凿岩装置推进力单向延迟响应方法及实现该方法的装置

摘要

本发明公开了一种凿岩装置推进力单向延迟响应方法，该凿岩装置包括推进导向装置、推进控制模块和钻具，该方法包含以下步骤：1）通过所述旋转控制模块监测所述旋转装置的扭矩的大小；2）由所述扭矩的大小变化确定所述钻具的负载状态；3）当所述钻具由无负载状态进入有负载状态时，控制所述推进力发生装置对所述钻具施加缓慢增加的推进力。本发明还公开了实现上述凿岩装置推进力单向延迟响应方法的凿岩装置。本发明解决了卡钻和重复的反卡的问题，确保凿岩机进行正常钻进工作、提高了凿岩速度、钻孔精度和生产效率，降低了对凿岩机和钻具的损害，使凿岩成本大大降低。

权利要求

1.一种凿岩装置推进力单向延迟响应方法，该凿岩装置包括推进导向装置、推进力发生装置、旋转控制模块、推进控制模块、冲击控制模块、凿岩机和钻具，所述凿岩机又包括旋转装置和冲击装置，该方法包含以下步骤：

1)通过所述旋转控制模块监测所述旋转装置的扭矩的大小以确定旋转压强的大小；

2)由所述旋转压强的大小变化确定所述钻具的负载状态：当所述旋转压强的大小发生增加时，即判断所述钻具已由无负载状态进入有负载状态；当所述旋转压强的大小发生阶跃减小时，即判断所述钻具已由有负载状态进入无负载状态；

3)当所述钻具由无负载状态进入有负载状态时，控制所述推进力发生装置对所述钻具施加缓慢增加的推进力。

2.如权利要求1所述的凿岩装置推进力单向延迟响应方法，其特征在于，所述推进力具有一最大预设值，当所述推进力达到此最大预设值时，停止缓慢增加所述推进力并按照此最大预设值的推进力进行正常钻孔。

3.如权利要求1所述的凿岩装置推进力单向延迟响应方法，其特征在于，当所述钻具由有负载状态进入无负载状态时，控制所述推进力发生装置对所述钻具施加瞬时减小的推进力。

4.一种实现权利要求1至4任一项所述的凿岩装置推进力单向延迟响应方法的凿岩装置，包括推进导向装置、推进力发生装置、旋转控制模块、推进控制模块、冲击控制模块、凿岩机和钻具，所述凿岩机又包括旋转装置和冲击装置，所述推进导向装置用于在钻孔时起导向作用，所述推进力发生装置用于产生作用于所述凿岩机上的推进力，所述推进力发生装置具有一由旋转压强控制的推进控制模块，所述推进控制模块与所述推进力发生装置构成推进回路；其中，还包括一用于在所述钻具负载状态变化时，控制所述推进力发生装置对所述钻具施加单向缓慢增加的推进力的延时响应装置，所述延时响应装置设置在所述推进力发生装置上并连接入所述推进回路。

5.如权利要求4所述的凿岩装置，其特征在于，所述推进力具有一最大预设值，所述延时响应装置在所述推进力达到此最大预设值时，停止缓慢增加所述推进力并按照此最大预设值的推进力进行正常钻孔。

6.如权利要求4所述的凿岩装置，其特征在于，所述延时响应装置为一液压控制模块或一电器控制模块。

7.如权利要求4所述的凿岩装置，其特征在于，所述延时响应装置为液压蓄能器。

说明书

凿岩装置推进力单向延迟响应方法及实现该方法的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及凿岩机控制领域，尤其涉及一种凿岩装置推进力单向延迟响应方法，本发明还涉及一种实现该方法的装置。

背景技术

[0002] 冲击、推进、回转和排渣是凿岩机钻孔工作的四个基本环节，其主要通过推进导向装置、推进力发生装置、旋转控制模块、推进控制模块、冲击控制模块、凿岩机和钻具，所述凿岩机又包括旋转装置和冲击装置来实现钻孔动作。推进导向装置在钻孔时起导向作用，推进力发生装置则产生作用于凿岩机上的推进力，从而使钻具与孔底岩石紧密地接触，冲击装置产生间歇性的冲击功，通过钻具间歇性的冲击岩层，与此同时旋转装置会产生旋转扭矩使钻具在钻孔过程中连续回转使下次冲击时为新的岩层界面，从而完成凿岩动作。排渣装置通过使用高压水或者压缩空气使破碎的岩石清理到孔口外。

[0003] 一般的，旋转装置的输出扭矩以反比的方式控制推进力发生装置推进力的大小。旋转装置的输出扭矩和推进力发生装置的推进力成正比的关系。高效的凿岩过程是通过控制推进力发生装置的推进力的大小来保持旋转装置扭矩的基本恒定。在钻孔作业时，操作人员可以设定最大的推进力。在实际的应用中，还可以用旋转装置的工作压强控制推进力发生装置的推进压强旋转装置的工作压强设定有最大工作预设值和防卡预设值，当旋转压强超过最大工作预设值时，实际的推进力开始从最大值减小（此时最大的推进力设定值不变，只是最大值达不到设定值）。正常情况下，一旦推进力减小，旋转装置的工作压强就开始减小。凿岩系统回归正常作业状态。

[0004] 然而由于实际钻孔环境中岩层状况的不均匀，还存在以下问题：

[0005] 当钻具从空洞、软岩、夹层（无负载）撞击到硬岩（有负载）时，推进力发生装置的推进压强发生阶跃，相应的旋转压强也会发生阶跃（旋转压强超过最大工作预设值）而达到卡钻预设值。即推进压强的阶跃会导致钻具不能正常钻进和旋转，因而发生卡钻，推进导向装置由前进（钻进）状态直接变为后退状态，一般称这种情况称为“反卡”。在推进导向装置后退过程中，岩层对钻具的约束逐渐减小直至消失，从而也使旋转压强减小，旋转压强小于防卡预设值时，旋转装置的工作压强控制推进力发生装置由后退状态再次变为前进状态。

[0006] 图3为现有技术中推进力、旋转扭矩随时间变化的示意图，如图2所示，在第①阶段时，由于钻具上无负载也未和岩石接触，因此钻具再次前进时近似通过“空洞”状态，推进力发生装置在无负载的情况下高速向前运行。在第②阶段时，当钻具再次撞击到硬岩，推进压强将阶跃升高，推进压强的阶跃也引起旋转压强的阶跃，推进压强的阶跃很容易达到防卡预设值导致钻具不能正常钻进和旋转。发生卡钻后的第③阶段，推进导向装置由前进（钻进）状态变为后退状态。如果不控制的话，反卡过程会重复出现，即再次“反卡”。

[0007] 卡钻和重复的反卡会影响凿岩机的正常钻进工作、降低凿岩速度和生产效率，还会对凿岩机和钻具产生不可恢复的损害，使其实际使用寿命缩短，需要经常更换钻具和凿岩机维护。钻具的频繁更换和凿岩机维护势必会使凿岩成本增加，同时推进压强的阶跃还会导致钻孔直线度产生偏差。为了解决这一技术问题，现有技术中通常采用限制最大的推进速度来避免推进压强的阶跃，即在钻具由空洞（软岩）进入硬岩或者由硬岩进入空洞（软岩）时对推进速度等进行控制，从而达到防止卡钻的目的。但是这样的系统设置往往比较复杂，成本较高，同一推进速度并不能适用于不同岩层状况下的钻进工作。当岩层状况变化时，需要随时根据岩层状况快速设定不同的推进速度，操作比较复杂，而且多数情况下只有经验丰富的操作人员才能胜任。

发明内容

[0008] 鉴于现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种可以有效解决凿岩机的卡钻及重复的反卡问题并保护凿岩装置的推进力单向延迟响应方法。

[0009] 为了实现上述目的，本发明提供的一种凿岩装置推进力单向延迟响应方法，该装置包括推进导向装置、推进力发生装置、旋转控制模块、推进控制模块、冲击控制模块、凿岩机和钻具，所述凿岩机又包括旋转装置和冲击装置，该方法包含以下步骤：

[0010] 1）通过所述旋转控制模块监测所述旋转装置的扭矩的大小以确定旋转压强的大小；

[0011] 2）由所述旋转压强的大小变化确定所述钻具的负载状态：当所述旋转压强的大小发生增加时，即判断所述钻具已由无负载状态进入有负载状态；当所述旋转压强的大小发生阶跃减小时，即判断所述钻具已由有负载状态进入无负载状态；

[0012] 3）当所述钻具由无负载状态进入有负载状态时，控制所述推进力发生装置对所述钻具施加缓慢增加的推进力。

[0013] 本申请文件中所说的“阶跃”是指数值发生瞬间剧烈变化。而根据常识，压强与产生该压强的力的大小成正比。同样地，本申请中在确定推进压强时，依照的正是推进力增大时推进压强也会增大这一基本原理。

[0014] 作为优选，所述推进力具有一最大预设值，当所述推进力达到此最大预设值时，停止缓慢增加所述推进力并按照此最大预设值的推进力进行正常钻孔。

[0015] 作为优选，当所述钻具由有负载状态进入无负载状态时，控制所述推进导向装置对所述钻具施加瞬时减小的推进力。根据推进力的变化，选择合适冲击功变化方案，增加对凿岩机的保护。

[0016] 本发明的另一个目的在于提供一种实现上述推进力延时响应方法的凿岩装置。

[0017] 为了实现上述目的，本发明提供的一种实现上述推进力延时响应方法的凿岩装置，包括推进导向装置、推进力发生装置、旋转控制模块、推进控制模块、冲击控制模块、凿岩机和钻具，所述凿岩机又包括旋转装置和冲击装置，所述推进导向装置用于在钻孔时起导向作用，所述推进力发生装置用于产生作用于所述凿岩机上的推进力，所述推进力发生装置具有一由旋转压强控制的推进控制模块，所述推进控制模块与所述推进力发生装置构成推进回路；其中，还包括一用于在所述钻具由无负载状态进入有负载状态时，控制所述推进力发生装置对所述钻具施加缓慢增加的推进力的延时响应装置，所述延时响应装置设置在所述推进力发生装置上并连接入所述推进回路。

[0018] 作为优选，所述推进力具有一最大预设值，所述延时响应装置在所述推进力达到此最大预设值时，停止缓慢增加所述推进力并按照此最大预设值的推进力进行正常钻孔。

[0019] 作为优选，所述延时响应装置为液压蓄能器或者为一液压控制模块或一电器控制模块。

[0020] 本发明的凿岩装置推进力单向延迟响应方法及实现该方法的装置具有以下有益效果：

[0021] （1）当钻具由空洞（无负载状态）撞击到硬岩（有负载状态），延时响应装置能使推进压强平稳缓慢的增加到最大值，此时旋转压强将平稳缓慢恢复，此过程可以称为“二次开孔”，其优势在于，解决了卡钻和重复的反卡的问题，确保凿岩机进行正常钻进工作、提高了凿岩速度、钻孔精度和生产效率，降低了对凿岩机和钻具的损害，使凿岩成本大大降低；

[0022] （2）当“反卡”消失，或者钻具（由硬岩）进入空洞或软岩时，推进压强迅速阶跃减小，钻进速度并不限制，可以提高钻孔效率；

[0023] （3）本发明不需要根据岩层情况对推进速度进行快速设定，控制方式简单易操作。

附图说明

[0024] 图1为本发明的凿岩装置推进力单向延迟响应方法的流程图。

[0025] 图2为本发明的凿岩装置推进力单向延迟响应方法的原理示意图。

[0026] 图3为现有技术中推进力、旋转扭矩随时间变化的示意图。

[0027] 图4为采用了本发明的推进力单向延迟响应方法后推进力、旋转扭矩随时间变化的示意图。

[0028] 图5为本发明的凿岩装置组成示意图。

[0029] 主要附图标记：

[0030] 1、推进导向装置，2、推进力发生装置，202、推进控制模块，3、凿岩机，301、冲击装置，302、旋转装置，303、冲击控制模块，304、旋转控制模块，4、钻具，5、延时响应装置，6、压力油供给装置。

具体实施方式

[0031] 以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细的说明。

[0032] 如图5和图2所示，本发明的实现推进力延时响应方法的凿岩装置，包括推进导向装置1、推进力发生装置2、凿岩机3和钻具4，所述推进导向装置1用于在钻孔时起导向作用，所述推进力发生装置2用于产生作用于所述凿岩机3上的推进力，所述推进力发生装置2具有一由旋转压强控制的推进控制模块202，所述推进控制模块202与所述推进力发生装置2构成推进回路；其中，还包括一用于在所述钻具由无负载状态进入有负载状态时，控制所述推进导向装置1对所述钻具4施加缓慢增加的推进力的延时响应装置5，所述延时响应装置5设置在所述推进力发生装置2上并连接入所述推进回路。如上所述，推进导向装置
1在钻孔时起导向作用，推进力发生装置2则产生作用于凿岩机3上的推进力，从而使钻具
4与孔底岩石紧密地接触，设置于所述凿岩机3上的冲击装置301产生间歇性的冲击功，通过钻具4间歇性的冲击岩层，与此同时凿岩机3上的旋转装置302会产生旋转扭矩使钻具4在钻孔过程中连续回转，从而完成凿岩动作。本发明中的旋转控制模块304用于监测旋转装置302向钻具4施加的旋转扭矩并控制推进控制模块202推进力的大小，相应的推进控制模块202用于监测推进力发生装置2的推进压强的大小、方向，压力油供应装置6用于提供钻孔作业所需的压力油。

[0033] 图1所示为本发明的凿岩装置推进力单向延迟响应方法，如图1所示，该方法包含以下步骤：

[0034] 1）通过所述旋转控制模块304监测所述旋转装置302的扭矩的大小以确定旋转压强的大小（S1）；

[0035] 2）由旋转控制模块304根据所述旋转压强的大小变化确定所述钻具4的负载状态（S2）：当所述旋转压强的大小发生增加时，即判断所述钻具已由无负载状态进入有负载状态；当所述旋转压强的大小发生阶跃减小时，即判断所述钻具已由有负载状态进入无负载状态；

[0036] 3）当所述钻具4由无负载状态（空洞或软岩）进入有负载状态（硬岩）时，控制所述推进导向装置1对所述钻具4施加缓慢增加的推进力。

[0037] 在本发明中，推进力具有一最大预设值，同时推进压强也具有最大预设值。图4为采用了本发明的推进力单向延迟响应方法后推进力、旋转扭矩随时间变化的示意图，如图4所示，当推进压强为待机值时，即判断钻具4进入空洞，处于无负载状态（图4中区域①表示出推进力也无变化）；而当所述旋转压强的大小发生增加时，即判断所述钻具4已由无负载（空洞）状态进入有负载状态（硬岩），图4中表示出的区域②已经过缓变处理，因此推进力出现缓慢上升的态势，并未发生阶跃；当判断所述推进力达到此最大预设值时，延迟响应装置5停止缓慢增加所述推进力并按照此最大预设值的推进力进行正常钻孔，对应图4中的区域③；而当所述旋转压强的大小发生阶跃减小时，即判断所述钻具4已由有负载状态（硬岩）进入无负载状态（空洞或软岩），推进回路上设置的延时响应装置5进行控制，但并不影响推进压强的阶跃减小，推进力发生向装置2的推进力会从最大预设值瞬时减小（S4），推进力的瞬时减小会使旋转控制模块304响应，致使旋转装置302的旋转扭矩也瞬时减小。对应图4中的区域④。

[0038] 具体的，本发明的所述的延时响应装置5可以为液压蓄能器或者为一液压控制模块或一电器控制模块。

[0039] 以上所述仅是发明的优选实施方式的描述，应当指出，由于文字表达的有限性，而在客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。