CN109869193A - 矿用煤与瓦斯突出预警机器人及其预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种矿用煤与瓦斯突出预警机器人及其预警方法，包括履带式车架、连接在车架上方的安装板、连接于安装板顶面且可改变钻孔角度的支撑单元、设置于支撑单元顶部可沿支撑单元顶部长度方向单自由度滑动的钻孔单元、设置于钻孔单元与支撑单元顶部之间可伸缩的钻屑收集感应和瓦斯解析单元、设置于钻孔单元尾部的瓦斯涌出初速度传感器、设置于安装板顶面的瓦斯浓度传感器和设置于安装板顶面的处理单元；本发明构建煤与瓦斯突出预警结果判断模型，避免人为主观的判断对预警结果的影响，能够在远程操作下自动实现对待预警的工作面区域安全预警，实现了工作前方煤体煤与瓦斯突出危险性的实时精准预测。

Description

矿用煤与瓦斯突出预警机器人及其预警方法

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯灾害安全防护技术领域，具体涉及一种矿用煤与瓦斯突出预警机器人及其预警方法。

背景技术

近年来，我国煤矿安全事故频发，造成重大人员伤亡和巨大的经济损失，煤矿安全生产问题受到社会各界的关注。当煤矿安全事故发生后，现场环境复杂恶劣，充满未知和不确定性的因素，严重威胁搜救人员的生命安全。与其事后搜救，不如事前预警，及时做好防范措施，最大限度防范地减小事故发生。现有的煤矿井下监测设备，通常是在煤矿安全事故发生之后，在救援过程中和善后处理中对瓦斯浓度进行监测，防止二次事故。而现有的煤与瓦斯突出预警，通常也是井下工作人员根据经验粗略的人为预警，精度差，不能很好将煤与瓦斯突出事故防范于未然。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种矿用煤与瓦斯突出预警机器人及其预警方法，构建煤与瓦斯突出预警结果判断模型，避免人为主观的判断对预警结果的影响，能够在远程操作下自动实现对待预警的工作面区域安全预警，实现了工作前方煤体煤与瓦斯突出危险性的实时精准预测。

本发明提供一种矿用煤与瓦斯突出预警机器人及其预警方法，包括履带式车架、连接在车架上方的安装板、连接于安装板顶面且可改变钻孔角度的支撑单元、设置于支撑单元顶部可沿支撑单元顶部长度方向单自由度滑动的钻孔单元、设置于钻孔单元与支撑单元顶部之间可伸缩的钻屑收集感应和瓦斯解析单元、设置于钻孔单元尾部的瓦斯涌出初速度传感器、设置于安装板顶面的瓦斯浓度传感器和设置于安装板顶面的处理单元；

所述处理单元与支撑单元连接，用于调整支撑单元的角度；所述处理单元与钻孔单元连接，用于控制钻孔单元的钻孔动作；所述处理单元与瓦斯浓度传感器连接，用于接收瓦斯浓度信号；所述处理单元与钻屑收集感应和瓦斯解析单元连接，用于控制钻屑收集感应单元收集钻屑并接收钻屑量信号和钻屑瓦斯解析指标信号；所述处理单元与瓦斯涌出初速度传感器连接，用于接收瓦斯涌出初速度信号；所述处理单元根据瓦斯浓度信号、钻屑量信号、钻屑瓦斯解析指标信号和瓦斯涌出初速度信号进行预警。

进一步，所述支撑单元包括下支撑板和上支撑板；所述下支撑板通过下支撑臂连接于安装板顶面；所述下支撑臂一端铰接于安装板顶面；所述上支撑板底面与下支撑臂另一端固定连接；

所述上支撑板通过上支撑臂连接于下支撑板顶面；所述上支撑臂一端铰接于下支撑板顶面；所述上支撑臂另一端固定连接于上支撑臂底面。

所述下支撑板与安装板顶面之间设有下液压缸，所述下液压缸铰接于安装板顶面且下液压缸的液压杆铰接于下支撑板底面；

所述上支撑板底面与下支撑板顶面之间设有上液压缸，所述上液压缸铰接于下支撑板顶面且上液压缸的液压杆铰接于上支撑板的底面。

进一步，所述钻孔单元包括设置在上支撑板顶面的驱动电机、与驱动电机输出轴连接的钻杆、与钻杆头部可拆卸连接的钻头和设置于驱动电机与上支撑板之间的滑动驱动装置；所述滑动驱动装置固定设置于驱动电机一侧；所述安装板顶面设置有平行于安装板长度方向的滑槽；所述驱动电机与滑槽滑动连接，可沿滑槽单自由度滑动。

进一步，所述钻杆为中空麻花钻杆；所述钻杆外侧壁可拆卸地设置有钻孔封孔装置，用于封堵钻孔；所述瓦斯涌出初速度传感器设置于钻杆尾部，用于感应钻孔涌出的瓦斯初速度。

进一步，所述钻屑收集感应和瓦斯解析单元包括电动推杆、钻屑瓦斯解析仪、收集盒、压力传感器和角度传感器；

所述电动推杆固定设置于驱动电机底部；所述电动推杆包括伸缩杆和固定设置于驱动电机底部的驱动伸缩杆伸缩的驱动部；所述伸缩杆的一端与驱动部的动力输出端连接，所述驱动部与处理单元连接；所述伸缩杆的另一端与钻屑瓦斯解析仪固定连接；所述伸缩杆平行于钻杆；所述钻屑瓦斯仪的解析感应端与收集盒连接并延伸到收集盒内部，用于测定钻屑瓦斯解析指标，所述钻屑瓦斯仪的输出端与处理单元连接；所述收集盒顶部开口，所述压力传感器设置于收集盒的底部内壁，用于感应收集盒中收集的钻屑施加给收集盒的底部内壁的压力，所述压力传感器与处理单元连接；所述驱动部与滑槽滑动连接，可沿滑槽单自由度滑动；所述角度传感器固定设置于上支撑板顶面，与处理单元连接，用于感应采集收集盒的倾角信号，并将倾角信号发送给处理单元，处理单元根据收集盒的倾角信号和压力传感器采集的压力信号，计算钻屑量；其中，所述钻屑量信号包括倾角信号和压力传感器采集的压力信号。

进一步，所述履带式车架通过连接臂与安装板底面连接，所述连接臂一端与安装板底面固定连接，所述连接臂另一端与履带式车架铰接；所述履带式车架与安装板底面之间设置有第一液压缸，所述第一液压缸铰接于安装板底面且第一液压缸的液压杆铰接于履带式车架。

相应地，本发明还提供一种矿用煤与瓦斯突出预警方法，包括步骤：

S1：设定煤与瓦斯突出预警结果判断模型A；

S2：处理单元收到预警开始指令，驱动矿用煤与瓦斯突出预警机器人行驶到待预警工作面；

S3：判定待预警工作面区域的瓦斯浓度预警等级，具体包括：

实时监测待预警工作面区域的瓦斯浓度，将瓦斯浓度带入煤与瓦斯突出预警结果判断模型A进行比对，得到待预警工作面的瓦斯浓度预警等级，并根据待预警工作面的瓦斯浓度预警等级作出相应动作，具体如下：

若得到的瓦斯浓度预警等级为正常等级或威胁等级，则进入步骤S4；

若得到的瓦斯浓度预警等级为危险等级，则进入步骤S6；

S4：判定待预警工作面钻屑量指标预警等级和钻屑瓦斯解析指标预警等级，具体包括：

判定待预警工作面钻屑量指标预警等级：持续向待预警工作面钻孔，实时监测待预警工作面钻屑量指标，将预警工作面钻屑量指标带入煤与瓦斯突出预警结果判断模型A进行比对，得到待预警工作面的钻屑量指标预警等级，并根据待预警工作面的钻屑量指标预警等级作出相应动作，具体如下：

若得到的钻屑量指标预警等级为正常等级或威胁等级，重复上述判定待预警工作面钻屑量指标预警等级的操作，直到钻孔成孔深度达到12米，停止钻孔，然后进入步骤S5；

若得到的钻屑量指标预警等级为危险等级，停止钻孔，进入步骤S6；

其中，最后得到的钻屑量指标预警等级为最终的钻屑量指标预警等级；

判定待预警工作面钻屑瓦斯解析指标预警等级：每向待预警工作面钻孔钻进2米，钻屑瓦斯解析仪搜集煤粉颗粒得到钻屑瓦斯解析指标，将钻屑瓦斯解析指标，带入煤与瓦斯突出预警结果判断模型A进行比对，得到待预警工作面的钻屑瓦斯解析指标预警等级，并根据待预警工作面的钻屑瓦斯解析指标预警等级作出相应动作，具体如下：

若得到的钻屑瓦斯解析指标预警等级为正常等级或威胁等级，重复上述判定待预警工作面钻屑瓦斯解析指标预警等级的操作，直到钻孔成孔深度达到12米，停止钻孔，然后进入步骤S5；

若得到的钻屑瓦斯解析指标预警等级为危险等级，停止钻孔，进入步骤S6；

S5：从钻孔中取出钻孔单元，将钻孔封孔装置套设在钻杆周向外侧，再将钻杆插入钻孔，封堵钻孔；

然后实时采集待预警工作面前方煤壁瓦斯涌出初速度，将瓦斯涌出初速度，带入煤与瓦斯突出预警结果判断模型A进行比对，得到待预警工作面的瓦斯涌出初速度预警等级，进入步骤S6；

S6：判定待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级，具体如下：

若瓦斯浓度预警等级、钻屑量指标预警等级、钻屑瓦斯解析指标预警等级和瓦斯涌出初速度预警等级均为正常等级，则待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级为正常等级；

若瓦斯浓度预警等级、钻屑量指标预警等级、钻屑瓦斯解析指标预警等级和瓦斯涌出初速度预警等级至少有一个预警等级为危险等级，则待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级为危险等级；

若瓦斯浓度预警等级、钻屑量指标预警等级、钻屑瓦斯解析指标预警等级和瓦斯涌出初速度预警等级中无危险等级且至少有一个预警等级为威胁等级，则待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级为威胁等级；

S7：根据步骤S6判定的待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级做出相应的预警应对操作。

进一步，所述煤与瓦斯突出预警结果判断模型A为：

其中，W为瓦斯浓度，S为钻屑量指标，K为钻屑瓦斯解析指标，q为瓦斯涌出初速度；

(1)式表示：

W的取值范围(0,0.8)、[0.8,1)和[1,+∞)对应的瓦斯浓度预警等级分别为正常、威胁和危险；

S的取值范围(0,5)、[5,6)和[6,+∞)对应的单位进尺内钻屑量预警等级分别为正常、威胁和危险；

K的取值范围(0,0.4)、[0.4,5)和[0.5,+∞)对应的单位进尺内钻屑瓦斯解析指标预警等级分别为正常、威胁和危险；

q的取值范围(0,0.4)、[0.4,5)和[0.5,+∞)对应的瓦斯涌出初速度预警等级分别为正常、威胁和危险。

本发明的有益效果：本发明构建煤与瓦斯突出预警结果判断模型，避免人为主观的判断对预警结果的影响，能够在远程操作下自动实现对待预警的工作面区域安全预警，实现了工作前方煤体煤与瓦斯突出危险性的实时精准预测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实际使用时的示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明提供的一种矿用煤与瓦斯突出预警机器人及其预警方法，包括履带式车架1、连接在车架1上方的安装板2、连接于安装板2顶面且可改变钻孔角度的支撑单元3、设置于支撑单元3顶部可沿支撑单元3顶部长度方向单自由度滑动的钻孔单元4、设置于钻孔单元4与支撑单元3顶部之间可伸缩的钻屑收集感应和瓦斯解析单元5、设置于钻孔单元4尾部的瓦斯涌出初速度传感器6、设置于安装板2顶面的瓦斯浓度传感器7和设置于安装板2顶面的处理单元8；图2中右侧的矩形表示工作面煤体。

所述处理单元8与支撑单元3连接，用于调整支撑单元3的角度；所述处理单元8与钻孔单元4连接，用于控制钻孔单元4的钻孔动作；所述处理单元8与瓦斯浓度传感器7连接，用于接收瓦斯浓度信号；所述处理单元8与钻屑收集感应和瓦斯解析单元5连接，用于控制钻屑收集感应单元收集钻屑并接收钻屑量信号和钻屑瓦斯解析指标信号；所述处理单元8与瓦斯涌出初速度传感器6连接，用于接收瓦斯涌出初速度信号；所述处理单元8根据瓦斯浓度信号、钻屑量信号、钻屑瓦斯解析指标信号和瓦斯涌出初速度信号进行预警。

还包括固定设置在安装板2顶面的动力装置9；所述动力装置9为履带式车架1行走和转换角度提供动力，所述动力装置9为支撑单元3改变角度(为钻孔单元4改变角度)提供动力，所述动力装置9为沿支撑单元3顶部长度方向单自由度滑动提供动力，所述动力装置9为钻屑收集感应和瓦斯解析单元5的伸缩和瓦斯解析提供动力，所述动力装置9为瓦斯涌出初速度传感器6和处理单元8的工作提供动力。所述动力装置9优选具有安标和防爆检测认证的碳酸铝锂电池。

还包括固定设置在安装板2顶面的红外摄像装置10，本实施例中，所述红外摄像装置10固定设置在动力装置9上；所述红外摄像装置10与处理单元8连接用于将矿用煤与瓦斯突出预警机器人行进前方的画面传输到处理单元8，处理单元8与远程控制平台无线连接，将画面发送给远程控制平台，便于工作人员观察，以发送行进命令，操作机器人行驶到待预警工作面区域面向工作面煤体。所述处理单元8优选STM系列的单片机。

所述支撑单元3包括下支撑板31和上支撑板33；所述下支撑板31通过下支撑臂32连接于安装板2顶面；所述下支撑臂32一端铰接于安装板2顶面；所述上支撑板33底面与下支撑臂32另一端固定连接；

所述上支撑板33通过上支撑臂34连接于下支撑板31顶面；所述上支撑臂34一端铰接于下支撑板31顶面；所述上支撑臂34另一端固定连接于上支撑臂34底面。所述上支撑板33底部设置有钻杆存储槽331，可将不同尺寸的钻杆存储在存储槽331中，根据实际需要进行更换。

所述下支撑板31与安装板2顶面之间设有下液压缸35，所述下液压缸35铰接于安装板2顶面且下液压缸35的液压杆351铰接于下支撑板31底面；

所述上支撑板33底面与下支撑板31顶面之间设有上液压缸36，所述上液压缸36铰接于下支撑板31顶面且上液压缸36的液压杆361铰接于上支撑板33的底面。所述下液压缸35的液压杆351和上液压缸36的液压杆361均与处理单元8连接，处理单元8接收到远程控制平台发送的调整钻孔单元4的姿态的命令后，控制下液压缸35的液压杆351和上液压缸36的液压杆361的姿态变化(包括高度和角度)，以使位于上支撑板33的钻孔单元4的钻孔高度和钻孔角度达到合适的位置，钻头对准需钻孔位置。

所述钻孔单元4包括设置在上支撑板33顶面的驱动电机41、与驱动电机41输出轴连接的钻杆42、与钻杆42头部可拆卸地连接的钻头43和设置于驱动电机41与上支撑板33之间的滑动驱动装置；所述滑动驱动装置固定设置于驱动电机41一侧；所述安装板2顶面设置有平行于安装板2长度方向的滑槽332；所述驱动电机41与滑槽332滑动连接，可沿滑槽332单自由度滑动。所述驱动电机41与处理单元8连接，处理单元8向驱动电机41发送控制命令，控制驱动电机41带动钻杆42和钻头43动作，以进行钻孔；此外，处理单元8还与滑动驱动装置连接，控制滑动驱动装置带动驱动电机41、钻杆42和钻头43沿平行于安装板2长度方向单自由度滑动。所述滑动驱动装置采用直线电机，通过齿轮组与驱动电机41外壳连接，可带动驱动电机41做直线运动，所述滑动驱动装置与驱动电机41的连接方式和结构为现有技术，在此不赘述。通过滑动驱动装置推进钻杆42和钻头43，配合驱动电机41带动钻杆42旋转，实现向工作面煤体钻孔取样。所述动力装置9与滑动驱动装置连接，用于对滑动驱动装置提供动力。

所述钻杆42为中空麻花钻杆，其外径为42毫米，所述钻头43为匹配钻孔的外径为45毫米的合成金刚石钻头43；所述钻杆42外侧壁可拆卸地设置有钻孔封孔装置421，用于封堵钻孔，钻孔封孔装置421的外径大于钻杆42外径，可将钻孔完全封堵，以测量钻孔内的瓦斯涌出初速度；所述瓦斯涌出初速度传感器6设置于钻杆42尾部，用于感应钻孔涌出的瓦斯初速度。

所述钻屑收集感应和瓦斯解析单元5包括电动推杆、钻屑瓦斯解析仪51、收集盒52、压力传感器和角度传感器(附图中未画出)；所述角度传感器优选陀螺仪，其体积小、测量精度高、方便组装。

如图2所示，所述电动推杆固定设置于驱动电机41底部；所述电动推杆包括伸缩杆441和固定设置于驱动电机41底部的驱动伸缩杆441伸缩的驱动部442；所述伸缩杆441的一端与驱动部442的动力输出端连接，所述驱动部442与处理单元8连接，处理单元8根据钻杆42钻孔过程中裸露在煤体外侧的尺寸，向驱动部442发送控制命令，控制伸缩杆441的长度，以使收集盒52位于钻杆42下方抵靠在煤体上，保证新钻出的煤屑能够在自身重力作用下顺利被收集盒52收集。所述动力装置9与驱动电机41连接，用于为驱动电机41提供动力。

所述伸缩杆441的另一端与钻屑瓦斯解析仪51固定连接；所述伸缩杆441平行于钻杆42；所述钻屑瓦斯仪的解析感应端与收集盒52连接并延伸到收集盒52内部，用于测定钻屑瓦斯解析指标，所述钻屑瓦斯仪的输出端与处理单元8连接；所述收集盒52顶部开口，所述压力传感器设置于收集盒52的底部内壁，用于感应收集盒52中收集的钻屑施加给收集盒52的底部内壁的压力，所述压力传感器与处理单元8连接；本实施例中，所述收集盒52顶部是指收集盒52朝向钻杆42一侧，所述收集盒52底部是指收集盒52被向钻杆42一侧；由于钻杆42并不是相对地面水平的角度进行钻孔，则位于收集盒52底部压力传感器受到的钻屑施加压力并不完全是钻屑的重力，其需要根据收集盒52的倾斜角度(钻杆42的倾斜角度，也是上支撑面的倾斜角度)，故需设置角度传感器感应得到上支撑面的倾斜角度，以根据倾斜角度和压力传感器感应的压力，计算得到钻屑重量，从而得到钻屑量。根据倾斜角度计算合力的分力和计算分力的合力，是简单的数学运算，是现有技术在此不赘述。

所述驱动部442与滑槽332滑动连接，即所述驱动电机41通过驱动部442与滑槽332滑动配合连接，可沿滑槽332单自由度滑动；所述角度传感器(附图中未画出)固定设置于上支撑板33顶面，与处理单元8连接，用于感应采集收集盒52的倾角信号，并将倾角信号发送给处理单元8，处理单元8根据收集盒52的倾角信号和压力传感器采集的压力信号，计算钻屑量；其中，所述钻屑量信号包括倾角信号和压力传感器采集的压力信号。所述动力装置9与驱动部442连接，用于给驱动部442提供动力。

所述履带式车架1通过连接臂11与安装板2底面连接，所述连接臂11一端与安装板2底面固定连接，所述连接臂11另一端与履带式车架1铰接；所述履带式车架1与安装板2底面之间设置有第一液压缸111，所述第一液压缸111铰接于安装板2底面且第一液压缸111的液压杆112铰接于履带式车架1。所述第一液压缸111的驱动输入端与处理单元8连接，处理单元8在远程控制平台的控制下，向第一液压缸111发动角度变换的控制命令，以控制第一液压缸111调整行进角度到达待预警工作面区域。动力装置9与履带式车架1的动力输入端连接，用于给履带式车架1的行进提供动力。

相应地，本发明还提供一种矿用煤与瓦斯突出预警方法，包括步骤：

S1：设定煤与瓦斯突出预警结果判断模型A；

S2：处理单元8收到预警开始指令，驱动矿用煤与瓦斯突出预警机器人行驶到待预警工作面；具体地，向履带式车架1发送行进命令，遇到需要变换行进角度时，处理单元8向第一液压缸111发送调整行进角度的命令。

S3：判定待预警工作面区域的瓦斯浓度预警等级，具体包括：

瓦斯浓度传感器7实时监测待预警工作面区域的瓦斯浓度，将瓦斯浓度发送给处理单元8，带入煤与瓦斯突出预警结果判断模型A(处理单元8预置有煤与瓦斯突出预警结果判断模型A)进行比对，得到待预警工作面的瓦斯浓度预警等级，并根据待预警工作面的瓦斯浓度预警等级作出相应动作，具体如下：

若得到的瓦斯浓度预警等级为正常等级或威胁等级，则进入步骤S4；

若得到的瓦斯浓度预警等级为危险等级，则进入步骤S6；

S4：判定待预警工作面钻屑量指标预警等级和钻屑瓦斯解析指标预警等级，具体包括：

判定待预警工作面钻屑量指标预警等级：处理单元8向驱动电机41和滑动驱动装置发送命令，控制钻头43和钻杆42进行钻孔。

持续向待预警工作面钻孔，钻屑在重力作用下被收集盒52收集，实时监测待预警工作面钻屑量指标(包括压力传感器受到的压力信号和角度传感器的角度信号)，将预警工作面钻屑量指标(包括压力传感器受到的压力信号和角度传感器的角度信号)带入处理单元8后计算得到钻屑的重量，与煤与瓦斯突出预警结果判断模型A进行比对，得到待预警工作面的钻屑量指标预警等级，并根据待预警工作面的钻屑量指标预警等级作出相应动作，具体如下：

若得到的钻屑量指标预警等级为正常等级或威胁等级，重复上述判定待预警工作面钻屑量指标预警等级的操作，直到钻孔成孔深度达到12米，停止钻孔，然后进入步骤S5；

若得到的钻屑量指标预警等级为危险等级，停止钻孔，进入步骤S6；

其中，最后得到的钻屑量指标预警等级为最终的钻屑量指标预警等级；

判定待预警工作面钻屑瓦斯解析指标预警等级：每向待预警工作面钻孔钻进2米，钻屑瓦斯解析仪51搜集煤粉颗粒得到钻屑瓦斯解析指标，本实施例中，搜集1～3mm的5g煤粉颗粒即可。将钻屑瓦斯解析指标，带入煤与瓦斯突出预警结果判断模型A进行比对，得到待预警工作面的钻屑瓦斯解析指标预警等级，并根据待预警工作面的钻屑瓦斯解析指标预警等级作出相应动作，具体如下：

若得到的钻屑瓦斯解析指标预警等级为正常等级或威胁等级，重复上述判定待预警工作面钻屑瓦斯解析指标预警等级的操作，直到钻孔成孔深度达到12米，停止钻孔，然后进入步骤S5；

若得到的钻屑瓦斯解析指标预警等级为危险等级，停止钻孔，进入步骤S6；

S5：从钻孔中取出钻孔单元4，将钻孔封孔装置421套设在钻杆42周向外侧，再将钻杆42插入钻孔，封堵钻孔；

然后实时采集待预警工作面前方煤壁瓦斯涌出初速度，将瓦斯涌出初速度，(由于钻杆42为中空钻杆42，钻孔被封孔，瓦斯气体只能涌进钻杆42中间并在钻杆42尾部涌出，由设置于钻孔机构尾部的瓦斯涌出初速度传感器6感应到瓦斯涌出初速度)带入煤与瓦斯突出预警结果判断模型A进行比对，得到待预警工作面的瓦斯涌出初速度预警等级，进入步骤S6；

S6：判定待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级，具体如下：

若瓦斯浓度预警等级、钻屑量指标预警等级、钻屑瓦斯解析指标预警等级和瓦斯涌出初速度预警等级均为正常等级，则待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级为正常等级；

若瓦斯浓度预警等级、钻屑量指标预警等级、钻屑瓦斯解析指标预警等级和瓦斯涌出初速度预警等级至少有一个预警等级为危险等级，则待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级为危险等级；

若瓦斯浓度预警等级、钻屑量指标预警等级、钻屑瓦斯解析指标预警等级和瓦斯涌出初速度预警等级中无危险等级且至少有一个预警等级为威胁等级，则待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级为威胁等级；

S7：根据步骤S6判定的待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级做出相应的预警应对操作，具体包括：

当待预测工作面煤与瓦斯突出危险性预警等级为正常等级时，保持工作面正常掘进生产，转向步骤S10；

当待预测工作面煤与瓦斯突出危险性预警等级为威胁等级时，工作面停止掘进生产，转向步骤S9；

当待预测工作面煤与瓦斯突出危险性预警等级为危险等级时，工作面立即停止掘进生产，转向步骤S8。

S8：当工作面煤与瓦斯突出预警结果为危险等级预警时，处理单元8向远程控制平台发送信号，远程控制平台远程控制进行工作面机械设备断电操作指令，工作面机械设备断电停止生产，转向步骤S9。

S9：结合工作面煤与瓦斯突出预警等级，对工作面采取水力压裂、水力割缝、施工钻进瓦斯排放孔等工作面综合防突措施，待措施施工完成以后，然后再次对工作面危险性进行预警。

S10：发布工作面煤与瓦斯突出危险性预警结果。

所述煤与瓦斯突出预警结果判断模型A为：

其中，W为瓦斯浓度，S为钻屑量指标，K为钻屑瓦斯解析指标，q为瓦斯涌出初速度；其中，W单位为％，S单位为kg/m，K的单位为ml/g·min^1/2，q的单位为L/min。

(1)式表示：

W的取值范围(0,0.8)、[0.8,1)和[1,+∞)对应的瓦斯浓度预警等级分别为正常、威胁和危险；

S的取值范围(0,5)、[5,6)和[6,+∞)对应的单位进尺内钻屑量预警等级分别为正常、威胁和危险；

K的取值范围(0,0.4)、[0.4,5)和[0.5,+∞)对应的单位进尺内钻屑瓦斯解析指标预警等级分别为正常、威胁和危险；

q的取值范围(0,0.4)、[0.4,5)和[0.5,+∞)对应的瓦斯涌出初速度预警等级分别为正常、威胁和危险。所述煤与瓦斯突出预警结果判断模型A预置在处理单元8中，所述处理单元8包含有存储器，在需要调用煤与瓦斯突出预警结果判断模型A时，从存储器中调用即可。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种矿用煤与瓦斯突出预警机器人，其特征在于：包括履带式车架、连接在车架上方的安装板、连接于安装板顶面且可改变钻孔角度的支撑单元、设置于支撑单元顶部可沿支撑单元顶部长度方向单自由度滑动的钻孔单元、设置于钻孔单元与支撑单元顶部之间可伸缩的钻屑收集感应和瓦斯解析单元、设置于钻孔单元尾部的瓦斯涌出初速度传感器、设置于安装板顶面的瓦斯浓度传感器和设置于安装板顶面的处理单元；

所述处理单元与支撑单元连接，用于调整支撑单元的角度；所述处理单元与钻孔单元连接，用于控制钻孔单元的钻孔动作；所述处理单元与瓦斯浓度传感器连接，用于接收瓦斯浓度信号；所述处理单元与钻屑收集感应和瓦斯解析单元连接，用于控制钻屑收集感应单元收集钻屑并接收钻屑量信号和钻屑瓦斯解析指标信号；所述处理单元与瓦斯涌出初速度传感器连接，用于接收瓦斯涌出初速度信号；所述处理单元根据瓦斯浓度信号、钻屑量信号、钻屑瓦斯解析指标信号和瓦斯涌出初速度信号进行预警。

2.根据权利要求1所述矿用煤与瓦斯突出预警机器人，其特征在于：所述支撑单元包括下支撑板和上支撑板；所述下支撑板通过下支撑臂连接于安装板顶面；所述下支撑臂一端铰接于安装板顶面；所述上支撑板底面与下支撑臂另一端固定连接；

所述上支撑板通过上支撑臂连接于下支撑板顶面；所述上支撑臂一端铰接于下支撑板顶面；所述上支撑臂另一端固定连接于上支撑臂底面；

所述下支撑板与安装板顶面之间设有下液压缸，所述下液压缸铰接于安装板顶面且下液压缸的液压杆铰接于下支撑板底面；

所述上支撑板底面与下支撑板顶面之间设有上液压缸，所述上液压缸铰接于下支撑板顶面且上液压缸的液压杆铰接于上支撑板的底面。

3.根据权利要求2所述矿用煤与瓦斯突出预警机器人，其特征在于：所述钻孔单元包括设置在上支撑板顶面的驱动电机、与驱动电机输出轴连接的钻杆、与钻杆头部可拆卸连接的钻头和设置于驱动电机与上支撑板之间的滑动驱动装置；所述滑动驱动装置固定设置于驱动电机一侧；所述安装板顶面设置有平行于安装板长度方向的滑槽；所述驱动电机与滑槽滑动连接，可沿滑槽单自由度滑动。

4.根据权利要求3所述矿用煤与瓦斯突出预警机器人，其特征在于：所述钻杆为中空麻花钻杆；所述钻杆外侧壁可拆卸地设置有钻孔封孔装置，用于封堵钻孔；所述瓦斯涌出初速度传感器设置于钻杆尾部，用于感应钻孔涌出的瓦斯初速度。

5.根据权利要求3所述矿用煤与瓦斯突出预警机器人，其特征在于：所述钻屑收集感应和瓦斯解析单元包括电动推杆、钻屑瓦斯解析仪、收集盒、压力传感器和角度传感器；

所述电动推杆固定设置于驱动电机底部；所述电动推杆包括伸缩杆和固定设置于驱动电机底部的驱动伸缩杆伸缩的驱动部；所述伸缩杆的一端与驱动部的动力输出端连接，所述驱动部与处理单元连接；所述伸缩杆的另一端与钻屑瓦斯解析仪固定连接；所述伸缩杆平行于钻杆；所述钻屑瓦斯仪的解析感应端与收集盒连接并延伸到收集盒内部，用于测定钻屑瓦斯解析指标，所述钻屑瓦斯仪的输出端与处理单元连接；所述收集盒顶部开口，所述压力传感器设置于收集盒的底部内壁，用于感应收集盒中收集的钻屑施加给收集盒的底部内壁的压力，所述压力传感器与处理单元连接；所述驱动部与滑槽滑动连接，可沿滑槽单自由度滑动；所述角度传感器固定设置于上支撑板顶面，与处理单元连接，用于感应采集收集盒的倾角信号，并将倾角信号发送给处理单元，处理单元根据收集盒的倾角信号和压力传感器采集的压力信号，计算钻屑量；其中，所述钻屑量信号包括倾角信号和压力传感器采集的压力信号。

6.根据权利要求1所述矿用煤与瓦斯突出预警机器人，其特征在于：所述履带式车架通过连接臂与安装板底面连接，所述连接臂一端与安装板底面固定连接，所述连接臂另一端与履带式车架铰接；所述履带式车架与安装板底面之间设置有第一液压缸，所述第一液压缸铰接于安装板底面且第一液压缸的液压杆铰接于履带式车架。

7.一种矿用煤与瓦斯突出预警方法，其特征在于：包括步骤：

S1：设定煤与瓦斯突出预警结果判断模型A；

S2：处理单元收到预警开始指令，驱动矿用煤与瓦斯突出预警机器人行驶到待预警工作面；

S3：判定待预警工作面区域的瓦斯浓度预警等级，具体包括：

实时监测待预警工作面区域的瓦斯浓度，将瓦斯浓度带入煤与瓦斯突出预警结果判断模型A进行比对，得到待预警工作面的瓦斯浓度预警等级，并根据待预警工作面的瓦斯浓度预警等级作出相应动作，具体如下：

若得到的瓦斯浓度预警等级为正常等级或威胁等级，则进入步骤S4；

若得到的瓦斯浓度预警等级为危险等级，则进入步骤S6；

S4：判定待预警工作面钻屑量指标预警等级和钻屑瓦斯解析指标预警等级，具体包括：

判定待预警工作面钻屑量指标预警等级：持续向待预警工作面钻孔，实时监测待预警工作面钻屑量指标，将预警工作面钻屑量指标带入煤与瓦斯突出预警结果判断模型A进行比对，得到待预警工作面的钻屑量指标预警等级，并根据待预警工作面的钻屑量指标预警等级作出相应动作，具体如下：

若得到的钻屑量指标预警等级为正常等级或威胁等级，重复上述判定待预警工作面钻屑量指标预警等级的操作，直到钻孔成孔深度达到12米，停止钻孔，然后进入步骤S5；

若得到的钻屑量指标预警等级为危险等级，停止钻孔，进入步骤S6；

其中，最后得到的钻屑量指标预警等级为最终的钻屑量指标预警等级；

判定待预警工作面钻屑瓦斯解析指标预警等级：每向待预警工作面钻孔钻进2米，钻屑瓦斯解析仪搜集煤粉颗粒得到钻屑瓦斯解析指标，将钻屑瓦斯解析指标，带入煤与瓦斯突出预警结果判断模型A进行比对，得到待预警工作面的钻屑瓦斯解析指标预警等级，并根据待预警工作面的钻屑瓦斯解析指标预警等级作出相应动作，具体如下：

若得到的钻屑瓦斯解析指标预警等级为正常等级或威胁等级，重复上述判定待预警工作面钻屑瓦斯解析指标预警等级的操作，直到钻孔成孔深度达到12米，停止钻孔，然后进入步骤S5；

若得到的钻屑瓦斯解析指标预警等级为危险等级，停止钻孔，进入步骤S6；

S5：从钻孔中取出钻孔单元，将钻孔封孔装置套设在钻杆周向外侧，再将钻杆插入钻孔，封堵钻孔；

然后实时采集待预警工作面前方煤壁瓦斯涌出初速度，将瓦斯涌出初速度，带入煤与瓦斯突出预警结果判断模型A进行比对，得到待预警工作面的瓦斯涌出初速度预警等级，进入步骤S6；

S6：判定待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级，具体如下：

若瓦斯浓度预警等级、钻屑量指标预警等级、钻屑瓦斯解析指标预警等级和瓦斯涌出初速度预警等级均为正常等级，则待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级为正常等级；

若瓦斯浓度预警等级、钻屑量指标预警等级、钻屑瓦斯解析指标预警等级和瓦斯涌出初速度预警等级至少有一个预警等级为危险等级，则待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级为危险等级；

若瓦斯浓度预警等级、钻屑量指标预警等级、钻屑瓦斯解析指标预警等级和瓦斯涌出初速度预警等级中无危险等级且至少有一个预警等级为威胁等级，则待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级为威胁等级；

S7：根据步骤S6判定的待预警工作面煤与瓦斯突出的预警等级做出相应的预警应对操作。

8.根据权利要求7所述矿用煤与瓦斯突出预警方法，其特征在于：所述煤与瓦斯突出预警结果判断模型A为：

其中，W为瓦斯浓度，S为钻屑量指标，K为钻屑瓦斯解析指标，q为瓦斯涌出初速度；

(1)式表示：

W的取值范围(0,0.8)、[0.8,1)和[1,+∞)对应的瓦斯浓度预警等级分别为正常、威胁和危险；

S的取值范围(0,5)、[5,6)和[6,+∞)对应的单位进尺内钻屑量预警等级分别为正常、威胁和危险；

K的取值范围(0,0.4)、[0.4,5)和[0.5,+∞)对应的单位进尺内钻屑瓦斯解析指标预警等级分别为正常、威胁和危险；

q的取值范围(0,0.4)、[0.4,5)和[0.5,+∞)对应的瓦斯涌出初速度预警等级分别为正常、威胁和危险。