一种基于震动信号的岩性钻测装置及方法与流程

1.本发明涉及煤矿巷道施工领域，特别是一种基于震动信号的岩性钻测装置及方法。


背景技术：

2.在煤矿巷道以及隧道建设、维护和科学研究过程中往往需要对岩层岩性进行检测，及时了解岩层的内部构造状况，以便对施工方案的顺利实施以及后期技术优化提供重要指导作用。目前对岩性的检测手段大多数技术工作者还是采用钻孔窥视法检测各岩层的岩性构造信息，这种检测方法仅能获取围岩内部构造图像进行定性分析，却不能定量评价岩性特征，难以满足精准高效的技术要求；还有一部分技术工作者采用多指标融合岩层探测设备，诸如钻机推力、转速、振动、扭矩等指标，这些多指标融合的方法对于岩层信息探测起到了一定的指导作用，但是测试过程及设备比较繁琐，对矿井地质条件以及测试位置所处环境要求比较高，加之煤矿地质条件千变万化，很难获取较为准确的巷道岩层层位信息。另外，在现场中采用在巷道围岩内进行钻孔取芯，获取不同深度岩层岩性构造信息，这种方法虽然常用但是取芯过程费时费力，且成功率难以保证。基于上述岩层检测的重要性以及现阶段常用检测手段存在的不足之处，亟需研发一种精准、高效、适应性强的岩性检测方法和装置，以期更好的指导煤矿巷道等矿道岩层岩性构造信息检测。


技术实现要素：

3.针对上述情况，为解决现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供一种基于震动信号的岩性钻测装置及方法，该钻测装置通过检测钻机的震动信号，匹配检测钻机推进位移，将两者结合，实现岩层性质的检测，该装备可以非常准确、方便的获取岩层性质信息。
4.本发明提供了一种基于震动信号的岩性钻测装置及方法，所述的岩层钻测装置包括：钻机、震动传感器、位移传感器和信号处理模块；采用岩层钻测装置进行岩层岩性检测的技术方案包括以下步骤：第一步，组装设备；第二步，启动钻机并调试设备；第三步，数据采集；第四步，分析岩层岩性；第五步，回撤设备。
附图说明
5.图1、本发明钻测岩层岩性原理立体图。
具体实施方式
6.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
7.由图1可以看出，本发明利用岩层钻测装置，按以下步骤进行：
8.第一步，组装设备。将监测设备运送到监测地点，将震动传感器2通过线路5与信号处理模块4连接，在测试岩层施工安装孔10，并将震动传感器2安装在安装孔10内；位移传感器3的一端与钻机1的底座8进行固定，另一端通过线路7与钻机1的伸缩端连接；
9.第二步，启动钻机并调试设备。检查线路连接及设备状况，启动位移传感器3、信号处理模块4以及钻机1，检测位移传感器3和震动传感器2的调试设备运行及数据变化状况；
10.第三步，数据采集。在距离安装孔1m处作为岩性检测点，启动位移传感器3、信号处理模块4以及钻机1，钻机1在岩层9内进行钻进，岩层受冲击产生的震动信号不断被震动传感器2接收并通过线路5发送至信号处理模块4；同时，钻机伸缩位移不断被位移传感器3接收并通过线路6传输至信号处理模块4；
11.第四步，分析岩层岩性。信号处理模块4接收震动信号和钻机1的推进位移值，并依据震动信号和位移值与岩层信息数据库比对，确定岩层特性，并依据获得的岩层特性构建岩层信息；
12.第五步，回撤设备。测试完成后，回收设备，并撤出检测地点。
13.为了保证使用效果，所述的岩层钻测装置包括：钻机、震动传感器、位移传感器和信号处理模块，震动传感器2通过线路5与信号处理模块4连接，在测试岩层施工安装孔10，并将震动传感器2安装在安装孔10内；位移传感器3的一端与钻机1的底座8进行固定，另一端通过线路7与钻机1的伸缩端连接。
14.所述的位移传感器3为拉绳式的传感器，为市售矿用本质安全型位移监测设备，型号为eps-1000-p15-v11-p，具有受外界干扰小，监测精度高的特点，位移传感器3的一端与钻机1的底座8进行固定，另一端通过线路7与钻机1的伸缩端连接，用于收集钻机在岩层中的推进位移信息。
15.所述的钻机1可以使用煤矿井下常用的顶板锚杆钻机，通过常规方式即可加装至满足与位移传感器3相连接的钻机。
16.所述的震动传感器2为市售矿用本质安全型震动监测设备，型号为rote020i，震动传感器2监测立体范围为x、y、z三个方向，z方向与钻孔方向平行，x方向垂直于钻孔方向和z方向所共平面，y方向垂直于x、z所共平面；震动传感器2将震动的接收的震动频率、幅度和相位信息转变成数字信号，再将数字信号传输给信号处理模块。
17.所述的信号处理模块4为矿用本质安全型计算机，其上配有labview软件程序、数据采集卡等虚拟仪器，用于将所述震动传感器2和位移传感器3采集的信号以波、图表或动画形式进行显示，进而使得操作者可以确定当前钻探的状态。
18.所述的安装孔10的深度为0.5-1m，距离检测孔0.1-5m。
19.所述岩层信息数据库为选择具备代表性的位置设置安装孔(如远离钻孔0.5m，1m，1.5m，2m，2.5m，3m)，在安装孔内设置震动传感器，启动钻机，并记录震动传感器的数据和位移数据，并在钻测结束后将岩层信息和钻探深度、震动信息(震动频率、幅度和相位中的一种或多种信号)对应起来，形成岩层信息数据库。通过岩层信息(钻探深度 震动信息)的对应关系，即可以确定井下常见的岩层信息。
20.本发明的技术原理及创新之处在于：钻机在岩层9内钻进过程中，钻削不同岩性的岩石时会发出不同性质的震动信号，通过分析这些震动信号来判断不同的岩性，并且结合位移信号，可以得出立体的岩层构造信息。具体就是在钻测过程中，震动传感器2插入岩层9内的安装孔10中，震动传感器2采集钻机1钻孔过程中的震动信号，位移传感器3记录钻孔深度及钻机1推进位移信息，震动信号和位移以时间为对照参考，信号处理模块4分析震动信号并将震动信号与位移量进行对应，并通过累加历史岩层深度的岩层特性，进而可以非常
方便的确定不同深度岩层特性。在进行匹配时，信号处理模块4将采集到的震动的频率、幅度、相位这些信号与已知数据进行比较，以此判定岩层信息，并进一步基于岩层信息与位移值进行匹配并生成岩层构造信息图谱。
21.采用本发明可以不需要在现有装备上加装震动传感器2，使用更加方便，且无需考虑其他震动类型的影响；同时将移传感器3和震动传感器2联合使用，在钻测过程中，实时记录、对比和显示岩层岩性，可以较为准确的检测立体岩层构造信息。
22.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。


技术特征：
1.一种基于震动信号的岩性钻测装置，其特征在于，所述的岩层钻测装置包括：钻机(1)、震动传感器(2)、位移传感器(3)和信号处理模块(4)，震动传感器(2)通过线路(5)与信号处理模块(4)连接，在测试岩层施工安装孔(10)，并将震动传感器(2)安装在安装孔(10)内；位移传感器(3)的一端与钻机(1)的底座(8)进行固定，另一端通过线路(7)与钻机(1)的伸缩端连接。2.根据权利要求1所述的一种基于震动信号的岩性钻测装置，其特征在于，所述的位移传感器(3)为拉绳式的传感器，为矿用本质安全型位移监测设备，型号为eps-1000-p15-v11-p，位移传感器(3)的一端与钻机(1)的底座(8)进行固定，另一端通过线路(7)与钻机(1)的伸缩端连接，用于收集钻机在岩层中的推进位移信息。3.根据权利要求1所述的一种基于震动信号的岩性钻测装置，其特征在于，所述的钻机(1)为煤矿井下顶板锚杆钻机，加装至满足与位移传感器(3)相连接的钻机。4.根据权利要求1所述的一种基于震动信号的岩性钻测装置，其特征在于，所述的震动传感器(2)为矿用本质安全型震动监测设备，型号为rote020i，震动传感器(2)监测立体范围为x、y、z三个方向，z方向与钻孔方向平行，x方向垂直于钻孔方向和z方向所共平面，y方向垂直于x、z所共平面；震动传感器(2)将接收的震动频率、幅度和相位信息转变成数字信号，再将数字信号传输给信号处理模块。5.根据权利要求1所述的一种基于震动信号的岩性钻测装置，其特征在于，所述的信号处理模块(4)为矿用本质安全型计算机，其上配有labview软件程序、数据采集卡，用于将所述震动传感器(2)和位移传感器(3)采集的信号以波、图表或动画形式进行显示，进而确定当前钻探的状态。6.一种基于震动信号的岩性钻测方法，其特征在于，在钻测过程中，实时记录、对比和显示岩层岩性。按以下步骤进行：第一步，组装设备。将监测设备运送到监测地点，将震动传感器(2)通过线路(5)与信号处理模块(4)连接，在测试岩层施工安装孔(10)，并将震动传感器(2)安装在安装孔(10)内；位移传感器(3)的一端与钻机(1)的底座(8)进行固定，另一端通过线路(7)与钻机(1)的伸缩端连接；第二步，启动钻机并调试设备。检查线路连接及设备状况，启动位移传感器(3)、信号处理模块(4)以及钻机(1)，检测位移传感器(3)和震动传感器(2)的调试设备运行及数据变化状况；第三步，数据采集。在距离安装孔1m处作为岩性检测点，启动位移传感器(3)、信号处理模块(4)以及钻机(1)，钻机(1)在岩层(9)内进行钻进，岩层受冲击产生的震动信号不断被震动传感器(2)接收并通过线路(5)发送至信号处理模块(4)；同时，钻机伸缩位移不断被位移传感器(3)接收并通过线路(6)传输至信号处理模块(4)；第四步，分析岩层岩性。信号处理模块(4)接收震动信号和钻机(1)的推进位移值，并依据震动信号和位移值与岩层信息数据库比对，确定岩层特性，并依据获得的岩层特性构建岩层信息；第五步，回撤设备。测试完成后，回收设备，并撤出检测地点。7.根据权利要求6所述的一种基于震动信号的岩性钻测方法，其特征在于，所述的安装孔(10)的深度为0.5m—1m。

技术总结
本发明公开了一种基于震动信号的岩性钻测装置及方法，该钻测方法包括：在钻机上设置位移传感器，用于获得钻头的推进深度，在钻孔附近设置安装孔，所述安装孔位于所述钻孔所处的顶板或者帮上，所述安装孔内设置震动传感器；开启钻机，钻头钻探煤体或岩体，产生震动信号，所述震动传感器接收震动信号并实时发送至信号处理模块，所述位移传感器将当前钻头的位移值实时发送至所述信号处理模块；所述信号处理模块接收所述震动信号和钻头的位移值，并将震动信号与岩层信息数据库比对，确定岩层特性；将钻头位移值和依据震动信号确定的岩层信息根据时间同步得出立体岩层特性。本发明可以精准、高效的检测岩层岩性信息。高效的检测岩层岩性信息。高效的检测岩层岩性信息。


技术研发人员：刘洪涛 郭林峰 吴祥业 赵希栋 江文渊 程利兴
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2020.03.29
技术公布日：2021/10/21