WO2018103324A1 - 基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级的随钻探测装置及方法 - Google Patents

基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级的随钻探测装置及方法 Download PDF

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drilling
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郑西贵
安铁梁
毛世杰
郜志强
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中国矿业大学
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    • E21B49/003—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells by analysing drilling variables or conditions

Definitions

  • the invention relates to a drilling range detecting device and method for rock mass quality of a roadway roof based on a laser range finder, and is particularly suitable for collecting geological information using a rock roof structure development and hardness change of a mine roof, and belongs to the technology of mine roadway support. field.
  • the basic method is to use geologic core drilling to coring the rock mass of the roadway roof and calculate the rock in the laboratory.
  • the BQ value of the basic quality index of the body is based on the BQ value to classify the rock mass of the roof rock mass.
  • this method takes a long time and costs, and the geological drilling rig is also large in size, which is not suitable for use in the heading face. Therefore, it is urgent to propose a method that can be applied to the working environment of coal mine roadway to quickly and accurately determine the basic quality grade of the roof rock mass.
  • the present invention is based on a laser range finder based on the rock mass quality level of the roadway roof, including a pulse laser range finder, a roof reflector, a fastening device and a single anchor
  • the drilling rig wherein the single anchor rig is vertically disposed on the floor of the roadway, and the anchor is vertically drilled into the roof of the roadway, and the pulsed laser range finder is set on the single anchor rig by the fastening device and points to the roof of the roadway, and the roof is reflected
  • the device is disposed at a position corresponding to the pulsed laser range finder at the top of the roadway.
  • the pulsed laser range finder is fixed at a fixed time, and the distance between the reflector and the reflector of the top plate is measured, thereby obtaining the distance of the drilling of the single anchor rig in a fixed interval, and recording and storing, the pulse laser range finder
  • the top reflector has an inverted funnel shape, the top end of the reflector is a closed structure, the bottom small hole has a diameter of 45 mm, and the top reflector is fixed to the top plate by using an M6 ⁇ 55 expansion bolt.
  • One side of the fastening device is fastened by a flange connection, and the other end is provided with a placing box for placing a pulsed laser range finder.
  • the top of the box is an inverted funnel structure, and the diameter of the bottom of the funnel structure is 2mm.
  • a method for detecting the quality of a rock mass of a roadway roof based on a laser range finder comprising the following steps:
  • the comparative analysis is carried out to determine the roadway top plate. Test the basic quality grade of the roof rock mass within the borehole range.
  • the unit fixed interval time for recording the drilling distance of the single anchor drill rig is 3 s, 4 s or 5 s.
  • the method is based on the basic quality grade of the roof rock mass, combined with the drilling process in the construction of the anchor support technology, and uses the pulsed laser range finder and the roof reflector to measure the drilling distance of the roof drilling in a fixed interval time, and realizes the top plate.
  • the basic quality grade I to V of the roof rock stratum is detected, and the “displacement-drilling speed” curve in the borehole is obtained.
  • the curve and the established rock mass quality grading standard of the mine I
  • the comparative analysis of the rock mass velocity standard library of ⁇ V grade can quantitatively determine the basic quality grade of each rock mass within the borehole range, and adjust the parameters of anchorage support in time according to the change of the basic quality grade of the local rock stratum in the roof of the roadway.
  • To prevent the situation of insufficient support performance due to the unclear basic quality grade of the local roof in the construction process to ensure the stability of the roadway to the maximum extent, reduce the occurrence of roof accidents, and provide support for safe, efficient and rapid excavation under complex geological conditions. Condition; this method is simple in equipment and convenient in operation, and can realize real-time and continuous operation on the roof in the roadway construction process. Drilling probe, especially for a large change in hardness conditions Roof Rock.
  • Figure 1 is a schematic plan view showing a planar arrangement of the present invention
  • Figure 2 is a schematic view of a top plate reflector of the present invention
  • Figure 3 is a diagram of the borehole displacement-drilling speed curve of the present invention.
  • 1-pulse laser range finder 2-top reflector; 3-fastening device; 4-hydraulic anchor rig; 5-way top plate; 6-lane floor.
  • the laser-based range finder-based rocker quality class of the roadway roof is provided with a pulse-type laser range finder, a top plate reflector 2, a fastening device 3 and a single anchor.
  • the drilling machine 4 wherein the single anchor drilling rig 4 is vertically disposed on the roadway bottom plate 6, and the anchor rod is vertically drilled into the roadway top plate 5, and the pulsed laser range finder 1 is disposed on the single anchor drilling rig 4 by using the fastening device 3.
  • one side of the fastening device 3 is fastened by a flange connection, and the other end is provided with a placing box for placing the pulsed laser range finder 1,
  • the top of the box is an inverted funnel structure,
  • the diameter of the bottom of the funnel structure is 2 mm;
  • the top reflector 2 is disposed at a position corresponding to the pulsed laser range finder 1 of the roadway top plate 5, as shown in FIG. 2, the structure of the top reflector 2 is inverted.
  • Funnel shape, the top of the reflector is closed structure, the diameter of the bottom hole is 45mm, and the top reflector is fixed on the top plate with M6 ⁇ 55 expansion bolts.
  • the pulsed laser range finder 1 is fixed at fixed time, measurement and The distance between the top reflectors 2, from The distance of the single anchor rig 4 drilling in a fixed interval is obtained and recorded and stored.
  • the pulse laser range finder 1 is provided with a communication interface, which is convenient for connection with a computer, and rapidly generates "displacement-drilling speed" by using a computer. curve.
  • the range of drilling speed of the bolt drill in each rock body can be obtained.
  • the drilling distance can be recorded every 3s according to the pulse laser range finder, and the average drilling speed of the anchor rig in 3s is obtained.
  • the anchor rig can be drilled into the 3s distance range.
  • the “displacement-drilling speed” map of the entire borehole is generated, which can be used to visually judge the grade of rock mass of the roof plate every 3 s.
  • the drilling distance of the drilling rig in the first 3s is 0.2m
  • the average speed is a.
  • the rock mass quality level within the range of 0.2m can be obtained.
  • the process can be used to derive the rock mass quality rating of the roof in the borehole range.
  • a method for detecting the quality of a rock mass of a roadway roof based on a laser range finder comprising the following steps:
  • the top plate reflector 2 is installed on the top plate 5 of the roadway corresponding to the pulse type laser range finder 1 so that the laser light emitted by the pulse type laser range finder 1 passes through the bottom of the top plate reflector 2 Hole, complete the hole-to-hole process of the pulsed laser range finder 1 and the top plate reflector 2;
  • the comparative analysis is carried out to determine the roof of the roadway. 5 Test the basic quality grade of the roof rock mass within the borehole range.

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Abstract

一种基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级的随钻探测装置及方法，装置包括脉冲式激光测距仪(1)、顶板反射器(2)、紧固装置(3)和单体锚杆钻机(4)；其中，单体锚杆钻机(4)垂直设置在巷道底板(6)上，并将锚杆垂直钻入巷道顶板(5)，脉冲式激光测距仪(1)利用紧固装置(3)设置在单体锚杆钻机(4)上并指向巷道顶板(5)，顶板反射器(2)设置在巷道顶板(5)与脉冲式激光测距仪(1)相对应的位置；针对顶板岩体基本质量等级的问题，结合锚固支护技术中的凿孔工序，使用脉冲式激光测距仪和顶板反射器测得固定间隔时间内顶板钻孔的钻进距离，得到钻孔内的"位移—钻速"曲线，将该曲线与已建立的岩体质量分级标准Ⅰ～Ⅴ级的岩体钻速标准库进行对比分析，定量得出钻孔范围内的各岩体的基本质量等级，从而实现在巷道施工过程中对顶板实时、连续的随钻探测，适用于巷道顶板岩层硬度变化较大的条件。

Description

[根据细则26改正13.09.2017]　基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级的随钻探测装置及方法 技术领域
本发明涉及一种基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级随钻探测装置及方法，尤其适用于采集矿山顶板岩层构造发育、硬度变化较大的地质信息使用，属于矿山巷道支护的技术领域。
背景技术
巷道在掘进施工时，局部顶板岩体基本质量等级发生较大变化，质量高、稳定性好的岩体，不需要或只需要很少的加固支护措施，就可以保证工程施工和使用的安全；质量差、稳定性不好的岩体，常常会给工程的施工和使用带来诸多的安全隐患，甚至会在巷道的施工和使用过程中出现顶板灾害，需要采取复杂加固支护措施来保证巷道施工和使用的安全。因此，在巷道支护掘进过程中，准确而及时地进行岩体基本质量等级的判断，对于保证巷道顶板稳定和安全具有十分重要的意义。
目前对巷道顶板岩体基本质量等级的判定方法研究较少，按照国标的《工程岩体分级标准》，基本方法是使用地质岩心钻，对巷道顶板岩体进行取心，在实验室计算出岩体的基本质量指标BQ值，根据BQ值对顶板岩体进行岩体基本质量分级，但这种方法耗时长、费用高，地质钻机的体型也较大，不适合在掘进工作面使用。因此亟需提出一种能够适用于煤矿巷道工作环境，快速、准确判定顶板岩体基本质量等级的方法。
发明内容
技术问题：针对上述技术问题，提供一种结构简单，使用方便，解决掘进工作面顶板局部岩性变化导致支护不当问题，并通过快速判定局部顶板的岩体的基本质量等级，及时调整支护方式和支护参数，实现安全快速的掘进巷道的基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级随钻探测装置及方法。
技术方案：为实现上述技术问题，本发明的基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级的随钻探测装置，包括脉冲式激光测距仪、顶板反射器、紧固装置和单体锚杆钻机；其中单体锚杆钻机垂直设置在巷道底板上，并将锚杆垂直钻入巷道顶板，脉冲式激光测距仪利用紧固装置设置在单体锚杆钻机上并指向巷道顶板，顶板反射器设置在巷道顶板与脉冲式激光测距仪相对应的位置。
所述的脉冲式激光测距仪间隔固定时间，测量与顶板反射器之间的距离，从而获得单位固定间隔时间内单体锚杆钻机钻进的距离并进行记录存储，脉冲式激光测距仪上设有通信接口，便于与电脑连接，利用计算机快速生成“位移—钻速”曲线。
所述的顶板反射器的结构为倒立的漏斗形，反射器的顶端为封闭结构，底部小孔的直径为45mm，顶板反射器使用M6×55的膨胀螺栓固定在顶板上。
所述的紧固装置的一侧以法兰连接形式紧固，另一端设有用于放置脉冲式激光测距仪的放置盒，盒子的顶部是倒立的漏斗结构，漏斗结构底部的孔口直径为2mm。
一种基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级的随钻探测方法，包括如下步骤：
a.建立该矿的岩体质量等级为I～V级的钻速标准库：在该矿同煤层巷道中，在顶板选取采样点，在采样点20m范围内钻取不同层位岩石并按照《煤与岩石物理力学性质测定方法》组合加工成标准试样，得到质量等级为I～V级的岩体试样，利用矿山锚杆钻机及钻头对I～V级的岩体试样进行钻进实验，分别得到岩体质量等级为I～V级的岩体钻速标准库；
b.利用紧固装置将脉冲式激光测距仪安装到单体锚杆钻机的机身中部，将单体锚杆钻机布置在锚杆钻孔处，并根据需要钻孔的位置及激光测距仪的光路，在巷道顶板上与脉冲式激光测距仪对应处安装顶板反射器，使脉冲式激光测距仪发射的激光正好穿过顶板反射器底部的小孔，完成脉冲式激光测距仪和顶板反射器的对孔工序；
c.启动单体锚杆钻机，在单体锚杆钻机钻进过程中，使用脉冲式激光测距仪按固定的间隔时间记录单体锚杆钻机钻杆的钻进距离，在钻进过程中根据需要加长钻杆，钻进距离按次序累加加长钻杆的长度；
d.根据脉冲式激光测距仪获得的钻杆钻进距离数据与该矿的岩体试样质量级别为I～V级的岩体钻速标准库进行对比分析，从而测定得出巷道顶板上测试钻孔范围内的顶板岩体基本质量等级。
所述记录单体锚杆钻机钻杆的钻进距离的单位固定间隔时间为3s、4s或者5s。
有益效果
本方法针对顶板岩体基本质量等级，结合锚固支护技术施工中的凿孔工序，使用脉冲式激光测距仪和顶板反射器测得固定间隔时间内顶板钻孔的钻进距离，实现在顶板施工锚杆或锚索过程中完成顶板岩层基本质量等级I～V级的探测，得到钻孔内的“位移—钻速”曲线，将该曲线与该矿已建立的岩体质量分级标准：Ⅰ～Ⅴ级的岩体钻速标准库进行对比分析，可以定量得出钻孔范围内的各岩体的基本质量等级，根据巷道顶板中局部岩层的基本质量等级的变化及时调整锚固支护的参数，防止在施工过程中因为局部顶板的岩层基本质量等级不明而导致支护效能不足的状况，最大限度保障巷道稳定，减少冒顶事故的发生，为实现在复杂地质条件下的安全高效快速掘进提供支撑条件；此方法设备简单，操作方便，能够实现在巷道施工过程中对顶板实时、连续的随钻探测，尤其适用于巷道顶板岩层硬度变化较大的条件。
附图说明
图1为本发明的平面布置结构示意图；
图2为本发明的顶板反射器的示意图；
图3位本发明的钻孔位移—钻速曲线图。
图中：1－脉冲式激光测距仪；2－顶板反射器；3－紧固装置；4－液压锚杆钻机；5－巷道顶板；6－巷道底板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施实例作进一步的描述：
如图1所示，本发明的基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级的随钻探测装置，包括脉冲式激光测距仪1、顶板反射器2、紧固装置3和单体锚杆钻机4；其中单体锚杆钻机4垂直设置在巷道底板6上，并将锚杆垂直钻入巷道顶板5，脉冲式激光测距仪1利用紧固装置3设置在单体锚杆钻机4上并指向巷道顶板5，所述的紧固装置3的一侧以法兰连接形式紧固，另一端设有用于放置脉冲式激光测距仪1的放置盒，盒子的顶部是倒立的漏斗结构，漏斗结构底部的孔口直径为2mm；顶板反射器2设置在巷道顶板5与脉冲式激光测距仪1相对应的位置，如图2所示，所述的顶板反射器2的结构为倒立的漏斗形，反射器的顶端为封闭结构，底部小孔的直径为45mm，顶板反射器使用M6×55的膨胀螺栓固定在顶板上，所述的脉冲式激光测距仪1间隔固定时间，测量与顶板反射器2之间的距离，从而获得单位固定间隔时间内单体锚杆钻机4钻进的距离并进行记录存储，脉冲式激光测距仪1上设有通信接口，便于与电脑连接，利用计算机快速生成“位移—钻速”曲线。
建立该矿山的岩体质量等级为I～V级的岩体钻速标准库后，可以得出锚杆钻机在每种岩体内地钻进速度范围值。实测中可以根据脉冲式激光测距仪每隔3s时间记录钻进距离，得出锚杆钻机在3s时间内的平均钻进速度，通过与标准库进行对比，可知锚杆钻机钻进3s距离范围内的顶板岩体质量等级。生成整个钻孔的“位移—钻速”图，可以比较直观的判断出每隔3s钻进距离内的顶板的岩体质量的等级。如图3所示，钻机第一个3s时间内的钻进距离是0.2m，平均速度是a，根据岩体钻速标准库，可以得出钻孔0.2m范围内的岩体质量等级，循环过程可以得出钻孔范围内顶板的岩体质量等级。
一种基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级的随钻探测方法，包括如下步骤：
a.建立该矿的岩体质量等级为I～V级的钻速标准库：在该矿同煤层巷道中，在顶板选取采样点，在采样点20m范围内钻取不同层位岩石并按照《煤与岩石物理力学性质测定方法》组合加工成标准试样，得到质量等级为I～V级的岩体试样，利用矿山锚杆钻机及钻头对I～V级的岩体试样进行钻进实验，分别得到岩体质量等级为I～V级的岩体钻速标准库；
b.利用紧固装置3将脉冲式激光测距仪1安装到单体锚杆钻机4的机身中部，将单体锚杆钻机4布置在锚杆钻孔处，并根据需要钻孔的位置及激光测距仪的光路，在巷道顶板5上与脉冲式激光测距仪1对应处安装顶板反射器2，使脉冲式激光测距仪1发射的激光正好穿过顶板反射器2底部的小孔，完成脉冲式激光测距仪1和顶板反射器2的对孔工序；
c.启动单体锚杆钻机4，在单体锚杆钻机4钻进过程中，使用脉冲式激光测距仪1按固定的间隔时间记录单体锚杆钻机4钻杆的钻进距离，所述记录单体锚杆钻机4钻杆的钻进距离的单位固定间隔时间为3s、4s或者5s；在钻进过程中根据需要加长钻杆，钻进距离按次序累加加长钻杆的长度；
d.根据脉冲式激光测距仪1获得的钻杆钻进距离数据与该矿的岩体试样质量级别为I～V级的岩体钻速标准库进行对比分析，从而测定得出巷道顶板5上测试钻孔范围内的顶板岩体基本质量等级。

Claims (6)

  1. 一种基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级的随钻探测装置，其特征在于：它包括脉冲式激光测距仪(1)、顶板反射器(2)、紧固装置(3)和单体锚杆钻机(4)；其中单体锚杆钻机(4)垂直设置在巷道底板(6)上，并将锚杆垂直钻入巷道顶板(5)，脉冲式激光测距仪(1)利用紧固装置(3)设置在单体锚杆钻机(4)上并指向巷道顶板(5)，顶板反射器(2)设置在巷道顶板(5)与脉冲式激光测距仪(1)相对应的位置。
  2. 根据权利要求1所述基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级的随钻探测装置，其特征在于：所述的脉冲式激光测距仪(1)间隔固定时间，测量与顶板反射器(2)之间的距离，从而获得单位固定间隔时间内单体锚杆钻机(4)钻进的距离并进行记录存储，脉冲式激光测距仪(1)上设有通信接口，便于与电脑连接，利用计算机快速生成“位移—钻速”曲线。
  3. 根据权利要求1所述基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级的随钻探测装置，其特特征在于：所述的顶板反射器(2)的结构为倒立的漏斗形，反射器的顶端为封闭结构，底部小孔的直径为45mm，顶板反射器使用M6×55的膨胀螺栓固定在顶板上。
  4. 根据权利要求1所述基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级的随钻探测装置，其特特征在于：所述的紧固装置(3)的一侧以法兰连接形式紧固，另一端设有用于放置脉冲式激光测距仪(1)的放置盒，盒子的顶部是倒立的漏斗结构，漏斗结构底部的孔口直径为2mm。
  5. 一种使用权利要求1所述装置的基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级的随钻探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
    a.建立该矿的岩体质量等级为I～V级的钻速标准库：在该矿同煤层巷道中，在顶板选取采样点，在采样点20m范围内钻取不同层位岩石并按照《煤与岩石物理力学性质测定方法》组合加工成标准试样，得到质量等级为I～V级的岩体试样，利用矿山锚杆钻机及钻头对I～V级的岩体试样进行钻进实验，分别得到岩体质量等级为I～V级的岩体钻速标准库；
    b.利用紧固装置(3)将脉冲式激光测距仪(1)安装到单体锚杆钻机(4)的机身中部，将单体锚杆钻机(4)布置在锚杆钻孔处，并根据需要钻孔的位置及激光测距仪的光路，在巷道顶板(5)上与脉冲式激光测距仪(1)对应处安装顶板反射器(2)，使脉冲式激光测距仪(1)发射的激光正好穿过顶板反射器(2)底部的小孔，完成脉冲式激光测距仪(1)和顶板反射器(2)的对孔工序；
    c.启动单体锚杆钻机(4)，在单体锚杆钻机(4)钻进过程中，使用脉冲式激光测距仪(1)按固定的间隔时间记录单体锚杆钻机(4)钻杆的钻进距离，在钻进过程中根据需要加长钻杆，钻进距离按次序累加加长钻杆的长度；
    d.根据脉冲式激光测距仪(1)获得的钻杆钻进距离数据与该矿的岩体试样质量级别为I～V级的岩体钻速标准库进行对比分析，从而测定得出巷道顶板(5)上测试钻孔范围内的顶 板岩体基本质量等级。
  6. 根据权利要求5所述基于激光测距仪的巷道顶板岩体质量等级的随钻探测装置，其特特征在于：所述记录单体锚杆钻机(4)钻杆的钻进距离的单位固定间隔时间为3s、4s或者5s。
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