CN109083629A - 一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统及方法，该系统包括机架、钻孔装置、清洗机构、钻孔窥视机构和监控模块，所述钻孔装置包括底座、滑移组件和钻孔组件，所述清洗机构包括气枪和空气压缩机，所述钻孔窥视机构包括插入杆、摄像头和照明灯；该方法包括以下步骤：一、煤矿岩体相似材料三维模型的搭建；二、钻孔装置的安装及钻孔点的布设；三、煤矿岩体相似材料三维模型的钻进；四、钻孔的冲洗；五、裂隙带高度的确定。本发明能准确地模拟煤层回采过程中，裂缝带高度的变化及裂隙带瓦斯富集区的高度的变化，从而为煤岩层开采过程中裂缝带中瓦斯抽采和降低瓦斯浓度提供依据。
Description
技术领域
本发明属于煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测技术领域，尤其是涉及一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统及方法。
背景技术
在煤矿生产过程中，对煤层回采后煤层上方的裂隙带的发育高度进行研究，掌握裂隙带的发育高度情况，从而合理确定煤岩层开采过程中裂缝带中瓦斯抽采和降低瓦斯浓度方法，对减少突出事故及煤矿的安全生产，都具有重要的意义。
考虑到实际煤矿岩芯取样的复杂性和高成本，通常根据实际煤矿的岩体结构，结合相似准则制作一种煤岩体相似材料而搭建相似材料模型进行多数量、大尺度下的反复试验，进而近似的获得实际煤矿的岩体在不同条件下的物理特性。然而在大尺度模拟试验中裂隙带的发育主要集中在相似材料模型的内部，从外部无法进行直接观察。因此，现如今缺少一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统及方法，对相似材料模型的内部采取钻孔窥视手段进行间接观察，通过向相似材料模型的内部打钻孔并利用摄像头对煤矿岩体内部进行间接观察，根据摄像头采集到的钻孔窥视全景视频，从而判断裂隙带的发育高度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统，其设计合理且成本低，钻机装置安装位置稳定避免煤矿岩体相似材料三维模型中钻孔内的微裂缝的产生，可最大程度的减少对煤矿岩体相似材料三维模型的二次伤害，通过对钻孔窥视机构对钻孔内的裂缝进行观测，从而能准确地模拟煤层回采过程中，裂缝带高度的变化及裂隙带瓦斯富集区的高度的变化，从而为煤岩层开采过程中裂缝带中瓦斯抽采和降低瓦斯浓度提供依据。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统，其特征在于：包括机架、安装在机架上且对由煤矿岩体相似材料形成的煤矿岩体相似材料三维模型进行钻孔的钻孔装置、对所述煤矿岩体相似材料三维模型内的钻孔进行清洗的清洗机构和对所述煤矿岩体相似材料三维模型内的钻孔进行检测的钻孔窥视机构，以及对所述钻孔装置、所述清洗机构和所述钻孔窥视机构进行监控的监控模块，所述机架包括长方体架体和安装在长方体架体上的升降台板，所述钻孔装置安装在升降台板上；
所述钻孔装置包括安装在升降台板上且呈水平布设的底座、安装在底座上的滑移组件和安装在所述滑移组件上的钻孔组件，所述滑移组件包括两个沿底座长度平行方向布设的导轨、安装在轨道上的钻机固定台和布设在底座上且带动钻机固定台沿导轨移动的滑移驱动机构，所述钻孔组件包括安装在钻机固定台上的钻机和与钻机输出端传动连接的钻杆，所述滑移驱动机构包括手轮、与手轮传动连接且位于两个导轨之间的丝轴和套设在丝轴上的丝母座，所述丝母座与钻机固定台固定连接，所述清洗机构包括能伸入所述煤矿岩体相似材料三维模型内的钻孔的气枪和为气枪提供压缩气的空气压缩机，所述空气压缩机通过充气管与气枪连接，所述充气管上设置有稳压阀；
所述钻孔窥视机构包括插入杆、安装在插入杆一端头且能伸入所述煤矿岩体相似材料三维模型内的钻孔的摄像头与照明灯以及安装在插入杆另一端头的控制显示部件，所述控制显示部件包括壳体、布设在所述壳体上的显示屏和布设在所述壳体上的按键操作模块，以及布设在壳体内且与所述插入杆传动连接的电机模块，所述插入杆和所述导轨上设置有刻度；
所述监控模块包括第一控制模块、第二控制模块和计算机，所述第一控制模块包括第一控制器和与第一控制器相接的第一无线通信模块，所述第一控制器的输入端接有压力传感器，所述稳压阀由第一控制器进行控制；所述第二控制模块包括第二控制器和与第二控制器相接的第二无线通信模块，所述摄像头与第二控制器相接，所述显示屏和照明灯的输入端均与第二控制器的输出端相接，所述电机模块由第二控制器进行控制，所述计算机包括计算机以及与计算机相接的第三无线通信模块与显示器。
上述的一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统，其特征在于：所述第一控制器和第二控制器均为单片机、ARM微控制器或者DSP微控制器。
上述的一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统，其特征在于：所述底座上设置有对钻杆进行定位的第一定位块和第二定位块，所述钻杆与第二定位块平行布设，所述第一定位块沿底座长度布设，所述第二定位块沿底座宽度布设，所述钻杆的一端伸出第一定位块。
上述的一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统，其特征在于：所述电机模块包括电机驱动器和与电机驱动器输出端相接的电机，所述电机与插入杆传动连接，所述电机驱动器的输入端与第二控制器的输出端相接。
上述的一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统，其特征在于：所述钻杆为麻花螺旋钻杆。
同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且实现方便、检测准确性高、使用效果好的煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、煤矿岩体相似材料三维模型的搭建：将用于模拟实际煤岩体的相似模拟材料由下至上分层搭建，形成煤矿岩体相似材料三维模型，所述煤矿岩体相似材料三维模型为正方体；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型的边长为B；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型包括模拟煤层、位于最底部的模拟地层和位于所述模拟煤层上部的多层模拟岩层。
步骤二、钻孔装置的安装及钻孔点的布设：
步骤201、将所述煤矿岩体相似材料三维模型中四个周侧面分别记作A侧面、B侧面、C侧面和D侧面，所述A侧面和所述C侧面为一组相对的平面，所述B侧面和所述D侧面为一组相对的平面，所述A侧面上设置有A1钻孔点和A2钻孔点,所述B侧面上设置有B1钻孔点和B2钻孔点,所述C侧面上设置有C1钻孔点和C2钻孔点,所述D侧面上设置有D1钻孔点和D2钻孔点,所述A1钻孔点、所述A2钻孔点、所述B1钻孔点、所述B2钻孔点、所述C1钻孔点、所述C2钻孔点、所述D1钻孔点和所述D2钻孔点均位于所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层上方，且所述A1钻孔点、所述A2钻孔点、所述B1钻孔点、所述B2钻孔点、所述C1钻孔点、所述C2钻孔点、所述D1钻孔点和所述D2钻孔点的中心距离所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面的高度逐渐增大，所述A1钻孔的中心距离所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层的顶面的距离等于所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层的厚度，相邻两个钻孔点之间的竖直间距等于所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层的厚度的2倍，所述A1钻孔点、A2钻孔点、B1钻孔点、B2钻孔点、C1钻孔点、C2钻孔点、D1钻孔点和D2钻孔点的中心距离所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面的高度分别为Ha1、Ha2、Hb1、Hb2、Hc1、Hc2、Hd1和Hd2，且所述A1钻孔点、所述A2钻孔点、所述B1钻孔点、所述B2钻孔点、所述C1钻孔点、所述C2钻孔点、所述D1钻孔点和所述D2钻孔点的钻进深度分别为Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1、Dc2、Dd1和Dd2；
步骤202、将所述插入杆一端头的直径记作Dg；
步骤203、将长度为L且直径为D的钻杆安装在钻机上，并将钻机安装在钻机固定台上；其中，L均大于Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1、Dc2、Dd1和Dd2，且D>Dg；
步骤204、将钻孔装置安装在升降台板上；
步骤三、煤矿岩体相似材料三维模型的钻进：
步骤301、煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面的钻进：
步骤3011、移动机架至所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面，使钻杆的钻头方向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面；并操作升降台板调节钻机距离机架的底面的高度，直至钻机上钻杆的中心距离机架的底面的高度等于Ha1；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面与机架的底面相齐平；
步骤3012、摇动手轮驱动钻进底部的钻机固定台沿着导轨向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面移动，当钻杆的钻头接触所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A1钻孔点，停止摇动手轮，记录钻机固定台靠近手轮一侧在滑轨上的初始刻度并记作La1(0)；
步骤3013、控制钻机工作带动钻杆旋转，并摇动手轮驱动钻进底部的钻机固定台沿着导轨移动，使钻杆对所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A1钻孔点进行钻进，并记录钻机固定台靠近手轮一侧在滑轨上的刻度，直至钻机固定台靠近手轮一侧在滑轨上的刻度等于La1(0)+Da1，使所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A1钻孔点的钻进深度为Da1；
步骤3014、反向摇动手轮驱动钻进底部的钻机固定台沿着导轨反向移动，直至钻杆全部退出所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面的钻孔，完成所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A1钻孔点的钻进，形成A1钻孔；
步骤3015、操作升降台板调节钻机距离机架的底面的高度，直至钻机上钻杆的中心距离机架的底面的高度等于Ha2；
步骤3016、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A2钻孔点进行钻进且钻进深度为Da2，形成A2钻孔；
步骤302、煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面的钻进：
步骤3021、移动机架至所述煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面，并使钻杆的钻头方向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面；并操作升降台板调节钻机距离机架的底面的高度，直至钻机上钻杆的中心距离机架的底面的高度等于Hb1；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面与机架的底面相齐平；
步骤3020、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面上已布设的B1钻孔点进行钻进且钻进深度为Db1，形成B1钻孔；
步骤3023、操作升降台板调节钻机距离机架的底面的高度，直至钻机上钻杆的中心距离机架的底面的高度等于Hb2；
步骤3024、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面上已布设的B2钻孔点进行钻进且钻进深度为Db2，形成B2钻孔；
步骤303、煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面的钻进：
步骤3031、移动机架至所述煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面，并使钻杆的钻头方向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面；并操作升降台板调节钻机距离机架的底面的高度，直至钻机上钻杆的中心距离机架的底面的高度等于Hc1；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面与机架的底面相齐平；
步骤3032、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面上已布设的C1钻孔点进行钻进且钻进深度为Dc1，形成C1钻孔；
步骤3033、操作升降台板调节钻机距离机架的底面的高度，直至钻机上钻杆的中心距离机架的底面的高度等于Hc2；
步骤3034、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面上已布设的C2钻孔点进行钻进且钻进深度为Dc2，形成C2钻孔；
步骤304、煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面的钻进：
步骤3041、移动机架至所述煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面，并使钻杆的钻头方向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面；并操作升降台板调节钻机距离机架的底面的高度，直至钻机上钻杆的中心距离机架的底面的高度等于Hd1；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面与机架的底面相齐平；
步骤3042、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面上已布设的D1钻孔点进行钻进且钻进深度为Dd1，形成D1钻孔；
步骤3043、操作升降台板调节钻机距离机架的底面的高度，直至钻机上钻杆的中心距离机架的底面的高度等于Hd2；
步骤3044、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面上已布设的D2钻孔点进行钻进且钻进深度为Dd2，形成D2钻孔；
步骤四、钻孔的冲洗：
步骤401、打开空气压缩机，将气枪伸入所述A面钻孔，按下气枪上的启动按钮进行冲洗，并旋转气枪对所述A1钻孔冲洗5min～10min；
步骤402、按照步骤401所述的方法，分别对所述A2钻孔、所述B1钻孔、所述B2钻孔、所述C1钻孔、所述C2钻孔、所述D1钻孔和所述D2钻孔；
步骤五、裂隙带高度的确定：
步骤501、对所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层进行回采，对所述模拟煤层首次回采
步骤502、将插入杆一端头插入所述A1钻孔，操作按键操作模块中照明按键，第二控制器控制照明灯亮，同时操作按键操作模块中视频按键，第二控制器控制摄像头对所述A1钻孔内部进行拍摄，并操作插入杆沿所述A1钻孔的轴方向移动和所述A1钻孔的径向转动，得到A1钻孔窥视全景视频；
步骤503、第二控制器将得到的A1钻孔窥视全景视频通过第二无线通信模块和第三无线通信模块发送至计算机，计算机接收到A1钻孔窥视全景视频并控制显示器进行同步显示；
步骤504、人为对通过显示器同步显示的A1钻孔窥视全景视频进行视觉观察，人为找出A1钻孔窥视全景视频中存在的裂缝条，同时通过计算机对找出的裂缝条进行标记，并获取A1钻孔内部的裂缝条数La1；其中，当La1＝0表示所述A1钻孔窥视全景视频中不存在裂缝条；
步骤505、多次重复步骤502至步骤504所述的方法，依次得到A2钻孔内部的裂缝条数La2、B1钻孔内部的裂缝条数Lb1、B2钻孔内部的裂缝条数Lb2、C1钻孔内部的裂缝条数Lc1、C2钻孔内部的裂缝条数Lc2、D1钻孔内部的裂缝条数Ld1和D2钻孔内部的裂缝条数Ld2；
步骤506、计算机调取曲线绘制模块，以钻孔高度H为横坐标，钻孔内部的裂缝条数L为纵坐标，绘制钻孔高度H与钻孔内部的裂缝条数L之间的裂缝变化曲线图并控制显示器同步显示；其中，钻孔点的中心距离所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面的高度称作钻孔高度；
步骤507、计算机调取差值计算模块，对所述裂缝变化曲线图与横坐标上交点处的钻孔高度进行差值计算，得到裂缝带的高度，计算机对钻孔内部的裂缝条数进行判断并能得到裂隙带瓦斯富集区的高度；
步骤508、对模拟煤层进行下一次回采并按照步骤502至步骤507所述的方法，得到裂缝带的新高度，计算机对钻孔内部的裂缝条数进行判断并得到裂隙带瓦斯富集区新高度；
步骤509、对模拟煤层进行多次回采直至得到模拟煤层回采完毕，得到裂缝带的最终高度，计算机对钻孔内部的裂缝条数进行判断并得到裂隙带瓦斯富集区最终高度。
上述的方法，其特征在于：步骤一中煤矿岩体相似材料三维模型的体积等于待研究的实际煤岩层体积的0.01；
所述钻机的转速为500rmp～2500rmp；
步骤401中在气枪冲洗的过程中，压力传感器对充气管内的压力进行检测并将检测到的压力实际值发送至第一控制器，第一控制器将接收到的压力实际值通过第一无线通信模块和第三无线通信模块发送至计算机，计算机将接收到的压力实际值与压力设定值进行比较，当计算机将接收到的压力实际值不符合压力设定值时，计算机调取差值计算模块，得到压力实际值与压力设定值的差值并发送至第一控制器，第一控制器根据压力实际值与压力设定值的差值调节稳压阀的开度，以使压力传感器检测到的压力实际值与压力设定值的差值趋于零；其中，压力设定值的取值范围为0.1MPa～0.7MPa。
上述的方法，其特征在于：步骤507中计算机对钻孔内部的裂缝条数进行判断并得到裂隙带瓦斯富集区的高度的具体过程如下：
计算机将A1钻孔内部的裂缝条数La1、A2钻孔内部的裂缝条数La2、B1钻孔内部的裂缝条数Lb1、B2钻孔内部的裂缝条数Lb2、C1钻孔内部的裂缝条数Lc1、C2钻孔内部的裂缝条数Lc2、D1钻孔内部的裂缝条数Ld1和D2钻孔内部的裂缝条数Ld2按照从小到大的顺序进行排序，得到最大裂缝条数和次大裂缝条数，则最大裂缝条数所对应的钻孔高度与次大裂缝条数所对应的钻孔高度之差的绝对值为裂隙带瓦斯富集区的高度。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、结构简单、设计合理且安装布设简便，投入成本较低。
2、所采用的滑移驱动机构带动钻机固定台能沿导轨滑移，在钻机固定台沿导轨滑移的过程中，能推动钻杆对煤矿岩体相似材料三维模型上多个钻孔点的钻进，且能直观通过钻机固定台的滑移距离获取钻杆的钻进深度，操作便捷且直观准确。
3、所采用的钻孔装置安装在机架中的升降台板上，通过调节升降台板的高度而调节钻孔装置的高度，从而便于实现多个不同高度的钻孔点的钻进，且在钻孔装置钻进的过程中，因为钻孔装置的固定，避免保证煤矿岩体相似材料三维模型内形成钻孔时钻孔内微裂缝的产生，可最大程度的减少对煤矿岩体相似材料三维模型的二次伤害。
4、所采用的清洗机构对多个钻孔进行冲洗，避免钻孔内松软破碎对钻孔内裂缝的查看，且这样借助压缩空气产生风力排渣对煤矿岩体相似材料三维模型内的钻孔的内壁冲刷作用小，不改变煤矿岩体相似材料三维模型的结构特性，以提高下一步钻孔窥视和分析的准确性。
5、所采用的钻孔窥视机构采集钻孔窥视全景视频，并便于通过采集到的钻孔窥视全景视频查看，得到裂缝带的高度和裂隙带瓦斯富集区的高度，且每回采一段时进行窥视检测，从而获取了裂隙带的发育高度，从而能准确地模拟煤层回采过程中，裂缝带高度的变化及裂隙带瓦斯富集区的高度的变化，从而为煤岩层开采过程中裂缝带中瓦斯抽采和降低瓦斯浓度提供依据。
6、所采用的煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测方法步骤简单、实现方便且操作简便，确保裂隙带的发育高度检测的准确。
7、所采用的煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测方法操作简便且使用效果好，首先搭建煤矿岩体相似材料三维模型，其次进行钻孔装置的安装及钻孔点的布设，按照钻孔点的布设并采用钻孔装置对煤矿岩体相似材料三维模型进行钻进，形成多个待窥视的钻孔；并对钻孔内的残渣进行冲洗，且保证钻孔的内壁不破坏；最后通过摄像头对各个钻孔内部进行拍摄，获取各个钻孔窥视全景视频，人为通过对钻孔窥视全景视频的视觉观察，得到各个钻孔裂缝条数，并建立裂缝变化曲线图，从而最终获取裂缝带的高度和裂隙带瓦斯富集区的高度。
8、所采用的煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测方法中，是因为裂隙大或者裂隙条数多，裂缝内吸附的瓦斯越多，则瓦斯浓度较高，则对裂缝带中瓦斯抽采和降低瓦斯浓度的重要区域，因此，通过获取裂隙带瓦斯富集区的高度，即为重点瓦斯抽采区域，减少突出事故的发生，提高煤矿生产的安全性。
9、所采用的煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测方法能在煤层回采过程中实时检测裂隙带的发育高度，确保裂隙带的发育高度的检测满足实际煤矿回采要求，具有较强的指导依据，提高了裂隙带的发育高度获取的准确性。
综上所述，本发明设计合理且成本低，钻机装置安装位置稳定避免煤矿岩体相似材料三维模型中钻孔内的微裂缝的产生，可最大程度的减少对煤矿岩体相似材料三维模型的二次伤害，通过对钻孔窥视机构对钻孔内的裂缝进行观测，从而能准确地模拟煤层回采过程中，裂缝带高度的变化及裂隙带瓦斯富集区的高度的变化，从而为煤岩层开采过程中裂缝带中瓦斯抽采和降低瓦斯浓度提供依据。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统的结构示意图。
图2为本发明煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统钻孔装置的结构示意图。
图3为本发明煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统清洗机构的结构示意图。
图4为本发明煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统钻孔窥视机构的结构示意图。
图5为本发明煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统的电路原理框图。
图6为本发明煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测方法的流程框图。
附图标记说明:
1—机架； 1-1—长方体架体； 1-2—升降台板；
2—钻孔装置； 2-1—底座； 2-2—丝轴；
2-3—钻杆； 2-4—导轨； 2-5—钻机；
2-6—钻机固定台； 2-7—手轮； 2-8—第一定位块；
2-9—第二定位块； 3—空气压缩机； 4—充气管；
5—稳压阀； 6—气枪； 7—第二控制器；
8—第三无线通信模块； 9—显示器； 11—插入杆；
12—摄像头； 13—照明灯； 14—显示屏；
15—计算机； 16—壳体； 17—按键操作模块；
18—第一控制器； 19—第一无线通信模块；
20—第二无线通信模块； 21—压力传感器； 23—电机驱动器；
24—电机。
具体实施方式
如图1至图5所示的一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统，包括机架1、安装在机架1上且对由煤矿岩体相似材料形成的煤矿岩体相似材料三维模型进行钻孔的钻孔装置2、对所述煤矿岩体相似材料三维模型内的钻孔进行清洗的清洗机构和对所述煤矿岩体相似材料三维模型内的钻孔进行检测的钻孔窥视机构，以及对所述钻孔装置、所述清洗机构和所述钻孔窥视机构进行监控的监控模块，所述机架1包括长方体架体1-1和安装在长方体架体1-1上的升降台板1-2，所述钻孔装置2安装在升降台板1-2上；
所述钻孔装置2包括安装在升降台板1-2上且呈水平布设的底座2-1、安装在底座2-1上的滑移组件和安装在所述滑移组件上的钻孔组件，所述滑移组件包括两个沿底座2-1长度平行方向布设的导轨2-4、安装在轨道2-4上的钻机固定台2-6和布设在底座2-1上且带动钻机固定台2-6沿导轨2-4移动的滑移驱动机构，所述钻孔组件包括安装在钻机固定台2-6上的钻机2-5和与钻机2-5输出端传动连接的钻杆2-3，所述滑移驱动机构包括手轮2-7、与手轮2-7传动连接且位于两个导轨2-4之间的丝轴2-2和套设在丝轴2-2上的丝母座，所述丝母座与钻机固定台2-6固定连接，所述清洗机构包括能伸入所述煤矿岩体相似材料三维模型内的钻孔的气枪6和为气枪6提供压缩气的空气压缩机3，所述空气压缩机3通过充气管4与气枪6连接，所述充气管4上设置有稳压阀5；
所述钻孔窥视机构包括插入杆11、安装在插入杆11一端头且能伸入所述煤矿岩体相似材料三维模型内的钻孔的摄像头12与照明灯13以及安装在插入杆11另一端头的控制显示部件，所述控制显示部件包括壳体16、布设在所述壳体16上的显示屏14和布设在所述壳体16上的按键操作模块17，以及布设在壳体16内且与所述插入杆11传动连接的电机模块，所述插入杆11和所述导轨2-4上设置有刻度；
所述监控模块包括第一控制模块、第二控制模块和计算机，所述第一控制模块包括第一控制器18和与第一控制器18相接的第一无线通信模块19，所述第一控制器18的输入端接有压力传感器21，所述稳压阀5由第一控制器18进行控制；所述第二控制模块包括第二控制器7和与第二控制器7相接的第二无线通信模块20，所述摄像头12与第二控制器7相接，所述显示屏14和照明灯13的输入端均与第二控制器7的输出端相接，所述电机模块由第二控制器7进行控制，所述计算机包括计算机15以及与计算机15相接的第三无线通信模块8与显示器9。
本实施例中，所述第一控制器18和第二控制器7均为单片机、ARM微控制器或者DSP微控制器。
如图2所示，本实施例中，所述底座2-1上设置有对钻杆2-3进行定位的第一定位块2-8和第二定位块2-9，所述钻杆2-3与第二定位块2-9平行布设，所述第一定位块2-8沿底座2-1长度布设，所述第二定位块2-9沿底座2-1宽度布设，所述钻杆2-3的一端伸出第一定位块2-8。
本实施例中，第二定位块2-9的设置，是因为钻杆2-3具有一定的长度，所以钻杆2-3在钻进过程中发生一定的摇摆，这样设置的第一定位块2-8能对钻杆2-3的钻进方向进行定位，避免钻杆2-3发生偏移造成钻杆2-3的损害；另外，是为了给钻杆2-3提供一个钻机方向的基准，确保钻杆2-3与第二定位块2-9相平行，从而保证钻杆2-3的钻孔深度准确地满足试验要求；第三，是为了对钻杆2-3钻进过程中碎渣的阻挡，避免钻进过程中碎渣进入滑轨2-4影响钻进。
本实施例中，第一定位块2-8的设置，是因为钻杆2-3具有一定的长度，所以钻杆2-3在钻进过程中发生一定的摇摆，这样设置的第一定位块2-8能对钻杆2-3钻头位置进行定位，确保钻杆2-3的钻进方向固定，从而避免钻杆2-3发生偏移造成钻杆2-3的损害；另外，是为了给钻杆2-3提供一个放置的平台，确保钻杆2-3与第一定位块2-8呈十字垂直布设，从而保证钻杆2-3的钻孔垂直度满足试验要求；第三，是为了对钻杆2-3钻进过程中碎渣的阻挡，避免钻进过程中碎渣进入滑轨2-4影响钻进。
如图5所示，本实施例中，所述电机模块包括电机驱动器8和与电机驱动器8输出端相接的电机24，所述电机24与插入杆11传动连接，所述电机驱动器8的输入端与第二控制器7的输出端相接。
本实施例中，所述插入杆11和所述导轨2-4上设置有刻度，所述钻杆2-3为麻花螺旋钻杆。
本实施例中，所述电机24为57BLY-0730NBB直流电机，所述电机驱动器8为BLD-120A/BLD-300B直流电机驱动器。
本实施例中，压力传感器21为FY212压力传感器，所述压力传感器21的输出端与第一控制器18内嵌的12位A/D转换器ADC12的接口相接。
本实施例中，设置电机模块，是为了驱动插入杆11转动，从而便于插入杆11沿钻孔径向转动，从而能对钻孔内的全景进行拍摄，操作简便。
本实施例中，当需要操作插入杆11转动时，操作按键操作模块17中插入杆旋转按键，第二控制器7通过电机驱动器8控制电机24旋转，电机24旋转电动插入杆11沿钻孔径向转动。
本实施例中，设置显示屏14，是为了在拍摄钻孔内全景视频时，便于摄像头2拍摄的视频在显示屏14上查看，确保拍摄的钻孔全景视频符合后续裂缝带高度判断的需求。
本实施例中，所述第一无线通信模块19、第二无线通信模块20和第三无线通信模块8均为蓝牙通信模块或者WIFI通信模块，成本低，且安装布设方便。
本实施例中，进一步，所述第一控制器18和第二控制器7均为MSP430F149单片机，该单片机具有可靠性高、功耗低、扩展灵活、体积小、价格低和使用方便等优点，且便于无线通信模块的布设，可靠性高、维护方便及传输中的干扰较少，提高了数据传输的可靠性；且具有大量的寄存器以及片内数据存储器便于视频数据的存储。
本实施例中，稳压阀5的设置，是为了对充气管4内的压力进行调节，以满足钻孔冲洗的压力设定值要求。
如图6所示的一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测方法，包括以下步骤：
步骤一、煤矿岩体相似材料三维模型的搭建：将用于模拟实际煤岩体的相似模拟材料由下至上分层搭建，形成煤矿岩体相似材料三维模型，所述煤矿岩体相似材料三维模型为正方体；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型的边长为B；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型包括模拟煤层、位于最底部的模拟地层和位于所述模拟煤层上部的多层模拟岩层。
步骤二、钻孔装置的安装及钻孔点的布设：
步骤201、将所述煤矿岩体相似材料三维模型中四个周侧面分别记作A侧面、B侧面、C侧面和D侧面，所述A侧面和所述C侧面为一组相对的平面，所述B侧面和所述D侧面为一组相对的平面，所述A侧面上设置有A1钻孔点和A2钻孔点,所述B侧面上设置有B1钻孔点和B2钻孔点,所述C侧面上设置有C1钻孔点和C2钻孔点,所述D侧面上设置有D1钻孔点和D2钻孔点,所述A1钻孔点、所述A2钻孔点、所述B1钻孔点、所述B2钻孔点、所述C1钻孔点、所述C2钻孔点、所述D1钻孔点和所述D2钻孔点均位于所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层上方，且所述A1钻孔点、所述A2钻孔点、所述B1钻孔点、所述B2钻孔点、所述C1钻孔点、所述C2钻孔点、所述D1钻孔点和所述D2钻孔点的中心距离所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面的高度逐渐增大，所述A1钻孔的中心距离所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层的顶面的距离等于所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层的厚度，相邻两个钻孔点之间的竖直间距等于所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层的厚度的2倍，所述A1钻孔点、A2钻孔点、B1钻孔点、B2钻孔点、C1钻孔点、C2钻孔点、D1钻孔点和D2钻孔点的中心距离所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面的高度分别为Ha1、Ha2、Hb1、Hb2、Hc1、Hc2、Hd1和Hd2，且所述A1钻孔点、所述A2钻孔点、所述B1钻孔点、所述B2钻孔点、所述C1钻孔点、所述C2钻孔点、所述D1钻孔点和所述D2钻孔点的钻进深度分别为Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1、Dc2、Dd1和Dd2；
步骤202、将所述插入杆11一端头的直径记作Dg；
步骤203、将长度为L且直径为D的钻杆2-3安装在钻机2-5上，并将钻机2-5安装在钻机固定台2-6上；其中，L均大于Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1、Dc2、Dd1和Dd2，且D>Dg；
步骤204、将钻孔装置2安装在升降台板1-2上；
步骤三、煤矿岩体相似材料三维模型的钻进：
步骤301、煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面的钻进：
步骤3011、移动机架1至所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面，使钻杆2-3的钻头方向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面；并操作升降台板1-2调节钻机2-5距离机架1的底面的高度，直至钻机2-5上钻杆2-3的中心距离机架1的底面的高度等于Ha1；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面与机架1的底面相齐平；
步骤3012、摇动手轮2-7驱动钻进2-5底部的钻机固定台2-6沿着导轨2-4向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面移动，当钻杆2-3的钻头接触所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A1钻孔点，停止摇动手轮2-7，记录钻机固定台2-6靠近手轮2-7一侧在滑轨2-4上的初始刻度并记作La1(0)；
步骤3013、控制钻机2-5工作带动钻杆2-3旋转，并摇动手轮2-7驱动钻进2-5底部的钻机固定台2-6沿着导轨2-4移动，使钻杆2-3对所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A1钻孔点进行钻进，并记录钻机固定台2-6靠近手轮2-7一侧在滑轨2-4上的刻度，直至钻机固定台2-6靠近手轮2-7一侧在滑轨2-4上的刻度等于La1(0)+Da1，使所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A1钻孔点的钻进深度为Da1；
步骤3014、反向摇动手轮2-7驱动钻进2-5底部的钻机固定台2-6沿着导轨2-4反向移动，直至钻杆2-3全部退出所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面的钻孔，完成所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A1钻孔点的钻进，形成A1钻孔；
步骤3015、操作升降台板1-2调节钻机2-5距离机架1的底面的高度，直至钻机2-5上钻杆2-3的中心距离机架1的底面的高度等于Ha2；
步骤3016、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A2钻孔点进行钻进且钻进深度为Da2，形成A2钻孔；
步骤302、煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面的钻进：
步骤3021、移动机架1至所述煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面，并使钻杆2-3的钻头方向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面；并操作升降台板1-2调节钻机2-5距离机架1的底面的高度，直至钻机2-5上钻杆2-3的中心距离机架1的底面的高度等于Hb1；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面与机架1的底面相齐平；
步骤3020、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面上已布设的B1钻孔点进行钻进且钻进深度为Db1，形成B1钻孔；
步骤3023、操作升降台板1-2调节钻机2-5距离机架1的底面的高度，直至钻机2-5上钻杆2-3的中心距离机架1的底面的高度等于Hb2；
步骤3024、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面上已布设的B2钻孔点进行钻进且钻进深度为Db2，形成B2钻孔；
步骤303、煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面的钻进：
步骤3031、移动机架1至所述煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面，并使钻杆2-3的钻头方向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面；并操作升降台板1-2调节钻机2-5距离机架1的底面的高度，直至钻机2-5上钻杆2-3的中心距离机架1的底面的高度等于Hc1；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面与机架1的底面相齐平；
步骤3032、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面上已布设的C1钻孔点进行钻进且钻进深度为Dc1，形成C1钻孔；
步骤3033、操作升降台板1-2调节钻机2-5距离机架1的底面的高度，直至钻机2-5上钻杆2-3的中心距离机架1的底面的高度等于Hc2；
步骤3034、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面上已布设的C2钻孔点进行钻进且钻进深度为Dc2，形成C2钻孔；
步骤304、煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面的钻进：
步骤3041、移动机架1至所述煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面，并使钻杆2-3的钻头方向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面；并操作升降台板1-2调节钻机2-5距离机架1的底面的高度，直至钻机2-5上钻杆2-3的中心距离机架1的底面的高度等于Hd1；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面与机架1的底面相齐平；
步骤3042、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面上已布设的D1钻孔点进行钻进且钻进深度为Dd1，形成D1钻孔；
步骤3043、操作升降台板1-2调节钻机2-5距离机架1的底面的高度，直至钻机2-5上钻杆2-3的中心距离机架1的底面的高度等于Hd2；
步骤3044、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面上已布设的D2钻孔点进行钻进且钻进深度为Dd2，形成D2钻孔；
步骤四、钻孔的冲洗：
步骤401、打开空气压缩机3，将气枪6伸入所述A面钻孔，按下气枪6上的启动按钮进行冲洗，并旋转气枪6对所述A1钻孔冲洗5min～10min；
步骤402、按照步骤401所述的方法，分别对所述A2钻孔、所述B1钻孔、所述B2钻孔、所述C1钻孔、所述C2钻孔、所述D1钻孔和所述D2钻孔；
步骤五、裂隙带高度的确定：
步骤501、对所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层进行回采，对所述模拟煤层首次回采
步骤502、将插入杆11一端头插入所述A1钻孔，操作按键操作模块17中照明按键，第二控制器7控制照明灯13亮，同时操作按键操作模块17中视频按键，第二控制器7控制摄像头12对所述A1钻孔内部进行拍摄，并操作插入杆11沿所述A1钻孔的轴方向移动和所述A1钻孔的径向转动，得到A1钻孔窥视全景视频；
步骤503、第二控制器7将得到的A1钻孔窥视全景视频通过第二无线通信模块20和第三无线通信模块20发送至计算机15，计算机15接收到A1钻孔窥视全景视频并控制显示器9进行同步显示；
步骤504、人为对通过显示器9同步显示的A1钻孔窥视全景视频进行视觉观察，人为找出A1钻孔窥视全景视频中存在的裂缝条，同时通过计算机15对找出的裂缝条进行标记，并获取A1钻孔内部的裂缝条数La1；其中，当La1＝0表示所述A1钻孔窥视全景视频中不存在裂缝条；
步骤505、多次重复步骤502至步骤504所述的方法，依次得到A2钻孔内部的裂缝条数La2、B1钻孔内部的裂缝条数Lb1、B2钻孔内部的裂缝条数Lb2、C1钻孔内部的裂缝条数Lc1、C2钻孔内部的裂缝条数Lc2、D1钻孔内部的裂缝条数Ld1和D2钻孔内部的裂缝条数Ld2；
步骤506、计算机15调取曲线绘制模块，以钻孔高度H为横坐标，钻孔内部的裂缝条数L为纵坐标，绘制钻孔高度H与钻孔内部的裂缝条数L之间的裂缝变化曲线图并控制显示器9同步显示；其中，钻孔点的中心距离所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面的高度称作钻孔高度；
步骤507、计算机15调取差值计算模块，对所述裂缝变化曲线图与横坐标上交点处的钻孔高度进行差值计算，得到裂缝带的高度，计算机15对钻孔内部的裂缝条数进行判断并能得到裂隙带瓦斯富集区的高度；
步骤508、对模拟煤层进行下一次回采并按照步骤502至步骤507所述的方法，得到裂缝带的新高度，计算机15对钻孔内部的裂缝条数进行判断并得到裂隙带瓦斯富集区新高度；
步骤509、对模拟煤层进行多次回采直至得到模拟煤层回采完毕，得到裂缝带的最终高度，计算机15对钻孔内部的裂缝条数进行判断并得到裂隙带瓦斯富集区最终高度。
本实施例中，步骤一中煤矿岩体相似材料三维模型的体积等于待研究的实际煤岩层体积的0.01；
所述钻机2-5的转速为500rmp～2500rmp；
步骤401中在气枪6冲洗的过程中，压力传感器21对充气管4内的压力进行检测并将检测到的压力实际值发送至第一控制器18，第一控制器18将接收到的压力实际值通过第一无线通信模块19和第三无线通信模块8发送至计算机15，计算机15将接收到的压力实际值与压力设定值进行比较，当计算机15将接收到的压力实际值不符合压力设定值时，计算机15调取差值计算模块，得到压力实际值与压力设定值的差值并发送至第一控制器18，第一控制器18根据压力实际值与压力设定值的差值调节稳压阀5的开度，以使压力传感器21检测到的压力实际值与压力设定值的差值趋于零；其中，压力设定值的取值范围为0.1MPa～0.7MPa。
本实施例中，步骤507中计算机15对钻孔内部的裂缝条数进行判断并得到裂隙带瓦斯富集区的高度的具体过程如下：
计算机15将A1钻孔内部的裂缝条数La1、A2钻孔内部的裂缝条数La2、B1钻孔内部的裂缝条数Lb1、B2钻孔内部的裂缝条数Lb2、C1钻孔内部的裂缝条数Lc1、C2钻孔内部的裂缝条数Lc2、D1钻孔内部的裂缝条数Ld1和D2钻孔内部的裂缝条数Ld2按照从小到大的顺序进行排序，得到最大裂缝条数和次大裂缝条数，则最大裂缝条数所对应的钻孔高度与次大裂缝条数所对应的钻孔高度之差的绝对值为裂隙带瓦斯富集区的高度。
本实施例中，步骤四中采用气枪6进行冲洗，是考虑气枪6喷射的压缩空气产生风力而对钻孔内的残渣进行冲洗，这样借助风力排渣对煤矿岩体相似材料三维模型内的钻孔的内壁冲刷作用小，不改变煤矿岩体相似材料三维模型的结构特性，以提高下一步钻孔窥视和分析的准确性。
本实施例中，布设钻杆2-3为麻花螺旋钻杆，是因为麻花螺旋钻杆的钻头在不断切削钻进的过程中，钻出的碎渣一部分被挤压送出钻孔，另一部分被输送在麻花螺旋钻杆的杆叶片上，随着麻花螺旋钻杆的旋转与挤压，与麻花螺旋钻杆形成一个土柱而使钻孔内壁不坍塌，土柱排出至钻孔口时，由于离心力的作用自动从麻花螺旋钻杆上陀螺，因此自身具有一定的排查能力，利于清孔；另外，结合麻花钻钻削能将刀齿附近的煤矿岩体相似材料三维模型体打散，减少了刀齿的受力，避免钻杆2-3的憋钻或者断裂，提高了钻杆的切削能力。
本实施例中，钻机2-5的转速可调节，且钻机2-5的转速为500rmp～2500rmp，是因为煤矿岩体相似材料三维模型各层的力学参数不相同，因此需要在钻进过程中调节转速以适应煤矿岩体相似材料三维模型各层的结构；另外，钻机2-5的转速不小于5000rmp，是为了保证钻杆2-3钻进的过程中输送碎渣所需的最小转速，钻机2-5的转速不大于2500rmp，是为了减少对钻孔内相似材料层的抽真空作用，避免钻进过程中钻孔内壁失稳坍塌，有利于钻孔的护壁；再有，是为了可最大程度的减少对煤矿岩体相似材料三维模型的二次伤害，避免钻杆钻进对已经破裂的岩层造成影响。
本实施例中，布设A1钻孔点、A2钻孔点、B1钻孔点、B2钻孔点、C1钻孔点、C2钻孔点、D1钻孔点和D2钻孔点共八个钻孔点，且相邻两个钻孔点之间的距离等于所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层的厚度的2倍，是因为实际采煤过程中裂隙带的高度一般为煤层厚度的8倍～15倍，因为为了便于能准确的窥视裂缝，设置八个钻孔点，从而尽可能多地覆盖裂隙带的区域，提高裂缝带高度获取的准确性。
本实施例中，旋转气枪6对所述A1钻孔冲洗5min～10min，是因为一方面避免冲洗时间小于5min时，不能满足钻孔一定钻进深度的清洗，清洗不彻底时会早晨钻孔窥视全景视频中微小裂缝的误判；另外，冲洗时间较小，钻孔孔壁有沉渣，不便于钻孔窥视机构的插入，从而不能插入试验要求的孔深；另一方面避免冲洗时间大于10min时，造成钻孔内壁的失稳坍塌，会造成钻孔内壁不稳定区域的变形裂缝，从而给裂缝带的检测带来误扰。
本实施例中，压力设定值的取值范围为0.1MPa～0.7MPa，是因为一方面避免压力设定值小于0.1MPa时，不能满足钻孔一定钻进深度的清洗，清洗不彻底时会早晨钻孔窥视全景视频中微小裂缝的误判；另外，压力设定值较小，钻孔孔壁有沉渣，不便于钻孔窥视机构的插入，从而不能插入试验要求的孔深；另一方面避免压力设定值大于0.7MPa时，造成钻孔内壁的失稳坍塌，会造成钻孔内壁不稳定区域的变形裂缝，从而给裂缝带的检测带来误扰。
本实施例中，设计煤矿岩体相似材料三维模型的体积等于待研究的实际煤岩层体积的0.01，是因为在工程实践中，为了最大程度模拟地应力、围压等对岩体的作用，越大的体积比尺在相似模拟中越接近真实情况。但考虑到简化相似准则的计算，并尽可能还原现场的真实情况，选取实际体积与煤矿岩体相似材料三维模型的体积的整数倍比为100，在实践中的模拟效果较好。
综上所述，本发明设计合理且成本低，钻机装置安装位置稳定避免煤矿岩体相似材料三维模型中钻孔内的微裂缝的产生，可最大程度的减少对煤矿岩体相似材料三维模型的二次伤害，通过对钻孔窥视机构对钻孔内的裂缝进行观测，从而能准确地模拟煤层回采过程中，裂缝带高度的变化及裂隙带瓦斯富集区的高度的变化，从而为煤岩层开采过程中裂缝带中瓦斯抽采和降低瓦斯浓度提供依据。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统，其特征在于：包括机架(1)、安装在机架(1)上且对由煤矿岩体相似材料形成的煤矿岩体相似材料三维模型进行钻孔的钻孔装置(2)、对所述煤矿岩体相似材料三维模型内的钻孔进行清洗的清洗机构和对所述煤矿岩体相似材料三维模型内的钻孔进行检测的钻孔窥视机构，以及对所述钻孔装置、所述清洗机构和所述钻孔窥视机构进行监控的监控模块，所述机架(1)包括长方体架体(1-1)和安装在长方体架体(1-1)上的升降台板(1-2)，所述钻孔装置(2)安装在升降台板(1-2)上；
所述钻孔装置(2)包括安装在升降台板(1-2)上且呈水平布设的底座(2-1)、安装在底座(2-1)上的滑移组件和安装在所述滑移组件上的钻孔组件，所述滑移组件包括两个沿底座(2-1)长度平行方向布设的导轨(2-4)、安装在轨道(2-4)上的钻机固定台(2-6)和布设在底座(2-1)上且带动钻机固定台(2-6)沿导轨(2-4)移动的滑移驱动机构，所述钻孔组件包括安装在钻机固定台(2-6)上的钻机(2-5)和与钻机(2-5)输出端传动连接的钻杆(2-3)，所述滑移驱动机构包括手轮(2-7)、与手轮(2-7)传动连接且位于两个导轨(2-4)之间的丝轴(2-2)和套设在丝轴(2-2)上的丝母座，所述丝母座与钻机固定台(2-6)固定连接，所述清洗机构包括能伸入所述煤矿岩体相似材料三维模型内的钻孔的气枪(6)和为气枪(6)提供压缩气的空气压缩机(3)，所述空气压缩机(3)通过充气管(4)与气枪(6)连接，所述充气管(4)上设置有稳压阀(5)；
所述钻孔窥视机构包括插入杆(11)、安装在插入杆(11)一端头且能伸入所述煤矿岩体相似材料三维模型内的钻孔的摄像头(12)与照明灯(13)以及安装在插入杆(11)另一端头的控制显示部件，所述控制显示部件包括壳体(16)、布设在所述壳体(16)上的显示屏(14)和布设在所述壳体(16)上的按键操作模块(17)，以及布设在壳体(16)内且与所述插入杆(11)传动连接的电机模块，所述插入杆(11)和所述导轨(2-4)上设置有刻度；
所述监控模块包括第一控制模块、第二控制模块和计算机，所述第一控制模块包括第一控制器(18)和与第一控制器(18)相接的第一无线通信模块(19)，所述第一控制器(18)的输入端接有压力传感器(21)，所述稳压阀(5)由第一控制器(18)进行控制；所述第二控制模块包括第二控制器(7)和与第二控制器(7)相接的第二无线通信模块(20)，所述摄像头(12)与第二控制器(7)相接，所述显示屏(14)和照明灯(13)的输入端均与第二控制器(7)的输出端相接，所述电机模块由第二控制器(7)进行控制，所述计算机包括计算机(15)以及与计算机(15)相接的第三无线通信模块(8)与显示器(9)。
2.按照权利要求1所述的一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统，其特征在于：所述第一控制器(18)和第二控制器(7)均为单片机、ARM微控制器或者DSP微控制器。
3.按照权利要求1所述的一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统，其特征在于：所述底座(2-1)上设置有对钻杆(2-3)进行定位的第一定位块(2-8)和第二定位块(2-9)，所述钻杆(2-3)与第二定位块(2-9)平行布设，所述第一定位块(2-8)沿底座(2-1)长度布设，所述第二定位块(2-9)沿底座(2-1)宽度布设，所述钻杆(2-3)的一端伸出第一定位块(2-8)。
4.按照权利要求1所述的一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统，其特征在于：所述电机模块包括电机驱动器(8)和与电机驱动器(8)输出端相接的电机(24)，所述电机(24)与插入杆(11)传动连接，所述电机驱动器(8)的输入端与第二控制器(7)的输出端相接。
5.按照权利要求3所述的一种煤矿岩体相似材料钻孔窥视检测系统，其特征在于：所述钻杆(2-3)为麻花螺旋钻杆。
6.一种利用如权利要求1所述的装置对煤矿岩体相似材料进行钻孔窥视检测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、煤矿岩体相似材料三维模型的搭建：将用于模拟实际煤岩体的相似模拟材料由下至上分层搭建，形成煤矿岩体相似材料三维模型，所述煤矿岩体相似材料三维模型为正方体；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型的边长为B；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型包括模拟煤层、位于最底部的模拟地层和位于所述模拟煤层上部的多层模拟岩层。
步骤二、钻孔装置的安装及钻孔点的布设：
步骤201、将所述煤矿岩体相似材料三维模型中四个周侧面分别记作A侧面、B侧面、C侧面和D侧面，所述A侧面和所述C侧面为一组相对的平面，所述B侧面和所述D侧面为一组相对的平面，所述A侧面上设置有A1钻孔点和A2钻孔点,所述B侧面上设置有B1钻孔点和B2钻孔点,所述C侧面上设置有C1钻孔点和C2钻孔点,所述D侧面上设置有D1钻孔点和D2钻孔点,所述A1钻孔点、所述A2钻孔点、所述B1钻孔点、所述B2钻孔点、所述C1钻孔点、所述C2钻孔点、所述D1钻孔点和所述D2钻孔点均位于所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层上方，且所述A1钻孔点、所述A2钻孔点、所述B1钻孔点、所述B2钻孔点、所述C1钻孔点、所述C2钻孔点、所述D1钻孔点和所述D2钻孔点的中心距离所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面的高度逐渐增大，所述A1钻孔的中心距离所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层的顶面的距离等于所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层的厚度，相邻两个钻孔点之间的竖直间距等于所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层的厚度的2倍，所述A1钻孔点、A2钻孔点、B1钻孔点、B2钻孔点、C1钻孔点、C2钻孔点、D1钻孔点和D2钻孔点的中心距离所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面的高度分别为Ha1、Ha2、Hb1、Hb2、Hc1、Hc2、Hd1和Hd2，且所述A1钻孔点、所述A2钻孔点、所述B1钻孔点、所述B2钻孔点、所述C1钻孔点、所述C2钻孔点、所述D1钻孔点和所述D2钻孔点的钻进深度分别为Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1、Dc2、Dd1和Dd2；
步骤202、将所述插入杆(11)一端头的直径记作Dg；
步骤203、将长度为L且直径为D的钻杆(2-3)安装在钻机(2-5)上，并将钻机(2-5)安装在钻机固定台(2-6)上；其中，L均大于Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1、Dc2、Dd1和Dd2，且D>Dg；
步骤204、将钻孔装置(2)安装在升降台板(1-2)上；
步骤三、煤矿岩体相似材料三维模型的钻进：
步骤301、煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面的钻进：
步骤3011、移动机架(1)至所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面，使钻杆(2-3)的钻头方向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面；并操作升降台板(1-2)调节钻机(2-5)距离机架(1)的底面的高度，直至钻机(2-5)上钻杆(2-3)的中心距离机架(1)的底面的高度等于Ha1；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面与机架(1)的底面相齐平；
步骤3012、摇动手轮(2-7)驱动钻进(2-5)底部的钻机固定台(2-6)沿着导轨(2-4)向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面移动，当钻杆(2-3)的钻头接触所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A1钻孔点，停止摇动手轮(2-7)，记录钻机固定台(2-6)靠近手轮(2-7)一侧在滑轨(2-4)上的初始刻度并记作La1(0)；
步骤3013、控制钻机(2-5)工作带动钻杆(2-3)旋转，并摇动手轮(2-7)驱动钻进(2-5)底部的钻机固定台(2-6)沿着导轨(2-4)移动，使钻杆(2-3)对所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A1钻孔点进行钻进，并记录钻机固定台(2-6)靠近手轮(2-7)一侧在滑轨(2-4)上的刻度，直至钻机固定台(2-6)靠近手轮(2-7)一侧在滑轨(2-4)上的刻度等于La1(0)+Da1，使所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A1钻孔点的钻进深度为Da1；
步骤3014、反向摇动手轮(2-7)驱动钻进(2-5)底部的钻机固定台(2-6)沿着导轨(2-4)反向移动，直至钻杆(2-3)全部退出所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面的钻孔，完成所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A1钻孔点的钻进，形成A1钻孔；
步骤3015、操作升降台板(1-2)调节钻机(2-5)距离机架(1)的底面的高度，直至钻机(2-5)上钻杆(2-3)的中心距离机架(1)的底面的高度等于Ha2；
步骤3016、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的A侧面上已布设的A2钻孔点进行钻进且钻进深度为Da2，形成A2钻孔；
步骤302、煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面的钻进：
步骤3021、移动机架(1)至所述煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面，并使钻杆(2-3)的钻头方向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面；并操作升降台板(1-2)调节钻机(2-5)距离机架(1)的底面的高度，直至钻机(2-5)上钻杆(2-3)的中心距离机架(1)的底面的高度等于Hb1；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面与机架(1)的底面相齐平；
步骤3020、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面上已布设的B1钻孔点进行钻进且钻进深度为Db1，形成B1钻孔；
步骤3023、操作升降台板(1-2)调节钻机(2-5)距离机架(1)的底面的高度，直至钻机(2-5)上钻杆(2-3)的中心距离机架(1)的底面的高度等于Hb2；
步骤3024、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的B侧面上已布设的B2钻孔点进行钻进且钻进深度为Db2，形成B2钻孔；
步骤303、煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面的钻进：
步骤3031、移动机架(1)至所述煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面，并使钻杆(2-3)的钻头方向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面；并操作升降台板(1-2)调节钻机(2-5)距离机架(1)的底面的高度，直至钻机(2-5)上钻杆(2-3)的中心距离机架(1)的底面的高度等于Hc1；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面与机架(1)的底面相齐平；
步骤3032、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面上已布设的C1钻孔点进行钻进且钻进深度为Dc1，形成C1钻孔；
步骤3033、操作升降台板(1-2)调节钻机(2-5)距离机架(1)的底面的高度，直至钻机(2-5)上钻杆(2-3)的中心距离机架(1)的底面的高度等于Hc2；
步骤3034、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的C侧面上已布设的C2钻孔点进行钻进且钻进深度为Dc2，形成C2钻孔；
步骤304、煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面的钻进：
步骤3041、移动机架(1)至所述煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面，并使钻杆(2-3)的钻头方向靠近所述煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面；并操作升降台板(1-2)调节钻机(2-5)距离机架(1)的底面的高度，直至钻机(2-5)上钻杆(2-3)的中心距离机架(1)的底面的高度等于Hd1；其中，所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面与机架(1)的底面相齐平；
步骤3042、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面上已布设的D1钻孔点进行钻进且钻进深度为Dd1，形成D1钻孔；
步骤3043、操作升降台板(1-2)调节钻机(2-5)距离机架(1)的底面的高度，直至钻机(2-5)上钻杆(2-3)的中心距离机架(1)的底面的高度等于Hd2；
步骤3044、按照步骤3012至步骤3015所述的方法，对所述煤矿岩体相似材料三维模型的D侧面上已布设的D2钻孔点进行钻进且钻进深度为Dd2，形成D2钻孔；
步骤四、钻孔的冲洗：
步骤401、打开空气压缩机(3)，将气枪(6)伸入所述A面钻孔，按下气枪(6)上的启动按钮进行冲洗，并旋转气枪(6)对所述A1钻孔冲洗5min～10min；
步骤402、按照步骤401所述的方法，分别对所述A2钻孔、所述B1钻孔、所述B2钻孔、所述C1钻孔、所述C2钻孔、所述D1钻孔和所述D2钻孔；
步骤五、裂隙带高度的确定：
步骤501、对所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟煤层进行回采，对所述模拟煤层首次回采
步骤502、将插入杆(11)一端头插入所述A1钻孔，操作按键操作模块(17)中照明按键，第二控制器(7)控制照明灯(13)亮，同时操作按键操作模块(17)中视频按键，第二控制器(7)控制摄像头(12)对所述A1钻孔内部进行拍摄，并操作插入杆(11)沿所述A1钻孔的轴方向移动和所述A1钻孔的径向转动，得到A1钻孔窥视全景视频；
步骤503、第二控制器(7)将得到的A1钻孔窥视全景视频通过第二无线通信模块(20)和第三无线通信模块(20)发送至计算机(15)，计算机(15)接收到A1钻孔窥视全景视频并控制显示器(9)进行同步显示；
步骤504、人为对通过显示器(9)同步显示的A1钻孔窥视全景视频进行视觉观察，人为找出A1钻孔窥视全景视频中存在的裂缝条，同时通过计算机(15)对找出的裂缝条进行标记，并获取A1钻孔内部的裂缝条数La1；其中，当La1＝0表示所述A1钻孔窥视全景视频中不存在裂缝条；
步骤505、多次重复步骤502至步骤504所述的方法，依次得到A2钻孔内部的裂缝条数La2、B1钻孔内部的裂缝条数Lb1、B2钻孔内部的裂缝条数Lb2、C1钻孔内部的裂缝条数Lc1、C2钻孔内部的裂缝条数Lc2、D1钻孔内部的裂缝条数Ld1和D2钻孔内部的裂缝条数Ld2；
步骤506、计算机(15)调取曲线绘制模块，以钻孔高度H为横坐标，钻孔内部的裂缝条数L为纵坐标，绘制钻孔高度H与钻孔内部的裂缝条数L之间的裂缝变化曲线图并控制显示器(9)同步显示；其中，钻孔点的中心距离所述煤矿岩体相似材料三维模型中的模拟地层的底面的高度称作钻孔高度；
步骤507、计算机(15)调取差值计算模块，对所述裂缝变化曲线图与横坐标上交点处的钻孔高度进行差值计算，得到裂缝带的高度，计算机(15)对钻孔内部的裂缝条数进行判断并能得到裂隙带瓦斯富集区的高度；
步骤508、对模拟煤层进行下一次回采并按照步骤502至步骤507所述的方法，得到裂缝带的新高度，计算机(15)对钻孔内部的裂缝条数进行判断并得到裂隙带瓦斯富集区新高度；
步骤509、对模拟煤层进行多次回采直至得到模拟煤层回采完毕，得到裂缝带的最终高度，计算机(15)对钻孔内部的裂缝条数进行判断并得到裂隙带瓦斯富集区最终高度。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤一中煤矿岩体相似材料三维模型的体积等于待研究的实际煤岩层体积的0.01；
所述钻机(2-5)的转速为500rmp～2500rmp；
步骤401中在气枪(6)冲洗的过程中，压力传感器(21)对充气管(4)内的压力进行检测并将检测到的压力实际值发送至第一控制器(18)，第一控制器(18)将接收到的压力实际值通过第一无线通信模块(19)和第三无线通信模块(8)发送至计算机(15)，计算机(15)将接收到的压力实际值与压力设定值进行比较，当计算机(15)将接收到的压力实际值不符合压力设定值时，计算机(15)调取差值计算模块，得到压力实际值与压力设定值的差值并发送至第一控制器(18)，第一控制器(18)根据压力实际值与压力设定值的差值调节稳压阀(5)的开度，以使压力传感器(21)检测到的压力实际值与压力设定值的差值趋于零；其中，压力设定值的取值范围为0.1MPa～0.7MPa。
8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤507中计算机(15)对钻孔内部的裂缝条数进行判断并得到裂隙带瓦斯富集区的高度的具体过程如下：
计算机(15)将A1钻孔内部的裂缝条数La1、A2钻孔内部的裂缝条数La2、B1钻孔内部的裂缝条数Lb1、B2钻孔内部的裂缝条数Lb2、C1钻孔内部的裂缝条数Lc1、C2钻孔内部的裂缝条数Lc2、D1钻孔内部的裂缝条数Ld1和D2钻孔内部的裂缝条数Ld2按照从小到大的顺序进行排序，得到最大裂缝条数和次大裂缝条数，则最大裂缝条数所对应的钻孔高度与次大裂缝条数所对应的钻孔高度之差的绝对值为裂隙带瓦斯富集区的高度。
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| CN109083629B (zh) | 2024-02-13 |
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