固体矿产地质钻探中钻孔位移监测与钻进质量评估研究论文

　　摘要：固体矿产地质钻探是我国开发固体矿产资源的重要步骤。随着固体矿产开采逐渐进入以隐蔽型、深埋型矿产为主时代，地质钻探钻机的运行环境也逐渐变得更加恶劣、复杂，面对的岩体情况也更加复杂。研究可监测钻头在岩体中钻进轨迹的系统，监督钻机在地下的钻探过程，评估钻进质量，始终是我国固体矿产开发领域的重点课题。本文研究钻机钻头轨迹监测系统，进行了监测系统的设计、元件选用以及可靠性评估，目的在于提升钻机的智能水平。

 

　　关键词：固体矿产,地质钻探,钻头轨迹,监测系统,钻进质量评估

 

 

　　固体矿产资源是我国工业发展的重要原料资源，是经济发展的长期保障。深埋于地下的固体矿产资源开发开采多以井下作业为主要方式，普遍存在施工条件恶劣、地质情况复杂、勘探难度大、投入成本高等问题。且随着浅层、深层固体矿产资源逐渐枯竭，开发位于更深地下的资源成为必然选择，开发风险和难度持续增大。且随着钻进深度的增加，人工观察评估钻机运行状态、钻进质量越来越不适用，开发智能型钻机势在必行。固体矿产地质勘探中，钻探是常用的方式。钻机钻进过程中，钻头的方向、钻进的质量直接影响着钻探结果的准确与否，开发应用钻孔位移监测技术，辅助评估钻进质量，成为矿产地质勘探领域的重要课题。本文主要围绕固体矿产地质钻探中钻孔位移监测与钻进质量评估展开研究，目的为提升地质钻探质量，降低钻探安全风险。

 

 

　　固体矿产地质勘探中所使用的钻机钻孔监测系统，包含多个组成部分：地面工作站无线数据采集装置、井下工作站、预警服务器等。其中地面工作站主要负责接收井下工作站上传的钻机实际运行参数、工况采纳数据，汇总分析成钻机轨迹文件，用于评估钻孔的倾斜、位移等情况，并将钻孔轨迹图像与基础矿图进行叠加，及时更新矿图。

 

　　井下工作站主要接收钻机、钻头上数据采集装置回传的运行参数和轨迹参数，然后通过无线基站将数据上传给地面工作站，保证地面工作站对井下钻机钻探的工作情况全面掌握。

 

 

　　固体矿产地质勘探钻机钻孔监测系统由软件、硬件两部分组成。

 

　　2.2.1硬件组成

 

　　监测系统的硬件主要包括传感器、信号采集设备、工业计算机等，共同为采集数据、传输数据、应用数据的系统运行过程提供硬件基础。比如，钻机压力传感器采用BYD系列矿用本安型压力变送器，可将矿机压力参数通过两线制方式传输；流量测量传感器采用GLW40型号，可在每小时内对2.5m3～20m3范围内进行流量测量，及时向井下工作站、地面工作站传输钻机钻头遭遇地下水、瓦斯气体的情况；采用型号为GS8567-EX的隔离模块进行电流隔离，对进、出监测系统的信号进行隔离，避免形成信号之间的干扰。

 

　　2.2.2井下工作站软件

 

　　井下工作站所使用的软件主要负责保证参数的采集、信号的传递、电压的稳定以及监测系统的运行状态正常。比如，井下工作站采用数据采集软件，将钻机的运行速度、推进压力、旋转压力等参数汇总在一起，通过无线基站进行无线传输；电流采样单元包含精度达到16位的处理模块，本质上属于PLC，利用EK1100总线模块传输方式扩展电流信号，提升其覆盖范围，以便于捕捉频率较高的开关信号。井下工作站所使用的计算机用RJ45与EK1100进行连接，获取并保存传感器、采样单元传输来的数据信号。

 

　　2.2.3地面工作站软件

 

　　地面工作站主要通过无线网络来获取井下工作站上传的钻机工况信息、钻头轨迹参数，分析井下钻机勘探的实际质量，并提前发现可能遇到的问题，进行预警。地面工作站的控制监测程序以FTP以及MFC作为基础，对矿井下工作站的数据采集装置进行连接、要求、数据包传输应答并，对钻孔轨迹数据信息和钻机工况参数进行接收。

 

　　地面工作站检测系统会依据传送到的钻孔轨迹数据信息和钻机工况参数对应钻孔号来生成文件夹名称，有序排布，以备调取应用。

 

　　井下工作站数据采集装置与地面工作站之间的数据通信包含五个不同的阶段：①工作站向数据采集装置发出读取信息的要求，数据采集装置做出应答；②工作站向数据采集装置发出数据包的大小信息；③工作站向数据采集装置发出所需文件类型的数据包；④数据采集装置对接收到的数据包进行读取、数据检验，确定无误后向工作站发出应答数据；⑤数据包发送完成。数据通讯可以设置为10min～255min的传输间隔，由控制程序控制工作站、数据采集装置自动完成，保证数据传输质量和效率。

 

　　Bechhoff Twin CAT为基础的监测系统软件是读取钻机工况、钻头轨迹参数的关键，负责接收钻孔轨迹参数、接收钻机工况、上传地面工作站，工作过程与井下工作站数据采集装置相似。Bechhoff Twin CAT为基础的监测系统软件通过ADS数据接口与PLC控制机进行连接，数据内容最终存储到控制器内部寄存器上，双方以TCP/IP通信协议进行数据连接。

 

　　预警服务是地面工作站重要的功能。钻机工况信息、钻头轨迹参数上传入地面工作站管理模块后，模块对参数信息文件内容进行读取，并转换为相应数据格式传输给预警服务器。预警服务器将参数信息形成钻头轨迹图像，结合矿区图分析数据异常的部分，并进行矿区图的更新。

 

 

　　2.3.1扭矩监测

 

　　扭矩是钻机钻进过程中的重要参数，代表着钻头钻杆在钻进过程中需要克服的地层阻力，突破了地层阻力才能顺利形成钻孔。在地质钻探过程中，测量扭矩的设备无法直接安装在钻头处，监测扭矩需要通过钻机液压泵输出液压油推动液压马达回转产生的力来间接获取扭矩。液压油流经液压马达会产生压力损失，钻机设计时已经有设计师关于相关参数的标记，可通过液压马达进口油压和出口油压分析得到确切的扭矩参数。由于不同岩层所需的扭矩不同，当信号采集模块采集到异常扭矩，并通过数据采集装置上传工作站，即可辅助判断钻机钻头的钻进过程中破开的不同岩体。

 

　　2.3.2钻压监测

 

　　钻压是指钻机钻进过程中，钻头施加给孔底岩体的力。由于钻压直接作用在待破碎的岩体上，因此其大小与钻机的钻进效率之间有着密切的关系。通常情况下，钻机的钻压处于恒定值，遇到硬度较低、较适合破碎的岩体时能够顺利压入完成钻进，钻屑呈现大颗粒状态。若遇到硬度较大的岩体时则很难完成钻进，还会形成钻头磨损。钻屑呈现粉末状时，往往代表着钻压难以破除当前岩体。钻压同样难以在钻头处进行直接测量，需要通过测量进油缸油压来间接获取钻压数据。

 

　　2.3.3钻速监测

 

　　钻速是指钻机钻进过程中，单位时间能够有效钻进的深度。钻速越大说明钻进难度越低、钻进效率越高，反之则说明钻进难度高、钻进效率低。传统钻机中依靠现场人工观察返渣状态来进行判断，现通过在钻杆上安装位移传感器来获取更准确的单位时间有效移动距离，计算得到钻速。

 

　　2.3.4转速监测

 

　　转速主要指钻机钻进过程中，钻具单位时间内的旋转次数。转速能够在一定程度上反映出当前岩体钻进的难度，辅助工作站确定钻机的运行状态。转速的获取可通过安装转速传感器来直接获取。考虑到钻机钻进过程中可能遭遇水、噪声、粉尘的干扰，光电式转速传感器很容易受到影响，而电容式、电感式传感器安装比较复杂，霍尔式转速传感器更符合钻机的需求。

 

 

　　为了研究固体矿产地质勘探中钻机的钻进质量，监测钻头的移动轨迹，评估钻孔监测系统的可靠性，需要进行检测试验。首先，检查钻机能否正常工作。其次，在实验钻机上安装监测系统所需配套设备、线路，检查监测系统各项功能能否正常运转。然后，设置钻机参数进行实验室测试，收集监测系统在实验室测试中的运行数据。最后，对比监测结果，验证监测系统运行的可靠性。

 

　　3.1.1钻机设备检查

 

　　连接钻机各部分，并检查电路、油路等线路设备状态。启动钻机试运行，确定钻头、钻杆、动力头能够顺利运行，包括正转、反转、沿轨道前滑和后滑。一旦发现钻机运行有不正常之处，需要及时排除故障、调试线路和设备，使其达到实验所需。

 

　　3.1.2传感器等设备安装

 

　　确定钻机运行正常后，安装传感器等设备。压力传感器连接在液压马达进油、出油位置的管路上以及靠近动力头的进油、出油管路上。位移传感器安装在钻机动力头承载板上，使用拉线沿着平行于钻杆的方向，将末端固定在钻头前端夹持器。霍尔式转速传感器安装在动力头一侧，永磁体安装在可转动的钻杆夹持器上，使霍尔式转速传感器能够顺利感应。最后完成电源新、数据线的连接，保证传感器获得的数据能够稳定传输到工作站。

 

　　3.1.3实验内容

 

　　实验包含扭矩参数试验、转速参数试验、钻压参数试验、钻速参数试验四项。①扭矩参数试验中，钻机额定扭矩区间为1000N·m～3200N·m。试验中，需保持钻机稳定运行1min，然后进行扭矩参数的调整，记录钻机扭矩达到预设参数所需的时间，再让钻机保持当前稳定运行状态1min。共需设置至少4个扭矩参数，完成4次试验。

 

　　4个扭矩参数分别为1470N·m、1580N·m、1860N·m、2360N·m。②转速参数试验中，钻机额定转速区间为每分钟50r～80r。试验中，需保持钻机稳定运行1min，然后调整转速参数，让钻机加速至预设参数，观察记录所需时间，再让钻机保持当前稳定运行状态1min。相同的试验同样需要完成4次，分别为60r/min、80r/min、100r/min、120r/min。③钻压参数试验中，需要记录的是操作台上的进油缸压力表。同样需保持钻机稳定运行1min，然后对钻机进行加压，让钻机加压至预设参数，观察记录所需时间，再让钻机保持当前稳定运行状态1min。相同的试验同样需要完成4次，4次参数分别为1MPa、2MPa、3MPa、4MPa。④钻速参数试验中，分别模拟高速钻进和低速钻进两种钻进状态。动力头在试验中需完成前进、后退动作，并记录下启动动作、达到预设钻进距离所需时间。同样依旧需要获得4次试验数据，分别为54cm、53.5cm、48cm、41cm。

 

　　3.1.4试验结果对比分析

 

　　①对比分析测试平台所设置的扭矩参数和实际设备通过监测装置获得的扭矩参数，可发现4组数据获取过程中存在一定的误差。当测试所用扭矩参数增大时，设置参数与监测参数之间的差距也随之增大，最大误差不超过0.05%。但只要整体来讲处于可控范围内，即可证明监测系统所获取的扭矩参数具有可靠性。②对比分析测试平台所设置的转速参数和实际通过监测系统获得的转速参数，可发现与扭矩参数相同的现象。当测试所用转速参数增大时，设置参数与监测参数之间的差距也随之增大，最大误差不超过0.05%。这说明，在转速监测上监测系统同样存在误差，但误差处于可控范围内。③钻压参数在设置参数与监测结果之间同样表现出了相似的趋势和变化。当测试所用钻压参数增大时，设置参数与监测参数之间的差距也随之增大，最大误差不超过0.05%。④钻速参数在设置参数与监测结果之间同样表现出了相似的趋势和变化。当测试所用钻速参数变化快时，监测所获得的参数变化同样增快，反之则减小，最大误差同样不超过0.05%。

 

 

　　固体矿产地质钻探中的钻进质量评估参考地质矿产行业标准《固体矿产勘察原始地质编录规程》（DZ/T 0078-2015）。《规程》中将钻孔质量划分为三级，即优质孔、合格孔、不合格孔。按照《规程》中对于适用情况的阐述，可以理解为地质矿产、煤炭以及核工业都适用此标准。《规程》中提出七项固体矿产地质勘查钻孔质量要求，分别是岩（矿）心采取率、钻孔弯曲度、孔深误差校正、简易水文地质观测、封孔、原始报表和生态环境保护。其中，前三者为主要指标，后四者为一般指标。想要达成勘探钻孔钻进质量评估目的，需充分获取评估岩（矿）心采取率、钻孔弯曲度、孔深误差校正等质量参数，明确钻进质量。

 

　　假设某固体矿产地质钻探中完成8个实验钻孔，具体参数如下：1号～8号钻孔设计方位角均为292°,开孔高度均为1700mm。1号钻孔设计倾斜角10°,设计孔深102m；2号钻孔设计倾斜角7°,设计孔深102m；3号钻孔设计倾斜角5°,设计孔深101m；4号钻孔设计倾斜角0°,设计孔深101m；5号钻孔设计倾斜角9°,设计孔深106m；6号钻孔设计倾斜角6°,设计孔深106m；7号钻孔设计倾斜角5°,设计孔深103m；8号钻孔设计倾斜角0°,设计孔深103m。

 

　　在仿真实验中完成8个设计钻孔的钻进，记录钻进过程监测系统获取到的数据。对比监测结果和计算机模拟结果发现，8组钻进过程参数变化存在共同点，参数波动存在周期性、相似性。其中，钻压参数在钻机本身处于较低钻压状态时会出现小的波动变化；钻速参数在进钻时正波动、在退钻时负波动；扭矩参数在部分周期内若出现了阶梯状的波动变化，则说明有松软的、未排出的钻渣在干扰钻具，使得钻进扭矩变小；转速参数在开始和结尾处存在异常，是霍尔式转速传感器带来的系统误差。

 

 

　　综合分析固体矿产地质钻探中钻头轨迹监测系统，虽然在监测系统设计上比较繁琐，需要用到的传感器数量较多，且试验测试中发现了不少系统误差、工作原理误差影响参数准确性。但最终试验和仿真实验结果并未脱离预期，说明监测系统本身具有一定的可靠性，提供的监测数据也具有准确性。但考虑到仿真实验并非真实固体矿产地质钻探，所预设的岩体复杂情况远低于实际工况，在实际工况中监测系统的可靠性还需进一步验证。