一种随钻温度监测及高温自动闭锁系统与方法与流程

本发明涉及煤矿井下打钻过程中的随钻温度监测及高温自动闭锁系统，具体是一种随钻温度监测及高温自动闭锁系统与方法，属于煤矿打钻技术领域。

背景技术：

目前，我国煤矿井下打钻排渣方式普遍存在两个缺点：第一，存在瓦斯燃烧风险，打钻排渣主要依靠风的搬运作用，若配水量过大将增大煤粉自重使风失去输送能力，因此这种打钻方式不能大量配水，打钻过程中存在瓦斯燃烧隐患；众所周知，浓度大于1.4％的瓦斯、595℃以上的高温火源和浓度大于12％的氧气是瓦斯燃烧的三个条件；在打钻过程中，煤体的游离瓦斯不断解吸释放；钻头钻杆与煤体摩擦产生高温，静压风的输送使孔底处于有氧环境，因此打钻过程中始终满足瓦斯燃烧三要素里的两个要素，如若配水量较小钻头温度达到瓦斯燃点极易造成孔内着火事故。第二，钻孔内煤粉较多，在风力搬运煤粉的过程中，部分煤粉将会因重力作用沉积到钻孔下部，使钻孔内煤粉留存较多。我国煤矿井下瓦斯抽采钻孔主要依靠常规液压钻机施工，常规液压钻机以人工操作为主，现有条件无法观测到在钻进过程中钻头的温度变化情况，导致钻头使用寿命短、钻孔一氧化碳中毒及钻孔瓦斯燃烧等孔内事故频繁发生，严重威胁煤矿安全高效开采。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种随钻温度监测及高温自动闭锁系统与方法，能够实现对探测钻头温度进行实时监测，有效降低井下打钻过程中的着火以及由着火引起的瓦斯爆炸事故，保障井下工作人员生命安全，实现煤矿安全高效生产。

为了实现上述目的，本发明提供一种随钻温度监测及高温自动闭锁系统，包括与钻杆一侧连接的探测钻头，钻杆另一侧通过密封连接头连通高压水尾，钻杆内部为中空结构的气水通道，温度传感器安装在探测钻头一端的气水通道中用来探测探测钻头的温度，且通过贯穿钻杆设置的测温线缆与温度微处理器连接，温度微处理器安装在钻杆的侧壁；在气水通道的侧壁上安装有挡圈，转动传感器安装在挡圈一侧的气水通道中并通过贯穿钻杆设置的控制线缆与闭锁控制微处理器连接，闭锁控制微处理器安装在钻杆的侧壁，闭锁杆通过闭锁控制微处理器控制前后移动，且闭锁杆与挡圈相适配。

为了能够满足不同孔深的需要，本发明的钻杆设置为至少一个，多个钻杆之间通过钻杆母头、钻杆公头适配连接；在每个钻杆内壁上均设置测温线缆、控制线缆，每条测温线缆的两端分别设置测温线缆插座母头、测温线缆插座公头，相邻钻杆之间的测温线缆通过测温线缆插座母头、测温线缆插座公头连接；每条控制线缆的两端分别设置控制线缆插座母头、控制线缆插座公头，相邻钻杆之间的控制线缆通过控制线缆插座母头、控制线缆插座公头连接。

为了提高测温线缆与测温线缆以及控制线缆与控制线缆之间连接的稳定性和可靠性，本发明的测温线缆插座母头、测温线缆插座公头、控制线缆插座母头、控制线缆插座公头均采用三股插接方式连接，且在测温线缆插座母头与测温线缆插座公头的连接处设置密封圈，控制线缆插座母头与控制线缆插座公头的连接处设置密封圈。

为了延长温度传感器的使用寿命，防止温度传感器长时间在高压气水中受到损坏，本发明还包括安装在温度传感器上的传感器外壳，用来保护温度传感器。

一种随钻温度监测及高温自动闭锁方法，包括以下步骤：

①首先进行井下钻孔打钻前的准备工作，钻机卡瓦夹持带有探测钻头的钻杆，将温度传感器通过测温线缆连接温度微处理器，转动传感器通过控制线缆连接闭锁控制微处理器，然后在钻杆的尾部装上高压水尾进行打钻开孔；

②在钻进过程中，温度传感器通过测温线缆传送探测钻头的实时温度t到温度微处理器，温度微处理器将温度信号通过无线传输给闭锁控制微处理器，闭锁控制微处理器实时接收转动传感器监测的钻杆转速n，闭锁控制微处理器对接收到的实时温度t和钻杆转速n进行分析处理，并将处理结果通过提示音提醒钻机司机对钻机进行转速调整；

③当需要延长钻杆的长度时，只需将钻杆退出钻孔，并在钻杆的尾部依次连接钻杆，钻杆与钻杆之间通过相适配的钻杆母头、钻杆公头连接，测温线缆与测温线缆之间通过测温线缆插座母头、测温线缆插座公头连接，控制线缆与控制线缆之间通过控制线缆插座母头、控制线缆插座公头连接；

④重复步骤②和③，钻进至钻孔设计距离，然后将钻杆退出煤层，将设备规整以备用。

本发明闭锁控制微处理器对接收到的实时温度t和钻杆转速n进行分析处理，其分析处理方法为：将接收到探测钻头的实时温度t设置为两个档位分别为t1和t2，500℃＞t1＞0℃、t2≥500℃；

①若探测钻头的实时温度为t1挡，即500℃＞t1＞0℃，此时探测钻头温度处于安全值之内，但是需要控制钻机的转速，钻机转速与探测钻头温度的关系为：

钻机功率p满足公式(1)

p＝fv＝frω(1)

式中：f为探测钻头切割煤体时的作用力；

v为探测钻头径向钻进速度；

r为探测钻头的半径；

ω为探测钻头钻进时的角速度；

探测钻头钻进时的角速度ω满足公式(2)

探测钻头钻进过程中产生的热量q满足公式(3)

式中：fj为探测钻头钻进过程的剪切力；

vj为探测钻头钻进过程中的剪切速度；

u为探测钻头压入刃宽度；

z为探测钻头剪切煤体厚度；

α为探测钻头刀片与煤体的夹角；

探测钻头进过程中产生的热量q转化为温度满足公式(4)

式中：β为产生热量转化为温度的比率取值为0～1；

c为煤体比热容；

ρ为煤体密度；

将公式(4)进行化简得到公式(5)

探测钻头的实时温度t和钻杆转速n满足公式(6)

式中：μ为安全系数；

此时为了保证探测钻头正常钻进温度不超过t1档位区间，需要让钻头转速n满足公式如果探测钻头钻进过程中闭锁控制微处理器接收到来自转动传感器的转速信号值闭锁控制微处理器连续发出10s警报声提醒司机降低钻机转速n；如果钻机司机将钻机转速n降低至时，解除警报并发出提示音“可以钻进”提醒钻机司机正常钻进，如果钻机转速n仍然为闭锁控制微处理器将闭锁指令通过控制线缆传输给闭锁杆，使闭锁杆与挡圈配合来堵塞气水通道并持续发出警报声，直至钻机转速n降低至

②若探测钻头的实时温度为t2挡即t2≥500℃，则探测钻头的温度过高处于危险值容易引发钻孔火灾事故，此时闭锁控制微处理器将闭锁指令通过控制线缆传输给闭锁杆，使闭锁杆与挡圈配合来堵塞气水通道并持续发出警报声提醒钻机司机停钻，转动传感器将钻机停止转动信号传输给闭锁控制微处理器，闭锁控制微处理器控制闭锁杆解除闭锁，使探测钻头在停钻状态下降温，探测钻头的实时温度降低至t<100℃时，闭锁控制微处理器发出提示音“可以钻进”提醒钻机司机正常钻进。

与现有技术相比，本发明将钻杆内部设为中空结构的气水通道，在气水通道靠近探测钻头的一端安装温度传感器，温度传感器通过内置在钻杆中的测温线缆与温度微处理器连接，在气水通道的侧壁上安装有挡圈，转动传感器安装在挡圈的一侧并通过内置在钻杆中的控制线缆与闭锁控制微处理器连接，闭锁杆通过闭锁控制微处理器控制前后移动，且闭锁杆与挡圈相适配，温度传感器可以实时监测煤矿井下钻孔钻进过程中的探测钻头的温度，并且将温度信号通过无线传输给闭锁控制微处理器，闭锁控制微处理器实时接收转动传感器监测的钻杆转速n，闭锁控制微处理器对接收到的实时温度t和钻杆转速n进行分析处理，并将处理结果通过提示音提醒钻机司机对钻机进行转速调整；本发明能够有效降低井下打钻过程中的着火以及由着火引起的瓦斯爆炸事故，保障井下工作人员生命安全，实现煤矿安全高效生产。

附图说明

图1是本发明使用时的结构示意图；

图2是本发明闭锁杆未闭锁的结构示意图；

图3是本发明闭锁杆闭锁的结构示意图；

图4是本发明叠加钻杆的内部结构示意图；

图5是温度微处理器、闭锁控制微处理器的安装结构示意图。

图中：1、探测钻头，2、温度传感器，3、传感器外壳，4、转动传感器，5、闭锁杆，6、挡圈，7、气水通道，8、控制线缆，9、控制线缆插座母头，10、钻杆母头，11、测温线缆，12、钻杆，13、钻杆公头，14、测温线缆插座母头，15、控制线缆插座公头，16、闭锁控制微处理器，17、温度微处理器，18、高压水尾，19、钻机，23、测温线缆插座公头，24、密封圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-图5所示，一种随钻温度监测及高温自动闭锁系统，包括与钻杆12一侧连接的探测钻头1，钻杆12另一侧通过密封连接头连通高压水尾18，钻杆12内部为中空结构的气水通道7，温度传感器2安装在探测钻头1一端的气水通道7中用来探测探测钻头1的温度，且通过贯穿钻杆12设置的测温线缆11与温度微处理器17连接，温度微处理器17焊接在钻杆12的侧壁；在气水通道7的侧壁上安装有挡圈6，转动传感器4安装在挡圈6一侧的气水通道7中并通过贯穿钻杆12设置的控制线缆8与闭锁控制微处理器16连接，闭锁控制微处理器16焊接在钻杆12的侧壁，闭锁杆5通过闭锁控制微处理器16控制前后移动，且闭锁杆5与挡圈6相适配。

钻杆12设置为至少一个，多个钻杆之间通过钻杆母头10、钻杆公头13适配连接。

在每个钻杆12内壁上均贯穿设置测温线缆11、控制线缆8，每条测温线缆的两端分别设置测温线缆插座母头14、测温线缆插座公头23，相邻钻杆之间的测温线缆11通过测温线缆插座母头14、测温线缆插座公头23连接；每条控制线缆的两端分别设置控制线缆插座母头9、控制线缆插座公头15，相邻钻杆之间的控制线缆8通过控制线缆插座母头9、控制线缆插座公头15连接。

测温线缆插座母头14、测温线缆插座公头23、控制线缆插座母头9、控制线缆插座公头15均采用三股插接方式连接，且在测温线缆插座母头14与测温线缆插座公头23的连接处设置密封圈24，控制线缆插座母头9与控制线缆插座公头15的连接处设置密封圈24。

安装在温度传感器2上的传感器外壳3。

一种随钻温度监测及高温自动闭锁方法，包括以下步骤：

①首先进行井下钻孔打钻前的准备工作，钻机19卡瓦夹持带有探测钻头1的钻杆12，将温度传感器2通过测温线缆11连接温度微处理器17，转动传感器4通过控制线缆8连接闭锁控制微处理器16，然后在钻杆12的尾部装上高压水尾18进行打钻开孔；

②在钻进过程中，温度传感器2通过测温线缆11传送探测钻头1的实时温度t到温度微处理器17，温度微处理器17将温度信号通过无线传输给闭锁控制微处理器16，闭锁控制微处理器16实时接收转动传感器4监测的钻杆转速n，闭锁控制微处理器16对接收到的实时温度t和钻杆转速n进行分析处理，并将处理结果通过提示音提醒钻机司机对钻机19进行转速调整；

③当需要延长钻杆12的长度时，只需将钻杆12退出钻孔，并在钻杆12的尾部依次连接钻杆，钻杆与钻杆之间通过相适配的钻杆母头10、钻杆公头13连接，测温线缆与测温线缆之间通过测温线缆插座母头14、测温线缆插座公头23连接，控制线缆与控制线缆之间通过控制线缆插座母头9、控制线缆插座公头15连接；

④重复步骤②和③，钻进至钻孔设计距离，然后将钻杆退出煤层，将设备规整以备用。

闭锁控制微处理器16对接收到的实时温度t和钻杆转速n进行分析处理，其分析处理方法为：将接收到探测钻头1的实时温度t设置为两个档位分别为t1和t2，500℃＞t1＞0℃、t2≥500℃；

①若探测钻头1的实时温度为t1挡，即500℃＞t1＞0℃，此时探测钻头1温度处于安全值之内，但是需要控制钻机19的转速，钻机转速与探测钻头1温度的关系为：

钻机功率p满足公式(1)

p＝fv＝frω(1)

式中：f为探测钻头切割煤体时的作用力；

v为探测钻头径向钻进速度；

r为探测钻头的半径；

ω为探测钻头钻进时的角速度；

探测钻头1钻进时的角速度ω满足公式(2)

探测钻头1钻进过程中产生的热量q满足公式(3)

式中：fj为探测钻头钻进过程的剪切力；

vj为探测钻头钻进过程中的剪切速度；

u为探测钻头压入刃宽度；

z为探测钻头剪切煤体厚度；

α为探测钻头刀片与煤体的夹角；

探测钻头1进过程中产生的热量q转化为温度满足公式(4)

式中：β为产生热量转化为温度的比率取值为0～1；

c为煤体比热容；

ρ为煤体密度；

将公式(4)进行化简得到公式(5)

探测钻头(1)的实时温度t和钻杆转速n满足公式(6)

式中：μ为安全系数；

此时为了保证探测钻头1正常钻进温度不超过t1档位区间，需要让钻头转速n满足公式如果探测钻头1钻进过程中闭锁控制微处理器16接收到来自转动传感器4的转速信号值闭锁控制微处理器16连续发出10s警报声提醒司机降低钻机转速n；如果钻机司机将钻机转速n降低至时，解除警报并发出提示音“可以钻进”提醒钻机司机正常钻进，如果钻机转速n仍然为闭锁控制微处理器16将闭锁指令通过控制线缆8传输给闭锁杆5，使闭锁杆5与挡圈6配合来堵塞气水通道7并持续发出警报声，直至钻机转速n降低至

②若探测钻头1的实时温度为t2挡即t2≥500℃，则探测钻头1的温度过高处于危险值容易引发钻孔火灾事故，此时闭锁控制微处理器16将闭锁指令通过控制线缆8传输给闭锁杆5，使闭锁杆5与挡圈6配合来堵塞气水通道7并持续发出警报声提醒钻机司机停钻，转动传感器4将钻机19停止转动信号传输给闭锁控制微处理器16，闭锁控制微处理器16控制闭锁杆5解除闭锁，使探测钻头1在停钻状态下降温，探测钻头1的实时温度降低至t<100℃时，闭锁控制微处理器16发出提示音“可以钻进”提醒钻机司机正常钻进。

本发明的温度传感器、闭锁控制微处理器、温度微处理器均是常规的传感器。

实施例1

①首先进行井下钻孔打钻前的准备工作，钻机19功率为45kw，用卡瓦夹持带有探测钻头1的钻杆12，将温度传感器2通过测温线缆11连接温度微处理器17，转动传感器4通过控制线缆8连接闭锁控制微处理器16，然后在钻杆12的尾部装上高压水尾18进行打钻开孔，探测钻头1的半径r为600mm，探测钻头1压入刃宽度u为60mm，探测钻头1剪切煤体厚度z为69mm，探测钻头1刀片与煤体的夹角α为15°，β取值为0.7，安全系数μ取值为0.8，煤体密度ρ为1.4×10³j/(kg·k)，煤体比热容c为1.23×10³kg/m³，钻孔设计孔深100m；

②带有探测钻头1的钻杆12完全进入钻孔后，延长钻杆12的长度，将钻杆12退出钻孔，并在钻杆12的尾部连接钻杆，钻杆与钻杆之间通过相适配的钻杆母头10、钻杆公头13连接，测温线缆与测温线缆之间通过测温线缆插座母头14、测温线缆插座公头23连接，控制线缆与控制线缆之间通过控制线缆插座母头9、控制线缆插座公头15连接；

③重复步骤②不断进行钻孔钻进，钻进至70m处时，温度传感器2监测到探测钻头1的实时温度为300℃，档位为t1并传输给温度微处理器17，温度微处理器17将温度信号通过无线传输给闭锁控制微处理器16，闭锁控制微处理器16此时接收转动传感器4监测的钻杆转速n为72r/min，闭锁控制微处理器16通过对接收到的探测钻头1实时温度和钻杆转速进行分析处理发现此时闭锁控制微处理器16立刻连续发出10s警报声提醒司机降低钻机转速，钻机司机听到报警指令后立刻开始对钻机转速进行降低处理，30s后钻机转速降低为50r/min，此时闭锁控制微处理器16解除警报并发出提示音“可以钻进”提醒钻机司机正常钻进，钻机司机继续进行打钻作业；

④钻进至100m后，开始进行退钻处理，依次将钻杆退出煤层，最后将设备规整以备用。

实施例2

①首先进行井下钻孔打钻前的准备工作，钻机19功率为45kw，用卡瓦夹持带有探测钻头1的钻杆12，将温度传感器2通过测温线缆11连接温度微处理器17，转动传感器4通过控制线缆8连接闭锁控制微处理器16，然后在钻杆12的尾部装上高压水尾18进行打钻开孔，探测钻头1的半径r为600mm，探测钻头1压入刃宽度u为60mm，探测钻头1剪切煤体厚度z为69mm，探测钻头1刀片与煤体的夹角α为15°，β取值为0.7，安全系数μ取值为0.8，煤体密度ρ为1.4×10³j/(kg·k)，煤体比热容c为1.23×10³kg/m³,钻孔设计孔深为120m；

②带有探测钻头1的钻杆12完全进入钻孔后，延长钻杆12的长度，将钻杆12退出钻孔，并在钻杆12的尾部连接钻杆，钻杆与钻杆之间通过相适配的钻杆母头10、钻杆公头13连接，测温线缆与测温线缆之间通过测温线缆插座母头14、测温线缆插座公头23连接，控制线缆与控制线缆之间通过控制线缆插座母头9、控制线缆插座公头15连接；

③重复步骤②不断进行钻孔钻进，钻进至60m处时，温度传感器2监测到探测钻头1的实时温度为620℃，档位为t2并传输给温度微处理器17，温度微处理器17将温度信号通过无线传输给闭锁控制微处理器16，此时闭锁控制微处理器16将闭锁指令通过控制线缆8传输给闭锁杆5，使闭锁杆5与挡圈6配合来堵塞气水通道7并持续发出警报声提醒钻机司机停钻，此时钻机司机听到报警声后立即停钻，转动传感器4将钻机19停止转动信号传输给闭锁控制微处理器16，闭锁控制微处理器16控制闭锁杆5解除闭锁，使探测钻头1在停钻状态下降温，3分钟后探测钻头1的实时温度降低至t＝83℃<100℃，闭锁控制微处理器16发出提示音“可以钻进”提醒钻机司机正常钻进，钻机司机听到提示音后重新启动钻机进行钻进作业；

④钻进至120m后，开始进行退钻处理，依次将钻杆退出煤层，最后将设备规整以备用。