一種巖石模擬鑽進與測試裝置及使用方法

2023-10-26 09:07:12 2

一種巖石模擬鑽進與測試裝置及使用方法
【專利摘要】一種巖石模擬鑽進與測試裝置，由模擬鑽進系統與測試系統構成。所述模擬鑽進系統的主體由C616-1型車床改進而成，安裝有鑽頭的鑽杆通過一旋轉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，鑽進過程中分別由車床主運動與進給運動系統控制鑽頭轉速與進給速度，由手輪調節鑽孔位置。所述測試系統由安裝於兩根鑽杆之間的傳感器組和控制櫃組成，鑽進過程中由傳感器採集轉速、推力、扭矩、位移信號，經信號電纜傳輸至控制櫃中的工控機進行處理並輸出。此外，本發明還涉及利用該裝置進行巖石鑽進與測試的方法。本發明結構簡單，操作方便，參數調節範圍廣、準確度高，安全可靠，可廣泛用於巖石鑽進參數設計與優化實驗。
【專利說明】一種巖石模擬鑽進與測試裝置及使用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉一種巖石模擬鑽進與測試裝置及使用方法，具體涉及一種在巖石模擬鑽進過程中，對轉速，扭矩，推力和軸向位移進行實時測量的測試裝置，特別適用於實驗室室內進行巖石模擬鑽進實驗，並對相關鑽進參數進行測量與優化。
【背景技術】
[0002]我國煤炭生產中，煤與瓦斯突出事故的大量存在嚴重影響著煤礦安全生產。石門揭煤穿層作業後進行瓦斯抽採可以大幅度的減少煤與瓦斯突出事故的發生，鑽孔抽採瓦斯是煤礦井下瓦斯抽採的關鍵措施。在煤礦井下，鑽孔經常要穿過巖層或者煤層，這就對巖石鑽進過程中相關參數的確定提出了要求。同時，在其它工程領域(如石油鑽井，隧道開挖)內均存在這巖石鑽進的問題。為了能高效、快速、安全的進行巖石鑽進工作，必須對鑽進過程中嚴重製約著鑽進效果的相關鑽進參數進行選擇優化，如鑽進過程中的轉速、扭矩、推力和軸向位移。然而，由於井下條件複雜多變，使得在礦井下進行相關參數的測量難度較大。為此，有必要在實驗室內進行模擬試驗，以推廣到實際操作中。為此，已經有研究者對巖石鑽進過程中的參數測量方法做出了研究。如專利文獻CN 102140889 A公告的《一種水平井隨鑽測井地質導向方法》，利用了實時數據繪製了測井曲線圖，從而確定鑽頭在目的層中的實際位置；專利文獻CN 201367895Y公告的《多相位補償隨鑽電阻率測井儀器》通過獲得不同探測深度的地層電阻率測井曲線，可以進行含油飽和度、滲透率、鑽井液浸入、油層厚度的計算；專利文獻CN 101029866 B公告的《翼肋伸縮式隨鑽密度測井儀》則可以適應不同的井眼，保證儀器貼合井壁的情況下進行密度測量。但這些研究仍存在著以下缺點:
(I)大多數的公開文獻都集中在石油工程領域，在礦業領域的研究較少。且它們大多運用於生產領域，對室內巖石鑽進過程的模擬和參數測量的研究較少。
[0003](2)以上公開專利均是對周圍巖層進行測量，如密度、電阻率等，而沒有在巖石鑽進過程中對於鑽井系統本身的鑽進參數進行測量，如轉速、扭矩、推力和軸向位移；
(3)以上專利均是被動的對相關參數進行測量，而不能對所測量參數進行控制，不具有可調可控的特點，且測量範圍較小，不利於進行參數的優化試驗。

【發明內容】

[0004]本發明針對現有技術的缺點，針對煤礦井下穿巖層鑽孔過程中鑽進參數需要優化的實際情況，在普通工具機(如C616-1車床)的基礎上，設計發明了一套巖石模擬鑽進與測試裝置。該系統可以在室內進行巖石鑽進的過程模擬，同時可以高效、準確的測量巖石鑽進過程中的轉速、扭矩、推力和軸向位移，為實驗室內進行鑽頭優化，鑽進過程的參數優化提供了真實可靠的測量手段。
[0005]本發明所述的一種巖石模擬鑽進與測試裝置，主要由巖石模擬鑽進系統與測試系統兩部分組成。
[0006]所述模擬鑽進系統的主體是一改進的車床，在車床的主軸前端的三爪卡盤裝夾高壓旋轉密封輸水器，高壓旋轉密封輸水器上安裝鑽杆和鑽頭，高壓旋轉密封輸水器上的接口通過管路連接磨料自動供給裝置；車床的進給機構前端連接一固定裝置，用於固定安裝巖石試件；鑽進過程中分別由車床主運動與進給運動系統控制鑽頭轉速與進給機構的進給速度；
所述測試系統由控制櫃和安裝於前端鑽杆和後端鑽杆之間的傳感器組組成，鑽進過程中由傳感器採集轉速、推力、扭矩、位移信號，經信號電纜傳輸至控制櫃中的工控機進行處理並輸出。
[0007]所述傳感器包含轉速、推力、扭矩、位移傳感器各一個，同時對轉速、推力、扭矩、位移信號進行實時採集。
[0008]所述控制櫃包括信號採集卡、處理單元及帶有測試單元的工控機，用以對採集信號的米集、處理與輸出。
[0009]利用上述巖石模擬鑽進與測試裝置進行巖石鑽進與測試的方法，其包括以下步驟:
第一步，將高壓旋轉密封輸水器、高壓密封鑽杆、傳感器和配套鑽頭，以及鑽進的巖石試件依次安裝在巖石模擬鑽進系統上，並且打開測試系統；
第二步，通過車床的位置調節手柄調整固定裝置的位置，使放置巖石的固定裝置的移動速度適當；(進給速度為1-3米/分鐘)；
第三步，主軸轉速調節手柄調整主軸轉速，使得高壓密封鑽杆獲得需研究工況下的轉速；(可提供有12級轉速，45- 1980轉/每分鐘)；
第四步，進行巖石模擬鑽進工作，並收集傳感器信號；
第五步，將數據傳至測試系統的工控機，進行數據分析，並輸出巖石模擬鑽進過程中的轉速，扭矩，推力和軸向位移參數。
[0010]本發明與現有技術相比，具有以下有點:
(I)鑽進巖石的旋轉運動與進給運動分別由車床的主傳動系統與進給傳動系統完成，即鑽頭在主傳動系統的驅動下完成旋轉運動，由進給傳統系統驅動巖石固定裝置作直線進給運動。
[0011](2)該裝置可充分利用車床主軸轉速與進給速度在大變化範圍內可調、可控的優點，可完成不同鑽進參數下的室內模擬鑽進實驗。
[0012](3)該裝置可以高效的測量模擬巖石鑽進過程，並準確測量鑽進過程中的轉速，扭矩，推力和軸向位移。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發明的巖石模擬鑽進系統示意圖
圖1中:1_位置調節手柄；2-轉速調節手柄；3_三爪卡盤；4_高壓旋轉密封輸水器；5-傳感器組；61_前端鑽杆；62_後端鑽杆；7-鑽頭；8_固定裝置；9_信號電纜；10_控制櫃。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0015]參見圖1，本發明主要由巖石模擬鑽進系統與測試系統兩部分組成。[0016]巖石模擬鑽進系統的結構主體由一臺C616-1車床改裝而來。在原C616-1普通車床的基礎上，主要對以下部件進行改進:
(1)充分利用車床的三爪卡盤3，用於固定後端鑽杆62；
(2)去除原車床尾座體部分，在此位置增加與進給機構連接的固定裝置8，用於模擬巖石鑽進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)在前端鑽杆61和後端鑽杆62之間的安裝傳感器組5，通過傳感器接頭螺紋連接，用於連接巖石模擬鑽進系統和測試系統，並且採集相關數據。
[0018](4)利用了位置調節手柄1，為原C616-1車床具有的裝置，在測試過程中用於調節固定裝置8的位置，以便於進行巖石模擬鑽進工作。
[0019](5)利用了轉速調節手柄2，也是原C616-1車床具有的部件，在測試過程中用於調節鑽杆的轉速，以控制轉速並進行測量工作。
[0020]另外，在上述結構中還安裝了:
高壓旋轉密封輸水器4，安裝在三爪卡盤上3，在測試中用於連接鑽杆和高壓水泵(未標出)，並且承擔輸送高壓水，提供進行巖石鑽進工作時水源的工作。
[0021]鑽杆為煤礦井下常用的高壓密封鑽杆，用來提供巖石鑽進過程中所需的扭矩，並輸送介質。直徑通常為50mm、63.5mm和73mm。
[0022]鑽頭7鑽頭 為各類鑽頭，用於進行破巖工作。須與前述鑽杆配套使用。
[0023]磨料水射流發生裝置，通過管路連接高壓旋轉密封輸水器4上的接口，可採用已知技術或發明專利【CN 103100984 A】公開的磨料自動供給裝置。
[0024]測試系統主要由信號傳感器組5和控制櫃組成。信號採集卡、處理單元及帶有測試單元的工控機均放置於控制櫃10中:
信號傳感器組5包括轉速、扭矩、推力和軸向位移傳感器各一個，直接安裝在高壓密封鑽杆上，用以直接收集電信號等原始數據。
[0025]本發明可以進行在純水射流，自動加料與磨料水射流三種作業情況下的巖石鑽進過程模擬試驗，並測試模擬鑽進過程中的轉速、推力、扭矩、位移參數。以純水射流巖石鑽進過程模擬試驗為例，進行說明:
第一步，將高壓旋轉密封輸水器4，前端鑽杆61、後端鑽杆62，傳感器組5和配套鑽頭4，以及鑽進的巖石依次安裝在巖石模擬鑽進系統上，並且打開測試系統；
第二步，調整位置調節手柄1，使放置巖石的固定裝置8移動速度適當(進給速度為1-3米/分鐘);
第三步，調整主軸轉速調節手柄2，使得鑽杆獲得需研究工況下的轉速(可提供有12級轉速，45- 1980轉/每分鐘)；
第四步，打開磨料自動供給裝置，進行巖石模擬鑽進工作，並收集傳感器信號；
第五步，將數據傳至測試系統的單片機，進行數據分析，並輸出巖石模擬鑽進過程中的轉速，扭矩，推力和軸向位移參數。
[0026]經實驗室內的試驗應用表明，本發明能夠快速，準確的進行巖石模擬鑽進過程中的參數測量。該裝置操作方便，參數調節範圍廣，測試系統準確度高，安全可靠，可廣泛用於巖石鑽進參數設計與優化實驗。
[0027]除上述實施例外，本發明還可以有其它實施方式，凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落入本發明要求的保護範圍。
【權利要求】
1.一種巖石模擬鑽進與測試裝置，由模擬鑽進系統與測試系統構成，其特徵在於: 所述模擬鑽進系統的主體是一改進的車床，在車床的主軸前端的三爪卡盤(3)上裝夾高壓旋轉密封輸水器(4 )，高壓旋轉密封輸水器(4 )與後端鑽杆(61)連接，前端鑽杆(62 )前端安裝鑽頭(7)，高壓旋轉密封輸水器(4)上的接口通過管路連接磨料自動供給裝置；車床的進給機構前端連接一固定裝置(8)，用於固定巖石試件；鑽進過程中分別由車床主運動與進給運動系統控制鑽頭轉速與進給機構的進給速度； 所述測試系統由控制櫃(10)和安裝於前端鑽杆(61)和後端鑽杆(61)之間的傳感器組(5)組成，鑽進過程中由傳感器組(5)採集轉速、推力、扭矩、位移信號，經信號電纜(9)傳輸至控制櫃中的工控機進行處理並輸出。
2.根據權利要求1所述的巖石模擬鑽進與測試裝置，其特徵在於:所述傳感器組(5)包含轉速、推力、扭矩、位移傳感器各一個，同時對轉速、推力、扭矩、位移信號進行實時採集。
3.根據權利要求1或2所述的巖石模擬鑽進與測試裝置，其特徵在於:所述控制櫃包括信號採集卡、處理單元及帶有測試單元的工控機，用以對採集信號的採集、處理與輸出。
4.根據權利要求1或2所述的巖石模擬鑽進與測試裝置，其特徵在於:所述前端鑽杆(61)和後端鑽杆(61)均為高壓密封鑽杆。
5.利用權利要求1-4指任一項所述的巖石模擬鑽進與測試裝置進行巖石鑽進與測試的方法，其特徵在於包括以下步驟: 第一步，將高壓旋轉密封輸水器、前端鑽杆、後端鑽杆、傳感器組和配套鑽頭，以及鑽進的巖石試件依次安裝在巖石模擬鑽進系統上，並且打開測試系統； 第二步，通過車床的位置調節手柄調整固定裝置的位置，使放置巖石試件的固定裝置的移動速度適當； 第三步，主軸轉速調節手柄調整主軸轉速，使得高壓密封鑽杆獲得需研究工況下的轉速； 第四步，進行巖石模擬鑽進工作，並收集傳感器信號； 第五步，將數據傳至測試系統的工控機，進行數據分析，並輸出巖石模擬鑽進過程中的轉速、扭矩、推力和軸向位移參數。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述進給速度為1-3米/分鐘，需研究工況下的轉速有12級轉速，45- 1980轉/每分鐘。
【文檔編號】G01M13/00GK103674539SQ201310722034
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月24日 優先權日:2013年12月24日
【發明者】湯積仁, 盧義玉, 賈雲中, 杜鵬, 黃飛, 章文峰, 林曉東, 敖翔 申請人:重慶大學