用於煤礦頂板巖性識別的光纖光柵智能鑽進方法及裝置
2024-04-14 11:17:05 1
1.本發明涉及煤礦設備技術領域，特別是涉及一種用於煤礦頂板巖性識別的光纖光柵智能鑽進方法及裝置。
背景技術：
2.隨著煤礦開採深度的逐年加深，採場及巷道冒頂事故的發生也隨之增多，而難以快速、精準地獲取頂板巖性參數與特徵是事故發生的主要原因之一，因此，如何快速、準確地獲得頂板巖性及其力學參數成為減少頂板事故發生的關鍵手段之一。目前常用的獲取巖性參數的技術包括超聲波探測法、取芯識別法及鑽屑法等。
3.超聲波探測法利用超聲波傳感器進行探測，通過超聲波監測儀的數據分析，可以很方便地對煤巖進行狀態監測，進而探測出煤礦頂板不同巖層的巖性，但很容易受到主客觀因素的影響使得探測不準確。取芯識別法首先通過取芯切割頭鑽進頂板取芯，然後將其從鑽杆上取出後進行識別，取芯識別法雖然準確性高，但成本高、工程量大，且花費時間較長。鑽屑法是通過在煤巖中打鑽孔，根據排出的鑽屑量及其變化規律來鑑別頂板巖性的一種方法，但煤巖識別的精度不高。
技術實現要素：
4.本發明的目的是提供一種用於煤礦頂板巖性識別的光纖光柵智能鑽進方法及裝置，適用於現場監測和室內實驗。傳統的巖性探測方法由於存在易受外界幹擾或測試精度不高等問題，難於實現巖性參數的及時、準確獲取，而光纖光柵傳感技術具有測試精度高、不易受外界幹擾及易於布置等優點，在很多領域得到廣泛應用。鑑於此，藉助光纖光柵傳感技術進行煤巖鑽進的巖性識別探測可在很大程度上克服傳統監測方法的缺點，並最終實現頂板巖層巖性的快速、準確識別。
5.為實現上述目的，本發明提供了如下方案：本發明提供一種用於煤礦頂板巖性識別的光纖光柵智能鑽進裝置，包括：
6.鑽進系統，所述鑽進系統固定安裝在巷道底板上，所述鑽進系統用於對巷道頂板進行鑽孔；
7.光纖光柵傳感系統，所述光纖光柵傳感系統包括光纖光柵扭矩傳感器、光纖光柵轉速傳感器、連接光纖和光纖光柵解調儀，所述光纖光柵扭矩傳感器、所述光纖光柵轉速傳感器分別用於採集所述鑽進系統鑽進過程中的扭矩信號、轉速信號；所述光纖光柵扭矩傳感器、所述光纖光柵轉速傳感器均通過所述連接光纖與所述光纖光柵解調儀光信號連接；
8.計算機數據處理系統，所述計算機數據處理系統與所述光纖光柵解調儀通過所述連接光纖光信號連接，所述計算機數據處理系統用於對所述光纖光柵解調儀輸出的信號進行計算和數據分析，並顯示輸出。
9.優選的，所述鑽進系統包括鑽頭、鑽杆和鑽機，所述鑽機固定安裝在巷道底板上，所述鑽杆與所述鑽機固定連接，所述鑽頭可拆卸安裝在所述鑽杆的頂端；所述光纖光柵扭
矩傳感器和所述光纖光柵轉速傳感器均安裝在所述鑽杆上。
10.優選的，所述鑽進系統還包括底座和輔助支架，所述鑽機通過所述底座固定安裝在巷道底板上，所述輔助支架套設在所述鑽機的外壁上，所述輔助支架用於對所述鑽機進行定位導向。
11.優選的，所述鑽頭為硬質合金螺旋鑽頭，所述鑽杆為六稜鑽杆。
12.優選的，所述鑽杆頂端開設有螺紋孔，所述鑽頭通過所述螺紋孔與所述鑽杆螺紋連接。
13.優選的，所述連接光纖外側包覆有保護層。
14.優選的，所述光纖光柵轉速傳感器內布置有溫度傳感器。
15.優選的，所述光纖光柵解調儀為礦用本安型光纖光柵解調儀。
16.一種用於煤礦頂板巖性識別的光纖光柵智能鑽進裝置的使用方法，具體包括以下步驟：
17.s1、設備架設，首先確定巷道頂板需要鑽孔的位置，然後將所述鑽進系統架設於巷道頂板待鑽孔位置的下方；
18.s2、進行鑽孔，在利用所述鑽進系統對巷道頂板進行鑽孔的過程中，利用所述光纖光柵扭矩傳感器、所述光纖光柵轉速傳感器分別採集所述鑽進系統鑽進過程中的扭矩信號、轉速信號；
19.s3、結果輸出，鑽孔過程中採集到的扭矩信號和轉速信號通過所述光纖光柵解調儀進行解析處理，將光信號轉變為電信號並傳輸至所述計算機數據處理系統，利用所述計算機數據處理系統對接收的電信號進行計算和數據分析，並顯示輸出。
20.本發明公開了以下技術效果：
21.1、時效性好，精確度高；本發明使用了光纖光柵扭矩傳感器、光纖光柵轉速傳感器，光纖光柵精度高，能將接收到的信號即時傳輸至光纖光柵解調儀、計算機數據處理系統，並生成光纖光柵波長變化曲線圖，有助於煤礦巖性的快速識別。
22.2、不受採煤工作面惡劣環境的幹擾；現有技術極易受到煤層瓦斯、礦井水及電磁波等因素的影響，本發明可以克服以上問題，並實現穩定的實時監測。
23.3、成本低，容易布置和維護；光纖光柵的製作成本很低，而且技術成熟，在布置時比其他的識別系統更簡單，且具有5年及以上的使用年限。
附圖說明
24.為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
25.圖1為本發明用於煤礦頂板巖性識別的光纖光柵智能鑽進裝置的結構示意圖；
26.圖2為本發明鑽進系統鑽入不同巖性巷道頂板時監測分析軟體生成的光纖光柵波長變化曲線圖；
27.圖3為本發明不同巖性之間光纖光柵波長與時間的線性關係圖；
28.其中，光纖光柵扭矩傳感器-1、光纖光柵轉速傳感器-2、連接光纖-3、光纖光柵解
調儀-4、鑽杆-5、鑽機-6、輔助支架-7、鑽頭-8、計算機數據處理系統-9、巷道頂板-10、溫度傳感器-11、巷道底板-12、底座-13。
具體實施方式
29.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
30.為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
31.本發明提供一種用於煤礦頂板巖性識別的光纖光柵智能鑽進裝置，包括：
32.鑽進系統，鑽進系統固定安裝在巷道底板12上，鑽進系統用於對巷道頂板10進行鑽孔；
33.光纖光柵傳感系統，光纖光柵傳感系統包括光纖光柵扭矩傳感器1、光纖光柵轉速傳感器2、連接光纖3和光纖光柵解調儀4，光纖光柵扭矩傳感器1、光纖光柵轉速傳感器2分別用於採集鑽進系統鑽進過程中的扭矩信號、轉速信號；光纖光柵扭矩傳感器1、光纖光柵轉速傳感器2均通過連接光纖3與光纖光柵解調儀4光信號連接；
34.計算機數據處理系統9，計算機數據處理系統9為安裝有監測分析軟體的電腦，計算機數據處理系統9與光纖光柵解調儀4通過連接光纖3光信號連接，計算機數據處理系統9用於對光纖光柵解調儀4輸出的信號進行計算和數據分析，並顯示輸出。
35.進一步的，鑽進系統包括鑽頭8、鑽杆5和鑽機6，鑽機6固定安裝在巷道底板12上，鑽杆5與鑽機6固定連接，鑽頭8可拆卸安裝在鑽杆5的頂端；光纖光柵扭矩傳感器1和光纖光柵轉速傳感器2均安裝在鑽杆5上。
36.進一步的，鑽進系統還包括底座13和輔助支架7，鑽機6通過底座13固定安裝在巷道底板12上，輔助支架7套設在鑽機6的外壁上，輔助支架7用於對鑽機6進行定位導向。
37.進一步的，鑽頭8為硬質合金螺旋鑽頭，鑽杆5為六稜鑽杆。
38.進一步的，鑽杆5頂端開設有螺紋孔，鑽頭8通過螺紋孔與鑽杆5螺紋連接。
39.進一步的，連接光纖3外側包覆有保護層。
40.進一步的，光纖光柵轉速傳感器2內布置有溫度傳感器11，溫度傳感器11用於溫度補償。
41.進一步的，光纖光柵解調儀4為礦用本安型光纖光柵解調儀。
42.一種用於煤礦頂板巖性識別的光纖光柵智能鑽進裝置的使用方法，具體包括以下步驟：
43.s1、設備架設，首先確定巷道頂板10需要鑽孔的位置，然後將鑽進系統架設於巷道頂板10待鑽孔位置的下方；
44.具體的過程為：將鑽頭8與鑽杆5連接固定，把光纖光柵扭矩傳感器1和光纖光柵轉速傳感器2安裝在鑽杆5上，將鑽杆5與鑽機6固定在一起；連接光纖3經過特殊的保護層包裹，通過鑽機6內部穿出；鑽頭8使用硬質合金螺旋鑽頭，鑽杆5使用六稜鑽杆，光纖光柵轉速傳感器2內布置溫度傳感器11用於溫度補償，鑽機6使用轉動式錨杆鑽機；連接光纖3的一頭
連接光纖3光柵扭矩傳感器1和光纖光柵轉速傳感器2，另一端連接到光纖光柵解調儀4上，將光纖光柵解調儀4放置在不影響井下工作的硐室內。
45.s2、進行鑽孔，在利用鑽進系統對巷道頂板10進行鑽孔的過程中，利用光纖光柵扭矩傳感器1、光纖光柵轉速傳感器2分別採集鑽進系統鑽進過程中的扭矩信號、轉速信號；
46.巷道頂板10為沉積層狀巖體，各層的巖性也有所不同，會對鑽頭8產生不同的切向應力，使鑽杆5在鑽進過程中的扭矩和轉速發生變化，根據相關研究，鑽杆5的轉速越大，扭矩越小，表明鑽杆5所鑽的巖層越鬆軟，而鑽杆5的轉速越小，扭矩越大，表明鑽杆5所鑽的巖層越堅硬。
47.s3、結果輸出，鑽孔過程中採集到的扭矩信號和轉速信號通過光纖光柵解調儀4進行解析處理，將光信號轉變為電信號並傳輸至計算機數據處理系統9，利用計算機數據處理系統9對接收的電信號進行計算和數據分析，並顯示輸出。
48.光纖光柵扭矩傳感器1和光纖光柵轉速傳感器2可以將鑽杆5打入巷道頂板10內產生的扭矩和轉速測出，並通過光信號將扭矩信號和轉速信號傳輸至光纖光柵解調儀4，經光纖光柵解調儀4的解析處理將光信號轉變為電信號傳輸至計算機數據處理系統9，計算機數據處理系統9對接收的電信號進行a/d數據採集，並根據生成的光纖光柵波長變化曲線圖進行波長計算和數據分析，最後通過電腦將巷道頂板10的巖性屬性顯示輸出。不同巖性之間波長與時間的線性關係如圖2和圖3所示。
49.由圖2可以看出光纖光柵峰波長變化曲線在t1時間段內的周期較小，鑽杆5轉速較大，此時鑽杆5處於空轉狀態；在t2時間段內，光纖光柵波長變化周期較t1時間段大，表明鑽杆5轉速稍慢，鑽杆5所鑽巖層巖性較軟；在t3時間段內，光纖光柵波長變化周期較t2時間段長，表明鑽杆5轉速更慢，鑽杆5所鑽巖層的巖性稍硬；在t4時間段內，光纖光柵波長變化周期較t3時間段長，表明鑽杆5轉速最慢，鑽杆5所鑽巖層最為堅硬。
50.由圖3可以看出在t1時間段內光纖光柵的波長變化量較小，說明扭矩較小，在t1時間段內鑽杆5處於空轉狀態；在t2時間段內光纖光柵的波長變化量比t1時間段大，表明扭矩較t1時間段大，在t2時間段內鑽杆5鑽到的巖層屬於軟巖層；在t3時間段內光纖光柵的波長變化量比t2時間段大，表明扭矩較t2時間段大，在t3時間段內鑽杆5鑽到的巖層屬於稍硬巖層；在t4時間段內光纖光柵的波長變化量比t3時間段大，表明扭矩較t3時間段大，在t4時間段內鑽杆5鑽到的巖層屬於硬巖層。
51.在本發明的描述中，需要理解的是，術語「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
52.以上所述的實施例僅是對本發明的優選方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護範圍內。