一种基于光纤光栅的煤矿井下钻进装置

1.本发明属于钻进设备技术领域，具体是一种基于光纤光栅的煤矿井下钻进装置。


背景技术：

2.煤矿深部开采中，冲击地压防治是保障安全开采的重点，钻孔卸压作为冲击地压防治中重要的技术手段，并且应用非常广泛。良好的卸压效果取决于同煤岩体应力相匹配的卸压参数，而现有煤岩体应力测量方法多为现场应力测试获得，主要在工作面钻窝处打100m深的特定角度的钻孔，然后通过pvc管将光纤光栅应变传感器推进孔底，到达预设位置后，开始向钻孔底部注入混合配比的沙土，将光纤光栅应变传感器固定在设计好的测点位置；通过交换机将数据传输到光纤光栅解调仪中，监测的数据实时传输到监测站；虽然能够得出钻孔内受力情况，但工程量大，严重影响工作效率；尤其，其无法有效测定钻探设备受力情况，易出现测量盲区。
3.因此，本领域技术人员提供了一种基于光纤光栅的煤矿井下钻进装置，以解决上述背景技术中提出的问题。


技术实现要素：

4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于光纤光栅的煤矿井下钻进装置，其包括：
5.钻管体；
6.内轴柱，可相对转动的同轴设置在所述钻管体内，所述内轴柱的一端设有安装轴套，并由所述安装轴套套接固定在外设钻杆上；
7.扭矩测定组件，同轴固定在所述钻管体上，所述扭矩测定组件上对称穿接有第一光纤光栅与第二光纤光栅；
8.测压钻头，可相对滑动的同轴设置在所述内轴柱上；以及
9.扩径调节组件，同轴设置在所述测压钻头内，所述第一光纤光栅与第二光纤光栅的一端穿设在所述扩径调节组件与所述测压钻头之间。
10.进一步，作为优选，所述扭矩测定组件包括：
11.外环座，同轴固定在所述钻管体上，所述内轴柱的一端转动设置在所述外环座内；
12.侧固定件，中心对称设置在所述内轴柱上；
13.顶位件，中心对称设置在所述外环座的内壁上，各所述顶位件与侧固定件相一一对应，所述第一光纤光栅与第二光纤光栅分别穿设在顶位件与侧固定件之间。
14.进一步，作为优选，所述测压钻头包括：
15.外轴套，固定在所述内轴柱上；
16.钻头体，可相对滑动的同轴设置在所述外轴套的一侧，所述扩径调节组件设置在所述钻头体上；
17.固定环，嵌入设置在所述外轴套内，所述钻头体的一端滑动设置在所述固定环内；
18.外伸缩管，被构造成两段式可伸缩结构，所述外伸缩管同轴连接在所述钻头体与外轴套之间；
19.支撑弹簧，为圆周阵列设置的多个，各所述支撑弹簧横向连接在所述钻头体与外轴套之间；以及
20.内连柱件，同轴固定在所述钻头体上，所述内连柱件的一侧滑动设置在外轴套内，且其横截面呈倒t字形结构，所述外轴套内设有安装凹位，所述第一光纤光栅与第二光纤光栅对称分布在安装凹位内位于内连柱件两侧位置。
21.进一步，作为优选，所述扩径调节组件包括：
22.安装躯件，固定在所述钻头体内；
23.气流管，同轴固定在所述安装躯件内，所述气流管的一端穿设在所述内连柱件中，所述内轴柱中设有排流空腔，所述气流管的一端通过内接管与排流空腔相连通；
24.前置头，可相对滑动的设置在所述钻头体的一侧；
25.密封仓，同轴固定在所述安装躯件的一侧，所述气流管的另一端与所述密封仓相连通；
26.活塞杆，滑动设置在所述密封仓内，所述活塞杆的一端与所述前置头相固定；以及
27.内弹簧，套接设置在所述活塞杆上。
28.进一步，作为优选，还包括：
29.环流仓，同轴固定在所述钻头体内，所述环流仓的一侧连设有内支管，所述内支管的一端穿过所述排流空腔并与外设气泵相连通；
30.气流座，可相对转动的密封设置在所述环流仓与安装躯件之间，所述气流座上倾斜开设有内孔；
31.密封座，同轴固定在所述气流座的一侧，并随所述气流座转动设置在安装躯件内，所述密封座内设有与所述内孔相连通的气压孔；
32.固定腔件，对称固定在所述钻头体内位于密封仓的两侧位置，所述固定腔件内滑动设置有轴塞体；以及
33.侧扩径件，可相对转动的对称设置在前置头的两侧位置，各所述侧扩径件均通过支杆与所述轴塞体相连接。
34.进一步，作为优选，所述第一光纤光栅与第二光纤光栅分别穿设在各所述侧扩径件内。
35.进一步，作为优选，所述第一光纤光栅在所述侧扩径件的侧向前端位置形成凸字形分布；所述第二光纤光栅在所述侧扩径件的侧向后端位置形成凸字形分布。
36.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
37.1、本发明中位于内轴柱上设置有扭矩测定组件，其中，第一光纤光栅与第二光纤光栅分别穿设在扭矩测定组件中，此时由第一光纤光栅与第二光纤光栅同步进行压力测量，从而实现对钻杆工作中扭矩的精准测量，以便适应性调整转速；
38.2、本发明中尤其第一光纤光栅与第二光纤光栅均穿过测压钻头以及扩径调节组件，由第一光纤光栅与第二光纤光栅同步对钻头钻进推动压力以及钻头侧壁旋转受压情况进行有效测量，从而得出钻孔中孔壁对应各处的受力强度，以便调节加、卸压参数，避免钻孔内结构破坏。
附图说明
39.图1为本发明的结构示意图；
40.图2为本发明中扭矩测定组件的结构示意图；
41.图3为本发明中测压钻头的结构示意图；
42.图4为本发明中扩径调节组件的结构示意图；
43.图5为本发明中气流座的结构示意图；
44.图中：1钻管体、11安装轴套、2内轴柱、3第一光纤光栅、4第二光纤光栅、5扭矩测定组件、51外环座、52侧固定件、53顶位件、6测压钻头、61外轴套、62钻头体、63内连柱件、64支撑弹簧、65外伸缩管、66固定环、7扩径调节组件、71安装躯件、72气流管、73内接管、74密封仓、75活塞杆、76前置头、8环流仓、81气流座、82密封座、83侧扩径件、84固定腔件、85内支管。
具体实施方式
45.请参阅图1，本发明实施例中，一种基于光纤光栅的煤矿井下钻进装置，其包括：
46.钻管体1；
47.内轴柱2，可相对转动的同轴设置在所述钻管体1内，所述内轴柱2的一端设有安装轴套11，并由所述安装轴套11套接固定在外设钻杆上；
48.扭矩测定组件5，同轴固定在所述钻管体1上，所述扭矩测定组件5上对称穿接有第一光纤光栅3与第二光纤光栅4；
49.测压钻头6，可相对滑动的同轴设置在所述内轴柱2上；以及
50.扩径调节组件7，同轴设置在所述测压钻头6内，所述第一光纤光栅3与第二光纤光栅4的一端穿设在所述扩径调节组件7与所述测压钻头6之间。
51.本实施例中，所述扭矩测定组件5包括：
52.外环座51，同轴固定在所述钻管体1上，所述内轴柱2的一端转动设置在所述外环座51内；尤其，内轴柱与外环座之间还设有扭簧；
53.侧固定件52，中心对称设置在所述内轴柱2上；
54.顶位件53，中心对称设置在所述外环座51的内壁上，各所述顶位件53与侧固定件52相一一对应，所述第一光纤光栅3与第二光纤光栅4分别穿设在顶位件53与侧固定件52之间，在使用中，外设钻杆旋转下同步驱动内轴柱转动，此时内轴柱在偏转一定角度后通过第一光纤光栅与第二光纤光栅对侧固定件与顶位件之间的触压强度进行测量，从而在求均值后有效计算得出钻管体旋转扭矩。
55.作为较佳的实施例，所述测压钻头6包括：
56.外轴套61，固定在所述内轴柱2上；
57.钻头体62，可相对滑动的同轴设置在所述外轴套616的一侧，所述扩径调节组件7设置在所述钻头体62上；
58.固定环66，嵌入设置在所述外轴套61内，所述钻头体62的一端滑动设置在所述固定环66内；
59.外伸缩管65，被构造成两段式可伸缩结构，所述外伸缩管65同轴连接在所述钻头体62与外轴套61之间；
60.支撑弹簧64，为圆周阵列设置的多个，各所述支撑弹簧64横向连接在所述钻头体62与外轴套61之间；以及
61.内连柱件63，同轴固定在所述钻头体62上，所述内连柱件63的一侧滑动设置在外轴套61内，且其横截面呈倒t字形结构，所述外轴套61内设有安装凹位，所述第一光纤光栅3与第二光纤光栅4对称分布在安装凹位内位于内连柱件63两侧位置，尤其在钻进推进中，此时钻头体受推压作用与外轴套相贴近，由第一光纤光栅与第二光纤光栅对内连柱件与外轴套之间的压力进行有效测定，从而在求均值后计算得出钻头体的推进压力(即为钻孔内受压强度)。
62.本实施例中，所述扩径调节组件7包括：
63.安装躯件71，固定在所述钻头体62内；
64.气流管72，同轴固定在所述安装躯件71内，所述气流管72的一端穿设在所述内连柱件63中，所述内轴柱2中设有排流空腔，所述气流管72的一端通过内接管73与排流空腔相连通；
65.前置头76，可相对滑动的设置在所述钻头体62的一侧；
66.密封仓74，同轴固定在所述安装躯件71的一侧，所述气流管72的另一端与所述密封仓74相连通；
67.活塞杆75，滑动设置在所述密封仓74内，所述活塞杆75的一端与所述前置头76相固定；以及
68.内弹簧，套接设置在所述活塞杆75上，通过排流空腔对气流管进行供气增压，从而使得活塞杆能够推动前置头相对滑出钻头体，以便基于上述测定的推进压力基础上调整钻头体形态，从而适应多地质钻进工作。
69.本实施例中，还包括：
70.环流仓8，同轴固定在所述钻头体62内，所述环流仓8的一侧连设有内支管85，所述内支管85的一端穿过所述排流空腔并与外设气泵(图中未示出)相连通；
71.气流座81，可相对转动的密封设置在所述环流仓8与安装躯件71之间，所述气流座81上倾斜开设有内孔；其中钻头体内安装有内置电机，内置电机通过齿轮啮合作用与气流座连接传动；
72.密封座82，同轴固定在所述气流座81的一侧，并随所述气流座81转动设置在安装躯件77内，所述密封座82内设有与所述内孔相连通的气压孔；
73.固定腔件84，对称固定在所述钻头体62内位于密封仓74的两侧位置，所述固定腔件84内滑动设置有轴塞体；以及
74.侧扩径件83，可相对转动的对称设置在前置头76的两侧位置，各所述侧扩径件83均通过支杆与所述轴塞体相连接，尤其，通过气流座的旋转作用由内孔对各固定腔件进行注气增压，从而调整钻头体的有效钻探外径，调整钻探形态。
75.本实施例中，所述第一光纤光栅3与第二光纤光栅4分别穿设在各所述侧扩径件83内。
76.作为较佳的实施例，所述第一光纤光栅3在所述侧扩径件83的侧向前端位置形成凸字形分布；所述第二光纤光栅4在所述侧扩径件83的侧向后端位置形成凸字形分布，尤其通过第一光纤光栅与述第二光纤光栅分别对各侧扩径件的前侧壁以及后侧壁钻进受压情
况进行有效测量，从而在计算分析最佳钻进形态，以保证钻孔内壁不会过度受压而导致结构失稳。
77.具体地，外设钻杆将测压钻头推进钻孔，在钻进工作中，由扭矩测定组件对钻杆主体工作扭矩进行有效测定，以便在不同地质情况下对应调节工作钻速；此时第一光纤光栅与述第二光纤光栅能够同步对内连柱件与外轴套之间的压力进行有效测定，从而在求均值后计算得出钻头体的推进压力，尤其，还可对各侧扩径件的受压情况进行有效测量，以便调整钻头体形态以及推进压力，避免对钻孔造成结构破坏。
78.上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。