发明内容
本发明的目的是提供一种可监测钻孔工作状态的锚杆钻机，实时动态地进行监测并记录和显示出钻孔工作状态。
本发明的另一目的是提供一种监测钻孔工作状态的监测装置，其可实时动态地进行监测并记录和显示出钻孔工作状态。
本发明采用的技术方案是：
一种可监测钻孔工作状态的锚杆钻机，包括钻机机架、用于驱动钻杆和钻头的动力头及操纵机构，其特征在于，还包括用于监测动力头行进的传感器、通信连接于所述传感器的中央处理器以及通信连接于所述中央处理器的输出单元，所述中央处理器从所述传感器获取数据并进行运算转换为动力头的行进速度后传递给输出单元。
其中，还包括可即时监测所述操纵机构的监测单元，所述监测单元与所述中央处理器通信连接，所述监测单元用于采集操纵机构的工作状态信号并传递给中央处理器，中央处理器对所述传感器的数据进行处理计算钻头的深度后传递给所述输出单元。
其中，所述动力头和钻杆内所设有的可相互连通的中空孔并与外接的输液管路共同构成输液通道，在所述输液通道上安装有液体压力传感器，所述液体压力传感器与所述中央处理器通信连接。
其中，所述输液通道上还安装有流量传感器，所述流量传感器与所述中央处理器通信连接。
其中，所述中央处理器根据所述液体压力传感器和所述流量传感器的数据计算锚杆扩大头长度和直径。
本发明还提供一种可监测钻孔工作状态的锚杆钻机，包括钻机机架、用于驱动钻杆和钻头的动力头及操纵机构，其特征在于，还包括用于监测动力头行进的传感器、可即时监测操纵机构的监测单元、通信连接于传感器和监测单元的中央处理器以及通信连接于中央处理器的输出单元，所述监测单元用于采集操纵机构的工作状态信号并传递给中央处理器，中央处理器对所述传感器的数据进行处理计算钻头的深度后传递给所述输出单元。
本发明还提供一种可监测钻孔工作状态的监测装置，用于监测锚杆钻机钻头的工作状态，所述钻头与钻杆连接，由操纵机构及动力头驱动，其特征在于，包括中央处理器、通信连接于中央处理器的输出单元，以及可监测动力头行进的传感器，所述传感器与所述中央处理器通信连接，传感器的数据输出到中央处理器经中央处理器处理后转换为钻头的钻进速度，然后传输给所述输出单元。
其中，还包括用于采集操纵机构的工作状态信号的监测单元，所述监测单元将监测的信号输出到与其通信连接的所述中央处理器，由中央处理器根据操纵机构的工作状态对传感器的数据进行处理计算钻头的深度后传送给所述输出单元。
其中，还包括一安装于钻机输液通道上的液体压力传感器，所述液体压力传感器与所述中央处理器通信连接。
其中，还包括一安装于钻机输液通道上的流量传感器，所述流量传感器与所述中央处理器通信连接。
本发明还提供一种可监测钻孔工作状态的监测装置，用于监测锚杆钻机钻头的工作状态，所述钻头与钻杆连接，由操纵机构及动力头驱动，其特征在于，包括用于监测动力头行进的传感器、监测操纵机构的监测单元、通信连接于传感器和监测单元的中央处理器以及通信连接于中央处理器的输出单元，所述监测单元采集操纵机构的工作状态信号并传递给中央处理器，由中央处理器对所述传感器的数据进行处理计算钻头的深度后传递给所述输出单元。
本发明的有益效果在于：本发明的可监测钻孔工作状态的锚杆钻机及监测装置可以实时地自动监测钻孔工作状态，尤其是可以将钻头的深度位置和对应的有关参数如动力头行进速度、液体压力等动态即时显示出来；当采用水力扩孔法施工扩大头锚杆时可以比较客观地计算扩大头长度和直径并显示出来，可以比较好地解决锚杆施工这种隐蔽性极强的地下作业施工管理和质量保证的老大难问题。
具体实施方式
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。
实施例一：
如图1所示，其为本发明可监测钻孔工作状态的锚杆钻机第一较佳实施例的结构示意图。该锚杆钻机由钻机机架11、动力头1、操纵机构5组成，所述动力头1设于机架11上开设的滑道内，与钻杆12连接，钻杆12前端设有钻头7，通过动力头1可驱动接于其前端的钻杆12和安装于钻杆12的钻头7，通过钻头7向地层钻孔，钻孔所需液体通过接于动力头1后端的输液管路13、动力头1内的孔道14和钻杆12的中空孔道所形成的输液通道向钻头7输送。动力头1在钻机机架11上上下行进，通过链条15与固定于机架11上的齿轮16啮合传动传递动力。本实施例方案在机架11位于齿轮16的位置，设置一传感器2，通过传感器2可监测动力头1的行进状况，同时设置中央处理器3与传感器2通信连接，可从传感器2获取数据并进行运算转换为动力头1的行进速度后传送给输出单元4显示并打印。中央处理器3和输出单元4可以安装于操纵机构5或钻机的其他部位。中央处理器3和输出单元4可以分开安装或者集成为一体。输出单元4可以是数字式显示器、指针式显示盘、打印机、数据卡等。监测动力头1行进的传感器2可以有多种形式，一是采用激光测距仪(如改进的DECN激光测距仪LM50、博世DLE40等)，用以测量动力头1行进时的距离变化，并由中央处理器3按微分时段计算其行进速度，如某微分时段测得的距离变化为Δli，该微分时段时长为Δti，则行进速度为vi＝Δli/Δti；二是可以采用激光测速仪，用以测量动力头1的行进速度并传递给中央处理器3；三是采用转速计(如改进的衡欣A28000转速计等)测量传动齿轮16的转速，中央处理器3根据齿轮16的直径和所测量的转速计算动力头1的行进速度，如齿轮16直径为D16，测量转速为ωi，则该时刻行进速度vi＝ωiD16；四是沿钻机机架11的滑道设置滑动电阻仪，用以测量动力头1的位置变化，由中央处理器3计算动力头1的行进速度。通过上述方式，本实施例的优点是能实时测量并输出动力头1的行进速度这一主要参数。
本发明提供了一种可监测钻孔工作状态的监测装置第一较佳实施例。如图4A所示，该监测钻孔工作状态的监测装置可应用于现有的锚杆钻机，例如其可连接于图1所示的锚杆钻机上，其主要涉及锚杆钻机的动力头1、钻头7、操纵机构5以及动力头1后端的输液管路13、动力头1内的孔道14和钻杆12的中空通道形成的输液通道，该监测钻孔工作状态的监测装置包括中央处理器3、输出单元4，还包括监测动力头1行进的与所述中央处理器3通信连接的传感器2，其数据输出到中央处理器3经中央处理器3处理后转换为钻头7的钻进速度，然后传输给所述输出单元4。该第一较佳实施例的优点是能实时测量并输出动力头1的行进速度这一主要参数。
本发明实施例工作过程：见图4B锚杆钻机就位，准备工作完成后，启动钻机，操作操纵机构5使其处于钻进状态，动力头1驱动钻杆12和钻头7向地层钻进，同时，传感器2监测动力头1的行进，并将数据传递给中央处理器3，中央处理器3从传感器2获取数据并进行运算转换为动力头1的行进速度后传送给输出单元4。在正常钻进或提升时，钻头7的行进速度与动力头1相等，输出单元4可以将这个速度在显示器上即时显示，供施工操作和管理人员检查，也可以打印出来作为施工记录保存，还可以存入数据卡带回办公室进行数据分析和整理。
实施例二：
如图2所示，其为本发明可监测钻孔工作状态的锚杆钻机第二较佳实施例的结构示意图。为了实时测算钻孔过程中每一时刻钻头的深度，在上述第一较佳实施例的基础上于操纵机构5增设监测单元6，用以采集操纵机构5的工作状态信号，所述监测单元6与中央处理器3通信连接，如图2所示。中央处理器3从监测单元6获取信号识别钻机的工作状态并根据钻机的工作状态对传感器2的数据进行相应处理，计算钻头7的深度后传递给输出单元4显示并打印出来。监测单元6用于监测并采集操纵机构5的工作状态信号，它根据各种不同型号的锚杆钻机操纵机构5的不同，可以有多种不同形式，对于液压控制阀操纵柄的操纵机构5，一是可以采用电路将每个控制阀的状态转换为电信号连接到中央处理器3；二是可以在各个控制阀的油路上安装油压传感器，并设置电路将各油压传感器数据传送到中央处理器3，中央处理器3根据油压值与设计值的比较判断各个控制阀的状态；三是可以在各个控制阀的油路上安装流量传感器，并设置电路将其数据传送到中央处理器3，中央处理器3根据所测流量与设计值的比较判断各个控制阀的工作状态；对于电钮操作的操纵机构5，则更简单，只需设置电路将各操作电钮的电信号传送到中央处理器3即可。锚杆钻机钻孔的一个最大特点，它是利用多根很短的钻杆(单根长度1.5m左右)一边钻进一边接杆，动力头1时而给进或提升，时而装杆、卸杆、上扣或卸扣，这些状态反复交错进行。因此，不能简单地按动力头1的行进速度或行程简单地计算，而应根据中央处理器3从监测单元6获得的信号识别钻机的工作状态，将装杆、卸杆、上扣和卸扣时的动力头行程剔除，将动力头1有效给进(下行)或提升(上行)行程累计计算得到钻头7的深度位置。传感器2可以采用行程传感器，也可以采用速度传感器，两者的钻头深度计算公式略有差别而已。
当采用行程传感器时，可按以下公式计算：
si=Σt=1i(Δli·k)]]>
当采用速度传感器时，可按以下公式计算：
si=Σt=1i(vi·Δti·k)]]>
以上两式中，Si为第i时段末的钻头深度；Δli为第i时段传感器2测得的动力头1的行程；vi为第i时段传感器2测得的动力头1的行进速度；Δti为第i时段的时长；k为钻机工作状态系数，根据监测单元6的信号，按下式取值：
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本实施例的优点是能在钻孔过程中实时监测并输出钻头的深度和行进速度这两个主要参数。
如图5A所示，其为本发明的监测钻孔工作状态的监测装置第二较佳实施例的原理结构示意图。为了实时测算钻孔过程中每一时刻钻头的深度，其在监测装置第一较佳实施例的基础上，增设用于采集操纵机构5的工作状态信号的监测单元6，其信号输出到与其通信连接的所述中央处理器3，中央处理器3识别操纵机构5的工作状态对传感器2的数据进行处理计算钻头7的深度后传送给所述输出单元4。本实施例的优点是能在钻孔过程中实时监测并输出钻头的深度和行进速度这两个主要参数。
本发明实施例工作过程：见图5B，锚杆钻机就位准备工作完成后，启动钻机，操作操纵机构5，使其处于给进(下行钻进)状态，动力头1驱动钻杆12和钻头7向地层钻进，同时，传感器2监测动力头1的行进，监测单元6监测操纵机构5的状态，中央处理器3从传感器2和监测单元6获取数据计算动力头1的行进速度和钻头的深度，并传送给输出单元。当动力头1给进一节钻杆的深度后操作操纵机构5使其处于卸扣状态，动力头卸下钻杆丝扣，并快速上行到顶之后，将一节钻杆置于上杆位置，操作操纵机构5使其处于上扣状态和装杆状态，动力头扣上钻杆丝扣并旋紧，在此过程中，传感嚣2监测动力头1的行进并即时将数据传送给中央处理器3，中央处理器3将其处理转换为动力头1的行进速度后传递给输出单元4，但同时由于监测单元6监测操纵机构6的各个工作状态并传送给中央处理器3，中央处理器3识别这些工作状态为卸扣、上扣、装杆状态(k＝0)，并不将传感器2的数据计入深度计算，因此在这个过程中钻头7的深度是不会发生变化的。当钻杆旋紧装好之后，操作操纵机构5使其处于给进状态，新一节钻杆的钻进又开始了。这样反复操作，直至钻孔达到设计深度为止。其工作原理见图5B。钻孔达到设计深度，必要时完成锚杆的安装等工序之后，即可开始退回钻杆工作，其操作和监测流程与钻进类似，只需用“提升状态”和“卸杆状态”分别“替代”钻进时的“钻进状态”和“装杆状态”即可。
实施例三：
图3为本发明可监测钻孔工作状态的锚杆钻机第三较佳实施例的结构示意图。采用高压喷射扩孔法施工扩大头锚杆时，高压泵通过输液管路13向钻头7提供高压液体在锚杆设计的某一段长度范围进行高压喷射扩孔。为了实时监测扩孔压力、流量、估算扩大头的长度和直径，在上述第二较佳实施例的基础上，如图3，在动力头1的输液管路13上增设液体压力传感器8和流量传感器9，两者均与中央处理器3通信连接，中央处理器将液体压力传感器8和流量传感器9的测量值传送给输出单元4显示并打印。在本实施例中，液体压力传感器8和流量传感器9还可以选择安装在所述动力头1后端的输液管路13、动力头1内的孔道14和钻杆12的中空孔道所形成的输液通道上的任意位置处，如动力头1和输液管13接头之间等，均可以实现与安装于输液管路13上相同的目的。在本实施例中，可以将钻头深度以及相应深度处动力头1的行进速度(亦即钻头的钻进或提升速度)、液体压力传感器8(如可采用德州仪器的压力传感器40-20MA型等)测量的压力值和流量传感器9(如可采用贝特智能流量计等)测量的流量值一同显示并打印出来，可以非常好地实时监控扩大头锚杆的施工质量。另外，当需要了解钻头7的旋转速度时，还可以在动力头1或者钻杆12上安装一个转速计并与中央处理器3通信连接，监测钻头7的转速并一同显示和打印出来。显示和打印的格式见下表。
时间
深度
给进/提升速度
转速
压力
流量
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
高压喷射或者其他水力扩孔形式的扩大头锚杆，其扩大头的长度可按下式计算：
LD＝|S2-S1|
式中，LD为扩大头长度；S1、S2分别为液体压力传感器8测得的较高压力值(大于或等于设计压力值)起始和终止时对应的钻头深度。
扩大头的直径可根据水泥浆灌注量按下式估算其平均值：
D2=4V-πD12(L-LD)πLD]]>
式中，，D2为扩大头计算平均直径；V为水泥浆灌注量；D1为灌注水泥浆时钻孔的净直径；L为钻孔总长度；LD为扩大头长度。
水泥浆灌注量V可由中央处理器3根据流量传感器9的测量值按下列公式计算：
V=Σi=1nQiΔti]]>
式中，Qi为第i时段的流量；Δti为第i时段的时长；n为水泥浆灌注时的有效时段数。水泥浆灌注的起止时段可人工通过键盘输入，也可以在输液管路13上安装介质分类传感器自动识别。
在本实施例中，液体压力传感器(8)和流量计(9)还可以设置在向钻机供液的泵机上。
第三较佳实施例的优点，是能全面地监测并输出钻孔过程中任一时刻的钻头深度、行进速度、压力、流量等主要参数，并能计算扩大头的长度和直径，有利于工程管理和质量保证。上述各实施方案中，输出单元4可以是显示器、打印机、数据卡等，还可以同时包括显示器、打印机和数据卡。
如图6A所示，其为本发明的监测钻孔工作状态的监测装置第三较佳实施例的原理结构示意图。为了实时监测扩孔压力、流量、估算扩大头的长度和直径，在监测装置第二较佳实施例的基础上，增设用于安装于动力头1的输液管路13上的液体压力传感器8，其信号传输给与其通信连接的中央处理器3；还增设安装于动力头1的输液管路13上的流量传感器9，其信号传输给与其通信连接的中央处理器3。中央处理器3根据所述压力传感器8测量数据计算扩大头长度；根据所述压力传感器8和流量传感器9的测量数据计算扩大头直径，二者的计算数据传输给所述输出单元4。在本实施例中，液体压力传感器8和流量传感器9还可以选择安装在所述动力头1后端的输液管路13、动力头1内的孔道14和钻杆12的中空孔道所形成的输液通道上的任意位置处，如动力头1和输液管13接头之间等，均可以实现与安装于输液管路13上相同的目的。该第三较佳实施例的优点，是能全面地监测并输出钻孔过程中任一时刻的钻头深度、行进速度、压力、流量等主要参数，并能计算扩大头的长度和直径，有利于工程管理和质量保证。
本发明实施例工作过程：钻机钻孔过程与上述第二实施例相同，只是增加了对钻机输液通道全过程的压力传感器8和流量传感器9的监测，并将数据传送给中央处理器3，可以计算扩大头长度和直径，见图6B。例如，如某工程普通段钻孔设计浆压为＜1MPa，扩大头段扩孔设计浆压为30MPa，钻孔总长28m，钻管内径0.12m，压力传感器8监测得到的浆压大于等于30MPa时的最大孔深和最小孔深分别为28m和25m，流量传感器9测得的流量值为60L/min，注水泥浆时长为30min，则扩大头长度计算值为LD＝|28-25|＝3m，注浆量为
V＝∑Q·Δti＝60×30＝1800L＝1.8m3
扩大头直径
D2=4×1.8-π0.122(28-3)π×3=0.8m]]>
本发明实施例监测钻孔工作状态的监测装置的各较佳实施例中，数据的计算方式可参照可监测钻孔工作状态的锚杆钻机的各较佳实施例。
综上，本发明的可监测钻孔工作状态的锚杆钻机及监测装置可以实时地自动监测钻孔工作状态，尤其是可以将钻头的深度位置和对应的有关参数如动力头行进速度、液体压力等动态地显示出来；当采用水力扩孔法施工扩大头锚杆时可以比较客观地计算扩大头长度和直径并显示出来，可以比较好地解决锚杆施工这种隐蔽性极强的地下作业施工管理和质量保证的老大难问题。
以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明后附的权利要求的保护范围。