技术摘要：
本发明公开了一种基于中心通缆的矿用钻杆及数据采集传输系统，基于中心通缆的矿用钻杆，设置钻杆本体，沿轴向，钻杆本体内设置中心通缆；与所述的中心通缆电连接，在钻杆本体表面嵌设采集通信电路，采集通信电路上设置钻进状态模块、姿态测量模块和健康监测模块；所述  全部
背景技术：
钻探工艺技术在预防与治理煤矿井下瓦斯、水的突出灾害得到了广泛的应用，钻 杆作为煤矿井下钻探工艺中主要的钻具装备，目前其主要功能仅是钻头与钻机的连接推进 装置及孔口水压与气压传动装置，测量功能并未得到有效开发。随着科学技术的不断发展， 智能钻杆概念也逐步被人们提出。专利CN201610703133一种磁感应波智能钻杆测量系统及 CN201610703120一种基于电容耦合的智能钻杆系统中所述的智能钻杆仅解决了数据通信 方面问题，测量功能仍未进行开发。而我公司在专利“CN200710018252”中提出的一种中心 通缆式高强度大通孔钻杆，通过内缆芯，在实现有缆供电的同时有效的完成了数据通信，该 方法的可行性在实际工程应用中得到了充分验证。 然而，在实际应用中，传统的钻探施工方法也暴露出了一定的不足：第一，要保证 轨迹测量的准确性与测量分辨率，需要对每一根钻杆位置进行姿态测量，测量过程需要进 行停钻等待、连接测量装置等工序，该过程繁琐耗时，极大的占用了施工时间，影响施工效 率；第二，目前钻孔深度的计量方式仍采用传统的人工数钻杆的方式，该方式不仅耗时，还 时常会出现错报、误报，更有甚者为获取更多的进尺效益出现虚报、假报的现象，严重的影 响了轨迹测量的准确性，造成了极大的安全隐患。第三，钻杆在钻探施工过程中属于损耗钻 具，在长期使用过程中均有着不同程度的磨损，井下施工中时常会出现由于钻杆疲劳使用 或过度使用造成的断裂现象，造成掉钻事故，给后期的开采施工留下了极大的安全隐患。 就上述问题 ，相关技术人员也展开了一定研究。施工效率问题 ，专利 CN201510393078钻杆式轨迹监测仪中提出针对通用钻杆内加装存储式姿态测量模块，姿态 无需进行二次复测，在一定程度上提高了测量效率，但该方式为成孔后测量，实时性差，无 法进行及时的轨迹调整，同时该发明未解决深度测量问题，且采用电池供电，施工时间受到 了极大的限制。钻进深度问题，专利CN201 21 0 4 0 7 1 7 2矿用钻孔深度监测装置、 CN201410847131钻杆钻孔深度测量装置及使用该测量装置的测量方法、CN201310568983轮 式钻孔深度测量仪及钻孔深度测量方法及CN201810308728一种煤矿钻机钻杆深度测量装 置等发明均是采用孔外测量方式，由于其测量位置的特殊性，无论采用位移传感器、磁性传 感器、滚轮等方式都无法避免虚报、作假等现象的发生，无法保证测量的真实性；专利 CN201811559045一种钻孔深度测量设备及方法、CN201410765946一种基于弹性波的钻孔深 度检测系统及其检测方法、CN201 81 03087 28一种煤矿钻机钻杆深度测量装置、 CN201110299147一种有线钻杆钻进过程中监测孔深的方法及CN201811373628一种快速测 定煤层钻孔深度装置和方法等发明均采用的是孔内间接测量方法，无论采用压力、超声波、 弹性波、电阻值等测量方法，由于钻杆材质不统一、钻杆耦合程度不一致、煤层密封性不同 等因素的影响，都无法保证测量的准确性。钻杆健康监测问题，专利CN201710069466一种水 4 CN 111577152 A 说　明　书 2/8 页 平定向钻钻杆疲劳损伤检测系统、CN201410378333钻杆监控方法和钻杆监控装置及 CN201510988423-水平定向钻钻杆振动受力分析综合实验方法及实验装置等发明仅提出了 针对单一钻杆的健康状况的检测方法及装置，并不适合随钻过程中多个钻杆同时测量的实 际工程应用。
技术实现要素：
本发明能适用于煤矿井下爆炸性气体环境中工作，提出了一种基于中心通缆的矿 用钻杆及控制方法，通过对中心通缆钻杆的改造，扩展其测量功能。 本发明采用的技术方案： 一种基于中心通缆的矿用钻杆，设置钻杆本体，沿轴向，钻杆本体内设置中心通 缆； 与所述的中心通缆电连接，在钻杆本体表面嵌设采集通信电路，采集通信电路上 设置钻进状态模块、姿态测量模块和健康监测模块； 所述的健康监测模块包括沿周向设置在钻杆本体表面上的多个健康监测传感阵 列，每个健康监测传感阵列包括径向应变传感器和轴向应变传感器。 可选的，在所述的钻杆本体表面挖设健康监测阵列安装槽，在健康监测阵列安装 槽宽度边设置径向应变传感器，在健康监测阵列安装槽长度边设置轴向应变传感器。 可选的，所述的健康监测传感阵列有三个，三个健康监测传感阵列以120°的夹角 嵌设分布在所述钻杆本体表面。 可选的，健康监测传感阵列的线缆通过过线端子连接至采集通信电路的健康监测 模块上； 过线端子包括中空六角螺栓、中空环形密封垫和安装槽，安装槽由左至右分为光 滑的水平段、光滑的斜坡段及带螺纹的水平段，中空六角螺栓与中空环形密封垫轴向插接 后，中空六角螺栓通过螺纹挤压中空环形密封垫进入安装槽的斜坡段。 可选的，在所述的健康监测传感阵列与采集通信电路之间还依次设置第一过线端 子、健康监测阵列过线槽和第二过线端子。 可选的，所述的采集通信电路通过接线端子与所述的中心通缆电连接，所述的接 线端子包括沿轴向依次套接的端子螺母、端子螺杆和端子接头，沿轴向贯穿设置端子芯； 在端子螺母与端子螺杆套接处设置第一密封圈，在端子螺杆与端子接头的套接处 设置第二密封圈。 可选的，在所述的钻杆本体表面嵌设采集通信电路安装槽、健康监测阵列过线槽 和健康监测阵列安装槽，与采集通信电路安装槽连通，岩钻杆本体径向设置接线端子安装 孔。 一种矿用钻杆数据采集传输系统，依次连接设置监测计算机、电缆水变、至少一个 钻杆和钻头； 所述的钻杆为本发明所述的基于中心通缆的矿用钻杆。 一种矿用钻杆数据采集传输系统，包括钻进状态模块、姿态测量模块和健康监测 模块； 健康监测模块通过采集平均分布于钻杆杆体上的三组应变监测阵列实时获取钻 5 CN 111577152 A 说　明　书 3/8 页 杆的应变参数； 钻进状态模块利用三轴震动传感器中的三轴加速度传感器与三轴磁阻传感器，判 断钻杆是否处于钻进状态，当钻杆处于非钻进状态则运行姿态测量模块； 姿态测量模块，采用三轴加速度计和三轴磁阻传感器设计，求得钻杆测量位点的 面向角γ、倾角β及方位角α，将该点的三个角度信息与对应的深度信息相结合就可得到该 位置的钻杆姿态； 还包括孔深记录模块，采用铁电存储芯片，通过读取ID号码的个数推断出当前连 接钻杆的个数得到当前钻孔的深度； 温度补偿模块，采用高精度数字温度传感器，为姿态测量模块与健康监测模块的 传感单元进行温度补偿； UART通信模块，嵌入式MCU将采集到的数据进行打包，通过该模块转变为串口信号 进行通信； 载波传输模块，将从机UART通信模块发出的串口信号通过信号调制转变为低压电 力载波信号，与监测计算机进行通信。 可选的，所述的钻进状态模块，采用三轴震动传感器设计，通过打钻过程震动阈值 判定当前钻机的启停状态，停钻状态时运行姿态测量模块； 所述的姿态测量模块，采用三轴加速度计和三轴磁阻传感器设计，通过三轴加速 度计可采集得到重力场的三个轴向输出GX、GY、GZ(m/s2，米/秒^2)，利用三轴磁阻传感器可 采集得到大地磁场的三个轴向输出HX、HY、HZ(G，高斯)，将采集到的各项数据依次带入以下 公式： γ＝arctan(-GX/GZ) 即可求得钻杆测量位点的工具面向角γ、倾角β及方位角α(°，度)，将该点的三个 角度信息与对应的钻杆深度信息相结合就可得到该位置的钻杆姿态； 所述的健康监测模块，采用电桥式应变片阵列与高精度AD采集芯片结合，电桥式 应变片阵列封装于健康监测阵列安装槽底板与侧帮的各个测试点上，高精度AD采集电路采 集各电桥式应变片阵列的输出电压，进而推算出个测试点的应变大小，再根据各点的应变 值与设定各点的应变上限值进行比较实现钻杆的健康监测。 本发明的功能特点及优势： 通过本发明的钻杆，可以实现跳钻杆测量，在需要进行钻进调整时进行一次测量， 测量结果将获得孔中每一根钻杆的轨迹测量数据，极大地提高了施工效率。同时，本发明设 计了钻进状态模块，能够准确的进行钻机启停状态的判定，当需要测量时无需人工操作监 测计算机，轨迹测量数据就会自动更新，简化了轨迹测量的操作过程。 附图说明 附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具 6 CN 111577152 A 说　明　书 4/8 页 体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。 图1是本发明原理示意图； 图2是本发明矿用钻杆总装结构示意图中的剖视图； 图3是本发明矿用钻杆总装结构示意图中的正视图； 图4是本发明矿用钻杆总装结构示意图中的左视图； 图5是本发明接线端子子装配结构示意图； 图6是本发明过线端子子装配结构示意图，其中(a)为零件图、(b)为子装配结构 图； 图7是本发明多功能数据采集传输系统电气框图； 图8是本发明系统控制中的多功能数据采集传输系统控制流程图； 附图标记： 1-钻杆本体、2-中心通缆、3-通缆支撑环、4-采集通信电路安装槽、5-健康监测阵 列过线槽、6-健康监测阵列安装槽、7-采集通信电路、8-采集通信电路密封垫、9-采集通信 电路盖板、10-接线端子、11-第一过线端子、12-过线槽盖板、13-径向应变传感器、14-轴向 应变传感器、15-健康监测传感阵列密封垫、16-健康监测传感阵列盖板、17-第二过线端子； 10-1端子螺母、10-2端子螺杆、10-3端子接头、10-4第一密封圈、10-5第二密封圈、 10-6端子芯； 中空六角螺栓11-1、中空环形密封垫11-2、安装槽11-3。