CN114352259A - 基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置及方法，包括数据接收处理单元、推送杆和测量探头；测量探头包括安装筒、第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器、第一电机、第二电机、摄像头和姿态传感器，安装筒下部中心处与推送杆上端连接，安装筒中部外圆设有导向轮组。本发明自动化程度高，减少人工操作，有效降低测量误差。测量数据经过数据处理可以获取煤窝空间的位置、姿态、形态、容积等参数同时得到煤窝的三维模型。为单孔瓦斯抽采影响空间的评价提供了可靠的技术支撑，进而为群孔瓦斯消突钻孔网络的布设以及钻孔位置的动态调整提供依据，也为瓦斯消突工程合理的布设提供了依据。

Description

基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置及方法

技术领域

本发明属于煤矿井下瓦斯消突技术领域，具体涉及一种基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置及方法。

背景技术

《防治煤与瓦斯突出细则》第五条规定“有突出矿井的煤矿企业、突出矿井应当结合矿井开采条件，制定、实施区域和局部综合防突措施。”

区域和局部综合防突措施多采取钻孔抽放方式，而抽放钻孔布设网络的设计主要依据单孔影响范围。由于各煤矿采深、煤层瓦斯含量、煤岩层透气性和渗透率的不同，抽放钻孔能解放瓦斯动力从而达到消突的空间范围是不一样的。目前不同矿井主要是根据布设观察孔观察抽采孔的影响范围，或依据测定的地应力、煤岩层力学性质、瓦斯压力、瓦斯含量、煤岩层渗透系数等参数，按一定的数学物理模型进行数值模拟。由于理论及技术原因，两种方式估算的抽放钻孔影响范围多采用以钻孔为中心等距离向外的“影响半径”这个参数。

为提高单孔瓦斯抽放孔效果，扩大其“影响半径”，生产中一般都采取水力冲孔造穴。由于煤层产状、力学性质、破碎程度的不均一性，以及高压水力的技术等原因造出的“煤窝”空间上是不规则的，即煤窝壁距钻孔轴迹距离的远近是不相等的。

以单孔瓦斯抽放“影响半径”这个参数来设计抽放钻孔布设网络，往往存在“煤与瓦斯消突空白带”，加上实际施工钻孔轴迹往往偏离设计钻孔轴迹，有时偏离的比较远，因此，实际煤与瓦斯消突效果往往不理想。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置及方法, 其通过姿态传感器（或电子罗盘）来获取煤窝的位置和姿态，通过电机驱动的超声波测距传感器来测量装置到煤窝孔壁的距离，可以测量煤窝空间的形态，数据精准，操作简单，自动化程度高。能准确地测量“煤窝”空间位置、姿态、形态、体积等参数，精准地圈定瓦斯抽放孔“影响空间”，提供瓦斯抽放钻孔布设网络的设计依据，并为后续施工钻孔位置、俯仰角、方位角、施工工艺等的动态调整提供技术支撑。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置，包括数据接收处理单元、推送杆和测量探头；测量探头包括安装筒、第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器、第一电机、第二电机、摄像头和姿态传感器，安装筒下部中心处开设有螺纹孔，推送杆上端伸入并螺纹连接在螺纹孔内，第一超声波测距传感器和姿态传感器设置在安装筒内部下侧，第一电机和第二超声波测距传感器设在安装筒内侧上部，第一电机的主轴与第二电机的主轴垂直，第一电机的主轴平行于安装筒的中心线，第一电机的主轴上端通过连接座与第二电机下侧部连接，第二电机位于安装筒外侧上方，第二电机的主轴端部设有连接杆件，第二超声波测距传感器设置在连接杆件上，第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器、第一电机、第二电机、摄像头和姿态传感器均通过穿过推送杆的通信线缆与数据接收处理单元连接，安装筒中部外圆设有导向轮组。

导向轮组包括同轴线套设在安装筒外圆的圆环，圆环内圆通若干连接柱与安装筒外圆固定连接，圆环上过盈装配有若干个轴承，轴承和连接柱均沿圆环的圆周方向均匀布置。

安装筒外圆在圆环上部螺纹连接有透明罩，透明罩将第二电机和第二超声波测距传感器罩在内部，透明罩下部为圆筒结构，透明罩上部为上尖下粗的圆锥导向结构。

第一电机设在安装筒上部的中心处，摄像头为带LED灯的高清摄像头，摄像头设有两个，两个摄像头分别位于第一电机的左右两侧并朝向上方拍摄。

推送杆上螺纹连接有锁紧螺母，锁紧螺母上端与安装筒下端面顶压配合。

基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置的窥测方法，包括以下步骤：

（1）将测量探头伸入到钻孔的孔口内，开启姿态传感器、摄像头和第一超声波测距传感器，数据接收处理单元放置在钻孔的孔口外部；

（2）手持推动杆将将测量探头沿钻孔缓慢移动，安装筒外部的轴承沿钻孔内壁滚动，在移动过程中，透明罩上部的圆锥导向结构在钻孔内起到导向作用，姿态传感器监测测量探头的姿态数据，摄像头对钻孔内壁拍摄图像，第一超声波测距传感器监测测量测量探头距钻孔孔壁的距离，姿态传感器、摄像头和第一超声波测距传感器监测得到的数据通过通信线缆传输到数据接收处理单元，数据接收处理单元实时显示图像和数据；

（3）当第一超声波测距传感器监测到与钻孔孔壁的距离大于定值时判断进入煤窝空间，同时摄像头辅助判断移动到位，停止推送测量探头；

（4）启动第一电机、第二电机和第二超声波测距传感器，第一电机和第二电机带动第二超声波测距传感器转动，第二超声波测距传感器对煤窝空间进行三维信息数据采集。

步骤（4）具体过程为：

（A）第一电机的主轴每顺时针或逆时针旋转一定步距角，第二超声波测距传感器进行一次测距，以此循环直至第一电机的主轴旋转360°后第二超声波测距传感器复位；

（B）第二电机的主轴每顺时针或逆时针旋转一定步距角，重复步骤（A）多煤窝进行测距；当第二电机累计旋转角度>180°时，测量结束；

（C）第二超声波测距传感器在步骤（A）和（B）测量得到的数据传输到数据接收处理单元进行处理和三维建模，得到煤窝位置、姿态、形态、容积等参数及三维模型。

步骤（4）具体过程为：

a.第二电机的主轴每顺时针或逆时针旋转一定步距角，步距角<10°，第二超声波测距传感器进行一次测距，以此循环直至第二电机的主轴累计旋转≥180°；

b.第一电机的主轴每顺时针或逆时针旋转一定步距角，步距角<10°，第二电机的主轴每逆时针或顺时针旋转一定步距角，步距角<10°，第二超声波测距传感器进行一次测距，以此循环直至累计第一电机的主轴和第二电机的主轴旋转≥180°；

c.重复a和b步骤，直至当第一电机的主轴累计旋转角度>360°时，测量结束。

采用上述技术方案，本发明中的第一电机、第二电机为可以控制旋转角度的伺服电机、舵机、步进电机等。第一电机、第二电机转动的步距角可以设定，目前伺服电机控制精度可达到0.27度，步距角越小，获取的数据越密，步距角设置范围为0.3°～90°，应用时可选定0.3°～90°中的定值。

本发明具有以下有益效果:本发明使用超声波测距传感器进行距离测量，精度很高。使用可以精确控制旋转角度的电机（伺服电机、舵机、或步进电机），角度控制精度可达到0.3°，第一电机和第二电机构成的控制模块带动超声波测距传感器扫描煤窝，扫描范围全面，数据可靠。本发明自动化程度高，减少人工操作，有效降低测量误差。测量数据经过数据处理可以获取煤窝空间的位置、姿态、形态、容积等参数同时得到煤窝的三维模型。为单孔瓦斯抽采影响空间的评价提供了可靠的技术支撑，进而为群孔瓦斯消突钻孔网络的布设以及钻孔位置的动态调整提供依据，也为瓦斯消突工程合理的布设提供了依据。本发明操作简单，准确可靠，应用价值高。

附图说明

图1是本发明的在现场进行测试的示意图；

图2是本发明的窥测装置的结构示意图；

图3是图2中导向轮组的俯视图；

图4是本发明的测试流程框图。

具体实施方式

如图1-图4所示，本发明的基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置，包括数据接收处理单元1（可采用井下防爆计算机、嵌入式防爆手机等）、推送杆2（可采用轻质铝合金管）和测量探头3；测量探头3包括安装筒4、第一超声波测距传感器5、第二超声波测距传感器6、第一电机7、第二电机8、摄像头9和姿态传感器10，安装筒4下部中心处开设有螺纹孔，推送杆2上端伸入并螺纹连接在螺纹孔内，第一超声波测距传感器5和姿态传感器10设置在安装筒4内部下侧，第一电机7和第二超声波测距传感器6设在安装筒4内侧上部，第一电机7的主轴与第二电机8的主轴垂直，第一电机7的主轴平行于安装筒4的中心线，第一电机7的主轴上端通过连接座11与第二电机8下侧部连接，第二电机8位于安装筒4外侧上方，第二电机8的主轴端部设有连接杆件12，第二超声波测距传感器6设置在连接杆件12上，第一超声波测距传感器5、第二超声波测距传感器6、第一电机7、第二电机8、摄像头9和姿态传感器10均通过穿过推送杆2的通信线缆与数据接收处理单元1连接，安装筒4中部外圆设有导向轮组。

导向轮组包括同轴线套设在安装筒4外圆的圆环13，圆环13内圆通若干连接柱15与安装筒4外圆固定连接，圆环13上过盈装配有若干个轴承14，轴承14和连接柱15均沿圆环13的圆周方向均匀布置。导向轮组的轴承14可沿钻孔19的孔壁滚动，避免孔壁对安装筒4外圆产生摩擦，也避免了对元器件产生磨损。

安装筒4外圆在圆环13上部螺纹连接有透明罩16，透明罩16将第二电机8和第二超声波测距传感器6罩在内部，透明罩16下部为圆筒结构，透明罩16上部为上尖下粗的圆锥导向结构17。透明罩16起到在钻孔内移动时保护第二电机8和第二超声波测距传感器6的作用，同时起到导向作用。

第一电机7设在安装筒4上部的中心处，摄像头9为带LED灯的高清摄像头，摄像头9设有两个，两个摄像头9分别位于第一电机7的左右两侧并朝向上方拍摄。

推送杆2上螺纹连接有锁紧螺母18，锁紧螺母18上端与安装筒4下端面顶压配合。

基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置的窥测方法，包括以下步骤：

（1）将测量探头3伸入到钻孔19的孔口内，开启姿态传感器10、摄像头9和第一超声波测距传感器5，数据接收处理单元1放置在钻孔19的孔口外部；

（2）手持推动杆将将测量探头3沿钻孔19缓慢移动，安装筒4外部的轴承14沿钻孔19内壁滚动，在移动过程中，透明罩16上部的圆锥导向结构17在钻孔19内起到导向作用，姿态传感器10监测测量探头3的姿态数据，摄像头9对钻孔19内壁拍摄图像，第一超声波测距传感器5监测测量测量探头3距钻孔19孔壁的距离，姿态传感器10、摄像头9和第一超声波测距传感器5监测得到的数据通过通信线缆传输到数据接收处理单元1，数据接收处理单元1实时显示图像和数据；

（3）当第一超声波测距传感器5监测到与钻孔19孔壁的距离大于定值时判断进入煤窝20空间，同时摄像头9辅助判断移动到位，停止推送测量探头3；

（4）启动第一电机7、第二电机8和第二超声波测距传感器6，第一电机7和第二电机8带动第二超声波测距传感器6转动，第二超声波测距传感器6对煤窝20空间进行三维信息数据采集。

步骤（4）具体过程为：

（A）第一电机7的主轴每顺时针或逆时针旋转一定步距角，第二超声波测距传感器6进行一次测距，以此循环直至第一电机7的主轴旋转360°后第二超声波测距传感器6复位；

（B）第二电机8的主轴每顺时针或逆时针旋转一定步距角，重复步骤（A）多煤窝20进行测距；当第二电机8累计旋转角度>180°时，测量结束；

（C）第二超声波测距传感器6在步骤（A）和（B）测量得到的数据传输到数据接收处理单元1进行处理和三维建模，得到煤窝20位置、姿态、形态、容积等参数及三维模型。

步骤（4）具体过程为：

a.第二电机8的主轴每顺时针或逆时针旋转一定步距角，步距角<10°，第二超声波测距传感器6进行一次测距，以此循环直至第二电机8的主轴累计旋转≥180°；

b.第一电机7的主轴每顺时针或逆时针旋转一定步距角，步距角<10°，第二电机8的主轴每逆时针或顺时针旋转一定步距角，步距角<10°，第二超声波测距传感器6进行一次测距，以此循环直至累计第一电机7的主轴和第二电机8的主轴旋转≥180°；

c.重复a和b步骤，直至当第一电机7的主轴累计旋转角度>360°时，测量结束。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，本实施例中的叙述的各部件的设置位置及相应方向，仅仅便于本领域技术人员对技术方案的理解，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置，其特征在于：包括数据接收处理单元、推送杆和测量探头；测量探头包括安装筒、第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器、第一电机、第二电机、摄像头和姿态传感器，安装筒下部中心处开设有螺纹孔，推送杆上端伸入并螺纹连接在螺纹孔内，第一超声波测距传感器和姿态传感器设置在安装筒内部下侧，第一电机和第二超声波测距传感器设在安装筒内侧上部，第一电机的主轴与第二电机的主轴垂直，第一电机的主轴平行于安装筒的中心线，第一电机的主轴上端通过连接座与第二电机下侧部连接，第二电机位于安装筒外侧上方，第二电机的主轴端部设有连接杆件，第二超声波测距传感器设置在连接杆件上，第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器、第一电机、第二电机、摄像头和姿态传感器均通过穿过推送杆的通信线缆与数据接收处理单元连接，安装筒中部外圆设有导向轮组。

2.根据权利要求1所述的基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置，其特征在于：导向轮组包括同轴线套设在安装筒外圆的圆环，圆环内圆通若干连接柱与安装筒外圆固定连接，圆环上过盈装配有若干个轴承，轴承和连接柱均沿圆环的圆周方向均匀布置。

3.根据权利要求1或2所述的基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置，其特征在于：安装筒外圆在圆环上部螺纹连接有透明罩，透明罩将第二电机和第二超声波测距传感器罩在内部，透明罩下部为圆筒结构，透明罩上部为上尖下粗的圆锥导向结构。

4.根据权利要求3所述的基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置，其特征在于：第一电机设在安装筒上部的中心处，摄像头为带LED灯的高清摄像头，摄像头设有两个，两个摄像头分别位于第一电机的左右两侧并朝向上方拍摄。

5.根据权利要求4所述的基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置，其特征在于：推送杆上螺纹连接有锁紧螺母，锁紧螺母上端与安装筒下端面顶压配合。

6.根据权利要求5所述的基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置的窥测方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将测量探头伸入到钻孔的孔口内，开启姿态传感器、摄像头和第一超声波测距传感器，数据接收处理单元放置在钻孔的孔口外部；

（2）手持推动杆将将测量探头沿钻孔缓慢移动，安装筒外部的轴承沿钻孔内壁滚动，在移动过程中，透明罩上部的圆锥导向结构在钻孔内起到导向作用，姿态传感器监测测量探头的姿态数据，摄像头对钻孔内壁拍摄图像，第一超声波测距传感器监测测量测量探头距钻孔孔壁的距离，姿态传感器、摄像头和第一超声波测距传感器监测得到的数据通过通信线缆传输到数据接收处理单元，数据接收处理单元实时显示图像和数据；

（3）当第一超声波测距传感器监测到与钻孔孔壁的距离大于定值时判断进入煤窝空间，同时摄像头辅助判断移动到位，停止推送测量探头；

（4）启动第一电机、第二电机和第二超声波测距传感器，第一电机和第二电机带动第二超声波测距传感器转动，第二超声波测距传感器对煤窝空间进行三维信息数据采集。

7.根据权利要求6所述的基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置的窥测方法，其特征在于：步骤（4）具体过程为：

（A）第一电机的主轴每顺时针或逆时针旋转一定步距角，第二超声波测距传感器进行一次测距，以此循环直至第一电机的主轴旋转360°后第二超声波测距传感器复位；

（B）第二电机的主轴每顺时针或逆时针旋转一定步距角，重复步骤（A）多煤窝进行测距；当第二电机累计旋转角度>180°时，测量结束；

（C）第二超声波测距传感器在步骤（A）和（B）测量得到的数据传输到数据接收处理单元进行处理和三维建模，得到煤窝位置、姿态、形态、容积等参数及三维模型。

8.根据权利要求6所述的基于超声波的煤矿井下瓦斯消突钻孔煤窝窥测装置的窥测方法，其特征在于：步骤（4）具体过程为：

a.第二电机的主轴每顺时针或逆时针旋转一定步距角，步距角<10°，第二超声波测距传感器进行一次测距，以此循环直至第二电机的主轴累计旋转≥180°；

b.第一电机的主轴每顺时针或逆时针旋转一定步距角，步距角<10°，第二电机的主轴每逆时针或顺时针旋转一定步距角，步距角<10°，第二超声波测距传感器进行一次测距，以此循环直至累计第一电机的主轴和第二电机的主轴旋转≥180°；

c.重复a和b步骤，直至当第一电机的主轴累计旋转角度>360°时，测量结束。

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