用于煤矿顶板岩性识别的光纤光栅智能钻进方法及装置

1.本发明涉及煤矿设备技术领域，特别是涉及一种用于煤矿顶板岩性识别的光纤光栅智能钻进方法及装置。


背景技术：

2.随着煤矿开采深度的逐年加深，采场及巷道冒顶事故的发生也随之增多，而难以快速、精准地获取顶板岩性参数与特征是事故发生的主要原因之一，因此，如何快速、准确地获得顶板岩性及其力学参数成为减少顶板事故发生的关键手段之一。目前常用的获取岩性参数的技术包括超声波探测法、取芯识别法及钻屑法等。
3.超声波探测法利用超声波传感器进行探测，通过超声波监测仪的数据分析，可以很方便地对煤岩进行状态监测，进而探测出煤矿顶板不同岩层的岩性，但很容易受到主客观因素的影响使得探测不准确。取芯识别法首先通过取芯切割头钻进顶板取芯，然后将其从钻杆上取出后进行识别，取芯识别法虽然准确性高，但成本高、工程量大，且花费时间较长。钻屑法是通过在煤岩中打钻孔，根据排出的钻屑量及其变化规律来鉴别顶板岩性的一种方法，但煤岩识别的精度不高。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于煤矿顶板岩性识别的光纤光栅智能钻进方法及装置，适用于现场监测和室内实验。传统的岩性探测方法由于存在易受外界干扰或测试精度不高等问题，难于实现岩性参数的及时、准确获取，而光纤光栅传感技术具有测试精度高、不易受外界干扰及易于布置等优点，在很多领域得到广泛应用。鉴于此，借助光纤光栅传感技术进行煤岩钻进的岩性识别探测可在很大程度上克服传统监测方法的缺点，并最终实现顶板岩层岩性的快速、准确识别。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于煤矿顶板岩性识别的光纤光栅智能钻进装置，包括：
6.钻进系统，所述钻进系统固定安装在巷道底板上，所述钻进系统用于对巷道顶板进行钻孔；
7.光纤光栅传感系统，所述光纤光栅传感系统包括光纤光栅扭矩传感器、光纤光栅转速传感器、连接光纤和光纤光栅解调仪，所述光纤光栅扭矩传感器、所述光纤光栅转速传感器分别用于采集所述钻进系统钻进过程中的扭矩信号、转速信号；所述光纤光栅扭矩传感器、所述光纤光栅转速传感器均通过所述连接光纤与所述光纤光栅解调仪光信号连接；
8.计算机数据处理系统，所述计算机数据处理系统与所述光纤光栅解调仪通过所述连接光纤光信号连接，所述计算机数据处理系统用于对所述光纤光栅解调仪输出的信号进行计算和数据分析，并显示输出。
9.优选的，所述钻进系统包括钻头、钻杆和钻机，所述钻机固定安装在巷道底板上，所述钻杆与所述钻机固定连接，所述钻头可拆卸安装在所述钻杆的顶端；所述光纤光栅扭
矩传感器和所述光纤光栅转速传感器均安装在所述钻杆上。
10.优选的，所述钻进系统还包括底座和辅助支架，所述钻机通过所述底座固定安装在巷道底板上，所述辅助支架套设在所述钻机的外壁上，所述辅助支架用于对所述钻机进行定位导向。
11.优选的，所述钻头为硬质合金螺旋钻头，所述钻杆为六棱钻杆。
12.优选的，所述钻杆顶端开设有螺纹孔，所述钻头通过所述螺纹孔与所述钻杆螺纹连接。
13.优选的，所述连接光纤外侧包覆有保护层。
14.优选的，所述光纤光栅转速传感器内布置有温度传感器。
15.优选的，所述光纤光栅解调仪为矿用本安型光纤光栅解调仪。
16.一种用于煤矿顶板岩性识别的光纤光栅智能钻进装置的使用方法，具体包括以下步骤：
17.s1、设备架设，首先确定巷道顶板需要钻孔的位置，然后将所述钻进系统架设于巷道顶板待钻孔位置的下方；
18.s2、进行钻孔，在利用所述钻进系统对巷道顶板进行钻孔的过程中，利用所述光纤光栅扭矩传感器、所述光纤光栅转速传感器分别采集所述钻进系统钻进过程中的扭矩信号、转速信号；
19.s3、结果输出，钻孔过程中采集到的扭矩信号和转速信号通过所述光纤光栅解调仪进行解析处理，将光信号转变为电信号并传输至所述计算机数据处理系统，利用所述计算机数据处理系统对接收的电信号进行计算和数据分析，并显示输出。
20.本发明公开了以下技术效果：
21.1、时效性好，精确度高；本发明使用了光纤光栅扭矩传感器、光纤光栅转速传感器，光纤光栅精度高，能将接收到的信号即时传输至光纤光栅解调仪、计算机数据处理系统，并生成光纤光栅波长变化曲线图，有助于煤矿岩性的快速识别。
22.2、不受采煤工作面恶劣环境的干扰；现有技术极易受到煤层瓦斯、矿井水及电磁波等因素的影响，本发明可以克服以上问题，并实现稳定的实时监测。
23.3、成本低，容易布置和维护；光纤光栅的制作成本很低，而且技术成熟，在布置时比其他的识别系统更简单，且具有5年及以上的使用年限。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明用于煤矿顶板岩性识别的光纤光栅智能钻进装置的结构示意图；
26.图2为本发明钻进系统钻入不同岩性巷道顶板时监测分析软件生成的光纤光栅波长变化曲线图；
27.图3为本发明不同岩性之间光纤光栅波长与时间的线性关系图；
28.其中，光纤光栅扭矩传感器-1、光纤光栅转速传感器-2、连接光纤-3、光纤光栅解
调仪-4、钻杆-5、钻机-6、辅助支架-7、钻头-8、计算机数据处理系统-9、巷道顶板-10、温度传感器-11、巷道底板-12、底座-13。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
31.本发明提供一种用于煤矿顶板岩性识别的光纤光栅智能钻进装置，包括：
32.钻进系统，钻进系统固定安装在巷道底板12上，钻进系统用于对巷道顶板10进行钻孔；
33.光纤光栅传感系统，光纤光栅传感系统包括光纤光栅扭矩传感器1、光纤光栅转速传感器2、连接光纤3和光纤光栅解调仪4，光纤光栅扭矩传感器1、光纤光栅转速传感器2分别用于采集钻进系统钻进过程中的扭矩信号、转速信号；光纤光栅扭矩传感器1、光纤光栅转速传感器2均通过连接光纤3与光纤光栅解调仪4光信号连接；
34.计算机数据处理系统9，计算机数据处理系统9为安装有监测分析软件的电脑，计算机数据处理系统9与光纤光栅解调仪4通过连接光纤3光信号连接，计算机数据处理系统9用于对光纤光栅解调仪4输出的信号进行计算和数据分析，并显示输出。
35.进一步的，钻进系统包括钻头8、钻杆5和钻机6，钻机6固定安装在巷道底板12上，钻杆5与钻机6固定连接，钻头8可拆卸安装在钻杆5的顶端；光纤光栅扭矩传感器1和光纤光栅转速传感器2均安装在钻杆5上。
36.进一步的，钻进系统还包括底座13和辅助支架7，钻机6通过底座13固定安装在巷道底板12上，辅助支架7套设在钻机6的外壁上，辅助支架7用于对钻机6进行定位导向。
37.进一步的，钻头8为硬质合金螺旋钻头，钻杆5为六棱钻杆。
38.进一步的，钻杆5顶端开设有螺纹孔，钻头8通过螺纹孔与钻杆5螺纹连接。
39.进一步的，连接光纤3外侧包覆有保护层。
40.进一步的，光纤光栅转速传感器2内布置有温度传感器11，温度传感器11用于温度补偿。
41.进一步的，光纤光栅解调仪4为矿用本安型光纤光栅解调仪。
42.一种用于煤矿顶板岩性识别的光纤光栅智能钻进装置的使用方法，具体包括以下步骤：
43.s1、设备架设，首先确定巷道顶板10需要钻孔的位置，然后将钻进系统架设于巷道顶板10待钻孔位置的下方；
44.具体的过程为：将钻头8与钻杆5连接固定，把光纤光栅扭矩传感器1和光纤光栅转速传感器2安装在钻杆5上，将钻杆5与钻机6固定在一起；连接光纤3经过特殊的保护层包裹，通过钻机6内部穿出；钻头8使用硬质合金螺旋钻头，钻杆5使用六棱钻杆，光纤光栅转速传感器2内布置温度传感器11用于温度补偿，钻机6使用转动式锚杆钻机；连接光纤3的一头
连接光纤3光栅扭矩传感器1和光纤光栅转速传感器2，另一端连接到光纤光栅解调仪4上，将光纤光栅解调仪4放置在不影响井下工作的硐室内。
45.s2、进行钻孔，在利用钻进系统对巷道顶板10进行钻孔的过程中，利用光纤光栅扭矩传感器1、光纤光栅转速传感器2分别采集钻进系统钻进过程中的扭矩信号、转速信号；
46.巷道顶板10为沉积层状岩体，各层的岩性也有所不同，会对钻头8产生不同的切向应力，使钻杆5在钻进过程中的扭矩和转速发生变化，根据相关研究，钻杆5的转速越大，扭矩越小，表明钻杆5所钻的岩层越松软，而钻杆5的转速越小，扭矩越大，表明钻杆5所钻的岩层越坚硬。
47.s3、结果输出，钻孔过程中采集到的扭矩信号和转速信号通过光纤光栅解调仪4进行解析处理，将光信号转变为电信号并传输至计算机数据处理系统9，利用计算机数据处理系统9对接收的电信号进行计算和数据分析，并显示输出。
48.光纤光栅扭矩传感器1和光纤光栅转速传感器2可以将钻杆5打入巷道顶板10内产生的扭矩和转速测出，并通过光信号将扭矩信号和转速信号传输至光纤光栅解调仪4，经光纤光栅解调仪4的解析处理将光信号转变为电信号传输至计算机数据处理系统9，计算机数据处理系统9对接收的电信号进行a/d数据采集，并根据生成的光纤光栅波长变化曲线图进行波长计算和数据分析，最后通过电脑将巷道顶板10的岩性属性显示输出。不同岩性之间波长与时间的线性关系如图2和图3所示。
49.由图2可以看出光纤光栅峰波长变化曲线在t1时间段内的周期较小，钻杆5转速较大，此时钻杆5处于空转状态；在t2时间段内，光纤光栅波长变化周期较t1时间段大，表明钻杆5转速稍慢，钻杆5所钻岩层岩性较软；在t3时间段内，光纤光栅波长变化周期较t2时间段长，表明钻杆5转速更慢，钻杆5所钻岩层的岩性稍硬；在t4时间段内，光纤光栅波长变化周期较t3时间段长，表明钻杆5转速最慢，钻杆5所钻岩层最为坚硬。
50.由图3可以看出在t1时间段内光纤光栅的波长变化量较小，说明扭矩较小，在t1时间段内钻杆5处于空转状态；在t2时间段内光纤光栅的波长变化量比t1时间段大，表明扭矩较t1时间段大，在t2时间段内钻杆5钻到的岩层属于软岩层；在t3时间段内光纤光栅的波长变化量比t2时间段大，表明扭矩较t2时间段大，在t3时间段内钻杆5钻到的岩层属于稍硬岩层；在t4时间段内光纤光栅的波长变化量比t3时间段大，表明扭矩较t3时间段大，在t4时间段内钻杆5钻到的岩层属于硬岩层。
51.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
52.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。