一種巖石模擬鉆進與測試裝置及使用方法
【專利摘要】一種巖石模擬鉆進與測試裝置，由模擬鉆進系統(tǒng)與測試系統(tǒng)構成。所述模擬鉆進系統(tǒng)的主體由C616-1型車床改進而成，安裝有鉆頭的鉆桿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，鉆進過程中分別由車床主運動與進給運動系統(tǒng)控制鉆頭轉速與進給速度，由手輪調節(jié)鉆孔位置。所述測試系統(tǒng)由安裝于兩根鉆桿之間的傳感器組和控制柜組成，鉆進過程中由傳感器采集轉速、推力、扭矩、位移信號，經信號電纜傳輸至控制柜中的工控機進行處理并輸出。此外，本發(fā)明還涉及利用該裝置進行巖石鉆進與測試的方法。本發(fā)明結構簡單，操作方便，參數調節(jié)范圍廣、準確度高，安全可靠，可廣泛用于巖石鉆進參數設計與優(yōu)化實驗。
【專利說明】一種巖石模擬鉆進與測試裝置及使用方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉一種巖石模擬鉆進與測試裝置及使用方法，具體涉及一種在巖石模擬鉆進過程中，對轉速，扭矩，推力和軸向位移進行實時測量的測試裝置，特別適用于實驗室室內進行巖石模擬鉆進實驗，并對相關鉆進參數進行測量與優(yōu)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(yè)后進行瓦斯抽采可以大幅度的減少煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，鉆孔抽采瓦斯是煤礦井下瓦斯抽采的關鍵措施。在煤礦井下，鉆孔經常要穿過巖層或者煤層，這就對巖石鉆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(如石油鉆井，隧道開挖)內均存在這巖石鉆進的問題。為了能高效、快速、安全的進行巖石鉆進工作，必須對鉆進過程中嚴重制約著鉆進效果的相關鉆進參數進行選擇優(yōu)化，如鉆進過程中的轉速、扭矩、推力和軸向位移。然而，由于井下條件復雜多變，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鉆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《一種水平井隨鉆測井地質導向方法》，利用了實時數據繪制了測井曲線圖，從而確定鉆頭在目的層中的實際位置；專利文獻CN 201367895Y公告的《多相位補償隨鉆電阻率測井儀器》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、鉆井液浸入、油層厚度的計算；專利文獻CN 101029866 B公告的《翼肋伸縮式隨鉆密度測井儀》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(yè)領域的研究較少。且它們大多運用于生產領域，對室內巖石鉆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，而沒有在巖石鉆進過程中對于鉆井系統(tǒng)本身的鉆進參數進行測量，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，且測量范圍較小，不利于進行參數的優(yōu)化試驗。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明針對現有技術的缺點，針對煤礦井下穿巖層鉆孔過程中鉆進參數需要優(yōu)化的實際情況，在普通機床(如C616-1車床)的基礎上，設計發(fā)明了一套巖石模擬鉆進與測試裝置。該系統(tǒng)可以在室內進行巖石鉆進的過程模擬，同時可以高效、準確的測量巖石鉆進過程中的轉速、扭矩、推力和軸向位移，為實驗室內進行鉆頭優(yōu)化，鉆進過程的參數優(yōu)化提供了真實可靠的測量手段。
[0005]本發(fā)明所述的一種巖石模擬鉆進與測試裝置，主要由巖石模擬鉆進系統(tǒng)與測試系統(tǒng)兩部分組成。
[0006]所述模擬鉆進系統(tǒng)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鉆桿和鉆頭，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，用于固定安裝巖石試件；鉆進過程中分別由車床主運動與進給運動系統(tǒng)控制鉆頭轉速與進給機構的進給速度；
所述測試系統(tǒng)由控制柜和安裝于前端鉆桿和后端鉆桿之間的傳感器組組成，鉆進過程中由傳感器采集轉速、推力、扭矩、位移信號，經信號電纜傳輸至控制柜中的工控機進行處理并輸出。
[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、位移信號進行實時采集。
[0008]所述控制柜包括信號采集卡、處理單元及帶有測試單元的工控機，用以對采集信號的米集、處理與輸出。
[0009]利用上述巖石模擬鉆進與測試裝置進行巖石鉆進與測試的方法，其包括以下步驟:
第一步，將高壓旋轉密封輸水器、高壓密封鉆桿、傳感器和配套鉆頭，以及鉆進的巖石試件依次安裝在巖石模擬鉆進系統(tǒng)上，并且打開測試系統(tǒng)；
第二步，通過車床的位置調節(jié)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(jié)手柄調整主軸轉速，使得高壓密封鉆桿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，進行巖石模擬鉆進工作，并收集傳感器信號；
第五步，將數據傳至測試系統(tǒng)的工控機，進行數據分析，并輸出巖石模擬鉆進過程中的轉速，扭矩，推力和軸向位移參數。
[0010]本發(fā)明與現有技術相比，具有以下有點:
(I)鉆進巖石的旋轉運動與進給運動分別由車床的主傳動系統(tǒng)與進給傳動系統(tǒng)完成，即鉆頭在主傳動系統(tǒng)的驅動下完成旋轉運動，由進給傳統(tǒng)系統(tǒng)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范圍內可調、可控的優(yōu)點，可完成不同鉆進參數下的室內模擬鉆進實驗。
[0012](3)該裝置可以高效的測量模擬巖石鉆進過程，并準確測量鉆進過程中的轉速，扭矩，推力和軸向位移。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的巖石模擬鉆進系統(tǒng)示意圖
圖1中:1_位置調節(jié)手柄；2-轉速調節(jié)手柄；3_三爪卡盤；4_高壓旋轉密封輸水器；5-傳感器組；61_前端鉆桿；62_后端鉆桿；7-鉆頭；8_固定裝置；9_信號電纜；10_控制柜。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0015]參見圖1，本發(fā)明主要由巖石模擬鉆進系統(tǒng)與測試系統(tǒng)兩部分組成。[0016]巖石模擬鉆進系統(tǒng)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，用于固定后端鉆桿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，用于模擬巖石鉆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)在前端鉆桿61和后端鉆桿62之間的安裝傳感器組5，通過傳感器接頭螺紋連接，用于連接巖石模擬鉆進系統(tǒng)和測試系統(tǒng)，并且采集相關數據。
[0018](4)利用了位置調節(jié)手柄1，為原C616-1車床具有的裝置，在測試過程中用于調節(jié)固定裝置8的位置，以便于進行巖石模擬鉆進工作。
[0019](5)利用了轉速調節(jié)手柄2，也是原C616-1車床具有的部件，在測試過程中用于調節(jié)鉆桿的轉速，以控制轉速并進行測量工作。
[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，在測試中用于連接鉆桿和高壓水泵(未標出)，并且承擔輸送高壓水，提供進行巖石鉆進工作時水源的工作。
[0021]鉆桿為煤礦井下常用的高壓密封鉆桿，用來提供巖石鉆進過程中所需的扭矩，并輸送介質。直徑通常為50mm、63.5mm和73mm。
[0022]鉆頭7鉆頭 為各類鉆頭，用于進行破巖工作。須與前述鉆桿配套使用。
[0023]磨料水射流發(fā)生裝置，通過管路連接高壓旋轉密封輸水器4上的接口，可采用已知技術或發(fā)明專利【CN 103100984 A】公開的磨料自動供給裝置。
[0024]測試系統(tǒng)主要由信號傳感器組5和控制柜組成。信號采集卡、處理單元及帶有測試單元的工控機均放置于控制柜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鉆桿上，用以直接收集電信號等原始數據。
[0025]本發(fā)明可以進行在純水射流，自動加料與磨料水射流三種作業(yè)情況下的巖石鉆進過程模擬試驗，并測試模擬鉆進過程中的轉速、推力、扭矩、位移參數。以純水射流巖石鉆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，前端鉆桿61、后端鉆桿62，傳感器組5和配套鉆頭4，以及鉆進的巖石依次安裝在巖石模擬鉆進系統(tǒng)上，并且打開測試系統(tǒng)；
第二步，調整位置調節(jié)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(jié)手柄2，使得鉆桿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，進行巖石模擬鉆進工作，并收集傳感器信號；
第五步，將數據傳至測試系統(tǒng)的單片機，進行數據分析，并輸出巖石模擬鉆進過程中的轉速，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(fā)明能夠快速，準確的進行巖石模擬鉆進過程中的參數測量。該裝置操作方便，參數調節(jié)范圍廣，測試系統(tǒng)準確度高，安全可靠，可廣泛用于巖石鉆進參數設計與優(yōu)化實驗。
[0027]除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其它實施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落入本發(fā)明要求的保護范圍。
【權利要求】
1.一種巖石模擬鉆進與測試裝置，由模擬鉆進系統(tǒng)與測試系統(tǒng)構成，其特征在于: 所述模擬鉆進系統(tǒng)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 )與后端鉆桿(61)連接，前端鉆桿(62 )前端安裝鉆頭(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)，用于固定巖石試件；鉆進過程中分別由車床主運動與進給運動系統(tǒng)控制鉆頭轉速與進給機構的進給速度； 所述測試系統(tǒng)由控制柜(10)和安裝于前端鉆桿(61)和后端鉆桿(61)之間的傳感器組(5)組成，鉆進過程中由傳感器組(5)采集轉速、推力、扭矩、位移信號，經信號電纜(9)傳輸至控制柜中的工控機進行處理并輸出。
2.根據權利要求1所述的巖石模擬鉆進與測試裝置，其特征在于: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、位移信號進行實時采集。
3.根據權利要求1或2所述的巖石模擬鉆進與測試裝置，其特征在于:所述控制柜包括信號采集卡、處理單元及帶有測試單元的工控機，用以對采集信號的采集、處理與輸出。
4.根據權利要求1或2所述的巖石模擬鉆進與測試裝置，其特征在于:所述前端鉆桿(61)和后端鉆桿(61)均為高壓密封鉆桿。
5.利用權利要求1-4指任一項所述的巖石模擬鉆進與測試裝置進行巖石鉆進與測試的方法，其特征在于包括以下步驟: 第一步，將高壓旋轉密封輸水器、前端鉆桿、后端鉆桿、傳感器組和配套鉆頭，以及鉆進的巖石試件依次安裝在巖石模擬鉆進系統(tǒng)上，并且打開測試系統(tǒng)； 第二步，通過車床的位置調節(jié)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(jié)手柄調整主軸轉速，使得高壓密封鉆桿獲得需研究工況下的轉速； 第四步，進行巖石模擬鉆進工作，并收集傳感器信號； 第五步，將數據傳至測試系統(tǒng)的工控機，進行數據分析，并輸出巖石模擬鉆進過程中的轉速、扭矩、推力和軸向位移參數。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，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(yōu)先權日:2013年12月24日
【發(fā)明者】湯積仁, 盧義玉, 賈云中, 杜鵬, 黃飛, 章文峰, 林曉東, 敖翔 申請人:重慶大學