CN113530532A - 一种基于无线音频信号的岩层钻测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线音频信号的岩层钻测装置及方法，该装置包括：钻机、音频采集模块、位移传感器和信号处理模块，音频采集模块与信号处理模块均通过无线方式进行数据传输，该钻测方法包括：在钻机上设置位移传感器，获得钻头的推进深度，在钻孔附近设置安装孔，安装孔内设置音频采集模块；开启钻机，钻头冲击煤岩体，并发出音频信号，音频采集模块接收音频信号并将音频信号发送至信号处理模块，位移传感器将当前钻机的钻进位移值发送至所述信号处理模块；信号处理模块接收所述音频信号和钻头的位移值，并依据音频信号和位移值和岩层信息数据库比对，确定岩层特性；本发明可以精准、高效的检测岩层岩性信息。
Description
技术领域
本发明属于煤矿巷道矿道施工领域，具体涉及一种基于无线音频信号的岩层钻测装置及方法。
背景技术
在煤矿巷道以及隧道建设、维护和科学研究过程中往往需要对岩层岩性进行检测，及时了解岩层的内部构造状况，以便对施工方案的顺利实施以及后期技术优化提供重要指导作用。目前对岩性的检测手段大多数仍采用电子成像装置检测各岩层的岩性构造信息，这种检测方法可以获取围岩内部构造图像进行定性分析，却不能定量评价岩性特征，难以获取精确的数据信息；还有一种技术手段是采用多指标融合岩层探测设备，诸如钻机推力、转速、振动、扭矩等技术指标，这些多指标融合的方法对于岩层信息探测起到了一定的指导作用，但是测试过程及设备比较繁琐，对矿井地质条件以及测试位置所处环境要求比较高，加之煤矿地质条件千变万化，很难获取较为准确的巷道岩层层位信息。基于上述岩层检测的重要性以及现阶段常用检测手段存在的不足之处，亟需研发一种精准、高效、适应性强的岩性检测装置和方法，以期更好的指导煤矿巷道等矿道岩层岩性构造信息检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无线音频信号的岩层钻测装置及方法，该钻测装置通过检测钻机的音频信号，匹配检测钻机进给距离，将两者结合，实现岩层性质的检测，该装备可以非常准确、方便的实现岩层信息的分析。
本发明首先提供了一种基于无线音频信号的岩层钻测装置及方法，该装置包括：钻机、音频采集模块、位移传感器和信号处理模块。采用该装置通过以下方法实现本发明，技术手段包括：
第一步，组装设备。在钻机上安装位移传感器，在钻孔附近设置音频采集模块；
第二步，调试设备。检查线路连接及设备状况，启动位移传感器、音频采集模块、信号处理模块以及钻机，检测并调试位移传感器和震动传感器运行状况；
第三步，收集数据。启动钻机，钻头冲击煤体或岩体，并发出音频信号，音频采集模块接收音频信号并将音频信号发送至信号处理模块，位移传感器将当前钻头的位移值发送至信号处理模块；
第四步，分析岩层信息。信号处理模块接收所述音频信号和钻机推进的位移值，并依据音频信号、位移值和岩层信息数据库比对，确定岩层特性，综合分析岩层特性并构建岩层信息。
本发明具备如下的有益效果：首先，本发明采用检测声波来判断岩层信息，可以在远离钻测点的地方进行检测，检测环境好，避免钻测点泥、沙、水四处喷溅的影响；其次，本发明将位移传感器和音频采集模块联合使用，可以检测立体的岩层构造信息。
附图说明
图1、本发明岩层岩性检测原理立体图；
具体实施方式
如下为本发明的实施例，其仅用作对本发明的解释而并非限制。
本发明首先提供了一种基于无线音频信号的岩层钻测装置及方法，该装置包括：钻机、音频采集模块、位移传感器和信号处理模块。采用该装置通过以下方法实现本发明，技术手段包括：
第一步，组装设备。在岩层7中施工安装孔8，将音频采集模块2插入岩层7内的安装孔8中，在钻机上安装位移传感器3，位移传感器3的一端与钻机1的底座6进行固定，另一端通过线路5与钻机1的伸缩端连接；
第二步，调试设备。检查线路连接及设备状况，启动位移传感器3、音频采集模块2、信号处理模块4以及钻机1，检测并调试位移传感器和震动传感器运行状况；
第三步，收集数据。启动钻机1，钻头冲击岩层，并发出音频信号，音频采集模块2每间隔0.2秒采集一次数据，音频采集模块2接收音频信号并将音频信号发送至信号处理模块4，位移传感器3将当前钻机1推进的位移值发送至信号处理模块4；
第四步，分析岩层信息。信号处理模块4接收所述音频信号和钻机推进的位移值，并依据音频信号、位移值和岩层信息数据库比对，确定岩层特性，综合分析岩层特性并构建岩层信息。
为了保证使用效果，所述的岩层钻测装置包括：钻机、音频采集模块、位移传感器和信号处理模块。位移传感器3与钻机1连接，具体操作是位移传感器3的一端与钻机1的底座6进行固定，另一端通过线路5与钻机1的伸缩端连接；在距离钻机0.5m处安装音频采集模块2，位移传感器3、音频采集模块2与信号处理模块4均通过无线方式进行数据传输。
所述的钻机1可以使用煤矿井下常用的顶板锚杆钻机，通过常规方式即可加装至满足与位移传感器3相连接的钻机，并实现对于钻机钻入深度的监测。
所述位移传感器3为市售经防爆处理的本质安全型位移监测设备，其型号为LSW1000位移传感器。具有受外界干扰小，监测精度高的特点，位移传感器3的一端与钻机1的底座6进行固定，另一端通过线路5与钻机1的伸缩端连接，位移传感器3主要是记录钻孔深度及钻机钻进位移数据。
所述的信号处理模块4为矿用本质安全型计算机，其上配有LabVIEW软件程序、数据采集卡等虚拟仪器，用于将所述音频采集模块2和位移传感器3采集的信号以波、图表或动画形式进行显示，进而使得操作者可以确定当前钻探的状态。
所述音频采集模块2为市售矿用本质安全型音频采集设备，型号为YLY2.8，采用先进的S麦克风系统、智能及数字降噪技术，具有独特的可调节高灵敏度低噪系统，可定向采集0度或分向采集120度内的音源；音频采集模块2采集钻机1切割岩层7的音频频率、幅度和相位，并用于和已知信息比对，音频采集模块2具有无线传输功能，并通过无线传输的方式和信号处理模块连接，音频采集模块2将接收的音频信号转变成数字信号，再将数字信号传输给信号处理模块4，音频采集模块2距离检测钻孔2m，拾音环境较好。
所述岩层信息数据库为选择具备代表性的位置采集音频信号(如远离钻孔0.5m，1m，1.5m，2m，2.5m，3m)，启动钻机，并记录音频采集模块的数据和位移数据，并在钻测结束后将岩层信息和钻探深度、音频信息(音频频率、幅度和相位中的一种或多种信号)对应起来，形成岩层信息数据库。通过岩层信息(钻探深度+音频信息)的对应关系，即可以确定井下常见的岩层信息。
所述信号处理单元包括虚拟仪器，用于将所述音频采集模块和所述位移传感器采集的信号以预定的形式显示，如以波形或者数字的形式显示。
在钻测过程中，音频采集模块2插入钻测点附近的岩层7内，音频采集模块2采集钻机1钻孔过程中的音频信号，位移传感器记录钻孔深度及钻机钻进位移信息，音频信号和位移以时间为对照参考，信号处理模块分析音频信号并将音频信号与位移量进行对应，进而判断各深度岩层的岩层特性。
所述的信号处理模块4内存储有音频信号和位移信号对应的关系，进而可以非常方便的确定岩层特性。在进行匹配时，信号处理模块将采集到的音频的频率、幅度、相位这些信号中的一种或多种与已知数据进行比较，以此判定岩层信息，并进一步基于岩层信息与位移量进行匹配生成岩层构造信息图谱。
所述的音频采集模块4音频采集模块插入钻测点附近的岩石中，在钻测过程中，音频采集模块采集钻机钻孔过程中的音频信号，位移传感器记录钻孔深度及钻机钻进位移信息，音频信号和位移以时间为对照参考，信号处理模块分析音频信号的振幅和频率，并将音频信号与位移量进行对应，得到当前深度岩层的岩层特性，并通过累加历史岩层深度的岩层特性，构建岩层的整体信息。
本发明的技术原理及创新之处在于：钻机1在岩层7内钻进过程中，钻削不同岩性的岩石时会发出不同性质的音频信号，通过分析这些音频信号来判断不同的岩性，并且结合位移信号，可以得出立体的岩层构造信息。具体就是在钻测过程中，音频采集模块2插入岩层7内的安装孔8中，音频采集模块2采集钻机1钻孔过程中的音频信号，位移传感器3记录钻孔深度及钻机1推进位移信息，音频信号和位移以时间为对照参考，信号处理模块4分析震动信号并将音频信号与位移量进行对应，并通过累加历史岩层深度的岩层特性，进而可以非常方便的确定不同深度岩层特性。在进行匹配时，信号处理模块4将采集到的音频频率、幅度、相位这些信号与已知数据进行比较，以此判定岩层信息，并进一步基于岩层信息与位移值进行匹配并生成岩层构造信息图谱。
本发明采用检测声波来判断岩层信息，可以在远离钻测点的地方进行检测，检测环境好，避免钻测点泥、沙、水四处喷溅的影响；同时，本发明将位移传感器和音频采集模块联合使用，在钻测过程中，实时记录、对比和显示岩层岩性，可以较为准确的检测立体岩层构造信息。
最后所应说明的是，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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种基于无线音频信号的岩层钻测装置，其特征在于，所述的岩层钻测装置包括：钻机(1)、音频采集模块(2)、位移传感器(3)和信号处理模块(4)。位移传感器(3)与钻机(1)连接，具体操作是位移传感器(3)的一端与钻机(1)的底座(6)进行固定，另一端通过线路(5)与钻机(1)的伸缩端连接；在距离钻机0.5m处安装音频采集模块(2)，位移传感器(3)、音频采集模块(2)与信号处理模块(4)均通过无线方式进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线音频信号的岩层钻测装置，其特征在于，所述的钻机(1)为煤矿井下顶板锚杆钻机，加装至满足与位移传感器(3)相连接的钻机。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线音频信号的岩层钻测装置，其特征在于，所述位移传感器(3)为经防爆处理的矿用本质安全型位移监测设备，其型号为LSW1000本安型位移传感器，位移传感器(3)的一端与钻机(1)的底座(6)进行固定，另一端通过线路(5)与钻机(1)的伸缩端连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线音频信号的岩层钻测装置，其特征在于，所述的信号处理模块(4)为矿用本质安全型计算机，其上配有LabVIEW软件程序、数据采集卡，所述音频采集模块(2)和位移传感器(3)采集的信号以波、图表或动画形式进行显示。
5.根据权利要求1所述的一种基于无线音频信号的岩层钻测装置，其特征在于，所述音频采集模块(2)为矿用本质安全型音频采集设备，型号为YLY2.8，音频采集模块(2)采集钻机(1)切割岩层(7)的音频频率、幅度和相位，音频采集模块(2)具有无线传输功能，并通过无线传输的方式和信号处理模块连接，音频采集模块(2)将接收的音频信号转变成数字信号，再将数字信号传输给信号处理模块(4)，音频采集模块(2)距离检测钻孔2m。
6.一种基于无线音频信号的岩层钻测方法，其特征在于，在钻测过程中，实时记录、对比和显示岩层岩性。按以下步骤进行：
第一步，组装设备。在钻机上安装位移传感器(3)，位移传感器(3)的一端与钻机(1)的底座(6)进行固定，另一端通过线路(5)与钻机(1)的伸缩端连接；在检测钻孔附近设置音频采集模块；
第二步，调试设备。检查线路连接及设备状况，启动位移传感器(3)、音频采集模块(2)、信号处理模块(4)以及钻机(1)，检测并调试位移传感器和震动传感器运行状况；
第三步，收集数据。启动钻机(1)，钻头冲击岩层，并发出音频信号，音频采集模块(2)每间隔0.2秒采集一次数据，音频采集模块(2)接收音频信号并将音频信号发送至信号处理模块(4)，位移传感器(3)将当前钻机(1)推进的位移值发送至信号处理模块(4)；
第四步，分析岩层信息。信号处理模块(4)接收所述音频信号和钻机推进的位移值，并依据音频信号、位移值和岩层信息数据库比对，确定岩层特性，综合分析岩层特性并构建岩层信息。
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