[发明专利]凿岩装置推进力单向延迟响应方法及实现该方法的装置

说明书

技术领域

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

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。

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。

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：

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。

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”。

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

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。

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：

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。