōu)化，鉆進(jìn)過程的參數(shù)優(yōu)化提供了真實(shí)可靠的測(cè)量手段。
[0005]本發(fā)明所述的一種巖石模擬鉆進(jìn)與測(cè)試裝置，主要由巖石模擬鉆進(jìn)系統(tǒng)與測(cè)試系統(tǒng)兩部分組成。
[0006]所述模擬鉆進(jìn)系統(tǒng)的主體是一改進(jìn)的車床，在車床的主軸前端的三爪卡盤裝夾高壓旋轉(zhuǎn)密封輸水器，高壓旋轉(zhuǎn)密封輸水器上安裝鉆桿和鉆頭，高壓旋轉(zhuǎn)密封輸水器上的接口通過管路連接磨料自動(dòng)供給裝置；車床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)前端連接一固定裝置，用于固定安裝巖石試件；鉆進(jìn)過程中分別由車床主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制鉆頭轉(zhuǎn)速與進(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度；
所述測(cè)試系統(tǒng)由控制柜和安裝于前端鉆桿和后端鉆桿之間的傳感器組組成，鉆進(jìn)過程中由傳感器采集轉(zhuǎn)速、推力、扭矩、位移信號(hào)，經(jīng)信號(hào)電纜傳輸至控制柜中的工控機(jī)進(jìn)行處理并輸出。
[0007]所述傳感器包含轉(zhuǎn)速、推力、扭矩、位移傳感器各一個(gè)，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速、推力、扭矩、位移信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。
[0008]所述控制柜包括信號(hào)采集卡、處理單元及帶有測(cè)試單元的工控機(jī)，用以對(duì)采集信號(hào)的米集、處理與輸出。
[0009]利用上述巖石模擬鉆進(jìn)與測(cè)試裝置進(jìn)行巖石鉆進(jìn)與測(cè)試的方法，其包括以下步驟:
第一步，將高壓旋轉(zhuǎn)密封輸水器、高壓密封鉆桿、傳感器和配套鉆頭，以及鉆進(jìn)的巖石試件依次安裝在巖石模擬鉆進(jìn)系統(tǒng)上，并且打開測(cè)試系統(tǒng)；
第二步，通過車床的位置調(diào)節(jié)手柄調(diào)整固定裝置的位置，使放置巖石的固定裝置的移動(dòng)速度適當(dāng)；(進(jìn)給速度為1-3米/分鐘)；
第三步，主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)手柄調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速，使得高壓密封鉆桿獲得需研究工況下的轉(zhuǎn)速；(可提供有12級(jí)轉(zhuǎn)速，45- 1980轉(zhuǎn)/每分鐘)；
第四步，進(jìn)行巖石模擬鉆進(jìn)工作，并收集傳感器信號(hào)；
第五步，將數(shù)據(jù)傳至測(cè)試系統(tǒng)的工控機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并輸出巖石模擬鉆進(jìn)過程中的轉(zhuǎn)速，扭矩，推力和軸向位移參數(shù)。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有點(diǎn):
(I)鉆進(jìn)巖石的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分別由車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)與進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)完成，即鉆頭在主傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由進(jìn)給傳統(tǒng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)巖石固定裝置作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
[0011](2)該裝置可充分利用車床主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度在大變化范圍內(nèi)可調(diào)、可控的優(yōu)點(diǎn)，可完成不同鉆進(jìn)參數(shù)下的室內(nèi)模擬鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)。
[0012](3)該裝置可以高效的測(cè)量模擬巖石鉆進(jìn)過程，并準(zhǔn)確測(cè)量鉆進(jìn)過程中的轉(zhuǎn)速，扭矩，推力和軸向位移。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的巖石模擬鉆進(jìn)系統(tǒng)示意圖
圖1中:1_位置調(diào)節(jié)手柄；2-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)手柄；3_三爪卡盤；4_高壓旋轉(zhuǎn)密封輸水器；5-傳感器組；61_前端鉆桿；62_后端鉆桿；7-鉆頭；8_固定裝置；9_信號(hào)電纜；10_控制柜。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0015]參見圖1，本發(fā)明主要由巖石模擬鉆進(jìn)系統(tǒng)與測(cè)試系統(tǒng)兩部分組成。[0016]巖石模擬鉆進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主體由一臺(tái)C616-1車床改裝而來。在原C616-1普通車床的基礎(chǔ)上，主要對(duì)以下部件進(jìn)行改進(jìn):
(1)充分利用車床的三爪卡盤3，用于固定后端鉆桿62；
(2)去除原車床尾座體部分，在此位置增加與進(jìn)給機(jī)構(gòu)連接的固定裝置8，用于模擬巖石鉆進(jìn)過程中固定巖石試件，巖石試件由固定裝置安裝在溜板上。
[0017](3)在前端鉆桿61和后端鉆桿62之間的安裝傳感器組5，通過傳感器接頭螺紋連接，用于連接巖石模擬鉆進(jìn)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)，并且采集相關(guān)數(shù)據(jù)。
[0018](4)利用了位置調(diào)節(jié)手柄1，為原C616-1車床具有的裝置，在測(cè)試過程中用于調(diào)節(jié)固定裝置8的位置，以便于進(jìn)行巖石模擬鉆進(jìn)工作。
[0019](5)利用了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)手柄2，也是原C616-1車床具有的部件，在測(cè)試過程中用于調(diào)節(jié)鉆桿的轉(zhuǎn)速，以控制轉(zhuǎn)速并進(jìn)行測(cè)量工作。
[0020]另外，在上述結(jié)構(gòu)中還安裝了:
高壓旋轉(zhuǎn)密封輸水器4，安裝在三爪卡盤上3，在測(cè)試中用于連接鉆桿和高壓水泵(未標(biāo)出)，并且承擔(dān)輸送高壓水，提供進(jìn)行巖石鉆進(jìn)工作時(shí)水源的工作。
[0021]鉆桿為煤礦井下常用的高壓密封鉆桿，用來提供巖石鉆進(jìn)過程中所需的扭矩，并輸送介質(zhì)。直徑通常為50mm、63.5mm和73mm。
[0022]鉆頭7鉆頭 為各類鉆頭，用于進(jìn)行破巖工作。須與前述鉆桿配套使用。
[0023]磨料水射流發(fā)生裝置，通過管路連接高壓旋轉(zhuǎn)密封輸水器4上的接口，可采用已知技術(shù)或發(fā)明專利【CN 103100984 A】公開的磨料自動(dòng)供給裝置。
[0024]測(cè)試系統(tǒng)主要由信號(hào)傳感器組5和控制柜組成。信號(hào)采集卡、處理單元及帶有測(cè)試單元的工控機(jī)均放置于控制柜10中:
信號(hào)傳感器組5包括轉(zhuǎn)速、扭矩、推力和軸向位移傳感器各一個(gè)，直接安裝在高壓密封鉆桿上，用以直接收集電信號(hào)等原始數(shù)據(jù)。
[0025]本發(fā)明可以進(jìn)行在純水射流，自動(dòng)加料與磨料水射流三種作業(yè)情況下的巖石鉆進(jìn)過程模擬試驗(yàn)，并測(cè)試模擬鉆進(jìn)過程中的轉(zhuǎn)速、推力、扭矩、位移參數(shù)。以純水射流巖石鉆進(jìn)過程模擬試驗(yàn)為例，進(jìn)行說明:
第一步，將高壓旋轉(zhuǎn)密封輸水器4，前端鉆桿61、后端鉆桿62，傳感器組5和配套鉆頭4，以及鉆進(jìn)的巖石依次安裝在巖石模擬鉆進(jìn)系統(tǒng)上，并且打開測(cè)試系統(tǒng)；
第二步，調(diào)整位置調(diào)節(jié)手柄1，使放置巖石的固定裝置8移動(dòng)速度適當(dāng)(進(jìn)給速度為1-3米/分鐘);
第三步，調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)手柄2，使得鉆桿獲得需研究工況下的轉(zhuǎn)速(可提供有12級(jí)轉(zhuǎn)速，45- 1980轉(zhuǎn)/每分鐘)；
第四步，打開磨料自動(dòng)供給裝置，進(jìn)行巖石模擬鉆進(jìn)工作，并收集傳感器信號(hào)；
第五步，將數(shù)據(jù)傳至測(cè)試系統(tǒng)的單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并輸出巖石模擬鉆進(jìn)過程中的轉(zhuǎn)速，扭矩，推力和軸向位移參數(shù)。
[0026]經(jīng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)應(yīng)用表明，本發(fā)明能夠快速，準(zhǔn)確的進(jìn)行巖石模擬鉆進(jìn)過程中的參數(shù)測(cè)量。該裝置操作方便，參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣，測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確度高，安全可靠，可廣泛用于巖石鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。
[0027]除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其它實(shí)施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種巖石模擬鉆進(jìn)與測(cè)試裝置，由模擬鉆進(jìn)系統(tǒng)與測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成，其特征在于: 所述模擬鉆進(jìn)系統(tǒng)的主體是一改進(jìn)的車床，在車床的主軸前端的三爪卡盤(3)上裝夾高壓旋轉(zhuǎn)密封輸水器(4 )，高壓旋轉(zhuǎn)密封輸水器(4 )與后端鉆桿(61)連接，前端鉆桿(62 )前端安裝鉆頭(7)，高壓旋轉(zhuǎn)密封輸水器(4)上的接口通過管路連接磨料自動(dòng)供給裝置；車床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)前端連接一固定裝置(8)，用于固定巖石試件；鉆進(jìn)過程中分別由車床主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制鉆頭轉(zhuǎn)速與進(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度； 所述測(cè)試系統(tǒng)由控制柜(10)和安裝于前端鉆桿(61)和后端鉆桿(61)之間的傳感器組(5)組成，鉆進(jìn)過程中由傳感器組(5)采集轉(zhuǎn)速、推力、扭矩、位移信號(hào)，經(jīng)信號(hào)電纜(9)傳輸至控制柜中的工控機(jī)進(jìn)行處理并輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石模擬鉆進(jìn)與測(cè)試裝置，其特征在于:所述傳感器組(5)包含轉(zhuǎn)速、推力、扭矩、位移傳感器各一個(gè)，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速、推力、扭矩、位移信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的巖石模擬鉆進(jìn)與測(cè)試裝置，其特征在于:所述控制柜包括信號(hào)采集卡、處理單元及帶有測(cè)試單元的工控機(jī)，用以對(duì)采集信號(hào)的采集、處理與輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的巖石模擬鉆進(jìn)與測(cè)試裝置，其特征在于:所述前端鉆桿(61)和后端鉆桿(61)均為高壓密封鉆桿。
5.利用權(quán)利要求1-4指任一項(xiàng)所述的巖石模擬鉆進(jìn)與測(cè)試裝置進(jìn)行巖石鉆進(jìn)與測(cè)試的方法，其特征在于包括以下步驟: 第一步，將高壓旋轉(zhuǎn)密封輸水器、前端鉆桿、后端鉆桿、傳感器組和配套鉆頭，以及鉆進(jìn)的巖石試件依次安裝在巖石模擬鉆進(jìn)系統(tǒng)上，并且打開測(cè)試系統(tǒng)； 第二步，通過車床的位置調(diào)節(jié)手柄調(diào)整固定裝置的位置，使放置巖石試件的固定裝置的移動(dòng)速度適當(dāng)； 第三步，主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)手柄調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速，使得高壓密封鉆桿獲得需研究工況下的轉(zhuǎn)速； 第四步，進(jìn)行巖石模擬鉆進(jìn)工作，并收集傳感器信號(hào)； 第五步，將數(shù)據(jù)傳至測(cè)試系統(tǒng)的工控機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并輸出巖石模擬鉆進(jìn)過程中的轉(zhuǎn)速、扭矩、推力和軸向位移參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述進(jìn)給速度為1-3米/分鐘，需研究工況下的轉(zhuǎn)速有12級(jí)轉(zhuǎn)速，45- 1980轉(zhuǎn)/每分鐘。
【文檔編號(hào)】G01M13/00GK103674539SQ201310722034
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】湯積仁, 盧義玉, 賈云中, 杜鵬, 黃飛, 章文峰, 林曉東, 敖翔 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)