基于履带式全液压钻机的全地形自适应钻探系统及方法与流程

本发明涉及地质钻机钻探，尤其是基于履带式全液压钻机的全地形自适应钻探系统及方法。

背景技术：

1、现有履带式全液压钻机通常由履带行走总成、动力液压总成、钻进执行总成、操纵控制总成和辅助支撑总成等部分构成：现有技术中履带行走总成用于钻机的移动和就位，动力液压总成包括液压泵、液压马达和多路阀，用于提供全机液压动力，钻进执行总成包括动力头、给进油缸、夹持器和钻具，用于完成回转钻进和给进动作，操纵控制总成包括操纵杆、压力表和仪表盘，用于操作人员手动控制钻机运行，辅助支撑总成包括支腿和稳固装置，用于钻机作业时的稳定支撑。

2、现有履带式全液压钻机的钻探作业针对断层泥地层作业时，一般采用停钻等待自然固结或统一注入水泥浆护壁的方式；针对缩径卡钻，通常采用强行起拔或反复扫孔的方式处理；针对采空区穿透，则完全依赖操作人员发现进尺突变后手动制动。然而上述液压钻机及其现有的工作方式在实际穿越活动断裂带与未知采空区复合地层的工况下使用时存在以下缺点：

3、第一点，稀流塑断层泥抗剪强度低、孔壁暴露后易流动坍塌，需要快速高压注浆固结；软塑断层泥浆液易被挤压流失，需要跟管隔离护壁；硬塑断层泥孔壁稳定性较好，无需额外护壁。现有工艺统一采用注浆或停钻等待，导致稀流塑段因注浆不及时坍塌、软塑段因浆液流失护壁失效、硬塑段因过度注浆浪费工时，护壁效果和施工效率均难以保证。

4、第二点，现有钻机在采空区穿透识别、紧急制动响应及多风险并发处置方面存在不足：采空区穿透瞬间钻具失重，操作人员从观察到进尺突变到手动拉动操纵杆制动，反应时间通常在0.5秒以上，加上液压系统建压时间，总制动时间常超过1秒，深孔条件下钻具可能坠落数米甚至十余米，造成钻杆弯曲、钻头损坏或孔壁坍塌。

5、基于此，设计一种配合现有履带式全液压钻机使用实现断层泥稠度分级护壁、应力缩径识别扩孔、采空区失重紧急制动的全地形自适应钻探系统及方法具有重要的工程必要性。

技术实现思路

1、本发明为解决上述技术问题之一，所采用的技术方案是：基于履带式全液压钻机的全地形自适应钻探系统及方法，其中，履带式全液压钻机采用现有的履带液压钻机，包括履带行走总成、动力液压总成、钻进执行总成、操纵控制总成和辅助支撑总成，所述全地形自适应钻探系统包括多参数随钻监测单元、自适应控制单元、断层泥护壁控制单元、应力缩径识别与扩孔控制单元和采空区失重识别与紧急制动控制单元；

2、所述多参数随钻监测单元用于安装在现有钻机的钻进执行总成上，并实时采集回转扭矩、给进压力、回转转速、钻具垂直位移加速度及给进速度参数；

3、所述自适应控制单元用于安装在现有钻机的操纵控制总成中并与多参数随钻监测单元电连接，接收采集参数并判别断层泥稠度、应力缩径和采空区失重三类风险，按预设优先级输出控制指令；

4、所述断层泥护壁控制单元用于安装在现有钻机泥浆泵出口与注水器之间的管路上，根据控制指令切换冲洗液与护壁浆液管路并监测注浆流量，护壁浆液由现有钻机配套的泥浆搅拌设备制备、泥浆泵输送；

5、所述应力缩径识别与扩孔控制单元为存储在自适应控制单元中的控制程序，用于根据多参数随钻监测单元采集的数据识别缩径状态并控制现有钻机的动力头转速、给进压力和泥浆泵流量，实现缩径识别和利用现有钻头低速大扭矩反复扫孔扩孔；

6、所述采空区失重识别与紧急制动控制单元用于并联接入现有钻机液压回路，根据控制指令控制现有钻机的夹持器、动力头液压马达和给进油缸依次动作实现紧急制动；

7、上述各单元通过加装方式与现有钻机配合，不改变现有钻机主体机械结构。

8、优选地，所述多参数随钻监测单元包括回转扭矩传感器、给进压力传感器、回转转速传感器、钻具垂直位移加速度传感器、给进速度传感器、返液温度传感器和返液电导率传感器；

9、所述回转扭矩传感器用于安装在现有钻机动力头的主轴上，所述给进压力传感器用于安装在现有钻机给进油缸的无杆腔管路上，所述回转转速传感器用于安装在现有钻机动力头液压马达的输出轴上，所述钻具垂直位移加速度传感器用于安装在现有钻机动力头的滑座上，所述给进速度传感器用于安装在现有钻机给进机构的动力头滑座上，用于实时测量动力头滑座的垂直给进速度，所述返液温度传感器和返液电导率传感器用于安装在现有钻机的孔口返液槽中，返液温度传感器用于通过测量返出液温度间接监测孔底温度变化，返液电导率传感器用于通过测量返出液电导率变化间接监测地层含水情况和断层泥带矿物成分变化；

10、所述回转扭矩传感器、给进压力传感器、回转转速传感器和给进速度传感器的采样频率不低于50hz，所述钻具垂直位移加速度传感器的采样频率不低于100hz，数据通过can总线传输至自适应控制单元。

11、优选地，所述自适应控制单元包括控制器、数据采集模块和人机交互触摸屏；所述控制器中存储有断层泥稠度判别程序、应力缩径识别程序、采空区失重识别程序和优先级仲裁程序；

12、所述断层泥稠度判别程序被配置为实时计算回转扭矩与给进速度的比值并结合波动幅度和持续时间输出稠度等级；

13、所述应力缩径识别程序被配置为实时分析回转扭矩、给进压力、给进速度三者的匹配关系并输出缩径前兆或缩径确认状态；

14、所述采空区失重识别程序被配置为监测回转扭矩骤降、给进压力骤降、钻具垂直位移加速度异常增大三重信号并输出是否穿透采空区的判定结果；

15、所述优先级仲裁程序被配置为按预设优先级执行中断控制，高优先级信号触发时立即中断低优先级动作，控制指令分别输出至断层泥护壁控制单元和采空区失重识别与紧急制动控制单元，应力缩径识别与扩孔控制由自适应控制单元内的对应程序直接执行。

16、优选地，所述断层泥护壁控制单元包括注浆切换电磁阀和注浆流量传感器；所述注浆切换电磁阀安装在现有钻机泥浆泵出口与注水器之间的管路上，正常钻进时接通冲洗液管路，护壁时由自适应控制单元控制在2秒内切换至护壁浆液管路；

17、所述注浆流量传感器安装在注浆切换电磁阀的出口管路上，用于实时测量注浆流量和吸浆量并传输至自适应控制单元；护壁浆液由现有钻机外部配置的泥浆搅拌设备制备，由现有钻机的泥浆泵经注浆切换电磁阀输送至注水器和钻杆通路；套管跟入通过套管接头将套管与钻具连接，由现有钻机的给进油缸和动力头带动钻具与套管同步回转和给进实现边回转边下压。

18、优选地，所述应力缩径识别与扩孔控制单元为存储在自适应控制单元中的应力缩径识别与扩孔控制程序，被配置为：

19、由自适应控制单元根据多参数随钻监测单元采集的回转扭矩、给进压力、给进速度数据，实时分析三者匹配关系以识别缩径前兆或缩径确认状态；

20、判定为缩径前兆时，由自适应控制单元控制现有钻机的动力头降低回转转速、给进油缸降低给进压力，观察设定时间；

21、判定为缩径确认时，由自适应控制单元控制现有钻机的动力头以低转速、大扭矩工况运转，同时控制给进油缸以小给进量带动钻具在缩径段反复上下扫孔，利用现有钻头实现扩孔；

22、扩孔过程中由现有钻机的泥浆泵通过现有单通道钻杆输送冲洗液或护壁浆液。

23、优选地，所述采空区失重识别与紧急制动控制单元包括夹持器控制电磁阀、动力头制动电磁阀和给进油缸制动电磁阀；所述夹持器控制电磁阀、动力头制动电磁阀和给进油缸制动电磁阀均为三位四通电磁换向阀，中位机能为o型，分别并联接入现有钻机夹持器的控制油路、现有钻机动力头液压马达的控制油路和现有钻机给进油缸的控制油路，中位时四油口全封闭，不干扰现有钻机原有多路阀的控制；

24、制动时由自适应控制单元按预设时序依次输出控制信号：夹持器控制电磁阀切换使现有钻机的夹持器抱紧钻杆，动力头制动电磁阀先切换至反转工位使动力头反转5至15度后切回o型中位封闭液压马达进出油口实现锁止，给进油缸制动电磁阀切换至提升工位使给进油缸施加向上的提升力；

25、所述采空区失重识别与紧急制动控制单元还选配包括制动测试按钮，安装在现有钻机的操纵台上，用于在非钻进状态下测试制动响应时间。

26、本发明还包括一种履带式全液压钻机全地形自适应钻探方法，包括以下步骤：

27、s1：地质预判与参数预设，根据矿区地质资料标定活动断裂带和采空区的预计深度范围，设定断层泥稠度判别阈值、应力缩径识别阈值和采空区失重制动阈值；

28、s2：接近断裂带降速预备，当钻进至断裂带上边界以上预设距离时，降低回转转速和给进压力，同时提高监测采样频率进入高频采集模式；

29、s3：断层泥稠度判别与分级护壁，进入断裂带后，实时采集回转扭矩、给进压力和给进速度参数，计算回转扭矩与给进速度的比值并判别断层泥稠度等级，进而执行与稠度等级对应的护壁动作；

30、s4：应力缩径识别与分级扩孔，在钻进过程中，实时分析回转扭矩、给进压力、给进速度三者的匹配关系，识别缩径前兆或缩径确认状态，并执行降速观察或反复扫孔扩孔动作；

31、s5：采空区失重监测与紧急制动，从s2降速预备阶段起，全程监测回转扭矩、给进压力和钻具垂直位移加速度信号，当判定为穿透采空区时，立即执行钻具抱紧与制动动作；

32、s6：制动后探摸与分级处置，制动稳定并确认钻具无滑动后，启动受控探摸程序，以低速下放钻具探摸采空区充填面并测量空洞高度，根据空洞高度选择注浆充填、下套管或分次注浆后重开的处置方式；

33、s7：多风险优先级仲裁，在s3至s6的执行过程中，当两种或两种以上风险同时出现时，按采空区失重制动优先于断层泥护壁优先于应力缩径扩孔的优先级顺序执行。

34、优选地，所述s2步骤中，预设距离为断裂带上边界以上3至5m；降速后回转转速为正常转速的60%至70%，给进压力为正常给进压力的50%至60%；

35、高频采集模式下，对回转扭矩、给进压力、回转转速和给进速度以不低于50hz的频率同步采集，对钻具垂直位移加速度以不低于100hz的频率采集，同时持续监测返出液温度和物性变化。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

37、1、本发明采用多参数随钻监测、自适应控制、多单元协同执行的分层闭环架构，将回转扭矩、给进压力、回转转速、垂直加速度、给进速度、返液温度、返液电导率等多维度参数进行融合采集与综合判别，突破了现有钻机仅依靠单一参数或操作人员经验进行工况判断的局限，实现了对断层泥、应力缩径、采空区三类复杂地层风险的同步识别与精准处置，解决了现有钻机在活动断裂带与未知采空区复合地层中风险识别过度滞后的问题。

38、2、整个系统以加装方式配合现有履带式全液压钻机使用，不改变现有钻机的主体机械结构，不破坏原有液压回路的正常工作状态，仅通过在现有设备的标准接口处增设传感器、控制器和电磁控制阀即可完成系统部署，既完整保留现有钻机的全部原有功能，又使其能够自适应钻探能力。该设计改造成本低、施工周期短、对现有设备队伍的兼容性强，无需更换主力钻探设备即可实现技术升级，便于在同类型履带式全液压钻机上规模化推广应用。

39、3、本发明将断层泥护壁控制、应力缩径识别与扩孔控制、采空区失重识别与紧急制动控制三类功能集成于同一自适应控制单元，通过预设的优先级仲裁机制对多风险并发工况进行有序调度，确保在最危险工况下优先执行最高优先级的处置动作，避免现有钻机在面对复合地层多种风险叠加时因处置顺序混乱或顾此失彼而导致的孔内事故。三类风险的监测信号共享同一套多参数随钻监测单元，控制指令由同一控制器统一输出。

40、4、自适应控制单元根据实时监测的地层参数动态调节动力头转速、给进压力和泥浆泵流量，在不同岩性、不同地层条件下自动匹配与之相适应的钻进参数组合：在断层泥段自动切换护壁工艺并调节注浆参数，在缩径段自动执行低速大扭矩扫孔扩孔工艺，在正常地层自动恢复高效钻进参数。该机制实现从依赖操作人员经验的手动调节到基于实时监测数据的自适应智能调节的转变，提高了复杂地层钻探的钻进效率和成孔质量，降低操作人员的劳动强度和对个人经验的高度依赖。

41、5、采空区失重识别与紧急制动控制单元通过扭矩骤降、给进压力骤降和垂直加速度异常三重信号的融合判定，在钻具穿透采空区顶板的瞬间触发夹持器抱紧、动力头制动、给进油缸提升的有序制动动作，将依赖操作人员反应的人工应急制动转变为基于多参数判定的自动电磁制动，制动响应速度和可靠性显著提升，有效防止钻具在未知采空区失控坠落、钻杆弯曲断裂、钻头损坏等重大孔内事故。