矿用取芯钻头保护装置及其监测方法与流程

本发明涉及矿山勘探设备，特别是涉及一种矿用取芯钻头保护装置及其监测方法。

背景技术：

1、在矿山地质勘探与取样过程中，取芯钻头是核心工具之一，其工作状态直接影响取芯质量和钻进效率。由于井下地质条件复杂，岩层硬度不均、夹杂异物、钻进参数不当等因素易导致钻头异常磨损、崩刃甚至断裂，造成钻进中断、取样失败及设备损坏。目前，钻头工作状态的监测多依靠操作人员经验或简单的振动、温度传感器，难以实时、准确地反映钻头实际受力与磨损情况，更缺乏有效的在位保护机制。

2、因此，亟需一种在实验取样时，能实时监测钻头工作状态、并在异常时及时预警与保护的装置及方法，以提高取芯作业的安全性、可靠性与经济性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种矿用取芯钻头保护装置及其监测方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实时监测实验取样时取芯钻头的状态并及时预警，提高取芯作业安全性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种矿用取芯钻头保护装置，包括：外套筒，套设于钻杆外部，其一端用于与取芯钻头固定连接；中空保护接头管，套设于所述外套筒外部，其一端用于与取芯钻头固定连接；所述中空保护接头管的内侧壁与所述外套筒的外侧壁之间能形成密封的环形容置腔室，所述环形容置腔室内充满有弹性缓冲材料；在所述环形容置腔室的所述弹性缓冲材料内，绕所述中空保护接头管的轴线周向布置有多个光纤传感器，所述光纤传感器用于监测所述弹性缓冲材料的应变、振动及温度变化；外导向筒，固定套设于所述中空保护接头管外，所述外导向筒的内侧壁与所述中空保护接头管的外侧壁之间具有封闭的搁置空腔，所述搁置空腔内固定设有主控制器和校验控制器，所述主控制器与一部分所述光纤传感器通信连接，且所述校验控制器与剩余的所有所述光纤传感器通信连接；所述主控制器及所述校验控制器均集成有无线通信模块；所述外导向筒的外径大于取芯钻头的外径；地面接收器，与所述主控制器及所述校验控制器的所述无线通信模块均无线通信连接。

4、优选的，所述主控制器连接的所述光纤传感器的数量及所述校验控制器连接的所述光纤传感器的数量相同，且所述主控制器连接的各所述光纤传感器与所述校验控制器连接的各所述光纤传感器依次交错排布。

5、优选的，所述地面接收器上集成有声光报警器。

6、优选的，所述弹性缓冲材料为热塑性聚酯弹性体。

7、优选的，所述外套筒的两端分别设置有第一外螺纹和第二外螺纹；所述中空保护接头管的两端分别设置有第一配合内螺纹和第二配合内螺纹；所述第一配合内螺纹螺纹固定于所述第一外螺纹上，所述第二配合内螺纹螺纹固定于所述第二外螺纹上。

8、优选的，所述中空保护接头管的外侧壁上周向固定设置有多个固定支架；所述外导向筒的外侧壁中部具有内凹槽，所述内凹槽内对应各所述固定支架的位置均开设有固定孔，所述固定孔内固定设有固定螺栓；所述固定螺栓位于所述内凹槽内，且不凸出于所述外导向筒的外侧壁。

9、优选的，所述外导向筒包括依次固定套设于所述中空保护接头管外的第一端盖、第一端管、中部管、第二端管及第二端盖；所述第一端管的外径与所述第二端管的外径相同，且所述第一端管的外径大于所述中部管的外径；所述第一端盖封堵于所述第一端管远离所述中部管的一端，所述第二端盖封堵于所述第二端管远离所述中部管的一端。

10、优选的，所述中空保护接头管靠近取芯钻头的一端设置有减震垫圈。

11、优选的，所述中空保护接头管、所述外套筒及所述外导向筒均同轴；所述中空保护接头管在自身轴线方向的两个端面上均设有至少一个与所述环形容置腔室连通的填充孔，所述填充孔上设有可拆卸的密封螺栓。

12、本发明还提供一种基于以上任一项所述的矿用取芯钻头保护装置的监测方法，包括以下步骤：

13、s1，将所述矿用取芯钻头保护装置固定于钻杆上，并与取芯钻头连接；

14、s2，在取芯钻头的钻进过程中，各所述光纤传感器实时采集所述弹性缓冲材料的应变、振动频率及温度信号；

15、s3，所述主控制器及所述校验控制器将接收的信号值与预设的安全阈值进行比较；

16、若所述主控制器及所述校验控制器中的所述信号值均持续处于所述安全阈值范围内，则所述地面接收器显示正常，钻进作业持续进行；

17、若所述主控制器及所述校验控制器中至少一个所述信号值超过所述安全阈值，则所述地面接收器显示异常，提示操作人员检查取芯钻头状态或调整钻进参数。

18、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

19、本发明提供的矿用取芯钻头保护装置，通过设置中空保护接头管，在取芯钻头在钻进过程中遇到的过载受力、异常振动、摩擦生热等状态，会传递至中空保护接头内部的弹性缓冲材料，弹性缓冲材料作为信号中介，将取芯钻头的力学变化（受力带来的材料应变）、运动变化（振动带来的材料振动）、热变化（摩擦带来的材料温升）转化为自身的物理参数变化，光纤传感器直接与弹性缓冲材料接触，可实时捕捉材料的物理参数变化，将物理变化转换为可量化的电信号，最终实现对取芯钻头状态的实时、精准监测；通过外导向筒实现对用于实验取样的取芯钻头整体进行居中导向；在外导向筒内部的搁置空腔中分别设置主控制器与校验控制器，二者各自独立连接部分光纤传感器并均集成无线通信模块，实现信号的双通道采集与互校验，提高了监测数据的可靠性与抗干扰能力；地面接收器与两个控制器无线通信连接，可在异常工况下及时接收预警信息，避免依赖人工经验判断，确保对取芯钻头判定结果的准确性。

20、本发明还提供一种基于矿用取芯钻头保护装置的监测方法，通过在钻进过程中由各光纤传感器实时采集弹性缓冲材料的应变、振动频率及温度信号，并由主控制器和校验控制器分别对各自接收的信号值与预设的安全阈值进行比对；仅当主控制器及校验控制器的信号值均持续处于安全阈值范围内时，地面接收器才显示正常并维持钻进作业；一旦主控制器或校验控制器中任意一方的信号值超过安全阈值，地面接收器即显示异常并提示操作人员检查取芯钻头状态或调整钻进参数，从而实现基于双通道判断逻辑的高可靠性实时预警，有效防止误判或漏判，提升取芯作业的安全性与响应及时性。

1.一种矿用取芯钻头保护装置，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的矿用取芯钻头保护装置，其特征在于：所述主控制器连接的所述光纤传感器的数量及所述校验控制器连接的所述光纤传感器的数量相同，且所述主控制器连接的各所述光纤传感器与所述校验控制器连接的各所述光纤传感器依次交错排布。

3.根据权利要求1所述的矿用取芯钻头保护装置，其特征在于：所述地面接收器上集成有声光报警器。

4.根据权利要求1所述的矿用取芯钻头保护装置，其特征在于：所述弹性缓冲材料为热塑性聚酯弹性体。

5.根据权利要求1所述的矿用取芯钻头保护装置，其特征在于：所述外套筒的两端分别设置有第一外螺纹和第二外螺纹；

6.根据权利要求1所述的矿用取芯钻头保护装置，其特征在于：所述中空保护接头管的外侧壁上周向固定设置有多个固定支架；

7.根据权利要求6所述的矿用取芯钻头保护装置，其特征在于：所述外导向筒包括依次固定套设于所述中空保护接头管外的第一端盖、第一端管、中部管、第二端管及第二端盖；

8.根据权利要求1所述的矿用取芯钻头保护装置，其特征在于：所述中空保护接头管靠近取芯钻头的一端设置有减震垫圈。

9.根据权利要求1所述的矿用取芯钻头保护装置，其特征在于：所述中空保护接头管、所述外套筒及所述外导向筒均同轴；所述中空保护接头管在自身轴线方向的两个端面上均设有至少一个与所述环形容置腔室连通的填充孔，所述填充孔上设有可拆卸的密封螺栓。

10.一种基于权利要求1~9中任一项所述的矿用取芯钻头保护装置的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：