CN112627799B - 一种用于不平整工作面的自动钻孔的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于不平整工作面的自动钻孔的施工方法，通过凿岩台车上臂架传感器探测出臂架的位置数据，并将位置数据传送到中控制系统，主控制系统对凿岩台车的钻臂传送的数据进行处理，并将经过系统算法处理结果传输至钻进系统，进而对钻进的具体参数进行调整，最终获得钻孔底部处于同一平整面上。该方法能够用于不平整工作面钻进施工，并且能够保证钻孔孔底处于同一平面，方便后续的爆破和掘进，同时该方法能够有效的避免安全问题，提高掘进效率。

Description

一种用于不平整工作面的自动钻孔的施工方法

技术领域

本发明属于全自动凿岩台车钻孔控制技术领域，特别涉及一种用于不平整工作面的自动钻孔系统和方法。

背景技术

掌子面是在隧道或矿道在挖掘的过程中不断向前推进的工作面，在隧道爆破开挖的过程中，无论是采用多臂钻车或凿岩台车，为了便于测量和控制，尤其是钻孔控制，一般要求开孔前和爆破后掌子面平整。但是该掌子面的挖掘推进过程中，往往需要爆破或者挖掘，在爆破之后经常会遇到掌子面不平整的情况，掌子面的不平整会给后续的测量，工程师对掌子面岩层结构的判断带来不少的困扰，尤其是在后续的继续对掌子面进行爆破时，需要确定爆破位点，这种不平整的掌子面会使爆破点的设置存在误差，进而影响到挖掘的安全问题。

现有技术中，为了保证掌子面平整度，在爆破过程中一般的操作是，孔深度根据孔径或抵抗线超深20～350cm,爆破后会留有较多的残孔，同样在隧洞光面爆破中,周边孔也会残留较多的残孔，为了减少残孔，工程人员会通过打导洞、减小保护层厚度等工程措施,可有效降低残孔率,但效果不是特别明显。这种爆破虽然可以提高掌子面的平整性，但是效率较低，对工程人员的经验性要求高，缺乏自动化。

现有技术，对于凿岩台车的挖掘，公开号为CN107885916A的发明专利公开了一种基于CFDH(Coordinate Fixed Denavit-Hartenberg)法的凿岩台车钻臂运动学分析方法，该方法首先确定连杆参数，包括连杆的尺寸参数有连杆长度和连杆扭角，相邻连杆的关系参数有连杆距离和关节转角；再将钻臂简化为多关节机器人的结构，通过设置钻臂各杆件坐标系，确定相邻杆件的坐标变换矩阵，进而运用CFDH法建立凿岩台车钻臂运动学方程；最后利用在MATLAB中根据建立的运动学方程绘制出凿岩台车钻臂的有效工作空间。该方法解决了钻臂研究中坐标系确定困难的问题，并且坐标系组的建立直观准确，为凿岩台车钻臂的运动学分析提供了有效的手段。该发明主要是通过机器人D-H(Denavit-Hartenberg)模型，确定钻臂的坐标系，进而坐标系组的建立更直观准确。该发明不仅提高了运动学分析的精确性和可操作性，而且节约了分析时间，为优化改进凿岩台车提供了有效的分析手段。但是对于如何凿钻出平整的掌子面，该现有技术并未给出任何的解决方案。

本发明针对于现有技术所存在的、或者未发现的技术问题，提供一种于不平整工作面的自动钻孔的施工方法，尤其是适用于一种不平整的掌子面的工作环境，在凿钻后，炮孔的底孔都处于一个平面上，在后续的爆破工作中，能够保证掌子面，进而有利于后续的测量、和爆破持续性的工作，提高工作效率。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于不平整工作面的自动钻孔的施工方法，该施工方法能够显著的提高凿岩台车施工精准度，能够适用于不平整的掌子面的操作，并且避免了掌子面爆破后因孔底位置参差不齐而使得新的掌子面不平整的问题，有效的保证了施工质量。

对于钻进过程中，发明人发现，常规的操作并未发现钻孔的底部是否在于以平面对掘进效率的影响，现有施工都是在掌子面上掘进钻孔，将爆炸物安置在钻孔中，进而对掌子面进行推进，但是这种操作存在一个显著的问题，就是爆炸物安置点的差异不同，爆破后掌子面因爆炸物爆炸威力点的差异，造成掌子面不平整。在下一次进行循环爆破时，会进一步的造成掌子面的不平整，形成一种恶性循环，这种不平的掌子面对于施工是极其不利的，容易引发安全问题，同时，在不平整的掌子面上进行下一次的钻孔时，对于钻臂的调整也是极其复杂的，效率极其低下。

发明人在实际的施工和研究过程中发现上述技术问题，并发现了掌子面上钻孔深度对掌子面的平整度的影响，而平整的掌子面对于安全施工和高效施工有着重大的生产意义。

本发明的构思在于通过凿岩台车上臂架传感器探测出臂架的位置数据，并将位置数据传送到主控系统，主控系统对凿岩台车的钻臂传送的数据进行处理，并将经过系统算法处理结果传输至钻进系统，进而对钻进的具体参数进行调整，最终获得钻孔底部处于同一平整面上。

具体的，本发明提供一种用于不平整工作面的自动钻孔的施工方法，使用凿岩台车对掌子面进行钻孔，钻孔的孔底处于同一平面。

进一步的，本发明使用自动的凿岩台车，该凿岩台车对于具体的钻孔深度可以进行计算。

更进一步的，所述的施工方法包括以下步骤：步骤1)凿岩台车上的臂架传感器获取位置数据，并将位置数据传送到主控系统；步骤2)主控系统对凿岩台车的钻臂传送的数据进行处理，并将经过系统算法处理结果传输至钻进系统；步骤3)钻进系统进行具体钻进操作，保证钻孔的孔底处于同一平面。

更进一步的，步骤1)前还包括以凿岩台车臂架的关节中心建立凿岩台车车体坐标系{C}。

车体坐标系的建立有利于主控系统判断凿岩台车的具体位置，便于主控系统分析臂架传感器反馈的位置数据，能够进准的对钻孔点进行定位，以及对钻孔深度进行计算。

具体的，步骤1)中的臂架传感器是实时监控钻杆末端的坐标，并将坐标数据反馈到主控系统。

更进一步的，步骤1)之前需要确定基坐标系；

所述的基坐标系为台车坐标系的旋转矩阵转变为与掌子面坐标系同方向，该基坐标系用来确定钻杆末端位置的坐标和掌子面上需要钻孔的孔坐标；

具体的，凿岩台车上还具有双轴倾角仪，所述的双轴倾角仪能够检测到前后滚动角θ1和左右滚动角θ2；

凿岩台车还能获取台车相对于大地坐标系的水平旋转角度θ3；

具体的，通过在车身安装两个棱镜A和B，在安装后需测量棱镜AB的车体坐标从而得出AB线段与车体坐标系的水平夹角θ3_a，车辆定位时用全站仪获取棱镜AB的大地坐标从而得出AB线段与大地坐标系的水平夹角θ3_b，已知两点连线的线段在两个不同坐标系下的水平夹角可计算出两个坐标系的水平夹角θ3＝θ3_b-θ3_b；

通过双轴倾角仪和全站仪棱镜定位的方式可以得出凿岩台车坐标系{C}与大地坐标系{G}的相对关系。

更进一步的，可以将凿岩台车坐标系{C}与大地坐标系{G}进行转化的旋转矩阵。

即{G}＝{C}*T_θ2*T_θ1*T_θ3；

更进一步的，通过隧道设计图纸的平曲线参数和竖曲线参数，可以得出隧道在当前里程的水平方向切线斜率转化为角度β1和垂直方向坡度β2，从而得出掌子面坐标系{D}和大地坐标系{G}转化的旋转矩阵。

即{G}＝{D}*T_β1*T_β2；

本发明利用凿岩台车坐标系{C}与大地坐标系{G}之间的转化关系，以及掌子面坐标系{D}和大地坐标系{G}之间的转化关系，来确定凿岩台车坐标系{C}与掌子面坐标系{D}的转化关系，进一步的，为凿岩台车的钻孔提供数据支撑，为后续的钻进系统参数进行校正，保证钻孔的孔底处于同一平面。

通过上述的计算，可以确定凿岩台车坐标系与掌子面坐标系的转化关系如下：

即{C}*T_θ2*T_θ1*T_θ3＝{D}*T_β1*T_β2；

该转化关系即为主控系统中的基坐标系，基坐标系为台车坐标系的旋转矩阵转变为与掌子面坐标系同方向，该基坐标系用来确定钻杆末端位置的坐标和掌子面上需要钻孔的孔坐标，确定基坐标系能够为钻进系统的钻进参数计算提供基础支持。

更进一步的，本发明提供的一种用于不平整工作面的自动钻孔的施工方法，步骤1)中需要确定一个虚拟掌子面，所述虚拟掌子面是为一平整的平面，所述的臂架传感器将该虚拟掌子面的坐标参数输送到主控系统。

更进一步的，所述虚拟掌子面垂直于隧道轴线。

具体的，步骤2)主控系统对凿岩台车的钻臂传送的数据进行处理，并将经过系统算法处理结果传输至钻进系统；包括了将虚拟掌子面的坐标、钻孔深度、钻杆末端与预设掌子面坐标进行计算，并将实际钻孔参数传送的钻进系统。

进一步的，步骤3)钻进系统获取步骤2)主控系统反馈的实际钻进参数，进行具体钻进操作，保证钻孔的孔底处于同一平面。

更进一步的，所述的一种用于不平整工作面的自动钻孔的施工方法的工作模式为手动模式和/或自动模式，所述的手动模式为操作员需要将钻臂移动至虚拟掌子面上，所述臂架传感器将虚拟掌子面的坐标传送到主控系统；所述的自动模式是预设方式将钻臂移动至虚拟掌子面上，所述臂架传感器将虚拟掌子面的坐标传送到主控系统。

更具体的，当工作模式为手动模式时，具体的操作如下：

确定虚拟掌子面，虚拟掌子面与掌子面靠近；

具体的，操作员将钻臂移动至掌子面上任一位置，钻臂所在的点垂直于隧道轴线的面作为本次钻孔拟定的虚拟掌子面。获取此时钻臂末端的坐标，记作X、Y、Z，并将该坐标反馈到主控系统，生成所有目标孔的车体坐标。

在开始钻孔之前，操作员需要预先设定钻进的目标钻进深度L。在手动模式下，主控系统会反馈钻孔时的角度、坐标，具体的为钻杆的左右倾斜角度θ1`和上下倾斜角度β1`，与此时钻杆末端与掌子面接触点的坐标记作X_末、Y_末、Z_末。

此时钻杆需要钻进的深度

L_钻＝(L-(Y-Y_末))/(cos(θ1`)*cos(β1`))；

操作员按照主控系统反馈的参数将钻臂位置和角度调整完成，系统将手动模式下计算的钻进深度L_钻传送至钻进系统，由流量计实时监测当前钻进深度，当钻进深度达到上式计算的L_钻时，结束当前钻孔，最后得到的钻孔的孔底处于同一平面。

更具体的，当工作模式为自动模式时，具体的操作如下：

主控系统获取钻孔的如空点坐标和孔底坐标；记作X_1入、Y_1入、Z_1入，X_1底、Y_1底、Z_1底；

通过预设的钻入点坐标和预设的钻孔孔底坐标，计算钻杆角度与上述坐标系的关系；

钻杆的左右倾斜角度θ2`和上下倾斜角度β2`，上述角度与坐标的关系如下：

θ2`＝arctan((X_1底-X_1入)/(Y_1底-Y_1入))；

β2`＝arctan((Z_1底-Z_1入)/((X_1底-X_1入)²+(Y_1底-Y_1入)²)^(1/2))；

进一步的，当台车钻臂自动对准目标孔位姿后，将推进梁伸移动至掌子面上，此时钻臂末端位置为实际入孔点，获取此时钻臂末端坐标值记作X₂、Y₂、Z₂。

设置预设的钻孔深度为L，钻臂实际钻进的深度如下：

L_钻＝(L-(Y₂-Y_末))/(cos(θ₂`)*cos(β<sub>2</sub>`))；

系统将自动模式下计算的钻进深度L_钻传送至钻进系统，由流量计实时监测当前钻进深度，当钻进深度达到上式计算的L_钻时，结束当前钻孔，最后得到的钻孔的孔底处于同一平面。

本发明所采用的技术方案是：在开始作业前先在掌子面上寻找一个相对平均的点作为一个虚拟掌子面，操作手需要将凿岩台车的一个钻臂移动至这个点上，在主系统中完成定位。主系统会以当前点所在的面定为虚拟掌子面。通过全自动凿岩台车所检测到的实际入孔点坐标与此时钻杆相对虚拟掌子面的夹角计算实际的钻孔深度。该方法能够用于不平整工作面钻进施工，并且能够保证钻孔孔底处于同一平面，方便后续的爆破和掘进，同时该方法能够有效的避免安全问题，提高掘进效率。

附图说明

图1本发明的钻孔的施工方法构思流程图；

图2本发明的钻孔的施工方法操作流程图；

图3本发明的钻孔的施工示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1所示，一种用于不平整工作面的自动钻孔的施工方法，施工方法包括以下步骤：

步骤1)凿岩台车上的臂架传感器获取位置数据，并将位置数据传送到主控系统；步骤2)主控系统对凿岩台车的钻臂传送的数据进行处理，并将经过系统算法处理结果传输至钻进系统；步骤3)钻进系统进行具体钻进操作，保证钻孔的孔底处于同一平面。

步骤1)前还包括以凿岩台车臂架的关节中心建立凿岩台车车体坐标系{C}。

步骤1)中的臂架传感器是实时监控钻杆末端的坐标，并将坐标数据反馈到主控系统。

步骤1)之前需要确定基坐标系；

凿岩台车上具有双轴倾角仪，双轴倾角仪能够检测到前后滚动角θ1和左右滚动角θ2，通过双轴倾角仪可以得出凿岩台车坐标系{C}与大地坐标系{G}的相对关系。

凿岩台车还能获取台车相对于大地坐标系的水平旋转角度θ3；

具体的，通过在车身安装两个棱镜A和B，在安装后需测量棱镜AB的车体坐标从而得出AB线段与车体坐标系的水平夹角θ3_a，车辆定位时用全站仪获取棱镜AB的大地坐标从而得出AB线段与大地坐标系的水平夹角θ3_b，已知两点连线的线段在两个不同坐标系下的水平夹角可计算出两个坐标系的水平夹角θ3＝θ3_b-θ3_b；

通过双轴倾角仪和全站仪棱镜定位的方式可以得出凿岩台车坐标系{C}与大地坐标系{G}的相对关系。

更进一步的，可以将凿岩台车坐标系{C}与大地坐标系{G}进行转化的旋转矩阵。

即{G}＝{C}*T_θ2*T_θ1*T_θ3；

通过隧道设计图纸的平曲线参数和竖曲线参数，可以得出隧道在当前里程的水平方向切线斜率转化为角度β1和垂直方向坡度β2，从而得出掌子面坐标系{D}和大地坐标系{G}转化的旋转矩阵。

即{G}＝{D}*T_β1*T_β2；

通过上述的计算，可以确定凿岩台车坐标系与掌子面坐标系的转化关系如下：

{C}*T_θ2*T_θ1*T_θ3＝{D}*T_β1*T_β2，即基坐标系。

在步骤1)前中需要确定一个虚拟掌子面，所述虚拟掌子面垂直于隧道轴线。

步骤2)主控系统对凿岩台车的钻臂传送的数据进行处理，并将经过系统算法处理结果传输至钻进系统；包括了将虚拟掌子面的坐标、钻孔深度、钻杆末端与预设掌子面坐标进行计算，并将实际钻孔参数传送的钻进系统。

步骤3)钻进系统获取步骤2)主控系统反馈的实际钻进参数，进行具体钻进操作，保证钻孔的孔底处于同一平面；

如图2-3所示，一种用于不平整工作面的自动钻孔的施工方法的工作模式为手动模式和/或自动模式。

其中，手动模式为操作员需要将钻臂移动至虚拟掌子面上，所述臂架传感器将虚拟掌子面的坐标传送到主控系统；

其中，自动模式是预设方式将钻臂移动至虚拟掌子面上，所述臂架传感器将虚拟掌子面的坐标传送到主控系统。

当工作模式为手动模式时，具体的操作如下：

确定虚拟掌子面，虚拟掌子面与掌子面靠近；

具体的，操作员将钻臂移动至掌子面上任一位置，钻臂所在的点垂直于隧道轴线的面作为本次钻孔拟定的虚拟掌子面。获取此时钻臂末端的坐标，记作X、Y、Z，并将该坐标反馈到主控系统，生成所有目标孔的车体坐标。

在开始钻孔之前，操作员需要预先设定钻进的目标钻进深度L。在手动模式下，主控系统会反馈钻孔时的角度、坐标，具体的为钻杆的左右倾斜角度θ1`和上下倾斜角度β1`，与此时钻杆末端与掌子面接触点的坐标记作X_末、Y_末、Z_末。

此时钻杆需要钻进的深度

L_钻＝(L-(Y-Y_末))/(cos(θ1`)*cos(β1`))；

操作员按照主控系统反馈的参数将钻臂位置和角度调整完成，系统将手动模式下计算的钻进深度L_钻传送至钻进系统，由流量计实时监测当前钻进深度，当钻进深度达到上式计算的L_钻时，结束当前钻孔，最后得到的钻孔的孔底处于同一平面。

当工作模式为自动模式时，具体的操作如下：

主控系统获取钻孔的如空点坐标和孔底坐标；记作X_1入、Y_1入、Z_1入，X_1底、Y_1底、Z_1底；

通过预设的钻入点坐标和预设的钻孔孔底坐标，计算钻杆角度与上述坐标系的关系；

钻杆的左右倾斜角度θ2`和上下倾斜角度β2`，上述角度与坐标的关系如下：

θ2`＝arctan((X_1底-X_1入)/(Y_1底-Y_1入))；

β2`＝arctan((Z_1底-Z_1入)/((X_1底-X_1入)²+(Y_1底-Y_1入)²)^(1/2))；

进一步的，当台车钻臂自动对准目标孔位姿后，将推进梁伸移动至掌子面上，此时钻臂末端位置为实际入孔点，获取此时钻臂末端坐标值记作X₂、Y₂、Z₂。

设置预设的钻孔深度为L，钻臂实际钻进的深度如下：

L_钻＝(L-(Y₂-Y_末))/(cos(θ₂`)*cos(β<sub>2</sub>`))；

系统将自动模式下计算的钻进深度L_钻传送至钻进系统，由流量计实时监测当前钻进深度，当钻进深度达到上式计算的L_钻时，结束当前钻孔，最后得到的钻孔的孔底处于同一平面。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种用于不平整工作面的自动钻孔的施工方法，其特征在于，使用凿岩台车对掌子面进行钻孔，钻孔的孔底处于同一平面；

所述的施工方法包括以下步骤：

步骤1)凿岩台车上的臂架传感器获取位置数据，并将位置数据传送到主控系统；步骤2)主控系统对凿岩台车的钻臂传送的数据进行处理，并将经过系统算法处理结果传输至钻进系统；

步骤3)钻进系统进行具体钻进操作，保证钻孔的孔底处于同一平面；

步骤1)前还包括以凿岩台车臂架的关节中心建立凿岩台车坐标系{C}；步骤1)中的臂架传感器是实时监控钻杆末端的坐标，坐标数据反馈到主控系统；

主控系统内有基坐标系，所述基坐标系为凿岩台车坐标系的旋转矩阵转变为与掌子面坐标系同方向，该基坐标系用来确定钻杆末端位置的坐标和掌子面上需要钻孔的孔坐标；

所述基坐标系的获得方法如下：凿岩台车上双轴倾角仪能够检测到前后滚动角θ1和左右滚动角θ2，凿岩台车还能获取台车相对于大地坐标系的水平旋转角度θ3，大地坐标系为{G}，凿岩台车坐标系{C}与大地坐标系{G}进行转化的旋转矩阵为{G}＝{C}*T_θ2*T_θ1*T_θ3；

通过隧道设计图纸的平曲线参数和竖曲线参数，得出隧道在当前里程的水平方向切线斜率转化为角度β1和隧道在当前里程的垂直方向坡度β2，掌子面坐标系为{D}，掌子面坐标系{D}和大地坐标系{G}转化的旋转矩阵为{G}＝{D}*T_β1*T_β2；凿岩台车坐标系与掌子面坐标系的转化关系如下为{C}*T_θ2*T_θ1*T_θ3＝{D}*T_β1*T_β2；该转化关系即为主控系统中的基坐标系；

工作模式为手动模式时，具体的操作如下：

确定虚拟掌子面，操作员将钻臂移动至掌子面上任一位置，钻臂所在的点垂直于隧道轴线的面作为本次钻孔拟定的虚拟掌子面；获取此时钻臂末端的坐标，记作X、Y、Z，并将该坐标反馈到主控系统，生成所有目标孔的车体坐标；

在开始钻孔之前，操作员需要预先设定钻进的目标钻进深度L；在手动模式下，主控系统会反馈钻孔时的角度、坐标，具体的为钻杆的左右倾斜角度θ1`和上下倾斜角度β1`，与此时钻杆末端与掌子面接触点的坐标记作X_末、Y_末、Z_末；

此时钻杆需要钻进的深度

L_钻＝(L-(Y-Y_末))/(cos(θ1`)*cos(β1`))；

操作员按照主控系统反馈的参数将钻臂位置和角度调整完成，系统将手动模式下计算的钻进深度L_钻传送至钻进系统，由流量计实时监测当前钻进深度，当钻进深度达到上式计算的L_钻时，结束当前钻孔，最后得到的钻孔的孔底处于同一平面。

2.如权利要求1所述的一种用于不平整工作面的自动钻孔的施工方法，

其特征在于，工作模式为自动模式时，具体的操作如下：

主控系统获取钻孔的入孔点坐标和孔底坐标；记作X_1入、Y_1入、Z_1入，X_1底、Y_1底、Z_1底；

通过预设的钻入点坐标和预设的钻孔孔底坐标，计算钻杆角度与上述坐标的关系；

钻杆的左右倾斜角度θ2`和上下倾斜角度β2`，上述角度与坐标的关系如下：

θ2`＝arctan((X_1底-X_1入)/(Y_1底-Y_1入))；

β2`＝arctan((Z_1底-Z_1入)/((X_1底-X_1入)²+(Y_1底-Y_1入)²)^(1/2))；

当台车钻臂自动对准目标孔位置后，将推进梁移动至掌子面上，此时钻臂末端位置为实际入孔点，获取此时钻臂末端坐标值记作X₂、Y₂、Z_2；

设置预设的钻孔深度为L，钻臂实际钻进的深度如下：

L_钻＝(L-(Y₂-Y_末))/(cos(θ₂`)*cos(β<sub>2</sub>`))；

系统将自动模式下计算的钻进深度L_钻传送至钻进系统，由流量计实时监测当前钻进深度，当钻进深度达到上式计算的L_钻时，结束当前钻孔，最后得到的钻孔的孔底处于同一平面。

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