矿用回转钻机离线式随钻测斜系统

针对矿用回转钻机打钻过程中无法直接测量孔底钻具姿态数据和绘制钻孔轨迹的问题,基于随钻测斜原理和离线式数据同步方法,开发了一种矿用回转钻机离线式随钻测斜系统。该系统由探管、同步仪和上位机软件组成。探管通过三轴加速度传感器和三轴磁阻传感器分别测量重力场和地磁场,以采集钻杆姿态;同步仪通过按键采集钻孔和钻杆编号,并根据钻杆姿态数据进行有效测点筛选;上位机软件通过测点递推算法绘制钻孔2D或3D轨迹图。功能测试结果表明:该系统测量的总地磁场矢量模长接近真实值50～60μT,总重力加速度矢量模长接近1g,经传感器校正算法校正后的倾角最大偏差为1°,方位角最大偏差为5°。井下测试结果表明:对于已成钻孔,该系统绘制的钻孔轨迹与实际轨迹基本相同;对于钻进钻孔,孔口轨迹易受钻机本身的磁干扰而出现偏差,导致整条钻孔轨迹偏差较大,应保持钻机距离孔口3m以上。     

新型矿用无缆钻孔测斜仪的设计

介绍了新型矿用无缆钻孔测斜仪的组成、无缆测量原理及其关键部件的设计等.该无缆钻孔测斜仪工作原理基于同步技术,即首先将同步机和探管用连线连接后,使同步机和探管按预先设定的时间同步工作,然后拆开连线,将探管连接到钻杆上送入到测量处测量,与探管同步工作的同步机则记录有用的测点;测量完成取回探管,将探管测斜数据发送到同步机中,由同步机计算并显示出各测点的倾角和方位角.实际应用表明,该无缆钻孔测斜仪设计合理,使用方便,测量精度达到倾角(+90°～-90°)±0.2°、方位角(0～360°)±2°,完全满足煤矿井下钻孔轨迹测量的要求.     

回转钻进钻孔数据处理与三维显示软件设计

针对煤矿井下回转钻进用随钻轨迹仪及手持式轨迹仪测量软件功能单一、显示不直观、无法实现瓦斯抽采盲区的分析与显示、不能指导钻孔施工等问题,设计了一种钻孔数据处理与三维显示软件。该软件包括钻孔数据预处理、钻孔深度与轨迹计算、钻孔轨迹三维建模与显示及钻孔轨迹设计指导4个功能模块:钻孔数据预处理模块重点关注地磁偏角计算及数据野点的剔除;钻孔深度与轨迹计算模块利用钻孔水压监测数据和测点倾角数据实现钻孔静水压力的提取及钻孔深度的计算,同时实现钻孔轨迹的计算及钻孔测点坐标的提取,完成钻孔轨迹深层次的数据挖掘;钻孔轨迹三维建模与显示模块将钻孔轨迹及煤层走向等钻孔信息通过三维实体有效呈现,便于钻孔瓦斯抽采盲区的确定,包括钻孔群轨迹及煤层分布三维显示、进煤面设计钻孔覆盖区域、进煤面实钻钻孔覆盖区域等显示;钻孔轨迹设计指导模块给出钻孔抽采盲区,并统计已有钻孔轨迹的偏移特性,给出后续补充钻孔施工的指导轨迹。采用该软件对某矿实钻钻孔进行三维显示和偏移规律分析,利用精准开孔技术和随钻轨迹测量技术对钻场进行了补充钻孔施工,补孔后的钻孔抽采覆盖区域达到了设计覆盖区域的95%以上,有效控制或消除了钻孔瓦斯抽采盲区。该软件解决了钻场或巷道钻孔群轨迹的三维显示问题,可直观再现钻孔轨迹与煤层的关系,为钻孔瓦斯抽采盲区的定量评价提供了一种新方法。     

基于模糊控制的潜孔钻机推进回转系统仿真

潜孔钻机钻孔作业时推进力的控制是影响钻孔质量的关键因素,为提高钻孔质量,准确控制推力,提出了一种通过采集钻孔作业中回转系统的压力信号反馈到控制器,控制推进系统的推进力,实现钻孔过程中岩层感应自动调节的方法.在AMEsim中搭建了潜孔钻机推进回转部分的液压系统模型,并依据模糊控制原理在Simulink中建立控制系统模型,实现联合仿真.仿真结果表明推进力随着回转压力信号的变化自动控制推进力的大小,并且能有效预防卡钻和提高钻孔效率,验证了上述方法的可行性,达到满意效果.     

瓦斯抽采钻机连续装卸钻杆装置设计

针对当前瓦斯抽采钻机频繁启停易使钻孔内煤粉堆积、煤孔壁坍塌,进而导致钻杆断裂、钻具丢失、钻孔无法使用等问题,设计了一种新型瓦斯抽采钻机连续装卸钻杆装置,阐述了该装置总体设计方案及钻杆接续工作过程。瓦斯抽采钻机连续装卸钻杆装置主要由前后动力头、测速装置、夹持定位装置、给进装置等组成,可实现无需停钻而连续连接下一根钻杆,减少钻机频繁启停对孔壁的破坏。基于ABAQUS有限元软件的装置力学性能分析结果表明,该装置基座、导轨等关键部分构件的安全系数较高,可满足使用要求。     

顺煤层超长定向钻孔钻压传递规律研究

为进一步增加顺煤层定向钻孔深度、提高超长定向钻孔钻进效率,分析了顺煤层超长定向钻孔钻压传递影响因素,包括钻孔轨迹、钻孔深度、孔内沉渣和钻遇地层;以保德煤矿2 570m顺煤层超长定向钻孔为工程背景,对复合定向钻进状态下钻压传递规律进行了研究。研究结果表明:①随着钻孔深度的增加,滑动定向钻进给进压力呈指数型上升,最终达到钻机额定给进压力,钻压传递效率降低;复合钻进状态下,随着钻孔深度的增加,复合钻进给进压力始终保持在较低水平,且远低于钻机额定给进压力,钻机回转压力近似呈线性增长,但低于钻机额定回转压力,钻压传递效率高。②泥浆泵泵压和泵量越高,排渣效率越高,钻具摩擦阻力越小,钻压传递效率越高,反之钻压传递效率越低。     

随钻测量仪传感器正交校准方法研究

分析了随钻测量仪器传感器的正交误差特征。为避免现有方法的局限性,建立了一种便捷、实用的正交校准模型。在试验数据统计结果的基础上,在允许的范围内对传感器进行了假设。传感器输出轴与理想坐标系坐标轴夹角小于1°,传感器输出误差可以视作是姿态角度的正弦或余弦函数。建立了一组正交误差消除公式,并给出了传感器数据采集流程及正交误差系数的计算方法。对正交误差模型系数进行解算,可以得到消除正交误差之后的传感器输出,进而计算出较为精确的仪器姿态信息。试验结果证明,该方法具有一定的通用性,移植简单,可用于随钻测斜及垂直钻井系统。该系统已应用于简单的单多点测斜系统及稍复杂的陀螺测斜系统,效果良好。     

井下瓦斯抽采钻机远程控制系统的设计

为了能够有效杜绝煤与瓦斯突出、打钻机械伤人事故的发生,设计了一种井下瓦斯抽采钻机远程控制系统。该系统采用PLC控制技术、视频及声音监视技术和远程数据无线传输技术,操作人员利用地面操作台操作手柄和按钮,借助远程视频和声音监视完成远程控制钻机的钻进和钻杆的自动装卸,从而实现了井下瓦斯的无人化抽采。井下试运行结果表明,该系统运行稳定、可靠。     

基于超声波原理的开孔参数标定系统研究

针对传统的人工丈量方法标定开孔方位角和倾斜角存在操作程序繁琐、稳钻时间长、精度低等问题,设计了基于超声波原理的钻孔开孔参数标定系统。该系统采用超声波渡越时间检测法测量参考点之间的距离,并由单片机解算出钻杆的方位角,选用微机械三轴加速度计测量倾斜角,实现了全自动化的实时跟踪测量及智能化的钻机姿态调整语音指导操作;在误差允许范围内,可快速标定所需开孔参数。该系统提高了开孔参数标定精度、标定效率及煤矿管理水平,降低了矿工劳动强度和煤矿管理成本。     

基于超声波原理的开孔参数标定系统研究

针对传统的人工丈量方法标定开孔方位角和倾斜角存在操作程序繁琐、稳钻时间长、精度低等问题,设计了基于超声波原理的钻孔开孔参数标定系统。该系统采用超声波渡越时间检测法测量参考点之间的距离,并由单片机解算出钻杆的方位角,选用微机械三轴加速度计测量倾斜角,实现了全自动化的实时跟踪测量及智能化的钻机姿态调整语音指导操作;在误差允许范围内,可快速标定所需开孔参数。该系统提高了开孔参数标定精度、标定效率及煤矿管理水平,降低了矿工劳动强度和煤矿管理成本。