CN116892364A - 一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备及方法，属于硬岩矿山开采技术的领域，其包括凿岩台车，凿岩台车包括推进梁，推进梁端部设置有定位块，定位块与岩壁抵接或脱离；转动弯板，围绕推进梁的中心线转动，转动弯板周向设置有钻孔位、孔壁清洁位、检测位；钻进单元，设置在钻孔位，用于钻设监测孔；力学检测单元，检测并输出随钻参数；孔壁清洁单元，设置在孔壁清洁位，用于清洁监测孔；地应力传感器，设置在检测位，检测并输出监测孔相互垂直两个内壁的地应力参数；高清钻孔成像仪，设置在检测位，检测并输出监测孔处岩壁图像。本申请具有便于对岩体可切割性进行更充分细致的分析，使所得到的岩体切割性评价更加准确、可靠的效果。

Description

一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备及方法

技术领域

本申请涉及硬岩矿山开采技术的领域，尤其是涉及一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备及方法。

背景技术

为满足深部矿山的开采需求，相关人员提出了具有作业扰动小、安全性高等优点的非爆机械化开采。由于深部矿岩通常具有强度大，完整性高，耐磨性强等特性，再伴随高地应力的影响会导致机械设备的破岩率低、刀具磨损严重，整体的开采经济效益低。所以，通过构建硬岩可切割性智能评价系统，由评价数据指导原位诱变改性措施或指导机械破岩参数调整，可以有效地提高破岩效率，降低岩爆等灾害发生风险。

采矿业的一大发展趋势是智能化、数字化开采。通过云计算、大数据等新一代信息技术与矿山生产过程深度融合，对生产过程开展动态实时监控，实现生产作业和生产数据的自动化管理。一种深部硬岩矿体非爆机械化智能开采方法，首先通过凿岩台车在待开采的岩体表面钻设监测孔，并且在钻设监测孔的同时收集随钻参数，将随钻参数输入硬岩可切割性智能评价系统后得出矿岩的可切割性评价参数，根据可切割性评价参数以及矿岩的分布位置定量其难采程度形成带开采矿体的可切割性云图。使用基于物联网技术的数字信息共享决策平台通过可切割性评价参数以及可切割性云图对岩体进行分类处理，对可切割性评价较高的岩体进行直接开采，对可切割性评价较低的岩体进行开挖诱导巷道、预钻卸压孔或预开挖卸压槽等可切割性改善方法对岩体进行可切割性改善后进行开采。上述方案能在一定程度上提高破岩效率。

针对上述中的相关技术，发明人认为由于矿岩的地应力参数和结构面特性同样是评价岩体切割性的重要参考，岩体地应力是指岩体内部受到自身和外部荷载的作用下所产生的应力状态，当岩体内部受到外部荷载的作用时，岩体内部的地应力会发生变化，从而影响岩体的切割性能。矿岩的结构面特性指岩石中存在的各种断层、节理、裂隙、脉状体等结构性构造，会影响矿岩的物理力学特性，如抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等，进而对岩体的切割性造成影响。因此，仅仅将随钻参数作为评价岩体切割性的指标，导致对岩体可切割性进行的分析不够充分、细致，使所得到的岩体切割性评价不够准确、可靠。

发明内容

为了便于对岩体可切割性进行更充分细致的分析，使所得到的岩体切割性评价更加准确、可靠，本申请提供一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备及方法。

第一方面，本申请提供的一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备，采用如下的技术方案：

一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备，包括凿岩台车，其特征在于，所述凿岩台车包括：

推进梁，用于固定钻孔位置，所述推进梁端部设置有定位块，定位块与岩壁抵接或脱离；转动弯板，内壁与推进梁外壁贴合，并围绕推进梁的中心线转动，所述转动弯板周向设置有钻孔位、孔壁清洁位以及检测位；

钻进单元，设置在钻孔位，用于钻设监测孔，所述钻进单元包括钻杆、连接在钻杆上的钻头以及驱动钻杆运动的驱动件；

力学检测单元，用于检测并输出随钻参数；

孔壁清洁单元，设置在孔壁清洁位，用于清洁监测孔；

两个地应力传感器，设置在检测位，两个地应力传感器相互垂直设置，并且均沿推进梁的长度方向滑移，用于检测并输出监测孔相互垂直两个内壁的地应力参数；

一个高清钻孔成像仪，设置在检测位，用于检测并输出监测孔处岩壁图像，所述高清钻孔成像仪沿推进梁的长度方向滑移。

通过采用上述技术方案，使用凿岩台车钻设监测孔时，首先，使推进梁移动到待钻设岩壁处，并使定位块抵接岩壁，以固定钻孔位置。使转动弯板围绕推进梁的中心线转动，使钻孔位运动到推进梁的正上方后，钻杆一边转动一边向岩壁方向运动，以带动钻头向前钻进，最终在岩壁上开设一水平监测孔。在钻设监测孔的同时，钻杆上的力学检测单元对随钻参数进行检测并输出至控制器中。

之后，再次使转动弯板围绕推进梁的中心线转动，使孔壁清洁单元运动至推进梁的正上方，并正对监测孔。使孔壁清洁单元对孔内碎石、灰尘等进行清理，以使监测孔内壁洁净，便于后续对孔内壁地应力进行监测、以及便于采集到更清晰的孔内壁图像。

将监测孔内碎石进行清理后，使转动弯板围绕推进梁的中心线转动，使检测位转动至推进梁的正上方。先使地应力传感器沿推进梁的长度方向滑移，以便于对监测孔内壁不同位置处的地应力参数进行采集，并将采集到的数据传输至控制器中。之后，使高清钻孔成像仪沿推进梁的长度方向滑移，以便于对监测孔内壁的图像进行采集，并将采集到的图像传输至控制器中。

综上，便于实现对随钻参数、监测孔内壁地应力参数以及监测孔内壁岩体图像进行采集，从而便于综合三方面的数据对岩体可切割性进行更加充分、细致的分析，使所得到的岩体切割性评价更加准确、可靠。

并且，通过转动弯板的转动，从而实现钻孔位、孔壁清洁位以及检测位的转换，转动后孔壁清洁单元、地应力传感器以及高清钻孔成像仪便可对准监测孔，而无需再次定位。一方面，使孔壁清洁单元、地应力传感器以及高清钻孔成像仪的定位更加准确，使三者进入监测孔的过程更加顺利；另一方面，简化三者的定位过程，提高整个钻孔以及数据采集的工作效率。

可选的，所述孔壁清洁单元包括：

吹风机，沿转动弯板的轴向滑移，用于向监测孔内喷吹热风；

吸尘管道，沿转动弯板的轴向滑移，用于吸收监测孔内的碎石，端部连接吸尘装置。

通过采用上述技术方案，对孔内壁进行清洁时，首先，使烘干筒沿转动弯板的轴向滑移，以在监测孔内沿监测孔的轴向滑移，向监测孔内喷吹热风，以便于加快冷却液的蒸发，使监测孔内的碎石灰尘等更加干燥，以便后续对碎石和灰尘进行清理。监测孔内壁干燥后，使吸尘管道沿转动弯板的轴线方向滑移，以在监测孔内沿监测孔的长度方向滑移，并在滑移过程中吸收监测孔内的碎石和灰尘。

可选的，包括：

安装座二，安装座二沿转动弯板的轴向滑移，安装座二上罩设有防护罩，防护罩靠近钻头的一端开口设置并固接有连接轴，连接轴上转动连接有防护门一，连接轴上套设有扭簧一，扭簧一一端与连接轴固接，扭簧一另一端与防护门一固接；

滑移小车一,吹风机固设在滑移小车一上，滑移小车一沿安装座二的长度方向滑移；

滑移小车二，吸尘管道固设在滑移小车二上，滑移小车二沿安装座二的长度方向滑移。

通过采用上述技术方案，当需要对监测孔内壁进行烘干时，先使安装座二沿转动弯板的轴向滑移至监测孔内部，然后使滑移小车一沿安装座二的长度方向向监测孔深处滑移，在滑移过程中吹风机将监测孔内壁烘干。同样的，当需要对监测孔内壁碎石进行吸取时，使滑移小车二沿安装座二的长度方向向监测孔深处滑移，在滑移过程中吸尘管道对监测孔内碎石灰尘等进行吸取，碎石灰尘等沿吸尘管道收集到吸尘装置中。

并且，当滑移小车一或滑移小车二驶出防护罩时，将防护门一向上顶起，使防护门一围绕连接轴向上翻转，完全驶出防护罩后，由于扭簧一的作用，使得防护门一复位。同样，当滑移小车一或滑移小车二驶入防护罩内时，也可实现向将防护门一顶起、再使防护门一复位。在钻孔时，防护罩和防护门一共同将滑移小车一和滑移小车二罩设起来，避免钻设过程中碎石等掉落到吹风机和吸尘管道内，对二者进行保护。

可选的，包括：

安装座三，设置在检测位处，并沿转动弯板轴向滑移；

滑移小车三，沿安装座三的长度方向滑移，所述滑移小车三上开设有两个容纳槽一，地应力传感器与容纳槽一内壁铰接，容纳槽一开口处固接有转轴一，转轴一上转动连接有防护门二，转轴一上套设有扭簧二，扭簧二一端与转轴一固接，扭簧二另一端与防护门二固接；

容纳槽二，所述容纳槽二开设在滑移小车三内，高清钻孔成像仪与容纳槽二内壁铰接，容纳槽二开口处固接有转轴二，转轴二上转动连接防护门三，转轴二上套设有扭簧三，扭簧三一端与转轴二固接，扭簧三另一端与防护门三固接。

通过采用上述技术方案，对监测孔内的地应力参数进行采集时，首先，使安装座三沿转动弯板的长度方向向监测孔深处运动，并使地应力传感器围绕铰接点转动九十度，使得两个地应力传感器的检测端指向监测孔内壁，并使套管围绕铰接点回转九十度，将两个地应力传感器收回至容纳槽一内。之后，使高清钻孔成像仪围绕铰接点转动九十度，使高清钻孔成像仪端部指向监测孔内壁，在滑移小车三的带动下，使高清钻孔成像仪沿监测孔的轴向滑移，并在滑移的过程对监测孔内壁图像进行收集并传输至控制器内。

并且，当地应力传感器和高清钻孔成像仪围绕铰接点转动时，将防护门二和防护门三向外顶起，当地应力传感器和高清钻孔成像仪围绕铰接点转动至容纳槽二和容纳槽三内后，防护门二和防护门三在扭簧二和扭簧三的带动下重新盖设在开口处，以使容纳槽二和容纳槽三再次密闭，以对地应力传感器和高清钻孔成像仪进行保护。

可选的，所述地应力传感器端部套设有套管，套管外壁与容纳槽一内壁铰接，套管内固设有驱动气缸，驱动气缸的活塞杆端部固设在地应力传感器端部。

通过采用上述技术方案，当两个地应力传感器的检测端指向监测孔内壁后，使小车停在需要检测的位置处，并使驱动气缸的活塞杆伸长，将地应力传感器向监测孔内壁推动，使地应力传感器的检测端抵接在监测孔内壁，以对监测孔内的地应力进行检测，并将检测到的地应力参数传输至控制器内。然后，使气缸的活塞杆收缩，带动地应力传感器收回。

可选的，所述钻进单元包还包括动力机构，动力机构用于为钻杆提供动力；

所述力学检测单元包括：

功率传感器，设置在动力机构内，用于检测动力机构的输出功率；

钻速传感器，设置在钻杆上，用于检测钻杆的钻速；

扭矩传感器，设置在钻杆上，用于检测钻杆的扭矩；

压力传感器，设置在钻杆上，用于检测钻压；

激光位移传感器，设置在钻杆上，用于检测钻杆沿其长度方向运动的距离；

振动传感器，设置在钻杆上，用于检测钻杆在钻孔时产生的振动。

通过采用上述技术方案，通过功率传感器、钻速传感器、扭矩传感器、压力传感器、激光位移传感器以及振动传感器以便于获取随钻参数，便于后续并通过随钻参数分析得到以岩体强度和变形模量为主的力学特性。

可选的，包括：

舵机，固设在推进梁上，舵机的输出轴端部固接有连接杆，连接杆沿推进梁的径向设置，连接杆与转动弯板之间固接。

通过采用上述技术方案，舵机为转动弯板的转动提供动力，通过舵机带动转动弯板实现一定角度的转动，以便于使钻孔位、孔壁清洁位以及检测位依次对准监测孔。

可选的，包括：

从动齿轮，转动连接在推进梁上，并沿推进梁的轴向均匀分布；

连接弯板，固接在转动弯板内壁，并与从动齿轮相互啮合。

通过采用上述技术方案，转动弯板围绕推进梁中心线转动时，带动从动齿轮转动。由于从动齿轮与连接弯板之间相互啮合，使得二者之间互相干涉；而从动齿轮沿推进梁的轴向分布有若干，使得从动齿轮与连接弯板之间有多个相互作用的位置；并且从动齿轮围绕推进梁的中心线转动，进而使转动弯板上与从动齿轮啮合处均围绕推进梁中心线进行转动，使转动弯板沿推进梁外壁转动过程更加稳定。

第二方面，本申请提供的一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采方法，采用如下的技术方案：

一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采方法，包括以下步骤：

钻设监测孔并获取力学特性B1、地应力参数B2以及结构面特性B3；

根据力学特性B1、地应力参数B2、结构面特性B3联合数字图像处理、计算机视觉、深度学习技术，通过VR技术建立矿岩全信息数字孪生模型；

根据力学特性B1、地应力参数B2、结构面特性B3构建深部硬岩可切割性表征模型；

根据深部硬岩可切割性表征模型，对硬岩可切割性进行综合评价，如果可切割性综合评价高，则直接进行机械化开采，如果可切割性综合评价较低，则先进行矿岩原位诱变改性，再进行机械化开采；

并结合破岩效果以及施工环境监测与评价对可切割性评价结果进行实时更新，根据更新后的可切割性评价结果，通过数字信息共享决策平台再次对破岩方式进行决策。

通过采用上述技术方案，1、增加对矿岩结构面特性以及地应力的感知，基本覆盖矿岩可切割性判别的全部参数，便于对岩体可切割性进行更加充分细致的分析，使所得到的岩体可切割性评价更加准确、可靠；

2、通过矿岩全信息数字孪生模型可以使工作人员更加直观、快速地掌握矿岩信息；

3、对矿岩进行可切割性评价，实现矿岩可切割性的量化，便于根据矿岩可切割性进行分类，对不同开采难度的岩体分别采取不同的改性措施，满足了机械化开采的精细化开采要求；4、实现了自组织循环进行的开采模式，并根据开采情况对可切割性评价进行实时更新，以对开采决策进行实时纠正，降低了机械刀具的磨损效率，提高了破岩效率。

可选的，所述矿岩全信息数字孪生模型包括：

矿山地质模型，在矿山三维模型的基础上，对矿体的力学特性B1、地应力参数B2以及结构面特性B3进行展示；

矿山工程模型，包括矿山开采方案单元和矿山设备管理单元。

通过采用上述技术方案，便于工作人员更加直观对矿山地质信息、矿山工程信息进行掌握。

附图说明

图1是本申请实施例一的整体结构示意图。

图2是图1中A部放大视图。

图3是实施例一中为凸显钻孔位、孔壁清洁位、检测位之间位置关系而作的推进梁的正试图。

图4是实施例一中为凸显舵机而作的示意图。

图5是实施例一中为凸显从动齿轮而作的剖视图。

图6是图2中的B部放大视图。

图7是图2中的C部放大视图。

图8是实施例一中为凸显吹风机而作的爆炸图。

图9是实施例一中为凸显高清钻孔成像仪而作的示意图。

图10是实施例一中凿岩台车钻设监测孔并收集矿岩参数的工作流程图。

图11是实施例二的机械化开采循环示意图。

图12是实施例二中改善硬岩可切割性的诱变改性方法及工艺流程图。

附图标记说明：1、凿岩台车；11、推进梁；12、定位块；2、转动弯板；21、钻孔位；22、孔壁清洁位；23、检测位；3、钻进单元；31、安装座一；32、液压凿岩机；33、动力机构；34、钻杆；35、钻头；36、安装盘；37、冷却液喷管；38、支撑板；4、孔壁清洁单元；41、安装座二；42、滑移座；43、防护罩；44、防护门一；45、吹风机；46、吸尘管道；47、滑移小车一；48、滑移小车二；5、安装座三；51、地应力传感器；52、高清钻孔成像仪；53、滑移小车三；54、容纳槽一；55、套管；56、防护门二；57、容纳槽二；58、防护门三；6、舵机；61、连接杆；62、从动齿轮；63、连接弯板；64、齿部；65、环形槽。

具体实施方式

以下结合附图1-12对本申请作进一步详细说明。

实施例一

本申请实施例一公开一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备。参照图1，一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备包括凿岩台车1和采矿机械。其中，使用凿岩台车1对带开采岩壁钻设监测孔，以获得随钻参数、地应力参数、矿岩结构面特性，根据上述参数对矿岩可切割性进行评价，对可切割性好的矿岩直接使用采矿机械进行机械开采，对可切割性差的矿岩在使用凿岩台车1进行矿岩原位诱变改性后，再使用采矿机械进行机械开采。

参照图2、图3，凿岩台车1包括推进梁11，推进梁11设置为圆柱状。推进梁11端部中心位置处固设有定位块12，定位块12设置为圆柱状且其中心线与推进梁11中心线重合，定位块12设置为硅胶材质。在使用凿岩台车1对岩壁进行钻孔时，使定位块12抵紧岩壁，一方面，由于硅胶质软，可以对推进梁11的抵接过程起到缓冲作用；另一方面，通过使定位块12抵接在岩壁上，以定位推进梁11在岩壁上的位置，从而确定钻孔位21置。

参照图3、图4，推进梁11外壁设置有转动弯板2，转动弯板2内径与推进梁11外壁相贴合，转动弯板2的长度方向平行于推进梁11的轴向设置，转动弯板2围绕推进梁11的中心线转动。沿转动弯板2的周向依次设置有钻孔位21、孔壁清洁位22以及检测位23。并且对应钻孔位21固设有安装座一31，安装座一31内壁与转动弯板2相贴合，安装座一31的长度方向平行于转动弯板2的长度方向设置。安装座一31远离转动弯板2的一侧设置有钻进单元3，钻进单元3用于钻设监测孔。对应孔壁清洁位22滑移连接安装座二41，安装座二41内壁与转动弯板2外壁相贴合，安装座二41的长度方向平行于转动弯板2的长度方向，安装座二41沿转动弯板2的长度方向滑移，安装座二41远离转动弯板2的一侧设置有孔壁清洁单元4，孔壁清洁单元4用于对监测孔内壁进行清洁。对应检测位23处滑移连接有安装座三5，安装座三5内壁与转动弯板2外壁相贴合，安装座三5的长度方向平行于转动弯板2的长度方向，安装座三5沿转动弯板2的长度方向滑移，安装座三5远离转动弯板2的一侧设置有地应力传感器51和高清钻孔成像仪52，二者分别对监测孔进行地应力参数采集和岩壁图像采集。

参照图4、图5，推进梁11与定位块12相对的一端固设有舵机6，舵机6本体与推进梁11相固接，舵机6的输出轴端部固接有连接杆61，连接杆61沿推进梁11的径向设置，连接杆61远离舵机6的一端与安装座一31固接。舵机6的输出轴转动，舵机6为转动弯板2的转动提供动力，通过舵机6带动转动弯板2实现一定角度的转动，以便于使钻孔位21、孔壁清洁位22以及检测位23依次对准监测孔。另外，沿推进梁11的轴向均匀开设有若干环形槽65，环形槽65内均转动连接有从动齿轮62。转动弯板2内壁固设有连接弯板63，连接弯板63外壁紧贴转动弯板2，转动弯板2对应从动齿轮62位置处均固设有齿部64，齿部64与从动齿轮62相互啮合。

转动弯板2围绕推进梁11中心线转动时，带动从动齿轮62转动。由于从动齿轮62与连接弯板63之间相互啮合，使得二者之间互相干涉；而从动齿轮62沿推进梁11的轴向分布有若干，使得从动齿轮62与连接弯板63之间有多个相互作用的位置；并且从动齿轮62围绕推进梁11的中心线转动，进而使转动弯板2上与从动齿轮62啮合处均围绕推进梁11中心线进行转动，使转动弯板2沿推进梁11外壁转动过程更加稳定。

参照图6、图7，钻进单元3包括液压凿岩机32，液压凿岩机32包括固设在安装座一31靠近舵机6位置处的动力机构33、与动力机构33的输出钎尾相固接的钻杆34、以及连接在钻杆34端部的钻头35。钻杆34的轴向平行于转动弯板2设置，钻孔时，动力机构33为钻杆34提供动力，使钻杆34一边转动、一边向钻孔深处钻进。钻杆34上靠近钻头35位置处固设有安装盘36，安装盘36上设置有若干冷却液喷管37，冷却液喷管37的喷头处向钻孔位21置延伸，冷却液沿冷却液喷管37向钻孔位21置处喷射，从而对钻孔处进行降温以及减少钻头35在钻孔时与岩壁之间的摩擦。

液压凿岩机32上设置有力学检测单元，力学检测单元包括功率传感器、钻速传感器、扭矩传感器、压力传感器、激光位移传感器以及振动传感器。其中，功率传感器设置在动力机构33内，用于检测动力机构33的输出功率；钻速传感器设置在钻杆34上，用于检测钻杆34的钻速；扭矩传感器设置在钻杆34上，用于检测钻杆34的扭矩；压力传感器设置在钻杆34上，用于检测钻压；激光位移传感器设置在钻杆34上，用于检测钻杆34沿器长度方向运动的距离；振动传感器设置在钻杆34上，用于检测钻杆34在钻孔时产生的振动。通过功率传感器、钻速传感器、扭矩传感器、压力传感器、激光位移传感器以及振动传感器以便于获取随钻参数，便于后续并通过随钻参数分析得到以岩体强度和变形模量为主的力学特性。

参照图2，沿安装座一31的轴线方向固设有若干支撑板38，钻杆34插接在支撑板38中间位置处，支撑板38对钻杆34起到一定程度的减震和支撑作用。

参照图7、图8，安装座二41上滑移连接有滑移座42，滑移座42沿安装座二41的长度方向滑移。滑移座42远离安装座二41的一侧罩设有防护罩43，防护罩43固设在滑移座42上靠近舵机6的位置处。防护罩43靠近钻头35的一端开口设置，并且开口位置处固设有连接轴，连接轴上转动连接有防护门一44，连接轴两端套设有扭簧一，扭簧一一端与连接轴固接，扭簧一另一端与防护门一44固接。孔壁清洁单元4还包括吹风机45和吸尘管道46，滑移座42上滑移连接有滑移小车一47和滑移小车二48，二者结构相同，且均沿滑移座42的长度方向滑移。吹风机45设置在滑移小车一47上，吹风机45的出风口朝向钻孔处，使用吹风机45对监测孔内壁吹送热风，从而加快冷却液的蒸发浓缩，以使监测孔内壁干燥。吸尘管道46设置在滑移小车二48上，吸尘管道46尾部延伸至防尘罩外部，并连接吸尘装置。

对监测孔内壁进行清洁时，首先，使安装座二41沿转动弯板2的长度方向滑移，向检测孔深部延伸。使滑移小车一47带动吹风机45沿滑移座42的长度方向滑移至防护罩43外部，之后使滑移座42沿安装座二41的长度方向滑移，从而使滑移座42带动吹风机45沿监测孔的轴向运动，并在滑移过程中实现对监测孔内壁的烘干，以便于后续对灰尘、碎石等的处理。将监测孔内壁烘干后，使滑移小车一47带动吹风机45回到防护罩43内，并使滑移小车一47带动吸尘管道46沿监测孔的轴向运动，以对监测孔内壁的碎石、灰尘等进行吸取，碎石灰尘等沿吸尘管道46收集在吸尘装置中。

并且，当滑移小车一47或滑移小车二48驶出防护罩43时，将防护门一44向上顶起，使防护门一44围绕连接轴向上翻转，完全驶出防护罩43后，由于扭簧一的作用，使得防护门一44复位。同样，当滑移小车一47或滑移小车二48驶入防护罩43内时，也可实现向将防护门一44顶起、再使防护门一44复位。在钻孔时，防护罩43和防护门一44共同将滑移小车一47和滑移小车二48罩设起来，避免钻设过程中碎石等掉落到吹风机45和吸尘管道46内，对二者进行保护。

参照图7、图9，安装座三5上滑移连接有滑移小车三53，滑移小车三53沿安装座三5的长度方向滑移。滑移小车三53上开设有两个容纳槽一54，两个容纳槽一54分别设置在滑移小车三53上相垂直的两个侧面上，两个容纳槽一54内均铰接有套管55，地应力传感器51沿套管55的轴向滑移，并在套管55内固设有驱动气缸，驱动气缸的活塞杆端部与地应力传感器51的尾部固接。容纳槽一54开口处固接有转轴一，转轴一上转动连接有防护门二56，转轴一两端套设有扭簧二，扭簧二一端与转轴一固接，扭簧二另一端与防护门二56固接。滑移小车三53上与转动弯板2相对的一侧开设有容纳槽二57，容纳槽二57平行于容纳槽一54设置，高清钻孔成像仪52与容纳槽二57内壁铰接。容纳槽二57开口处固接有转轴二，转轴二上转动连接有防护门三58，转轴二两端套设有扭簧三，扭簧三一端与转轴二固接，扭簧三另一端与防护门三58固接。

对监测孔内的地应力参数进行采集时，首先，使安装座三5沿转动弯板2的长度方向向监测孔深处运动，并使套管55围绕铰接点转动九十度，两个地应力传感器51的检测端指向监测孔内壁，使小车停在需要检测的位置处，并使驱动气缸的活塞杆伸长，将地应力传感器51向监测孔内壁推动，使地应力传感器51的检测端抵接在监测孔内壁，以对监测孔内的地应力进行检测，并将检测到的地应力参数传输至控制器内。然后，使气缸的活塞杆收缩，带动地应力传感器51收回，并使套管55围绕铰接点回转九十度，将两个地应力传感器51收回至容纳槽一54内。之后，使高清钻孔成像仪52围绕铰接点转动九十度，使高清钻孔成像仪52端部指向监测孔内壁，在滑移小车三53的带动下，使高清钻孔成像仪52沿监测孔的轴向滑移，并在滑移的过程对监测孔内壁图像进行收集并传输至控制器内。

并且，当地应力传感器51和高清钻孔成像仪52围绕铰接点转动时，将防护门二56和防护门三58向外顶起，当地应力传感器51和高清钻孔成像仪52围绕铰接点转动至容纳槽二57和容纳槽三内后，防护门二56和防护门三58在扭簧二和扭簧三的带动下重新盖设在开口处，以使容纳槽二57和容纳槽三再次密闭，以对地应力传感器51和高清钻孔成像仪52进行保护。

本申请实施例一一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备的实施原理为：

参照图10，使用凿岩台车1对岩壁钻设监测孔时，首先，推动梁向岩壁方向运动，至定位块12与岩壁抵接，从而固定钻孔位21置。动力机构33驱动钻杆34一边转动、一边向钻孔深处钻进，带动钻头35钻设监测孔。与此同时，冷却液沿冷却液喷管37向钻孔位21置处喷射，从而对钻孔处进行降温以及减少钻头35在钻孔时与岩壁之间的摩擦。并且，通过力学检测单元获取随钻参数，以便于后续通过随钻参数进行岩体力学性能分析，获得岩体强度C1(包括单轴抗压强度D1、抗剪强度D2、三轴强度D3)、变形模量C2。

然后，再次使舵机6的输出轴转动，通过舵机6带动转动弯板2转动，至孔壁清洁位22正对监测孔。首先，使安装座二41沿转动弯板2的长度方向滑移，向检测孔深部延伸。使滑移小车一47带动吹风机45沿滑移座42的长度方向滑移至防护罩43外部，之后使滑移座42沿安装座二41的长度方向滑移，从而使滑移座42带动吹风机45沿监测孔的轴向运动，并在滑移过程中实现对监测孔内壁的烘干，以便于后续对灰尘、碎石等的处理。将监测孔内壁烘干后，使滑移小车一47带动吹风机45回到防护罩43内，并使滑移小车一47带动吸尘管道46沿监测孔的轴向运动，以对监测孔内壁的碎石、灰尘等进行吸取，碎石灰尘等沿吸尘管道46收集在吸尘装置中。

之后，再次使舵机6的输出轴转动，通过舵机6带动转动弯板2转动，至检测位23正对监测孔。使安装座三5沿转动弯板2的长度方向向监测孔深处运动，并使套管55围绕铰接点转动九十度，两个地应力传感器51的检测端指向监测孔内壁，使小车停在需要检测的位置处，并使驱动气缸的活塞杆伸长，将地应力传感器51向监测孔内壁推动，使地应力传感器51的检测端抵接在监测孔内壁，以对监测孔内的地应力进行检测，并将检测到的地应力参数B2(包括地应力大小C3、地应力方向C4)传输至控制器内。

最后，使气缸的活塞杆收缩，带动地应力传感器51收回，并使套管55围绕铰接点回转九十度，将两个地应力传感器51收回至容纳槽一54内。之后，使高清钻孔成像仪52围绕铰接点转动九十度，使高清钻孔成像仪52端部指向监测孔内壁，在滑移小车三53的带动下，使高清钻孔成像仪52沿监测孔的轴向滑移，并在滑移的过程对监测孔内壁以及矿岩表面的图像进行收集并传输至控制器内。便于后续通过矿岩表面以及监测孔内壁图像，分析得到结构面特性B3(包括产状C5、密度C6、连续性C7、形态C8、充填与胶结C9、张开度C10)。

实施例二

本申请实施例二公开一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采方法。参照图10、11、12，一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采方法采用如下技术方案：

S1，钻设监测孔并获取力学特性B1、地应力参数B2以及结构面特性B3：

首先使用凿岩台车在深部硬岩表面钻设监测孔，并在钻设的过程中通过力学检测单元收集随钻参数，将随钻参数输入岩体力学参数模型，通过岩体力学参数模型分析获得力学特性B1，包括岩体强度C1(包括单轴抗压强度D1、抗剪强度D2、三轴强度D3)和变形模量C2。

之后，对监测孔内壁进行清洁，以暴露完整清晰的监测孔内壁形态，便于后续检测。

清洁完成后，依次通过地应力传感器和高清钻孔成像仪对监测孔进行检测。其中，通过地应力传感器收集地应力参数B2(包括地应力大小C3、地应力方向C4)；通过高清钻孔成像仪收集矿岩表面以及监测孔内壁图像，并采用图像处理对收集到的图像进行分析处理，得到矿岩的结构面特性B3(产状C5、密度C6、连续性C7、形态C8、充填与胶结C9、张开度C10)。

S2，建立矿岩全信息数字孪生模型：

根据S1中得到的力学特性B1、地应力参数B2以及结构面特性B3，联合数字图像处理、计算机视觉、深度学习技术，通过VR技术建立矿岩全信息数字孪生模型。

矿岩全信息数字孪生模型包括：

矿山地质模型，在矿山三维模型的基础上，对矿体的力学特性B1、地应力参数B2以及结构面特性B3进行展示，便于工作人员更加直观地得到矿体数据。

矿山工程模型，包括矿山开采方案单元和矿山设备管理单元。矿山开采方案单元用于展示数字信息共享决策平台对开采方案的选择(包括切削破岩、滚压破岩、冲击破岩或者水射流破岩)。矿山设备管理单元包括凿岩台车、纵轴悬臂式掘进机以及横轴悬臂式掘进机的三维模型，并显示凿岩台车上力学检测单元获得的数据、纵轴悬臂式掘进机以及横轴悬臂式掘进机的刀具尺寸、刀具间距、切割角度、切割深度、切割速度、切割路径等数据，便于工作人员更加直观地掌握矿山工程数据。

S3，构建深部硬岩可切割性表征模型：

深部硬岩的可切割性参数包括力学特性B1、地应力参数B2以及结构面特性B3。根据S1获得的数据，对矿岩分别进行力学特性B1、地应力参数B2以及结构面特性B3评价，并将评价结果在矿岩三维模型上进行展示，形成深部硬岩可切割性表征模型。

力学特性B1评价等级划分标准可采用如下方式列出：

其中，a1-a4、b1-b4均为设定的具体边界值，A1-A3、B1-B3、C1-C3、D1-D3数值分别为3、6、9。(即A1-3分，A2-6分，A3-9分；B1-3分，B2-6分，B3-9分；C1-3分，C2-6分，C3-9分；D1-3分，D2-6分，D3-9分)

地应力参数B2评价等级划分标准可采用如下方式列出：

其中，a1-a2、b1-b2均为设定的具体边界值，A1-A3、B1-B3数值分别为3、6、9。(即A1-3分，A2-6分，A3-9分；B1-3分，B2-6分，B3-9分)

结构面特性B3评价等级划分标准可采用如下方式列出：

其中，a1-a6、b1-b6均为设定的具体边界值，A1-A3、B1-B3、C1-C3、D1-D3、E1-E3、F1-F3数值分别为3、6、9。(即A1-3分，A2-6分，A3-9分；B1-3分，B2-6分，B3-9分；C1-3分，C2-6分，C3-9分；D1-3分，D2-6分，D3-9分；E1-3分，E2-6分，E3-9分；F1-3分，F2-6分，F3-9分)

S4，根据S3得到的评价结果，对硬岩可切割性进行综合评价：

根据S3中得到的评价结果，通过可切割性评价系统对硬岩可切割性进行综合评价，即对可切割性进行评分和分级，可形成以下评分表：

其中，F1、G1、H1、I1、J1、K1、L1、M1均为设定的评分边界值，F1设为15分,G1设为21分，H1设为24分，I1设为30分，J1设为33分，K1设为39分，L1设为42分，M1设为45分。

并将分级结果对应显示在矿岩三维模型中。通过基于物联网技术的数字信息共享决策平台决策进行步骤S5(可切割性评价等级在Ⅰ-Ⅲ级)或直接进行S6(可切割性评价等级在Ⅳ级)。

S5，进行矿岩原位诱变改性：

可切割性评价等级在Ⅰ-Ⅲ级时，根据S4中得到的可切割性评分结果，通过基于物联网技术的数字信息共享决策平台指导硬岩原位诱变改性措施，之后，通过S1-S4对原位诱变改性后的矿岩再次进行可切割性评价。

其中，实施硬岩原位诱变改性的具体步骤参照图12，首先，通过开挖采准巷道、切割巷道等诱导工程增加岩体临空面数量，引导应力释放产生首先应力较低和裂纹发育的松动区；如果松动区不达标，则通过预钻孔或者预切槽等人为诱导缺陷解除临空面岩体内的受限应力；如果仍不达标，则在钻孔中注入高压脉冲水射流进行压裂，创造自由面和补充空间，从而提高矿岩的可切割性。

S6，进行机械化开采：

可切割性评价等级在Ⅳ级，直接进行机械化开采。并根据S4中得到的可切割性得分或S5原位诱变改性后的可切割性得分，通过数字信息决策平台指导选择破岩机械(纵轴悬臂式掘进机、横轴悬臂式掘进机)、以及破岩机械的破岩参数(刀具尺寸、刀具间距、切割角度、切割深度、切割深度、切割速度、切割路径等数据)以达到连续开采的目的。

S7，结合破岩效果及施工环境监测与评价对可切割性评价结果进行实时更新，并循环进行S4-S7：

针对S6中机械化开采的破岩效果和施工环境，进行实时监测和评价，评价指标包括破岩比能、产生粉尘浓度、破碎岩石块度、破岩效率以及成巷质量，并将监测数据和评价结果反馈至可切割性评价系统中，对硬岩可切割性评分和分级结果进行实时更新。并根据可切割性评分结果循环进行S4-S7步骤，直至实现深部硬岩矿体的安全高效开采。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备，包括凿岩台车(1)，其特征在于：所述凿岩台车(1)包括：

推进梁(11)，用于固定钻孔位(21)置，用于固定钻孔位(21)置，所述推进梁(11)端部设置有定位块(12)，定位块(12)与岩壁抵接或脱离；

转动弯板(2)，内壁与推进梁(11)外壁贴合，并围绕推进梁(11)的中心线转动，所述转动弯板(2)周向设置有钻孔位(21)、孔壁清洁位(22)以及检测位(23)；

钻进单元(3)，设置在钻孔位(21)，用于钻设监测孔，所述钻进单元(3)包括钻杆(34)、连接在钻杆(34)上的钻头(35)以及驱动钻杆(34)运动的驱动件；

力学检测单元，用于检测并输出随钻参数；

孔壁清洁单元(4)，设置在孔壁清洁位(22)，用于清洁监测孔；

两个地应力传感器(51)，设置在检测位(23)，两个地应力传感器(51)相互垂直设置，并且均沿推进梁(11)的长度方向滑移，用于检测并输出监测孔相互垂直两个内壁的地应力参数；

一个高清钻孔成像仪(52)，设置在检测位(23)，用于检测并输出监测孔处岩壁图像，所述高清钻孔成像仪(52)沿推进梁(11)的长度方向滑移。

2.根据权利要求1所述的一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备，其特征在于：所述孔壁清洁单元(4)包括：

吹风机(45)，沿转动弯板(2)的轴向滑移，用于向监测孔内喷吹热风；

吸尘管道(46)，沿转动弯板(2)的轴向滑移，用于吸收监测孔内的碎石，端部连接吸尘装置。

3.根据权利要求2所述的一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备，其特征在于：包括：

安装座二(41)，安装座二(41)沿转动弯板(2)的轴向滑移，安装座二(41)上罩设有防护罩(43)，防护罩(43)靠近钻头(35)的一端开口设置并固接有连接轴，连接轴上转动连接有防护门一(44)，连接轴上套设有扭簧一，扭簧一一端与连接轴固接，扭簧一另一端与防护门一(44)固接；

滑移小车一(47),吹风机(45)固设在滑移小车一(47)上，滑移小车一(47)沿安装座二(41)的长度方向滑移；

滑移小车二(48)，吸尘管道(46)固设在滑移小车二(48)上，滑移小车二(48)沿安装座二(41)的长度方向滑移。

4.根据权利要求1所述的一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备，其特征在于：包括：

安装座三(5)，设置在检测位(23)处，并沿转动弯板(2)轴向滑移；

滑移小车三(53)，沿安装座三(5)的长度方向滑移，所述滑移小车三(53)上开设有两个容纳槽一(54)，地应力传感器(51)与容纳槽一(54)内壁铰接，容纳槽一(54)开口处固接有转轴一，转轴一上转动连接有防护门二(56)，转轴一上套设有扭簧二，扭簧二一端与转轴一固接，扭簧二另一端与防护门二(56)固接；

容纳槽二(57)，所述容纳槽二(57)开设在滑移小车三(53)内，高清钻孔成像仪(52)与容纳槽二(57)内壁铰接，容纳槽二(57)开口处固接有转轴二，转轴二上转动连接防护门三(58)，转轴二上套设有扭簧三，扭簧三一端与转轴二固接，扭簧三另一端与防护门三(58)固接。

5.根据权利要求4所述的一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备，其特征在于：

所述地应力传感器(51)端部套设有套管(55)，套管(55)外壁与容纳槽一(54)内壁铰接，套管(55)内固设有驱动气缸，驱动气缸的活塞杆端部固设在地应力传感器(51)端部。

6.根据权利要求1所述的一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备，其特征在于：

所述钻进单元(3)包还包括动力机构(33)，动力机构(33)用于为钻杆(34)提供动力；

所述力学检测单元包括：

功率传感器，设置在动力机构(33)内，用于检测动力机构(33)的输出功率；

钻速传感器，设置在钻杆(34)上，用于检测钻杆(34)的钻速；

扭矩传感器，设置在钻杆(34)上，用于检测钻杆(34)的扭矩；

压力传感器，设置在钻杆(34)上，用于检测钻压；

激光位移传感器，设置在钻杆(34)上，用于检测钻杆(34)沿其长度方向运动的距离；

振动传感器，设置在钻杆(34)上，用于检测钻杆(34)在钻孔时产生的振动。

7.根据权利要求1所述的一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备，其特征在于：

包括：

舵机(6)，固设在推进梁(11)上，舵机(6)的输出轴端部固接有连接杆(61)，连接杆(61)沿推进梁(11)的径向设置，连接杆(61)与转动弯板(2)之间固接。

8.根据权利要求1所述的一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备，其特征在于：

包括：

从动齿轮(62)，转动连接在推进梁(11)上，并沿推进梁(11)的轴向均匀分布；

连接弯板(63)，固接在转动弯板(2)内壁，并与从动齿轮(62)相互啮合。

9.一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采方法，包括以下步骤：

钻设监测孔并获取力学特性B1、地应力参数B2以及结构面特性B3；

根据力学特性B1、地应力参数B2、结构面特性B3联合数字图像处理、计算机视觉、深度学习技术，通过VR技术建立矿岩全信息数字孪生模型；

根据力学特性B1、地应力参数B2、结构面特性B3构建深部硬岩可切割性表征模型；

根据深部硬岩可切割性表征模型，对硬岩可切割性进行综合评价，如果可切割性综合评价高，则直接进行机械化开采，如果可切割性综合评价较低，则先进行矿岩原位诱变改性，再进行机械化开采；

并结合破岩效果以及施工环境监测与评价对可切割性评价结果进行实时更新，根据更新后的可切割性评价结果，通过数字信息共享决策平台再次对破岩方式进行决策。

10.根据权利要求9所述的一种深部硬岩原位诱变改性机械化开采设备及方法，其特征在于：

所述矿岩全信息数字孪生模型包括：

矿山地质模型，在矿山三维模型的基础上，对矿体的力学特性B1、地应力参数B2以及结构面特性B3进行展示；

矿山工程模型，包括矿山开采方案单元和矿山设备管理单元。