专利名称：一种应用于隧道快速钻机的超前地质预报装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种应用于隧道快速钻机的超前地质预报装置。
背景技术：
随着我国国民经济的高速发展，特别是基础设施(高速铁路、高速公路)建设得到 了突飞猛进的发展，隧道施工的要求更加快速高效，其工作量和工作难度都大大增加。快速 钻机在目前的隧道施工中的使用越来越普及，但是现有的快速钻机并不能在快速钻进的过 程中同时完成对前方地质情况的准确分析和判断，不具有超前地质预报分析的功能。在隧道施工中常常遇到长度达数公里或数十公里的大隧道，虽然在前期的勘探设 计过程中都进行过相应的地质勘探工作，对施工有一定的指导意义，但由于岩体的复杂性， 使得勘察所获得的数据资料与隧道开完后所揭示出来的真实情况往往有较大的偏差。这样 在隧道的施工过程中就会有很大的盲目性，施工过程中经常出现难以预料的塌方、冒顶、涌 水等事故。而发生事故时，往往造成巨大的设备和财产损失，甚至人员伤亡，而且处理事故 的难度往往较大，因此做好超前地质预报是隧道工程建设过程中一项十分重要而有益的工 作。目前虽然已有很多的物探法存在，但是仍然不能很好地实现对隧道掌子面深部异常地 质情况以及其具体深度位置的准确预报
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供操作简便、预报准确的一种应用于隧道快 速钻机的超前地质预报装置。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案本实用新型包括安装在隧道快速钻机上的传感器、可编程控制器PLC、人机交互界 面HMI、数据存储装置MEM、安装于数据存储装置上的数据存储卡、以及读卡器和计算机；所述传感器的输出端接可编程控制器PLC的相应输入端，所述可编程控制器PLC 通过通讯总线CANbus分别与人机交互界面HM I和数据存储装置MEM相连接；所述读卡器 插入所述计算机的USB接口。所述传感器包括钻杆钻进编码器EC1、旋转马达油压变送器PT1、旋转马达流量 变送器FT1、冲击压力变送器PT2、推进压力传感器-前PT3、推进压力传感器-后PT4、送水 压力变送器PT5、送水流量变送器FT2、排水压力变送器PT6和排水流量变送器FT3。本实用新型的有益效果是使隧道快速钻机在完成其施工任务的同时具备了超前 地质预报的功能；使用本装置完成的超前地质预报与国内其他物探法超前地质预报的方法 相比较，能够较准确地给出异常地质情况的具体位置，具有很高的精度。为下一步采取合理 的施工方案提供了第一手的可靠的数据资料，能够极大地减少灾害性事故的发生几率，为 隧道快速、安全、高效地施工提供了可靠的技术保证，极具市场应用价值。
图1是本实用新型的原理框图；图2是各传感器与可编程控制器PLC的线路连接图；图3是本实用新型的工作流程图；图4是人机交互界面HMI参数监控的屏幕截图；图5是数据存储卡数据存储配置界面的屏幕截图；图6是钻杆旋转扭矩与钻孔累计深度之间的关系曲线图；图7是各传感器在快速钻机油路控制上的分布示意图；图8是各传感器在快速钻机水路系统上的分布示意图。
具体实施方式
由图1、2所示的实施例可知，它包括安装在隧道快速钻机上的传感器、可编程控 制器PLC、人机交互界面HMI、数据存储装置MEM、安装于数据存储装置上的数据存储卡、以 及读卡器和计算机；所述传感器的输出端接可编程控制器PLC的相应输入端，所述可编程控制器PLC 通过通讯总线CANbus分别与人机交互界面HMI和数据存储装置MEM相连接；所述读卡器 插入所述计算机的USB接口。所述传感器包括钻杆钻进编码器EC1、旋转马达油压变送器PT1、旋转马达流量 变送器FT1、冲击压力变送器PT2、推进压力传感器-前PT3、推进压力传感器-后PT4、送水 压力变送器PT5、送水流量变送器FT2、排水压力变送器PT6和排水流量变送器FT3。所述钻杆钻进编码器ECl的“+UB”端和“0V”端分别接+24V和-24V，其输出端A和 B分别接所述可编程控制器PLC的输入端IN00-IN01 ；所述旋转马达油压变送器PT1、旋转 马达流量变送器FT1、冲击压力变送器PT2、推进压力传感器-前PT3、推进压力传感器-后 PT4、送水压力变送器PT5的“ + ”端分别接+24V，它们的“-”端依次分别接所述可编程控制 器PLC的输入端IN02-IN07 ；所述送水流量变送器FT2的1端接+24V，其2端和27端分别 接-24V，其输出端沈端接所述可编程控制器PLC的输入端I N08 ；所述排水压力变送器PT6 的“ + ”端接+24V，其“-”端接所述可编程控制器PLC的输入端IN09 ；所述排水流量变送器 FT3的1端接+24V，其2端和27端分别接-24V，其输出端沈端接所述可编程控制器PLC的 输入端I NlO ；所述可编程控制器PLC的“VBS(+) ”端和“GND(-) ”端分另接+24V和-24V。在图2中，各传感器的型号如下钻杆钻进编码器ECl为Waycon拉线位移式增量 编码器，型号为SX120-5000-3. 1-G-SR-0，拉绳每前进Imm编码器输出3. 1个脉冲；旋转马 达油压变送器PT1、冲击压力变送器PT2、推进压力传感器-前PT3、推进压力传感器-后 PT4这4个传感器选用的是HYDAC的压力变送器，型号为HDA4744-A-250-Y00 ；旋转马达 流量变送器FTl选用的是HYDAC的涡轮式流量变送器，型号为EVS3104-A-0300-000 ；送水 压力变送器PT5、排水压力变送器PT6选用的是Danfoss的压力变送器，型号为060G3527 MBS 3000 ；送水流量变送器FT2、排水流量变送器FT3选用的是E+H的电磁流量计，型号为 50W-25UA0A1AA0ABAA。在图2中，可编程控制器PLC选用的是IFM的车载式移动控制器，型号为CR0032， 它的输入通道(IN00-IN10)根据输入信号的不同可以分别配置成数字量输入、模拟量4-20mA输入，模拟量0-10V输入，以及高速脉冲输入等不同模式。在本实用新型中，可编程 控制器PLC的输入通道配置如下IN00、IN01两个通道配置成脉冲输入模式，IN02 -IN10九 个通道配置成模拟量4-20mA输入模式。在图1中，人机交互界面HM I选用的是IFM的对话模块，型号为CR9211，是一种 用于移动车辆和工程机械的5. 7"彩色显示器；数据存储装置MEM选用的是IFM的用于 CANopen系统的数据存储器和记录仪，型号为CR3101，该装置可选配数据存储卡；数据存储 卡选用的是IFM存储容量为IG的SD卡EC1021。各传感器的在快速钻机上的分布安装位置见图7、图8，钻杆钻进编码器ECl是拉 绳式编码器，拉绳的一端固定，另一端连接至由动力头推进油缸驱动的钻杆上，当快速钻机 钻进过程中，钻杆会拉动编码器ECl的拉绳前进，这样就可以通过ECl获取钻孔累计深度 Depth以及钻杆推进速度Vs ；推进压力传感器-前PT3和推进压力传感器-后PT4均装设 在推进油缸控制油路上，通过它们的测量值可以分别计算钻杆的推进力Fl和起拨力F2 ；旋 转马达油压变送器PTl和旋转马达流量变送器FTl均装设在动力头旋转马达的控制油路 上，通过它们的测量值可以分别计算钻杆旋转扭矩T和钻杆转速n，冲击压力变送器PT2装 设在动力头冲击锤的控制油路上，通过其测量值可以计算钻孔冲击锤的打击能E、打击次数 Beats、破坏能EV ；送水压力变送器PT5和送水流量变送器FT2均装设在快速钻机钻进过程 中给钻杆送水的回路上；排水压力变送器PT6和排水流量变送器FT3均装设在快速钻机钻 进过程中钻杆的排水回路上，这样通过对PT5、FT2和PT6、FT3测量数值的比较，可以判断前 方是否有空洞或地下暗河等地质情况。总之，通过设置上述传感器可以即时地测量快速钻机工作过程中钻杆的推进、旋 转、冲击参数，钻杆钻进的深度、速度参数，以及送水回路与排水回路的比较参数。通过这些 参数就可以间接地反应前方的岩质构成情况，得出准确可靠的超前地质预报结果。本实施例的工作原理如下1、启动可编程控制器PLC，在快速钻机的工作过程中各传感器的输出信号会产生 动态的变化，此变化是跟前方地质情况的变化密切相关的。这些信号通过可编程控制器PLC 的输入通道IN00-IN10被实时地采集上来，同时在PLC内完成相关运算，并最终得出需要保 存的关键数据(即附表1)。具体的计算方法如下(1)钻孔累计深度
权利要求1.一种应用于隧道快速钻机的超前地质预报装置，其特征在于它包括安装在隧道快速 钻机上的传感器、可编程控制器PLC、人机交互界面HMI、数据存储装置MEM、安装于数据存 储装置上的数据存储卡、以及读卡器和计算机；所述传感器的输出端接可编程控制器PLC的相应输入端，所述可编程控制器PLC通过 通讯总线CANbus分别与人机交互界面HMI和数据存储装置MEM相连接；所述读卡器插入所 述计算机的USB接口。
2.根据权利要求1所述的一种应用于隧道快速钻机的超前地质预报装置，其特征在 于所述传感器包括钻杆钻进编码器EC1、旋转马达油压变送器PT1、旋转马达流量变送器 FT1、冲击压力变送器PT2、推进压力传感器-前PT3、推进压力传感器-后PT4、送水压力变 送器PT5、送水流量变送器FT2、排水压力变送器PT6和排水流量变送器FT3。
3.根据权利要求2所述的一种应用于隧道快速钻机的超前地质预报装置，其特征在于 可编程控制器PLC的型号为CR0032 ；所述人机交互界面HMI的型号为CR9211 ；所述数据存 储装置MEM的型号为CR3101 ；所述数据存储卡的型号为EC1021。
4.根据权利要求3所述的一种应用于隧道快速钻机的超前地质预报装置，其特征在于 所述钻杆钻进编码器ECl的“+UB”端和“0V”端分别接+24V和-24V，其输出端A和B分别 接所述可编程控制器PLC的输入端IN00-IN01 ；所述旋转马达油压变送器PT1、旋转马达流 量变送器FT1、冲击压力变送器PT2、推进压力传感器-前PT3、推进压力传感器-后PT4、送 水压力变送器PT5的“ + ”端分别接+24V，它们的“-”端依次分别接所述可编程控制器PLC 的输入端IN02-IN07 ；所述送水流量变送器FT2的1端接+24V，其2端和27端分别接-24V， 其输出端26端接所述可编程控制器PLC的输入端IN08 ；所述排水压力变送器PT6的“ + ”端 接+24V，其“-”端接所述可编程控制器PLC的输入端IN09 ；所述排水流量变送器FT3的1 端接+24V，其2端和27端分别接-24V，其输出端沈端接所述可编程控制器PLC的输入端 INlO ；所述可编程控制器PLC的“VBS⑴”端和“GND㈠”端分别接+24V和-24V。
专利摘要本实用新型涉及一种应用于隧道快速钻机的超前地质预报装置，它包括安装在隧道快速钻机上的传感器、可编程控制器PLC、人机交互界面HMI、数据存储装置MEM、安装于数据存储装置上的数据存储卡、以及读卡器和计算机；所述传感器的输出端接可编程控制器PLC的相应输入端，所述可编程控制器PLC通过通讯总线CANbus分别与人机交互界面HMI和数据存储装置MEM相连接；所述读卡器插入所述计算机的USB接口。本实用新型的有益效果是使隧道快速钻机在完成其施工任务的同时具备了超前地质预报的功能，能够较准确地给出异常地质情况的具体位置，具有很高的精度，并且操作简便。
文档编号E21F17/18GK201884070SQ20102059471
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月8日 优先权日2010年11月8日
发明者刘俊平, 吴平, 白晓军, 程良, 赵保久, 陈雁斌, 韩志刚 申请人:秦皇岛天业通联重工股份有限公司