一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头

本发明涉及智能钻头，更具体的说是涉及一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头。

背景技术：

1、目前，随着煤层开采深度的不断增加，碎软煤层在我国煤层开采中所占的比例也在不断增加。碎软煤层钻孔成孔后极易发生孔壁塌陷，进而导致煤层钻孔堵塞，从而阻断瓦斯抽采通道，瓦斯抽采效率低、抽采周期短，严重影响到煤矿安全生产。对孔底钻具的强韧性，以及探测和导向功能提出了更高的要求。

2、但是，现有技术如专利cn 215889916 u公开了一种具有测量功能的智能钻头，该专利主要由钻头体、切削结构、内流道以及固定在钻头体内的测量模块组成，在钻头钻进破碎岩石的过程中，测量模块能够测量钻头的加速度、温度、转速等工况，但其孔底供电单元容量有限，测量单元有效工作时间短，难以适应长时间煤矿井下测量工作。现有技术如专利cn 218407319 u公开了一种具有温度实时监测功能的智能钻头，该专利通过增设温度传感器装置，能够显著提高pdc钻头对钻井环境温度的感知和实时监测，但是其用于装设测量短节的无磁钻杆过长，在打钻过程中易受力失稳使无磁钻杆断裂。

3、因此，如何设计一种具有持续自供电能力的，适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头，用以解决上述现有技术中存在的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头，包括：钻头本体；

4、所述钻头本体的末端开设有电子密封舱；

5、所述电子密封舱内设置有控制模块、瓦斯传感模块和自供电装置，其中，所述控制模块所述瓦斯传感模块电性连接，所述瓦斯传感模块用于可燃气体或易燃蒸汽的测量，所述控制模块完成所述瓦斯传感模块的采集并处理，所述自供电装置为控制模块提供电能。

6、进一步地，所述自供电装置内设置有能量获取单元和电能存储单元，所述能量获取单元和所述电能存储单元电性连接；

7、其中，所述能量获取单元包括多个振动发电装置，所述振动发电装置由外壳、永磁体组、弹簧、振动台和线圈构成，所述外壳、所述永磁体组、所述弹簧、所述振动台和所述线圈机械连接；

8、所述电能存储单元由充电电路、电源管理电路、电压调整电路和高性能电池组成；所述充电电路、所述电源管理电路、所述电压调整电路和所述高性能电池电性连接。

9、进一步地，所述自供电装置内部的能量获取单元将打钻过程中钻具的振动通过外壳和弹簧来传动到永磁体组，永磁体组产生的磁场切割线圈产生电能；所述电能存储单元将能量获取单元产生的电能通过充电电路存储到高性能电池中，并通过电源管理电路、电压调整电路最终与控制器电源管理模块电性连接，使自供电装置实现间歇性取能长期供电的工作要求。

10、进一步地，所述瓦斯传感模块包括：催化燃烧式传感器、半导体式气敏传感器以及红外光谱式传感器；

11、其中，所述催化燃烧式传感器完成对进入监测范围内可燃气体或易燃蒸汽的测量；

12、所述半导体式气敏传感器完成对吸附在半导体表面的可燃气体或易燃蒸汽的测量；

13、所述红外光谱式传感器利用被目标气体吸收的特定波长的红外光完成对可燃气体或易燃蒸汽的测量。

14、进一步地，所述瓦斯传感模块还包括：调理电路、补偿电路和a/d电路，所述调理电路将所述催化燃烧式传感器、所述半导体式气敏传感器以及所述红外光谱式传感器采集到的数据作为测量值，利用卡尔曼滤波算法对所述测量值进行融合，并计算得到最终估计值，避免单一传感器由于工况原因产生的测量误差，最后将所述估计值通过补偿电路和a/d电路进行补偿及转换后输出至所述控制模块。

15、进一步地，所述控制模块包括：控制器、信号收发器、存储器、电源管理模块和信号采集与处理模块；

16、其中，所述控制器、所述信号收发器、所述存储器、所述电源管理模块和所述信号采集与处理模块电性连接，由信号采集与处理模块完成对所述催化燃烧式传感器、所述半导体式气敏传感器以及所述红外光谱式传感器的采集与处理。

17、进一步地，所述信号采集与处理模块的采样时间为每1min采样一次，采集结束后进入休眠状态以节省电能。

18、进一步地，所述控制器与所述信号收发器采用串行方式通讯，串行通讯用于传输采集数据。

19、进一步地，所述电源管理模块包括：电源部以及dc/dc转换器，所述电源部采用3.3v-5vdc可充电高密度锂电池，所述锂电池经所述dc/dc转换器转换为各部分所需要的电压。

20、进一步地，还包括中继单元，设置在所述智能钻头的无磁钻杆上，在所述控制模块将采集与处理过的信息发送到所述中继单元，所述中继单元通过中心穿缆传输到上位机软件。

21、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头，采用多种类的气敏传感元件复合使用来测量孔底瓦斯浓度，并且依靠打钻过程中钻具的振动来进行电能收集满足系统使用，将数据通过无线传输的方式发送至无磁钻杆上的中继单元，然后通过中心穿缆转至上位机软件。具有如下有益效果：

22、(1)智能钻头采用自供电系统，所以并不影响钻杆测量部分的供电单元容量，也不存在与钻杆部分有任何电气连接的环节。

23、(2)智能钻头多为单功能测量单元，每次打钻时根据需求选定使用钻头，所以并不存在冗余问题。

24、(3)智能钻头是将测量功能前置至钻头内，并不影响无磁钻杆的长度，因而也不影响钻杆原有的强韧性。

25、(4)智能钻头采用模块化设计，只要更换其中的测量单元，即可实现测量功能的转换，十分适合产品化应用。

技术特征：

1.一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头，其特征在于，包括：钻头本体；

2.根据权利要求1所述的一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头，其特征在于，所述自供电装置内设置有能量获取单元和电能存储单元，所述能量获取单元和所述电能存储单元电性连接；

3.根据权利要求1所述的一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头，其特征在于，所述瓦斯传感模块包括：催化燃烧式传感器、半导体式气敏传感器以及红外光谱式传感器；

4.根据权利要求3所述的一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头，其特征在于，所述瓦斯传感模块还包括：调理电路、补偿电路和a/d电路，所述调理电路将所述催化燃烧式传感器、所述半导体式气敏传感器以及所述红外光谱式传感器采集到的数据作为测量值，利用卡尔曼滤波算法对所述测量值进行融合，并计算得到最终估计值，将所述估计值通过补偿电路和a/d电路进行补偿及转换后输出至所述控制模块。

5.根据权利要求3所述的一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头，其特征在于，所述控制模块包括：控制器、信号收发器、存储器、电源管理模块和信号采集与处理模块；

6.根据权利要求5所述的一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头，其特征在于，所述信号采集与处理模块的采样时间为每1min采样一次，采集结束后进入休眠状态。

7.根据权利要求5所述的一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头，其特征在于，所述控制器与所述信号收发器采用串行方式通讯。

8.根据权利要求5所述的一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头，其特征在于，所述电源管理模块包括：电源部以及dc/dc转换器，所述电源部采用3.3v-5vdc可充电高密度锂电池，所述锂电池经所述dc/dc转换器转换为各部分所需要的电压。

9.根据权利要求1所述的一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头，其特征在于，还包括中继单元，设置在所述智能钻头的无磁钻杆上，在所述控制模块将采集与处理过的信息发送到所述中继单元，所述中继单元通过中心穿缆传输到上位机软件。

技术总结本发明公开了一种适用于矿用水平千米定向钻机具有瓦斯实时监测功能的智能钻头，属于智能钻头技术领域。钻头本体；钻头本体的末端开设有电子密封舱；电子密封舱内设置有控制模块、瓦斯传感模块和自供电装置，其中，控制模块传感器电性连接，瓦斯传感模块用于可燃气体或易燃蒸汽的测量，控制模块完成传感器的采集并处理，自供电装置为控制模块提供电能。本发明具有持续自供电能力，有利于煤层开采过程中的瓦斯实时监测。技术研发人员：刘宗伟,范家文,李洋阳,焦阳,庞明鑫,高宇凡,田王健受保护的技术使用者：太原理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/23