一种岩体识别钻头及钻进参数调控方法

技术领域

本发明涉及岩体工程技术领域，尤其是一种岩体识别钻头及钻进参数调控方法。

背景技术

岩体节理是隧道、边坡、地下厂房等工程中常见的一类复杂工程介质，其对岩体工程的稳定性具有至关重要的影响。在工程开挖过程中，岩体节理的存在会对钻进过程产生巨大影响，造成钻头磨损快、造孔效率低且容易发生卡钻事故。因此，及时获取开挖岩体的裂隙分布、几何等有效信息，动态调整钻进参数，对提高钻进效率和降低施工成本具有重要意义。

对节理主要探测方法有电阻率、CT断层扫描法等，如电阻率法是基于物质电阻特性反应物质内部结构等变化，通过电性结构图像揭示岩石内部节理等缺陷的特征；CT断层扫描法利用X射线、γ射线等对结构进行连续断面扫描，由探测器接收透过该层面的射线，转变为可见光，再由光电转换变为电信号，经模拟/数字转换器转为数字，最终得到材料结构图像信息。然而，其均存在很大局限性，如电阻率参数受到很多因素的影响(岩石的成分、结构、所含水分、温度等)，存在诸多不确定因素，且在进行电阻率参数标定的时候，必须充分考虑到这些因素才能够正确进行电阻率标定；CT断层扫描法使用成本高，且该技术具有一定电离辐射，对使用环境要求极为苛刻，因此目前仅停留在室内测试层面。由于技术限制及粗放式开挖施工理念影响，现有技术的岩土工程钻进施工过程中，通常仅采用某一固定型号钻头及钻进参数(转速、钻压、钻速等)进行，并未考虑节理密度、分布等特征对钻进施工的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种岩体识别钻头及钻进参数调控方法，解决上述背景技术中提出的至少一种问题。

一方面，本发明实施例提供了一种岩体识别钻头，包括钻头和钻杆，所述钻头通过轴承结构与所述钻杆连接；所述钻头表面间隔布置有若干牙齿，所述钻头顶部设置有电磁辐射检测装置；所述钻杆上设置有控制中心及反馈系统；所述钻杆内设置有钻头控制装置，所述钻头控制装置通过所述轴承结构与所述钻头连接；

其中，所述电磁辐射检测装置，用于发射检测电磁辐射信号，和，接收传回的识别电磁辐射信号；

所述控制中心及反馈系统，用于对所述识别电磁辐射信号进行分析处理，确定钻进参数；以及向所述电磁辐射检测装置发送调节信号调节所述检测电磁辐射信号的电磁波频率；

所述钻头控制装置，用于根据所述钻进参数调节钻头的钻进过程。

进一步，所述电磁辐射检测装置与所述控制中心及反馈系统连接；所述控制中心及反馈系统的输出端与所述钻头控制装置的输入端连接。

进一步，所述钻头顶部设有保护装置，所述电磁辐射检测装置设置在所述保护装置内；所述电磁辐射检测装置包括顶板、外壳、电磁辐射发送探头和电磁辐射接收器；所述电磁辐射发送探头和所述电磁辐射接收器设置在所述外壳内；

其中，所述电磁辐射发送探头，用于根据所述控制中心及反馈系统的调节信号发射预设频率的检测电磁辐射信号；

所述电磁辐射接收器，用于接收所述检测电磁辐射信号经岩体传播后返回的识别电磁辐射信号；所述传播的过程包括信号的反射、散射和折射中至少一种。

进一步，所述控制中心及反馈系统与所述钻杆滑动连接；所述钻杆设有装置固定槽和装置固定螺丝；所述控制中心及反馈系统包括装置外壳、控制中心、反馈系统和调节按钮；所述控制中心和所述反馈系统设置在所述装置外壳内，所述调节按钮设置在所述装置外壳外；

其中，所述控制中心，用于对所述识别电磁辐射信号进行数字化信号处理，得到电磁波形图；对所述电磁波形图进行对比分析，确定岩体裂隙化程度；

所述反馈系统，用于根据所述岩体裂隙化程度，确定钻进参数；所述岩体裂隙化程度包括完整、胶状破碎带、节理裂隙密集带和断层破碎带；所述钻进参数包括钻压参数和钻速参数；

所述调节按钮，用于响应于按钮触发信息，调节所述检测电磁辐射信号的电磁波频率。

进一步，还包括：电磁波频率遥控器；所述电磁波频率遥控器包括主体、设置在所述主体上的显示屏、开关按钮、挡位调节按钮和信号发射天线；

其中，所述电磁波频率遥控器，用于响应于挡位调节按钮的触发信息，调节所述检测电磁辐射信号的电磁波频率。

进一步，所述轴承结构包括轴颈、止推轴承、滚柱、紧锁轴承、主轴承和小轴承；所述轴承结构与所述钻杆通过丝扣固定连接；所述钻头设有牙轮内腔；所述轴承结构通过所述滚柱与所述钻头牙轮内腔形成直接线接触。

另一方面，本发明实施例还提供了一种钻进参数调控方法，应用于本发明第一方面实施例的岩体识别钻头，所述岩体识别钻头，包括钻头和钻杆，所述钻头通过轴承结构与所述钻杆连接；所述钻头表面间隔布置有若干牙齿，所述钻头顶部设置有电磁辐射检测装置；所述钻杆上设置有控制中心及反馈系统；所述钻杆内设置有钻头控制装置，所述钻头控制装置通过所述轴承结构与所述钻头连接；所述方法包括以下步骤：

通过控制中心及反馈系统向所述电磁辐射检测装置发送调节信号调节检测电磁辐射信号的电磁波频率；

通过电磁辐射检测装置发射检测电磁辐射信号，和，接收传回的识别电磁辐射信号；

通过控制中心及反馈系统对所述识别电磁辐射信号进行分析处理，确定钻进参数；

通过钻头控制装置根据所述钻进参数调节钻头的钻进过程。

进一步，还包括以下步骤：

通过电磁波频率遥控器响应于挡位调节按钮的触发信息，调节所述检测电磁辐射信号的电磁波频率；

其中，所述电磁波频率遥控器包括主体、设置在所述主体上的显示屏、开关按钮、挡位调节按钮和信号发射天线。

进一步，所述通过电磁辐射检测装置发射检测电磁辐射信号，和，接收传回的识别电磁辐射信号，包括：

通过电磁辐射发送探头根据所述控制中心及反馈系统的调节信号发射预设频率的检测电磁辐射信号；

通过电磁辐射接收器接收所述检测电磁辐射信号经岩体传播后返回的识别电磁辐射信号；所述传播的过程包括信号的反射、散射和折射中至少一种。

进一步，所述通过控制中心及反馈系统对所述识别电磁辐射信号进行分析处理，确定钻进参数，包括：

通过控制中心对所述识别电磁辐射信号进行数字化信号处理，得到电磁波形图；以及，对所述电磁波形图进行对比分析，确定岩体裂隙化程度；

通过反馈系统根据所述岩体裂隙化程度，确定钻进参数；所述岩体裂隙化程度包括完整、胶状破碎带、节理裂隙密集带和断层破碎带；所述钻进参数包括钻压参数和钻速参数。

上述本发明实施例中的一个或多个技术方案具有如下优点：本发明的实施例通过控制中心及反馈系统调节检测电磁辐射信号的电磁波频率，能够适用于各种岩层深度的识别；通过电磁辐射检测装置发射检测电磁辐射信号和接收传回的识别电磁辐射信号，快捷进行岩体探测；进而通过对识别电磁辐射信号进行分析处理，确定钻进参数，对岩体进行实时分析，进而适应性调整钻进参数，提升钻进效率；最终通过钻头控制装置根据所述钻进参数调节钻头的钻进过程；本发明将岩体的探测识别、钻进参数调节以及钻进过程控制融为一体，具有自动化、精细化、智能化特征，促使钻进参数实时适应岩体特性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种岩体识别钻头的整体结构示意图；

图2为本发明的电磁辐射检测装置结构示意图；

图3为本发明的控制中心及反馈系统结构示意图；

图4为本发明的电磁波频率遥控器结构示意图；

图5为本发明的轴承结构的正视图；

图6为本发明的轴承结构连接钻头和钻杆的示意图

图7为本发明的钻进参数调控方法的流程示意图；

图8为本发明的钻进参数调控方法的整体流程示意图

如图所示：100钻头、101牙齿、102钻杆、103保护装置、104电磁辐射检测装置、105控制中心及反馈系统、106控制中心、107反馈系统、108轴承结构、201顶板、202外壳、203电磁辐射发射探头、204电磁辐射接收器、205天线、301装置外壳、302装置固定槽、303装置固定螺丝、305调节按钮、401主体结构、402显示屏、403开关按钮、404挡位调节按钮、405信号发射天线、501轴颈、502止推轴承、503滚柱、504紧锁轴承、505主轴承、506小轴承。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

本实施例首先描述本发明的岩体识别钻头的具体结构如下：

如图1至6所示，本发明提供了一种岩体识别钻头，包括钻头100、若干牙齿101、钻杆102、保护装置103、电磁辐射检测装置104、控制中心及反馈系统105、轴承结构108。其中，钻头100、若干牙齿101、钻杆102及保护装置103的材质采用金刚石微粉、硬质合金。它既具有金刚石的硬度与耐磨性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，是一种卓越的切削工具与耐磨工具材料。保护装置103包括顶板和圆柱形空腔，顶板由聚甲醛制成，其余部分由与钻头材质相近的合金制成。

其中，钻头通过轴承结构与钻杆连接；钻头表面间隔布置有若干牙齿，钻头顶部设置有电磁辐射检测装置；钻杆上设置有控制中心及反馈系统；钻杆内设置有钻头控制装置，钻头控制装置通过轴承结构与钻头连接。电磁辐射检测装置，用于发射检测电磁辐射信号，和，接收传回的识别电磁辐射信号；控制中心及反馈系统，用于对识别电磁辐射信号进行分析处理，确定钻进参数；以及向电磁辐射检测装置发送调节信号调节检测电磁辐射信号的电磁波频率；钻头控制装置，用于根据钻进参数调节钻头的钻进过程。具体的，还包括有电源模块用于为岩体识别钻头的各装置系统进行供电，电源模块可为外接电源。

如图1、图5和图6所示，钻杆102通过轴承结构108与钻头100相连，轴承结构108包括轴颈501、止推轴承502在轴上有轴向力时起固定作用、滚柱503、紧锁轴承504可提高轴承的使用寿命、主轴承505承受转子的全部重量以及由于转子质量不平衡引起的离心力，确定转子在汽缸中的正确径向位置、小轴承506，轴承结构108与钻杆102通过丝扣固定连接；轴承结构108主体结构位于钻头100内部，通过滚柱503与钻头100牙轮内腔形成直接线接触。

如图1所示，若干牙齿101在钻头100表面上呈若干排相互啮合状，能够有效而不重复的破碎周围岩体。控制中心及反馈系统105可拆卸式的设置在钻杆102上，保护装置103设置在钻头100的顶部，对电磁辐射检测装置104起保护作用，同时该装置可拆卸，达到重复利用的效果；电磁辐射检测装置104设置在保护装置103内，电磁辐射检测装置104可以向前方岩石发射电磁波并接收反射回来的信号，在接收到反馈系统107发出的指令后，实时调整钻进时的钻速钻压，以保证钻头以最优钻进参数运转。其中，电磁辐射检测装置与控制中心及反馈系统连接；控制中心及反馈系统的输出端与钻头控制装置的输入端连接。具体地，电磁辐射检测装置与控制中心连接；控制中心的输出端与反馈系统的输入端连接；反馈系统的输出端与钻头控制装置的输入端连接。

如图2所示，电磁辐射检测装置104包括顶板201、外壳202、电磁辐射发射探头203、电磁辐射接收器204。电磁辐射检测装置104设置在钻头100顶部的保护装置103内。顶板201由聚甲醛制成，该材料介电损耗值小、为高阻介质，且强度大、耐磨损可作为窗口材料使用。外壳202采用力学性能与钻头100材料相近的材料制成，二者均为电磁辐射检测装置104提供保护。电磁辐射发射探头203、电磁辐射接收器204设置在外壳202内，电磁辐射发射探头203用于将电信号转换为电磁波信号，由顶部发出进入前方岩石，电磁波在岩石介质中传播的过程中，遇到岩体中裂隙、断层、填充物时，由于其介电常数与完整岩石存在较大差异，电磁波会在这些界面发生反射。电磁辐射接收器204通过天线205接收反射回的电磁辐射信号，将其传入控制中心106进行分析对比。

其中，电磁辐射发送探头，用于根据控制中心及反馈系统的调节信号发射预设频率的检测电磁辐射信号；电磁辐射接收器，用于接收检测电磁辐射信号经岩体传播后返回的识别电磁辐射信号；传播的过程包括信号的反射、散射和折射中至少一种。

如图3所示，控制中心及反馈系统105包括装置外壳301、装置固定槽302、装置固定螺丝303、调节按钮305、控制中心106、反馈系统107。控制中心及反馈系统105与钻杆102滑动连接。其中，调节按钮主要用来控制电磁波的频率，控制中心在接受到电磁波信号后，对信号进行分析处理，变为直观的波形图后传至反馈系统，反馈系统通过对波形的分析判断出前方岩石裂隙化程度，进而确定钻进参数(包括钻压参数和钻速参数)，控制钻头控制装置(包括加压机，实现钻压调控；和，回转机，实现钻速调控；图中未示出)控制钻头的钻进过程。装置固定槽302为凹形，装置固定槽302有一对，一对装置固定槽302对称设置在钻杆102上，装置外壳301可拆卸式竖向滑动适配在装置固定槽302上，并通过装置固定螺丝303固定在装置固定槽302上。钻杆102废弃时可将该装置拆卸重复使用；控制中心106、反馈系统107设置在装置外壳301内，装置外壳301的材质由与钻杆102材质相同的金属制成，可以起到保护内部结构的作用，内部安装控制中心106、反馈系统107；调节按钮305设置在装置外壳301上。调节按钮305与电磁波频率遥控器可起到相同的作用，即调节电磁波频率；控制中心106可对电磁辐射检测装置104传来的信号进行分析处理，使其变为直观的电磁波波形图；其中，通过数字化信号处理，包括信号分析处理、信号处理，运算，图形编辑，有效地削弱干扰信号的能量，提高电磁波信号的信噪比，使图象更易于识别地质信息，清晰的反映地质结构面特征。电磁波波形图不显示，直接由反馈系统分析后确定前方岩石裂隙化程度，进而确定并调整钻机参数。反馈系统107通过对波形进行对比分析，得到前方岩体的裂隙化程度，进而确定钻头的最优钻进参数，最后钻机通过钻杆调节钻头工作时的钻进参数，从而达到减少钻头磨损，提高钻进效率以及降低钻进成本的目的。

其中，控制中心，用于对识别电磁辐射信号进行数字化信号处理，得到电磁波形图；对电磁波形图进行对比分析，确定岩体裂隙化程度；反馈系统，用于根据岩体裂隙化程度，确定钻进参数；岩体裂隙化程度包括完整、胶状破碎带、节理裂隙密集带和断层破碎带；钻进参数包括钻压参数和钻速参数；调节按钮，用于响应于按钮触发信息，调节检测电磁辐射信号的电磁波频率。

如图4所示，智能识别钻头还包括电磁波频率遥控器，电磁波频率遥控器主体结构401以及设置在主体结构401上的显示屏402、开关按钮403、挡位调节按钮404、信号发射天线405，显示屏402可显示当前挡位的电磁辐射频率以及可探测到的深度；挡位调节按钮404可根据对探测深度的不同要求调整电磁波频率；后将信号通过天线405传至电磁辐射检测装置104。

其中，电磁波频率遥控器，用于响应于挡位调节按钮的触发信息，调节检测电磁辐射信号的电磁波频率。

下面详细描述本发明的钻进参数调控方法的具体实施步骤如图7所示：

通过控制中心及反馈系统向电磁辐射检测装置发送调节信号调节检测电磁辐射信号的电磁波频率；

通过电磁辐射检测装置发射检测电磁辐射信号，和，接收传回的识别电磁辐射信号；

通过控制中心及反馈系统对识别电磁辐射信号进行分析处理，确定钻进参数；

通过钻头控制装置根据钻进参数调节钻头的钻进过程。

进一步作为优选地实施方式，还包括以下步骤：

通过电磁波频率遥控器响应于挡位调节按钮的触发信息，调节检测电磁辐射信号的电磁波频率；

其中，电磁波频率遥控器包括主体、设置在主体上的显示屏、开关按钮、挡位调节按钮和信号发射天线。

进一步作为优选地实施方式，通过电磁辐射检测装置发射检测电磁辐射信号，和，接收传回的识别电磁辐射信号，包括：

通过电磁辐射发送探头根据控制中心及反馈系统的调节信号发射预设频率的检测电磁辐射信号；

通过电磁辐射接收器接收检测电磁辐射信号经岩体传播后返回的识别电磁辐射信号；传播的过程包括信号的反射、散射和折射中至少一种。

进一步作为优选地实施方式，通过控制中心及反馈系统对识别电磁辐射信号进行分析处理，确定钻进参数，包括：

通过控制中心对识别电磁辐射信号进行数字化信号处理，得到电磁波形图；以及，对电磁波形图进行对比分析，确定岩体裂隙化程度；

通过反馈系统根据岩体裂隙化程度，确定钻进参数；岩体裂隙化程度包括完整、胶状破碎带、节理裂隙密集带和断层破碎带；钻进参数包括钻压参数和钻速参数。

下面结合具体实施例说明本发明的钻进参数调控方法流程，如图8所示：

步骤一，由电磁辐射发射探头203(即信号发射端)发出电磁辐射信号(可通过信号放大器进行信号放大)，进入前方岩体，电磁波信号在岩体中传播时，在不同介电特征岩层交接处、岩石裂隙、或裂隙填充物处会发生反射、散射及折射；因此，对于不同裂隙化程度的岩体，电磁辐射接收器204(即信号接收端)接收到的信号各不相同。电磁辐射接收器204所接收的信号通过电磁辐射检测装置104与控制中心106的有线连接传至控制中心106；

步骤二，控制中心106对电磁辐射接收器204接收的信号进行一系列处理后可以得到不同波形的电磁波，通过电磁波的到达时间、相位、振幅、波长等波形特征，得到钻头前方岩体的裂隙化程度；其中，不同情况的地质体介电特征与电磁波图像呈一定的对应关系，基于结合工程现场、室内试验的大数据库中已有案例进行相应判别，根据波形特征划分得到围岩裂隙化程度；

步骤三，在反馈系统中，根据钻头前方岩体不同的裂隙化程度，确定钻头的最优钻进参数，而后钻机通过钻杆控制钻头钻进参数，确保钻头在最优钻进参数下工作；其中，最优参数确定主要通过系统内含有的数据库进行判别，数据库包含工程实践、室内试验等大量案例，涉及不同岩体对应的最优参数，参数包括钻压和转速，其调节由钻杆内的钻头控制装置(加压机和回转机，附图未示出)实现。

具体实施时，电磁辐射检测装置104可根据不同需求调节电磁波频率实现不同的探测距离，几个常用频率对应的探测深度为：1000MHZ——0.5m、500MHZ——3-5m、200MHZ——3-8m、100MHZ——15m、50MHZ——30m、10MHZ——50m。具体地，可以通过调节按钮305或电磁波频率遥控器进行电磁波频率调节，电磁波在介质中的传播距离由频率决定，因此改变频率即可控制探测深度。

反馈系统107通过分析波形图的振幅大小、频率、波形及变快慢等因素即可确定前方岩体的损伤程度、以及岩体破碎带中是否含有填充物。根据波形图像将岩体分为完整、胶状破碎带、节理裂隙密集带、断层破碎带这四个等级分别对应波形图像的规律为：

完整：波形频率为均匀的中高频、波形频率高低变化小、波形均一、振幅弱。

胶状破碎带：波形频率为不均匀的中频、波形频率变化较快规律性差、波形乱、振幅强。

节理裂隙密集带：波形频率为均匀的中低频、波形频率变化较快有规律性、波形乱、振幅强。

断层破碎带：波形频率为不均匀的低中频、波形频率高低变化急剧规律性差、波形杂乱、振幅较强。

当钻头前方是裂隙岩体时，在转速一定的情况下，钻进相同距离时钻头的磨损随钻压增大而增大，钻进速度先变大而后在超过一个临界之后急剧减小，应在同时考虑钻进速度以及钻头磨损量的情况下选择一最适钻压。且开挖不同种类的岩石时，钻进速度以及钻头磨损量随钻压改变而产生的变化趋势不同，导致最适钻压也各不相同；在钻压一定的情况下，我们也可以通过相同的分析方法得到开挖裂隙岩体的最适转速。

当钻头前方是完整岩体时，在转速一定的情况下，当钻压大于裂隙情况下的最适钻压时，钻速增加的趋势小于钻头磨损程度增大的趋势，因此采用较低转速更适宜。而在钻压一定的情况下，当转速大于裂隙情况下的最适转速时，钻速的增加趋势大于钻头的磨损趋势，因此采用较高的转速更为适宜综上确定4个参数，即：参数A：最适压力，适宜转速；参数B：最适压力，较高转速；参数C：低压力，适宜转速；参数D：低压力，较高转速。

当前方岩体为节理裂隙密集带时将钻进参数调至参数A，前方岩体为胶状破碎带时将钻进参数调整至参数B，前方岩体为断层破碎带时调节至参数C，前方岩体完整时调节至参数D。

具体实施案例：以某花岗岩隧道为例，做含裂隙的花岗岩钻进试验，当钻压从2.5MPa增加至5MPa时，钻进速率由1m/h增加至1.95m/h，钻头磨损量由1.02Ct/m增加至3.14Ct/m。因此可看出该花岗岩存在裂隙时最适钻压在2.5MPa附近，而在钻压为2.5MPa时，将转速由400r/min提升至800r/min，钻进速率由1m/h增加至1.70m/h，钻头磨损量由1.02Ct/m增加至2.22Ct/m。因此得出最适转速在400r/min附近。而后将裂隙花岗岩换为完整花岗岩重复上述试验，得出在完整花岗岩情况下最适钻压为1.9MPa，最适转速为600r/m。因此我们可确定：参数A：钻压2.5MPa，转速400r/min；参数B：钻压2.5MPa，转速600r/min；参数C：钻压1.9MPa，转速400r/min；参数D：钻压1.9MPa，转速600r/min。

在此隧道开挖时，通过电磁辐射检测装置104以及控制中心106分析得到前方花岗岩的裂隙程度，选择上方适宜的参数，使钻头时刻都能保持最优钻进参数。

综上所述，本发明提供了一种岩体识别钻头及钻进参数调控方法，当钻头工作时，电磁辐射检测装置可实时获取前方岩体的裂隙化程度，通过与控制中心有线连接，将获取的岩体裂隙情况实时传送到控制中心，最后经反馈系统对钻头进行反馈调节，保证钻头工作时以最优钻进参数运行。通过可拆卸的电磁辐射检测装置、控制中心及反馈系统，智能系统可重复利用，将节理探测、调节、控制过程融为一体，具有自动化、精细化、智能化特征，促使钻进参数时刻处于最优状态。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。