一种煤岩特征近钻头随钻精细测定装置及测定方法

本发明涉及煤矿随钻测量，具体涉及一种煤岩特征近钻头随钻精细测定装置及测定方法。

背景技术：

1、在超深煤矿开采过程中，精细化重构采掘工作三维透明地质是实现煤矿井下隐蔽地质灾害智能预警的地质保障基础。因此如何在不干扰施工工艺的情况下，快速确定井下采掘工作面煤岩特征空间分布对煤矿开采和钻进施工具有重要工程意义。

2、传统煤岩地质条件探查主要依靠司钻人员通过钻速、返渣等特征以及钻孔取芯等对所钻岩层性质进行判别,自动化程度低,劳动强度高,识别精度严重依赖于经验，存在分析和利用不足，对煤矿井下工作面隐蔽地质灾害源难以超前定量感知，以至对施工作用较小。为了解决这一技术问题，往往需要增加钻孔数量来获得更多的区域地质条件，造成施工成本增加。同时在工程实践中，辅助钻孔窥视仪、岩性探测仪器以及地球物理手段来获取煤岩裂隙信息，然而受限于施工技术水平，不仅煤岩特征探测深度有限和精度较差，且煤岩特征参数获取量较少。因此国内急需研发一种能在不干扰是钻进施工工艺和不取岩芯情况下，近钻头附近布设相关煤岩特征感知传感器，实现近钻头随钻精细测定煤岩特征的装置和方法，以实时超前感知煤矿井下工作面隐蔽灾害，降低井下复杂事故的发生。

技术实现思路

1、本发明提供一种煤岩特征近钻头随钻精细测定装置及方法，在钻进过程中该装置可随钻实时获取近钻头响应参数、钻杆轨迹、孔壁图像、孔内煤岩体波速等信息，通过数据解析定量获取沿钻孔轨迹变化煤岩抗压强度、裂隙分布位置、岩体完整性等特征参数，从而重构井下工作面的三维地质模型，提高煤矿采掘效率。预警地质灾害。

2、本发明提供的一种煤岩特征近钻头随钻精细测定装置包括近钻头信息测量装置、轨迹测量探管、钻孔电视成像仪、超声波裂隙探测仪和有线中心通缆钻杆，其中所述近钻头信息测量装置、轨迹测量探管、钻孔电视成像仪、超声波裂隙探测仪和有线中心通缆钻杆依次螺纹连接。

3、进一步地，近钻头信息测量装置外部设置有筒壳，近钻头信息测量装置包括有设置在筒壳内的压力传感器、转速传感器、数据存储模块、蓄电池和限位环，压力传感器、转速传感器和数据存储模块安装在一筒体内并沿四周均匀布置，蓄电池安装在筒体后端中心处，限位环安装在筒壳内部两端固定筒体。

4、进一步地，轨迹测量探管包括测量短节、限位环、筒壳，限位环安装在测短节上固定在筒壳内部。

5、进一步地,通过蓄电池对测量短节进行供电，确保其正常运行，测量短节与近钻头信息测量装置共用一个蓄电池。

6、进一步地，钻孔电视成像仪包括摄像机、led灯、玻璃罩和蓄电池，摄像机和led灯位于玻璃罩内，玻璃罩向内凹进。

7、进一步地，超声波裂隙探测仪包括发射探头和接收探头。

8、进一步地，有线中心通缆钻杆包括稳定器、绝缘装置、导线，稳定器安装在绝缘装置上、下两侧，导线从孔底依次连接至孔口蓝牙接收器，绝缘装置与有线中心通缆钻杆外壳之间预留有过水通道。

9、利用上述测定煤岩特征的随钻装置测定煤岩特征的方法，即在钻孔过程中先通过轨迹测量探管和近钻头信息测量装置分别获取钻孔轨迹和煤岩体力学参数，钻孔结束后再通过钻孔电视成像仪获取钻孔三维数字岩芯，最后通过超声波裂隙探测仪获得岩体波速值和波速图，通过波速图进一步了解裂隙的空间分布范围。以上测量数据及信息均通过有线中心通缆钻杆传输到计算机终端。

10、具体包括以下步骤：

11、s1：依次将近钻头信息测量装置、轨迹测量探管、钻孔电视成像仪、超声波裂隙探测仪和有线中心通缆钻杆螺纹连接将轨迹测量探管接在近钻头信息测量装置1端，装配好钻头并启动装置后开始钻孔，钻孔的同时向孔内注水进行除尘，计算机通过有线中心通缆钻杆实时获取轨迹测量探管、压力传感器、转速传感器所测钻孔轨迹和近钻头钻压、钻速等钻机机械信息；所述轨迹测量探管每隔3秒同步测量一次钻孔轴心空间坐标，包括孔深、顶角、方位角，将所得数据实时传输给计算机，计算机轨迹测量软件系统根据各点坐标描绘生成三维钻孔轴心线，即钻孔轨迹。

12、s2：钻进到指定深度后并开始退杆，钻孔电视成像仪及超声波裂隙探测仪开始工作；退杆过程中钻孔电视成像仪获取钻孔三维数字岩芯，所述超声波裂隙探测仪每次移动25cm并通过计算机超声波检测控制软件系统处理得到该段岩体波速值，每次测量重复三次，最后形成整个钻孔范围内岩体波速随钻孔深度变化的波速图，以上所述测量数据均通过有线中心通缆钻杆传输至计算机；

13、s3：所述压力传感器测量钻头在钻孔时所受到的压力，转速传感器测量钻头在钻孔时的转速，每隔3s同步测量一次钻头压力和转速，测量的数据存储至数据储存模块，通过中心通缆将所测数据实时传输给计算机。通过蓄电池对装置内所有用电器进行供电，确保其正常运行。通过限位环将内部装置固定在筒壳内部。

14、s4：所述轨迹测量探管由测量短节、限位环和筒壳组成，限位环安装在测量短节，将所述测量短节固定在筒壳内部。通过蓄电池对测量短节进行供电，确保其正常运行，测量短节与近钻头信息测量装置共用一个蓄电池。

15、s5：所述led灯照亮钻孔孔壁，摄像机摄取孔壁图象，图象信息通过中心通缆传输给计算机，经图像解析软件系统处理后形成两种图像形式。一种为三维成像，即数字岩芯图像，即对孔壁图像进行数字合成，使其类似于完整的岩芯。岩芯可以自由旋转以便从任意角度来观察岩芯地层岩性、断层和裂隙。另一种为二维成像，即孔壁展开图。通过蓄电池对成像仪内所有用电器进行供电，确保其正常运行。

16、s6：发射探头发射超声波，计时器开始计时，接收探头接收超声波后计时器停止计时，计算机超声波检测控制软件系统根据已知距离和传播时间计算出岩体波速值以及生成波速图，每次测量重复三次。波速值和波速图可反映裂隙破碎程度值。通过蓄电池对探测仪内所有用电器进行供电，确保其正常运行，超声波裂隙探测仪和钻孔电视成像仪共用一个蓄电池。

17、s7：导线从孔底依次连接至孔口蓝牙接收器，是传输测量数据的信号通道，蓝牙接收器通过无线的方法将所测数据传输给计算机。稳定器安装在绝缘装置上下两侧，防止绝缘装置和导线在钻进过程中受到扰动。绝缘装置与钻杆外壳之间预留有过水通道，满足注水和排水要求。有线中心通缆钻杆确保了测量数据及信息实时、高效、安全和稳定传输至计算机。

18、本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：1、可获得煤岩近钻头力学参数、钻杆轨迹、孔壁图像、钻孔局部裂隙分布特征信息。本发明通过随钻装置在钻孔过程中以及钻孔结束后获取相关数据及图像，操作简单，所有仪器共用一个操作端，记录的数据可靠、准确，对裂隙位置的定位以及裂隙信息的了解更加清晰准确，结果更加直观、可信，克服了传统方法测定煤岩特征信息成本高、时间长等弊端。2、本发明可获取煤岩特征信息，适用范围广。3、本发明对近钻头力学参数、钻杆轨迹、孔壁图像、钻孔局部裂隙分布的测定和呈现更加智能化和数字化，避免了人为主观因素的影响，因此测定和呈现结果更科学、可信。

技术特征：

1.一种煤岩特征近钻头随钻精细测定装置，其特征在于，包括近钻头信息测量装置(1)、轨迹测量探管(2)、钻孔电视成像仪(3)、超声波裂隙探测仪(4)和有线中心通缆钻杆(5)，其中所述近钻头信息测量装置(1)、所述轨迹测量探管(2)、所述钻孔电视成像仪(3)、所述超声波裂隙探测仪(4)和所述有线中心通缆钻杆(5)依次通过螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种煤岩特征近钻头随钻精细测定装置，其特征在于，所述近钻头信息测量装置(1)外部设置有筒壳(16)，所述近钻头信息测量装置(1)包括有设置在所述筒壳内的压力传感器(11)、转速传感器(12)、数据存储模块(13)、蓄电池(14)和限位环(15)，所述压力传感器(11)、转速传感器(12)和数据存储模块(13)安装在一筒体内并沿四周均匀布置，所述蓄电池(14)安装在筒体后端中心处，所述限位环(15)安装在筒壳(16)内部两端，用以固定所述筒体。

3.根据权利要求1所述的一种煤岩特征近钻头随钻精细测定装置，其特征在于，所述轨迹测量探管(2)包括测量短节(21)、限位环(22)和筒壳(23)，所述测量短节(21)通过所述限位环(22)固定在所述筒壳(23)内部。

4.根据权利要求1所述的一种煤岩特征近钻头随钻精细测定装置，其特征在于,通过所述蓄电池(14)对所述测量短节(21)进行供电，确保其正常运行，所述测量短节(21)与所述近钻头信息测量装置(1)共用一个蓄电池。

5.根据权利要求1所述的一种煤岩特征近钻头随钻精细测定装置，其特征在于，所述钻孔电视成像仪(3)包括摄像机(31)、led灯(32)、玻璃罩(33)和蓄电池(34)，所述摄像机(31)和所述led灯(32)位于所述玻璃罩(33)内，所述玻璃罩(33)向内凹进。

6.根据权利要求1所述的一种煤岩特征近钻头随钻精细测定装置，其特征在于，所述超声波裂隙探测仪(4)包括发射探头(41)和接收探头(42)，所述超声波裂隙探测仪(4)与所述钻孔电视成像仪(3)共用一个蓄电池(34)。

7.根据权利要求1所述的一种煤岩特征近钻头随钻精细测定装置，其特征在于，所述有线中心通缆钻杆(5)包括稳定器(51)、绝缘装置(52)、导线(53)，所述稳定器(51)安装在所述绝缘装置(52)上、下两侧，所述导线(53)从孔底依次连接至孔口蓝牙接收器，所述绝缘装置(52)与所述有线中心通缆钻杆(5)外壳之间预留有过水通道，所述有线中心通栏钻杆(5)有多节，根据钻进深度在钻杆后端螺接增加节数。

8.一种采用权利要求1-7所述的一种煤岩特征近钻头随钻精细测定装置测定煤岩特征的方法，具体包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种煤岩特征近钻头随钻精细测定装置及测定方法，装置包括近钻头信息测量装置、轨迹测量探管、钻孔电视成像仪、超声波裂隙探测仪和有线中心通缆钻杆，近钻头信息测量装置、轨迹测量探管、钻孔电视成像仪、超声波裂隙探测仪和有线中心通缆钻杆依次螺纹连接。方法为在钻孔过程中先通过近钻头信息测量装置和轨迹测量探管分别获取煤岩体力学参数和钻孔轨迹，钻孔结束后退杆时候通过钻孔电视成像仪获取钻孔三维数字岩芯，通过超声波裂隙探测仪获得岩体波速值，通过波速图进一步了解裂隙的空间分布范围。该装置和方法的测定和呈现结果更科学、可信。

技术研发人员：冯上鑫,高英,任建喜,张琨,景琛驰
受保护的技术使用者：西安科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/15