一种矿用钻机随钻监测装置及煤体应力测定方法

本发明涉及矿用设备及测量，具体是提供了一种矿用钻机随钻监测装置及煤体应力测定方法。

背景技术：

1、煤体高应力和能量聚集是冲击地压发生的主要原因，实时采集煤体应力的动态数据是冲击地压预警和防治的关键环节。大直径钻孔卸压是常用的卸压方式之一，但是现有技术并不能直接获取煤体应力，为精确预防冲击地压的发生，获取煤体应力的分布情况及变化规律已经成为发展绿色智能矿井、提高安全生产能力的迫切需求。

2、随着煤炭资源进入深部开采，高地应力、高渗透压、高地温的复杂地质环境促使煤岩释放大量能量，诱发冲击地压。研究表明，煤体高应力和应力集中对冲击地压的发生起到主控作用，实时获取煤体应力是冲击地压预警的关键环节，但现有应力原位测试手段难以满足煤体应力分布形态探测需求。

3、大直径卸压钻孔是预防冲击地压的重要手段之一，具有施工难度低、卸压效果明显等优点。该技术在各煤矿中被广泛应用，每年累计钻进深度可达十几万米，在这一施工过程中会产生连续、大量的钻进数据，主要包括钻速、转速、钻压、扭矩等钻进参数，这些数据中包含大量的地质信息，但是这些数据尚未引起足够的重视，然而类似的数据在石油测井、隧道超前探测等领域却被广泛应用。

4、随钻测量是指在以特定频率采集钻机在钻进过程中的钻进数据的技术。钻孔过程中传统的测量方法为“停钻”测量，将钻杆取出后安装测量装置进行信息采集，具有测量过程操作复杂、成本高、测试频率低、周期长等局限性，随钻测量技术则克服了上述缺点，可以在钻孔过程中实时监测钻机的响应参数及动力现象，分析钻进参数与煤体应力之间的关系，通过监测钻进参数可测定煤体应力。但根据目前的研究成果，并未得出明确的煤体应力与钻进参数之间的关系。为了准确测量煤体应力，需要对测定煤体应力的方法做进一步的改进。

技术实现思路

1、为了实现大直径卸压钻孔过程中扭矩、转速、钻进位移等钻进参数的实时采集，测定钻进过程中煤体应力的变化规律，本发明提供了一种矿用钻机随钻监测装置及煤体应力测定方法，具体技术方案如下。

2、一种矿用钻机随钻监测装置，包括钻机、钻杆、数据监测系统、数据采集装置和防爆箱，所述数据监测系统包括拉绳位移传感器和扭矩转速传感器，拉绳传感器一端与动力头的下方相连，另一端与钻机支架相连；所述钻机的动力头连接前端联轴器，扭矩转速传感器分别与前端联轴器和后端联轴器；所述数据采集装置包括数据采集仪和防爆手机，所述数据采集仪内置蓝牙传输模块，数据采集仪连接数据监测系统，数据采集仪通过蓝牙传输模块将采集数据传输到至防爆手机内，防爆手机将采集到的钻机参数通过井下光纤交换机传输到地面监测主机中。

3、优选的是，动力头与前端联轴器之间通过公头和母头连接，所述后联轴器与钻杆之间通过公头和母头连接，前端联轴器和扭矩转速传感器之间通过键槽连接。

4、优选的是，钻机为矿用履带式全液压坑道钻机，钻机设置双泵系统，钻机回转参数和给进参数独立调节，变量油泵和变量马达无极调整。

5、优选的是，扭矩转速传感器的量程最大为1500n·m，转速量程为300r/min；所述数据采集仪和供电电池放置在防爆箱内。

6、一种利用矿用钻机随钻测定煤体应力的方法，利用上述的一种矿用钻机随钻监测装置，，步骤包括：

7、s1.对钻头的切削刃沿x方向和y方向进行受力平衡分析，确定钻压扭矩和抗钻削力之间的关系式；

8、s2.对煤体破裂面进行受力分析，确定煤体破裂面上的法向力和切向力的关系式，确定破裂面上的正应力和剪应力关系式；

9、s3.沿煤体破裂面发生剪切破坏，将摩尔库伦理论作为破煤条件，确定岩石内聚力和刀具所受的切向力和法向力的关系式；

10、s4.利用三角函数和差化积得到抗钻削力与岩石参数及钻刃参数、煤体应力的函数表达式，通过对该关系式进行求导，得到在一定倾角下的破裂面上，抗钻削力达到最大值，随后得到煤体应力与抗钻削力最大值的关系，进而得到钻压、切削力与煤体应力的关系式，再通过扭矩与切削力的关系，得到煤体应力与扭矩的关系式；

11、s5.通过随钻测量监测系统采集到的扭矩、转速、钻速以及煤体材料参数和钻头尺寸参数来求得煤体应力，具体包括如下步骤：

12、s51.确定大直径钻孔卸压的位置后，调整并测试矿用钻机随钻监测装置；

13、s52.钻机在指定位置，调整钻孔角度，并进行开孔；

14、s53.更换钻杆，拉绳位移传感器固定在钻机的动力头下方，随动力头做往复移动，拉绳起始端固定在钻机的支架上，不随动力头的移动发生位置变化，钻机、扭矩转速传感器和钻杆固定成一个整体，调整防爆箱的位置；

15、s54.启动钻机，持续接入新钻杆并完成钻孔，钻进过程中记录钻机的动力现象，数据采集仪记录监测数据；

16、s55.钻孔完成后，分析钻进参数的变化规律，计算确定钻孔煤体应力。

17、还优选的是，钻压扭矩和抗钻削力之间的关系式为：

18、

19、

20、其中，fa'为钻压，ft为切削力，fs为钻刃受到煤岩对其的摩擦阻力，fn为抗钻削力，为抗钻削力方向与钻刃的垂面夹角，θ为刀具半角。

21、还优选的是，煤体破裂面上的法向力和切向力的关系式为：

22、

23、所述破裂面上的正应力和剪应力关系式为：

24、

25、

26、其中r为破裂面上总的法向力，s为破裂面上总的切向力，α为破裂面与水平面的夹角，fσ为煤体附加力，nr为煤体受到钻刃反作用的法向力在破裂面上的法向力，wr为煤体受到钻刃反作用的切向力在破裂面上的法向力，r1为煤体附加力在破裂面上的法向力，ns为煤体受到钻刃反作用的法向力在破裂面上的切向力，ws为煤体受到钻刃反作用的切向力在破裂面上的切向力，s1为煤体附加力在破裂面上的切向力，σ为破裂面上的正应力，τ为破裂面上的切应力，l为破裂面的长度，b切削刃的宽度，h为刀具侵入深度。

27、还优选的是，岩石内聚力和刀具所受的切向力和法向力的关系式为：

28、

29、其中，φ为煤岩的内摩擦角，c为煤体的内聚力，w为刀具的切向力，n为刀具的法向力。

30、还优选的是，抗钻削力的函数表达式为：

31、

32、所述切削力的函数表达式为：

33、

34、所述煤体应力的函数表达式为：

35、

36、其中ma为钻进过程中的扭矩，n为转速，v为钻进速度，r'为钻头刃尖到中轴线的距离，σb为煤岩的强度，μ1为刀刃与煤岩摩擦系数，为抗钻削力方向与钻刃的垂面夹角，σ0为煤体应力；

37、参数ξ1、ξ2、ξ4的计算方式为：

38、

39、

40、

41、计算确定煤体应力σ0。

42、还优选的是，通过钻进过程中的钻进时间、位移、扭矩、转速和钻头钻杆参数，计算确定钻进速度和单位深度钻进能量，确定钻进过程中的煤体应力变化。

43、本发明提供的一种矿用钻机随钻监测装置及煤体应力测定方法有益效果是：通过对钻杆等结构的改进，在不影响钻机工作效率的情况下实现钻进数据的实时采集；钻机等设备操作简便，自动化程度高，而且可以真实反应钻进过程；钻进时间、位移、扭矩、转速和钻头钻杆参数确定煤体应力，其精度更高，误差更小，为现场破煤钻进施工提供数据支撑。