[发明专利]煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置及方法

权利要求书

1.一种煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，其特征在于：它包括现场主机(1)、钻杆(3)、第一无磁钻杆(6)、第二无磁钻杆(9)、第三无磁钻杆(10)、钻头(11)、驱动钻杆(3)的钻机(7)、设置在第二无磁钻杆(9)中的探头(2)、设置在钻杆(3)尾端的第一应力波信号发射器(4)和第一应力波信号接收器(5)，其中，所述第一无磁钻杆(6)的尾端与钻杆(3)的头端螺纹连接，第二无磁钻杆(9)的尾端与第一无磁钻杆(6)的头端螺纹连接，第三无磁钻杆(10)的尾端与第二无磁钻杆(9)的头端螺纹连接，三无磁钻杆(10)的头端设有钻头(11)，所述现场主机(1)的信号输出端连接第一应力波信号发射器(4)的信号输入端，现场主机(1)的信号输入端连接第一应力波信号接收器(5)的信号输出端；

所述探头(2)包括探头壳体(2.1)、设置在探头壳体(2.1)内的第二应力波信号发射器(2.2)、第二应力波信号发射器驱动模块(2.3)、第二应力波信号接收器(2.4)、第二应力波信号处理模块(2.5)、单片机(2.6)和三维罗盘(2.7)，三维罗盘(2.7)的数据通信端连接单片机(2.6)的数据通信端，单片机(2.6)的信号输出端通过第二应力波信号发射器驱动模块(2.3)连接第二应力波信号发射器(2.2)的控制信号通信端，单片机(2.6)的信号输入端通过第二应力波信号处理模块(2.5)连接第二应力波信号接收器(2.4)的控制信号通信端；

所述第一应力波信号发射器(4)能与第二应力波信号接收器(2.4)之间进行无线通信，第一应力波信号接收器(5)能与第二应力波信号发射器(2.2)之间进行无线通信。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，其特征在于：所述现场主机(1)包括系统总线(1.1)、中央处理器(1.2)、存储器(1.3)、人机交互设备(1.4)、USB通信接口(1.5)、第一应力波信号发射器驱动模块(1.6)和第一应力波信号处理模块(1.7)，其中，所述中央处理器(1.2)、存储器(1.3)、人机交互设备(1.4)、USB通信接口(1.5)、第一应力波信号发射器驱动模块(1.6)和第一应力波信号处理模块(1.7)的数据通信端分别接入系统总线(1.1)，第一应力波信号发射器驱动模块(1.6)的信号输出端为现场主机(1)的信号输出端，第一应力波信号处理模块(1.7)的信号输入端为现场主机(1)的信号输入端。

3.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，其特征在于：所述第一应力波信号发射器(4)的信号输出端朝向钻杆(3)的头端设置，第一应力波信号接收器(5)的信号接收端也朝向钻杆(3)的头端设置，所述第二应力波信号发射器(2.2)的信号输出端朝向钻杆(3)的尾端设置，第二应力波信号接收器(2.4)的信号接收端也朝向钻杆(3)的尾端设置。

4.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，其特征在于：所述探头壳体(2.1)外壁与第二无磁钻杆(9)内壁固定连接。

5.根据权利要求2所述的煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，其特征在于：所述第一应力波信号处理模块(1.7)和第二应力波信号处理模块(2.5)用于对应力波信号进行滤波、放大和模数转换处理。

6.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，其特征在于：所述第二应力波信号发射器(2.2)和第二应力波信号接收器(2.4)均位于第二无磁钻杆(9)的尾端。

7.一种利用权利要求1所述煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置进行随钻轨迹和孔深测量的方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：控制由钻杆(3)、第一无磁钻杆(6)、第二无磁钻杆(9)、第三无磁钻杆(10)和钻头(11)构成的钻孔机构在钻孔(8)内钻进一个深度；

步骤2：现场主机(1)通过第一应力波信号发射器(4)向所述钻孔机构发射应力波信号；

步骤3：探头(2)的第二应力波信号接收器(2.4)接收上述应力波信号，并将该应力波信号发送到探头(2)的第二应力波信号处理模块(2.5)，第二应力波信号处理模块(2.5)对该应力波信号进行滤波、放大和模数转换处理，并将处理后的应力波数字信号传送给探头(2)的单片机(2.6)，单片机(2.6)接收到应力波数字信号后，控制探头(2)的三维罗盘(2.7)工作；

步骤4：所述三维罗盘(2.7)感应得到此时钻孔(8)的方向和倾角数据，并将该方向和倾角数据返回给单片机(2.6)；

步骤5：单片机(2.6)将此时钻孔(8)的方向和倾角数据编码入反馈应力波信号中，并依次通过第二应力波信号发射器驱动模块(2.3)和第二应力波信号发射器(2.2)向第一应力波信号接收器(5)发射；

步骤6：所述第一应力波信号接收器(5)接收到上述反馈应力波信号，并将该反馈应力波信号发送到现场主机(1)的第一应力波信号处理模块(1.7)，第一应力波信号处理模块(1.7)对该反馈应力波信号进行滤波、放大和模数转换处理，并将处理后的反馈应力波数字信号传送给现场主机(1)的中央处理器(1.2)；

步骤7：现场主机(1)的中央处理器(1.2)从反馈应力波数字中解码出钻孔(8)的方向和倾角数据，现场主机(1)的中央处理器(1.2)通过第二应力波信号发射器(2.2)发射反馈应力波信号与第一应力波信号接收器(5)接收反馈应力波信号的时间之差，求出第一应力波信号接收器(5)与第二应力波信号发射器(2.2)之间的距离，所述第一应力波信号接收器(5)与第二应力波信号发射器(2.2)之间的距离加上第二无磁钻杆(9)和第三无磁钻杆(10)以及钻头(11)的长度再减去位于钻孔(8)外的钻杆(3)尾部的长度，即得到了钻孔(8)的深度；

步骤8：现场主机(1)的中央处理器(1.2)将上述得到的钻孔(8)的方向和倾角数据以及钻孔(8)的深度发送给现场主机(1)的人机交互设备(1.4)进行显示；

步骤9：随着钻孔(8)不断钻进的过程中，每隔一定深度距离重复步骤2至步骤8的操作，现场主机(1)的中央处理器(1.2)通过不同孔深对应的钻孔(8)的方向和倾角数据得到钻孔过程中的钻孔轨迹和实时孔深；

步骤10：现场主机(1)的中央处理器(1.2)将钻孔过程中的钻孔轨迹和实时孔深发送给现场主机(1)的人机交互设备(1.4)进行显示。