CN112253083A - 钻孔自动定位装置及方法 - Google Patents

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CN112253083A CN202011146234.9A CN202011146234A CN112253083A CN 112253083 A CN112253083 A CN 112253083A CN 202011146234 A CN202011146234 A CN 202011146234A CN 112253083 A CN112253083 A CN 112253083A
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Abstract

本申请提供一种钻孔自动定位装置，其包括：钻机、钻机姿态采集单元、钻杆、命令输入单元和控制单元，所述钻机姿态采集单元用于采集钻机的实时姿态信息并将所述姿态信息传输给控制单元，所述控制单元根据所述实时姿态信息和调整钻机姿态的命令实现钻孔的自动定位，所述钻杆用于与所述控制单元通信连接实现钻机机架回转中心和巷道壁之间的距离的检测。本申请提供的钻孔自动定位装置及方法能够实现钻机与巷道壁之间的距离、夹角的自动检测，并根据检测结果自动调整钻进方位角、倾角以及提升高度，实现钻孔的自动定位，为实现井下钻孔无人化前进一步，降低了员工劳动强度，孔位定位中无需角度仪器，定位精度高，劳动强度低，可实现无人化操作。

Description

钻孔自动定位装置及方法
技术领域
本发明涉及煤矿液压钻机技术领域，尤其涉及一种钻孔自动定位装置及方法。
背景技术
伴随着采煤方法与工艺的进步，高产高效矿井对地质保障程度的要求不断提高，煤矿井下坑道钻探作为保障煤矿安全高效生产的重要组成部分，在瓦斯高效抽采、顶板超前疏排水、底板隔水层注浆加固、井下隐蔽致灾地质因素探查等方面发挥了重要作用。但目前我国煤矿井下坑道钻探处于机械化向自动化转型的阶段，大多数煤矿井下钻孔定位大部分依赖人工：如由人工在巷道壁进行标识，调整好钻孔倾角后，通过不停调整方位角和高度以及钻杆推进来对正巷道壁标识，方位角利用人工观察，倾角采用角度仪器来完成。劳动强度大，高度位置不准确，方位角精度靠人工经验来判定。
因此，亟需一种降低员工劳动强度的钻孔自动定位装置及方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种钻孔自动定位装置及方法。
本申请提供一种钻孔自动定位装置，其特征在于：包括：钻机、钻机姿态采集单元、钻杆、命令输入单元和控制单元，所述钻机姿态采集单元用于采集钻机的实时姿态信息并将所述姿态信息传输给控制单元，所述控制单元用于接收所述实时姿态信息并根据所述实时姿态信息和调整钻机姿态的命令实现钻孔的自动定位，所述钻杆用于与所述控制单元通信连接实现钻机机架回转中心和巷道壁之间的距离的检测，所述命令输入单元与所述控制单元通信连接用于向控制单元输入调整钻机姿态的命令并接收所述控制单元的反馈信息；
所述钻机姿态采集单元包括用于测量钻机锚固压力的压力传感器、与压力传感器配合使用用于检测钻机底架水平度的水平仪传感器、用于测量钻机机架升降距离的长度传感器Ⅰ、用于测量钻杆推进距离的长度传感器Ⅱ、用于测量钻机机架旋转的方位角的角度传感器Ⅰ和用于测量钻机机架倾斜角度的角度传感器Ⅱ；
所述压力传感器的输出端、水平仪传感器的输出端、长度传感器Ⅰ的输出端、长度传感器Ⅱ的输出端、角度传感器Ⅰ的输出端和角度传感器Ⅱ的输出端均与所述控制单元的输入端连接。
进一步，所述命令输入单元为遥控器，所述遥控器与所述控制单元通信连接，用于向所述控制单元输入钻机姿态调整命令。
进一步，所述压力传感器的数量大于等于2，设置于钻机的下锚固上。
进一步，所述压力传感器有两个，分别是第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器和第二压力传感器设置于相邻的下锚固上。
相应地，本发明还提供一种钻孔自动定位方法，其特征在于：所述钻孔自动定位方法适用于权利要求1-4任一所述的钻孔自动定位装置，所述方法包括以下步骤：
S1：调节钻机水平位置：
S11：钻机伸缩第一压力传感器所在的下锚固油缸与巷道底板接触，采集第一压力传感器的实时压力值，判断所述实时压力值是否大于等于预设锚固压力阈值，若是，则锁紧锚固，若否，则重复步骤S11；
S12：按对角调整方式，伸缩与步骤S11中锚固油缸形成对角的另一锚固油缸，采集水平仪传感器的实时水平度，判断水平仪传感器是否达到水平，若否，则重复步骤S12，若是，则锁紧该下锚固油缸并进入下一步；
S13：钻机伸缩第二压力传感器所在的下锚固油缸与巷道底板接触，采集第二压力传感器的实时压力值，判断所述实时压力值是否大于等于预设锚固压力阈值，若是，则锁紧锚固，若否，则重复步骤S13；
S14：按对角调整方式，伸缩与步骤S13中锚固油缸形成对角的另一锚固油缸，采集水平仪传感器的实时水平度，判断水平仪传感器是否达到水平，若否，则重复步骤S14，若是，则锁紧该下锚固油缸；
S2：确定钻机与巷道壁之间的距离：
S21：机架调至水平位置，同时处于最低位置，钻杆收缩至原始机械位置，将钻机履带车转角零刻度线与底架零刻度线对齐，初始化i＝1；
S22：底架绕回转器中心任意旋转β度角度；
S23：钻杆在钻机推进油缸的作用下不断前进，直到钻杆接触巷道，长度传感器Ⅱ自动记录累计推进行程，同时控制单元计算钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和Li；
S24：i＝i+1,判断i<5,若是，则重复步骤S21-S23，若否，则进入下一步；
S25：控制单元计算获得钻机与巷道壁之间的距离L和中间角度变量α：
Figure BDA0002739821950000031
Figure BDA0002739821950000032
其中，L表示钻机与巷道壁之间的距离，ON1表示第一次旋转和第二次旋转计算获得的钻机与巷道壁之间的距离，ON2表示第三次旋转和第四次旋转计算获得钻机与巷道壁之间的距离，∠AON1表示L1与ON1的夹角，∠AON2表示L3与ON2的夹角，L1表示第一次旋转时钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和，L3表示第三次旋转时钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和；
所述ON和∠AON采用如下方法确定：
ON＝OA×SIN(∠OAB) (3)
∠AON＝90°-∠OAB (4)
其中，ON表示钻机与巷道壁之间的距离，OA表示L1，∠OAB表示L1与巷道壁的夹角，其中，L1表示第一旋转时钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和；
∠OAB采用如下方法确定：
Figure BDA0002739821950000041
其中，OB表示L2，AB表示L1和L2之间的巷道壁长度，∠OAB表示L1与巷道壁的夹角，∠AOB表示L1和L2之间的夹角度数，L1和L2分别表示底架不同旋转角对应的钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和；
所述AB采用如下方法确定：
AB2＝OA2+OB2-2×OA×OB×COS(∠AOB) (6)
其中，AB表示L1和L2之间的巷道壁长度，OA表示L1，OB表示L2，∠AOB表示L1和L2之间的夹角度数，L1和L2分别表示底架不同旋转角对应的钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和；
S3：确定钻机方位角：
钻机方位角＝β-α，其中，β表示底架绕回转器中心任意旋转角度，α表示中间角度变量，根据钻进方位结合钻机方位角调整底架，实现钻进方位角调整；
S4：调整钻杆倾角：
根据钻孔开孔高度和钻机与巷道壁之间的距离L，结合所需开孔高度以及倾角，计算出机架提升高度，钻机按h值自动提升相应高度，从而实现钻孔的自动定位：所述机架提升高度h采用如下方法确定：
h＝L*tan(θ)+H1-H (7)
其中，h表示机架提升高度，L表示钻机与巷道壁之间的距离，H1表示钻孔开孔高度，H表示机架起始高度，θ表示钻杆倾角。
本发明的有益技术效果：本申请提供的钻孔自动定位装置及方法能够实现钻机与巷道壁之间的距离、夹角的自动检测，并根据检测结果自动调整钻进方位角、倾角以及提升高度，实现钻孔的自动定位，为实现井下钻孔无人化前进一步，降低了员工劳动强度，孔位定位中无需角度仪器，定位精度高，劳动强度低，可实现无人化操作。
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为本申请的钻孔自动定位系统结构图。
图2为本申请的钻孔自动定位装置结构示意图。
图3为本申请的钻机在井下巷道内的位置图。
图4为本申请的巷道壁之间的距离测量示意图。
图5为本申请的倾角调节示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：
在图2中，下锚固1-1、操作台1-2、电机组件1-3、油箱组件1-4、履带车1-5、底架1-6、提升架1-7、夹持器1-8、机架1-9、动力头1-10、压力传感器2-1、水平仪传感器2-2、角度传感器Ⅰ2-3-1、角度传感器Ⅱ2-3-2、长度传感器Ⅰ2-4-1、长度传感器Ⅱ2-4-2、遥控器壳体4-1、遥控器控制旋钮4-2、遥控器显示屏4-3、遥控器按钮4-4。图5中，巷道-5、钻杆轴心线-6、钻机角度-7、开孔高度-8、机架起始高度-9、机架提升高度-10。
本发明提供一种钻孔自动定位装置，其特征在于：包括：如图1所示，钻机1、钻机姿态采集单元2、钻杆3、命令输入单元和控制单元，所述钻机姿态采集单元用于采集钻机的实时姿态信息并将所述姿态信息传输给控制单元，所述控制单元用于接收所述实时姿态信息并根据所述实时姿态信息和调整钻机姿态的命令实现钻孔的自动定位，所述钻杆用于与所述控制单元通信连接实现钻机机架回转中心和巷道壁之间的距离的检测，所述命令输入单元与所述控制单元通信连接用于向控制单元输入调整钻机姿态的命令并接收所述控制单元的反馈信息；在本实施例中，如图2所示，钻机可实现机架三个自由度之间转换，实现方位角、倾角以及开孔高度的调整，钻机由下锚固1-1、操作台1-2、电机组件1-3、油箱组件1-4、履带车1-5、底架1-6、提升架1-7、夹持器1-8、机架1-9、动力头1-10；
所述钻机姿态采集单元包括用于测量钻机锚固压力的压力传感器、与压力传感器配合使用用于检测钻机底架水平度的水平仪传感器、用于测量钻机机架升降距离的长度传感器Ⅰ、用于测量钻杆推进距离的长度传感器Ⅱ、用于测量钻机机架旋转的方位角的角度传感器Ⅰ和用于测量钻机机架倾斜角度的角度传感器Ⅱ；压力传感器,实现锚固压力测试,从而判定钻机与地面的承载情况,同钻机下锚固配合使用。水平仪传感器2-2,对钻机底盘的水平进行检测,同钻机下锚固配合,实现钻机底架水平度的调整,为钻孔自动定位提供基准。长度传感器2-4,包括用于测量钻机机架升降距离的长度传感器Ⅰ、用于测量钻杆推进距离的长度传感器Ⅱ机架升降传感器同倾角调整的角度传感器配合实现钻机倾角和高度的控制。钻进距离检测传感器同提升架回转角度传感器实现钻机机架回转中心与巷道壁之间的距离的检测和方位角的调整。角度传感器2-3,包括用于测量钻机机架旋转的方位角的角度传感器Ⅰ和用于测量钻机机架倾斜角度的角度传感器Ⅱ，实现方位角和倾角调整,同长度传感器配合,实现机架回转中心与巷道壁之间的距离的检测和开孔高度的调整。钻杆或测距装置3，同传感器、钻机配合，实现机架回转中心与巷道壁之间的距离的检测。遥控器4，实现钻机与控制单元的连接与控制，控制钻机各种姿态的转换。
所述压力传感器的输出端、水平仪传感器的输出端、长度传感器Ⅰ的输出端、长度传感器Ⅱ的输出端、角度传感器Ⅰ的输出端和角度传感器Ⅱ的输出端均与所述控制单元的输入端连接。所述命令输入单元为遥控器4，所述遥控器与所述控制单元通信连接，用于向所述控制单元输入钻机姿态调整命令。
通过上述技术方案可实时采集钻机的姿态信息，为后续调整钻机姿态提供基础数据。
在本实施例中，所述压力传感器的数量大于等于2，设置于钻机的下锚固上。压力传感器分别安装于钻机的4个锚固上。所述压力传感器有两个，分别是第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器和第二压力传感器设置于相邻的下锚固上。减少压力传感器的数据可有效减少成本。
相应地，本发明还提供一种钻孔自动定位方法，其特征在于：所述钻孔自动定位方法适用于权利要求1-4任一所述的钻孔自动定位装置，所述方法包括以下步骤：
S1：调节钻机水平位置：在步骤S1之前还包括：履带车自动行走到钻孔位置，或按要求同前孔移动相应距离(瓦斯抽放孔间距),其中N点为钻机最低水平位置时且钻杆巷道壁垂直交点，即机架回转中心距离巷道的距离点。
S11：钻机伸缩第一压力传感器所在的下锚固油缸与巷道底板接触，采集第一压力传感器的实时压力值，判断所述实时压力值是否大于等于预设锚固压力阈值，若是，则锁紧锚固，若否，则重复步骤S11；
S12：按对角调整方式，伸缩与步骤S11中锚固油缸形成对角的另一锚固油缸，采集水平仪传感器的实时水平度，判断水平仪传感器是否达到水平，若否，则重复步骤S12，若是，则锁紧该下锚固油缸并进入下一步；
S13：钻机伸缩第二压力传感器所在的下锚固油缸与巷道底板接触，采集第二压力传感器的实时压力值，判断所述实时压力值是否大于等于预设锚固压力阈值，若是，则锁紧锚固，若否，则重复步骤S13；
S14：按对角调整方式，伸缩与步骤S13中锚固油缸形成对角的另一锚固油缸，采集水平仪传感器的实时水平度，判断水平仪传感器是否达到水平，若否，则重复步骤S14，若是，则锁紧该下锚固油缸；
S2：确定钻机与巷道壁之间的距离：
S21：机架调至水平位置，同时处于最低位置，钻杆收缩至原始机械位置，将钻机履带车转角零刻度线与底架零刻度线对齐；
S22：底架绕回转器中心任意旋转β度角度；
S23：钻杆在钻机推进油缸的作用下不断前进，直到钻杆接触巷道，长度传感器Ⅱ自动记录累计推进行程，同时控制单元计算钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和Li；
S24：i＝1,i＝i+1,判断i<5,若是，则重复步骤S21-S23，若否，则进入下一步；
S25：控制单元计算获得钻机与巷道壁之间的距离L和中间角度变量α：
Figure BDA0002739821950000081
Figure BDA0002739821950000082
其中，L表示钻机与巷道壁之间的距离，ON1表示第一次旋转和第二次旋转计算获得的钻机与巷道壁之间的距离，ON2表示第三次旋转和第四次旋转计算获得钻机与巷道壁之间的距离，∠AON1表示L1与ON1的夹角，∠AON2表示L3与ON2的夹角，L1表示第一次旋转时钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和，L3表示第三次旋转时钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和；
所述ON和∠AON采用如下方法确定：如图4所示，
ON＝OA×SIN(∠OAB) (3)
∠AON＝90°-∠OAB (4)
其中，ON表示钻机与巷道壁之间的距离，OA表示L1，∠OAB表示L1与巷道壁的夹角，其中，L1表示第一旋转时钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和；
∠OAB采用如下方法确定：
Figure BDA0002739821950000083
其中，OB表示L2，AB表示L1和L2之间的巷道壁长度，∠OAB表示L1与巷道壁的夹角，∠AOB表示L1和L2之间的夹角度数，L1和L2分别表示底架不同旋转角对应的钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和；
所述AB采用如下方法确定：
AB2＝OA2+OB2-2×OA×OB×COS(∠AOB) (6)
其中，AB表示L1和L2之间的巷道壁长度，OA表示L1，OB表示L2，∠AOB表示L1和L2之间的夹角度数，L1和L2分别表示底架不同旋转角对应的钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和；
S3：确定钻机方位角：
钻机方位角＝β-α，其中，β表示底架绕回转器中心任意旋转角度，α表示中间角度变量，根据钻进方位结合钻机方位角调整底架，实现钻进方位角调整；
S4：调整钻杆倾角：如图5所示，
根据钻孔开孔高度和钻机与巷道壁之间的距离L，结合所需开孔高度以及倾角，计算出机架提升高度，钻机按h值自动提升相应高度，从而实现钻孔的自动定位：所述机架提升高度h采用如下方法确定：
h＝L*tan(θ)+H1-H (7)
其中，h表示机架提升高度，L表示钻机与巷道壁之间的距离，H1表示钻孔开孔高度，H表示机架起始高度，θ表示钻杆倾角。
本申请能够实现钻机与巷道壁之间的距离、夹角的自动检测，并根据检测结果自动调整钻进方位角、倾角以及提升高度，实现钻孔的自动定位，为实现井下钻孔无人化前进一步，降低了员工劳动强度，孔位定位中无需角度仪器，定位精度高，劳动强度低，可实现无人化操作。
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 (5)

1.一种钻孔自动定位装置，其特征在于：包括：钻机、钻机姿态采集单元、钻杆、命令输入单元和控制单元，所述钻机姿态采集单元用于采集钻机的实时姿态信息并将所述姿态信息传输给控制单元，所述控制单元用于接收所述实时姿态信息并根据所述实时姿态信息和调整钻机姿态的命令实现钻孔的自动定位，所述钻杆用于与所述控制单元通信连接实现钻机机架回转中心和巷道壁之间的距离的检测，所述命令输入单元与所述控制单元通信连接用于向控制单元输入调整钻机姿态的命令并接收所述控制单元的反馈信息；
所述钻机姿态采集单元包括用于测量钻机锚固压力的压力传感器、与压力传感器配合使用用于检测钻机底架水平度的水平仪传感器、用于测量钻机机架升降距离的长度传感器Ⅰ、用于测量钻杆推进距离的长度传感器Ⅱ、用于测量钻机机架旋转的方位角的角度传感器Ⅰ和用于测量钻机机架倾斜角度的角度传感器Ⅱ；
所述压力传感器的输出端、水平仪传感器的输出端、长度传感器Ⅰ的输出端、长度传感器Ⅱ的输出端、角度传感器Ⅰ的输出端和角度传感器Ⅱ的输出端均与所述控制单元的输入端连接。
2.根据权利要求1所述钻孔自动定位装置，其特征在于：所述命令输入单元为遥控器，所述遥控器与所述控制单元通信连接，用于向所述控制单元输入钻机姿态调整命令。
3.根据权利要求2所述钻孔自动定位装置，其特征在于：所述压力传感器的数量大于等于2，设置于钻机的下锚固上。
4.根据权利要求3所述钻孔自动定位装置，其特征在于：所述压力传感器有两个，分别是第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器和第二压力传感器设置于相邻的下锚固上。
5.一种钻孔自动定位方法，其特征在于：所述钻孔自动定位方法适用于权利要求1-4任一所述的钻孔自动定位装置，所述方法包括以下步骤：
S1：调节钻机水平位置：
S11：钻机伸缩第一压力传感器所在的下锚固油缸与巷道底板接触，采集第一压力传感器的实时压力值，判断所述实时压力值是否大于等于预设锚固压力阈值，若是，则锁紧锚固，若否，则重复步骤S11；
S12：按对角调整方式，伸缩与步骤S11中锚固油缸形成对角的另一锚固油缸，采集水平仪传感器的实时水平度，判断水平仪传感器是否达到水平，若否，则重复步骤S12，若是，则锁紧该下锚固油缸并进入下一步；
S13：钻机伸缩第二压力传感器所在的下锚固油缸与巷道底板接触，采集第二压力传感器的实时压力值，判断所述实时压力值是否大于等于预设锚固压力阈值，若是，则锁紧锚固，若否，则重复步骤S13；
S14：按对角调整方式，伸缩与步骤S13中锚固油缸形成对角的另一锚固油缸，采集水平仪传感器的实时水平度，判断水平仪传感器是否达到水平，若否，则重复步骤S14，若是，则锁紧该下锚固油缸；
S2：确定钻机与巷道壁之间的距离：
S21：机架调至水平位置，同时处于最低位置，钻杆收缩至原始机械位置，将钻机履带车转角零刻度线与底架零刻度线对齐；
S22：底架绕回转器中心任意旋转β度角度，初始化i＝1；
S23：钻杆在钻机推进油缸的作用下不断前进，直到钻杆接触巷道，长度传感器Ⅱ自动记录累计推进行程，同时控制单元计算钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和Li；
S24：i＝i+1,判断i<5,若是，则重复步骤S21-S23，若否，则进入下一步；
S25：控制单元计算获得钻机与巷道壁之间的距离L和中间角度变量α：
Figure FDA0002739821940000031
Figure FDA0002739821940000032
其中，L表示钻机与巷道壁之间的距离，ON1表示第一次旋转和第二次旋转计算获得的钻机与巷道壁之间的距离，ON2表示第三次旋转和第四次旋转计算获得钻机与巷道壁之间的距离，∠AON1表示L1与ON1的夹角，∠AON2表示L3与ON2的夹角，L1表示第一次旋转时钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和，L3表示第三次旋转时钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和；
所述ON和∠AON采用如下方法确定：
ON＝OA×SIN(∠OAB) (3)
∠AON＝90°-∠OAB (4)
其中，ON表示钻机与巷道壁之间的距离，OA表示L1，∠OAB表示L1与巷道壁的夹角，其中，L1表示第一旋转时钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和；
∠OAB采用如下方法确定：
Figure FDA0002739821940000033
其中，OB表示L2，AB表示L1和L2之间的巷道壁长度，∠OAB表示L1与巷道壁的夹角，∠AOB表示L1和L2之间的夹角度数，L1和L2分别表示底架不同旋转角对应的钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和；
所述AB采用如下方法确定：
AB2＝OA2+OB2-2×OA×OB×COS(∠AOB) (6)
其中，AB表示L1和L2之间的巷道壁长度，OA表示L1，OB表示L2，∠AOB表示L1和L2之间的夹角度数，L1和L2分别表示底架不同旋转角对应的钻杆行进长度与钻杆原始机械位位置长度之和；
S3：确定钻机方位角：
钻机方位角＝β-α，其中，β表示底架绕回转器中心任意旋转角度，α表示中间角度变量，根据钻进方位结合钻机方位角调整底架，实现钻进方位角调整；
S4：调整钻杆倾角：
根据钻孔开孔高度和钻机与巷道壁之间的距离L，结合所需开孔高度以及倾角，计算出机架提升高度，钻机按h值自动提升相应高度，从而实现钻孔的自动定位：所述机架提升高度h采用如下方法确定：
h＝L*tan(θ)+H1-H (7)
其中，h表示机架提升高度，L表示钻机与巷道壁之间的距离，H1表示钻孔开孔高度，H表示机架起始高度，θ表示钻杆倾角。
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