一种煤矿钻孔质量综合动态监控装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿钻孔质量综合动态监控装置，属勘测设备及方法技术领域。

背景技术

在煤层气开采、页岩气、油等开采作用中，钻孔质量对生产工作效率、产量稳定性及钻孔抽采作业工作寿命起着至关重要的作用，同时在建筑物建设施工中，钻孔质量对后续建筑物施工质量也起着至关重要的作用，因此在实际工作中，需要对钻孔质量及状态进行有效的检测作业，为了满足这一需要，当前开发了多种检测设备，如专利申请号为“202123255205.9”的“一种钻孔质量检测工具” 及“201920790729.1”的“一种可收纳的钻孔垂直度检测仪”等检测设备及检测方法，虽然可以一定程度满足检测作业的需要，但设备运行时易收到使用环境因素制约，且转运输送难度大，因此使用的灵活性和通用性均相对较差；同时在运行时，对钻孔检测作业时的数据相对单一，难以有效全面获取钻孔状态数据，且获取数据往往无法同时满足实现快速检测及长期连续检测的需要，因此极易无法有效全面获得钻孔状态数据信息而导致对钻孔工作状态分析判断精度差，同时也无法对钻孔形变状态进行有效的预判。

因此针对这一问题，迫切需要开发一种煤矿钻孔质量综合动态监控装置及使用方法，以满足实际使用的需要。

发明内容

为了解决现有技术上的不足，本发明提供一种煤矿钻孔质量综合动态监控装置及使用方法，该发明结构集成化、模块化程度高，可有效的满足多种使用环境、地质条件下对钻孔质量、状态进行临时检测及场地定点检测，并在检测过程中可全面有效的对钻孔分布方向及深度进行检测的同时，另可对钻孔壁碎裂、塌方、钻孔因地质沉降导致钻孔发生位移形变状态进行精确检测，从而全面获得钻孔质量数据信息。

为了实现上述目的，发明是通过如下的技术方案来实现：

一种煤矿钻孔质量综合动态监控装置，包括操控基座、导向杆、检测环、检测套、驱动电路，其中导向杆为轴向截面呈矩形的空心管状结构，且导向杆至少两条，相邻两导向杆间通过检测套连接并同轴分布，位于最后端的导向杆的后半部分与操控基座间连接，导向杆上另设至少两个沿其轴线分布的检测环，检测环包覆在导向杆外，与导向杆间同轴分布，检测环包括定位套、弹性伸缩柱、硬质环套、压力应变片、定位销，其中定位套为与导向杆同轴分布的空心柱状结构，包覆在导向杆外并与导向杆同轴分布，且定位套与导向杆间通过至少两个定位销相互连接，硬质环套为与定位套同轴分布的圆弧板状结构，硬质环套为3-6个，环绕定位套轴线均布且各硬质环套均通过1条弹性伸缩杆与定位套外表连接，弹性伸缩柱沿定位套半径方法分布，弹性伸缩柱下端面与定位套外表面间通过棘轮机构铰接，上端面与硬质环套下端面连接，且连接接触面处设至少一个压力应变片，驱动电路与操控基座连接，并分别与操控基座、检测环、检测套间电气连接。

进一步的，所述硬质环套外表面设若干与导向杆轴线平行分布的导向槽，及至少一个采样腔，所述采样腔横断面呈导致直角梯形结构，其槽底长度为顶部长度的1/5—1/3，所述采样腔顶部位置设采样防护盖，所述采样防护盖嵌于采样腔顶部并与硬质环套外表面平齐分布，同时采样防护盖后端面与采样腔直角腰对应侧侧壁间铰接，前端端面超出采样腔斜角腰对应的采样腔上端面至少5毫米，且采样腔斜角腰对应的采样腔上端面比采样防护盖下端面低至少5毫米并构成采样口。

进一步的，所述采样防护盖包括基板及刮刀，其中所述基板为与硬质环套同轴分布的圆弧板状结构，基板前端面与刮刀连接，所述刮刀为横断面呈直角梯形、直角三角形中任意一种结构，且其上端面与基板上表面平行分布，下端面与基板下端面呈30°—60°夹角。

进一步的，所述弹性伸缩柱包括定位块、弹性伸缩杆、传动弹簧、压力传感器、滑槽，所述定位块共两个，均为轴向截面呈矩形的柱状结构，两定位块间同轴分布并通过至少两条环绕其轴线均布的弹性伸缩杆相互连接，所述弹性伸缩杆轴线与定位块轴线平行分布，且弹性伸缩杆与定位块外侧面间通过滑槽相互滑动连接，所述传动弹簧位于两定位块之间，与定位块间同轴分布，其两端面分别通过压力传感器与定位块相抵，所述压力传感器与驱动电路电气连接。

进一步的，所述检测套包括连接套轴、连接柱、检测柱、倾角传感器、弯曲传感器、监控摄像头、照明灯、超声波探头、柔性防护罩，所述连接套轴均为轴向截面呈矩形柱状结构，连接套轴共两个，且两连接套轴间同轴分布，其前端面间通过至少一条连接柱相互连接，同时每个连接套轴内均设一个倾角传感器，所述连接柱两端面分别通过弹性铰链与两连接套轴前端面间铰接，所述连接套轴后端面设与其同轴分布的的装配腔，连接套轴通过装配腔包覆在导向杆端面外，装配腔侧壁设两个以装配腔轴线对称分布的安装孔，所述检测柱嵌于装配腔内，其两端通过安装孔与装配腔侧壁连接，且检测柱轴线与装配腔轴线垂直分布并相交，且检测柱对应的导向杆上设与其同轴分布的透孔，检测柱嵌于透孔内并通过透孔与导向杆连接，此外，所述检测柱与装配腔底部间间距为装配腔深度的至少60%，所述检测柱两端均位于连接套轴外并与连接套轴外侧面平齐分布，且检测柱两端端面内均设一个超声波探头，所述连接套轴后端面设两个监控摄像头和一个照明灯，其中照明灯为与连接套轴同轴分布的环状结构，监控摄像头对称分布在连接套轴轴线两侧，其光轴与连接套轴轴线平行分布，所述连接套轴前端面设一个与其同轴分布的透孔，所述弯曲传感器两端分别嵌于两连接套轴内并与检测柱连接，且弯曲传感器与连接套轴轴线平行分布，所述柔性防护罩为与连接套轴同轴分布的空心管状结构，位于两连接套轴之间位置并包覆在两连接套轴外，此外，所述倾角传感器、弯曲传感器、监控摄像头、照明灯、超声波探头均与驱动电路电气连接。

进一步的，所述操控基座包括承载转运平台、伸缩驱动机构、导向座、导向套、角度传感器、转台机构、升降驱动机构、承载机架、驻锄、储物箱及操控台，所述储物箱至少一个并与承载转运平台上端面连接，所述承载机架为轴向截面呈矩形的框架结构，其下端面通过转台机构与承载转运平台前端面铰接，承载机架轴线与水平面呈0°—90°夹角，所述升降驱动机构嵌于承载机架内并与承载机架同轴分布，升降驱动机构上端面位于承载机架上端面外并通过转台机构与导向座下端面铰接，所述导向座为横断面呈“凵”字形槽状结构，导向座内设一个与其轴线平行分布的导向套，所述导向杆后半部嵌于导向套内，与导向套同轴分布并滑动连接，且导向杆后端面与伸缩驱动机构间连接并同轴分布，且伸缩驱动机构与承载转运平台上端面，所述驻锄至少两个，环绕承载机架轴线均布并与承载机架外侧面连接，所述转台机构中，每个转台机构均设至少一个角度传感器，所述承载转运平台、伸缩驱动机构、角度传感器、转台机构、升降驱动机构及驻锄均与驱动电路电气连接，所述驱动电路通过操控台与承载机架外侧面。

进一步的，所述伸缩驱动机构和升降驱动机构为电动伸缩杆、液压伸缩杆、气压伸缩杆、齿轮齿条机构及丝杠机构中的任意一种；所述承载转运平台101为轮式、履带式全地形车中的任意一种。

进一步的，所述驱动电路为基于可编程控制器为基础的电路系统，且驱动电路另设超声波探伤仪、应急驱动电源及串口通讯机构。

基于煤矿钻孔质量综合动态监控装置的钻孔监控方法，包括以下步骤：

S1，设备预制，首先对操控基座、导向杆、检测环、检测套、驱动电路进行组装装配，得到监控装置，并根据待检测钻孔数量设置相应导向杆及与导向杆连接相关设备的数量及结构，然后由操控基座将监控装置转移至待检测钻孔位置，最后对操控基座进行强制定位，同时将驱动电路外部的动力系统间连通，同时在操控基座强制定位中，一方面由承载转运平台的制动系统对承载转运平台进行强制定位 ；另一方面通过转台机构调整承载机架及导向底座与水平面的夹角，同时由升降驱动机构调整导向座高度，使得导向套与待检测钻孔间同轴分布，并在完成调节后通过驻锄对承载机架进行定位；

S2,快速检测作业，S1步骤收，由操控基座的伸缩驱动机构驱动导向套内设置的导向杆插入到钻孔内，并使导向杆的检测环与钻孔孔壁相抵并对导向杆进行支撑，在导向杆插入到钻孔内的过程中，一方面通过检测环设置的压力应变片和压力传感器，对检测环各硬质环套与钻孔孔壁间压力进行检测，初步获得钻孔孔壁结构数据，另一方面通过检测套设置的监控摄像头、照明灯对钻孔内环境及钻孔孔壁结构进行视频拍摄观测、通过超声波探头对钻孔孔壁内裂痕分布状态进行初步检测、通过倾角传感器、弯曲传感器对钻孔轴线方向结构形变状态进行初步检测；从而获得钻孔结构初步检测数据，并由驱动电路汇总传输；

S3，持续观测，完成S2步骤后，当钻孔孔壁发生形变时，一方面由检测套设置的监控摄像头、照明灯对钻孔内环境及钻孔孔壁结构进行视频拍摄观测、通过超声波探头对钻孔孔壁内裂痕分布状态进行检测，并将检测结果输送至驱动电路，由孔壁结构变化对钻孔结构未来状态进行预判；另一方面由检测环设置的压力应变片和压力传感器，对检测环各硬质环套与钻孔孔壁间压力进行检测；同时由检测套的倾角传感器和弯曲传感器对钻孔局部沉降状态进行检测；并将检测结果输送至驱动电路，从而获得当前钻孔实际状态数据。

进一步的，所述S3步骤中，在进行持续检测作业时，可将承载机架与承载转运平台分离，使得承载机架通过驻锄定位满足对导向杆状态强制定位检测作业的需要，同时将承载转运平台转运至其他工作位置，并将承载转运平台储物箱内的备用设备进行再次组装，并返回至S1步骤进行新钻孔检测。

本发明结构集成化、模块化程度高，可有效的满足多种使用环境、地质条件下对钻孔质量、状态进行临时检测及场地定点检测，并在检测过程中可全面有效的对钻孔分布方向及深度进行检测的同时，另可对钻孔壁碎裂、塌方、钻孔因地质沉降导致钻孔发生位移形变状态进行精确检测，从而全面获得钻孔质量数据信息。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明结构示意图；

图2为检测环局部结构示意图；

图3为采样防护盖局部结构示意图；

图4为弹性伸缩柱结构示意图；

图5为检测套局部结构示意图；

图6为本发明使用方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于施工，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1-3所示，一种煤矿钻孔质量综合动态监控装置，包括操控基座1、导向杆2、检测环3、检测套4、驱动电路5，其中导向杆2为轴向截面呈矩形的空心管状结构，且导向杆2至少两条，相邻两导向杆2间通过检测套4连接并同轴分布，位于最后端的导向杆2的后半部分与操控基座1间连接，导向杆2上另设至少两个沿其轴线分布的检测环3，检测环3包覆在导向杆2外，与导向杆2间同轴分布。

本实施例中，所述检测环3包括定位套31、弹性伸缩柱32、硬质环套33、压力应变片34、定位销35，其中定位套31为与导向杆2同轴分布的空心柱状结构，包覆在导向杆2外并与导向杆2同轴分布，且定位套31与导向杆2间通过至少两个定位销35相互连接，硬质环套33为与定位套31同轴分布的圆弧板状结构，硬质环套33为3-6个，环绕定位套31轴线均布且各硬质环套33均通过1条弹性伸缩柱32与定位套31外表连接，弹性伸缩柱32沿定位套31半径方法分布，弹性伸缩柱32下端面与定位套31外表面间通过棘轮机构铰接，上端面与硬质环套33下端面连接，且连接接触面处设至少一个压力应变片34。

本实施例中，所述驱动电路5与操控基座1连接，并分别与操控基座1、检测环3、检测套4间电气连接。

本实施例中，所述硬质环套33外表面设若干与导向杆2轴线平行分布的导向槽331，及至少一个采样腔332，所述采样腔332横断面呈导致直角梯形结构，其槽底长度为顶部长度的1/5—1/3，所述采样腔332顶部位置设采样防护盖333，所述采样防护盖333嵌于采样腔332顶部并与硬质环套33外表面平齐分布，同时采样防护盖333后端面与采样腔332直角腰对应侧侧壁间铰接，前端端面超出采样腔332斜角腰对应的采样腔333上端面至少5毫米，且采样腔333斜角腰对应的采样腔333上端面比采样防护盖333下端面低至少5毫米并构成采样口336。

进一步说明的，所述采样防护盖333包括基板3331及刮刀3332，其中所述基板3331为与硬质环套3同轴分布的圆弧板状结构，基板3331前端面与刮刀3332连接，所述刮刀3332为横断面呈直角梯形、直角三角形中任意一种结构，且其上端面与基板上表面平行分布，下端面与基板3331下端面呈30°—60°夹角。

同时这是的导向槽，可降低硬质环套外侧面与钻孔孔壁间的摩擦力，提高导向杆及导向杆所连接的检测环、检测套在钻孔内伸缩运动时的摩擦力，同时在检测环深入到钻孔内后，通过驱动导向杆旋转，哟导向杆带动检测环同步旋转，在旋转过程中，一方面通过采样防护盖的刮刀对钻孔壁进行切割，并使切割后得到的碎屑落入到采样腔内，实现对钻孔进行地质采样的需；另一方面通过刮刀将基板插入到钻孔孔壁内，实现对检测环进行强制地位，提高导向杆、检测环定位稳定性，从而辅助提高后续对钻孔检测作业时数据获取精度。

重点说明的，所述弹性伸缩柱32包括定位块321、弹性伸缩杆322、传动弹簧323、压力传感器324、滑槽325，所述定位块321共两个，均为轴向截面呈矩形的柱状结构，两定位块321间同轴分布并通过至少两条环绕其轴线均布的弹性伸缩杆322相互连接，所述弹性伸缩杆322轴线与定位块321轴线平行分布，且弹性伸缩杆322与定位块321外侧面间通过滑槽325相互滑动连接，所述传动弹簧323位于两定位块321之间，与定位块321间同轴分布，其两端面分别通过压力传感器324与定位块321相抵，所述压力传感器324与驱动电路5电气连接。

通过设置的弹性伸缩杆及弹性伸缩杆通过花草与定位块间华东连接，实现根据钻孔孔径调整硬质环套位置，从而使得检测环满足多种结构钻孔检测的需要，同时，在弹性伸缩柱受力进行弹性形变时，首先由弹性伸缩柱在受力状态下进行弹性伸缩作业，实现对弹性伸缩柱高度灵活调节的同时，可对外力冲击进行弹性缓冲，防止因外力过大造成的弹性伸缩柱与定位结构受损情况发生。

同时通过设置的压力应变片和压力传感器对钻孔检测时钻孔壁形变造成的应力变化进行精确检测，从而根据压力值的变化得到钻孔形变量数据。

此外，所述检测套4包括连接套轴41、连接柱42、检测柱43、倾角传感器44、弯曲传感器45、监控摄像头46、照明灯47、超声波探头48、柔性防护罩49，所述连接套41轴均为轴向截面呈矩形柱状结构，连接套轴41共两个，且两连接套轴41间同轴分布，其前端面间通过至少一条连接柱42相互连接，同时每个连接套轴41内均设一个倾角传感器44，所述连接柱42两端面分别通过弹性铰链与两连接套轴41前端面间铰接，所述连接套轴41后端面设与其同轴分布的的装配腔40，连接套轴41通过装配腔40包覆在导向杆2端面外，装配腔40侧壁设两个以装配腔40轴线对称分布的安装孔401，所述检测柱43嵌于装配腔40内，其两端通过安装孔401与装配腔40侧壁连接，且检测柱43轴线与装配腔40轴线垂直分布并相交，且检测柱43对应的导向杆2上设与其同轴分布的透孔402，检测柱43嵌于透孔402内并通过透孔402与导向杆2连接，此外，所述检测柱43与装配腔40底部间间距为装配腔40深度的至少60%，所述检测柱43两端均位于连接套轴41外并与连接套轴41外侧面平齐分布，且检测柱43两端端面内均设一个超声波探头48，所述连接套轴41后端面设两个监控摄像头46和一个照明灯47，其中照明灯47为与连接套轴41同轴分布的环状结构，监控摄像头46对称分布在连接套轴41轴线两侧，其光轴与连接套轴41轴线平行分布，所述连接套轴41前端面设一个与其同轴分布的透孔402，所述弯曲传感器45两端分别嵌于两连接套轴41内并与检测柱43连接，且弯曲传感器45与连接套轴41轴线平行分布，所述柔性防护罩49为与连接套轴41同轴分布的空心管状结构，位于两连接套轴41之间位置并包覆在两连接套轴41外，此外，所述倾角传感器44、弯曲传感器45、监控摄像头46、照明灯47、超声波探头48均与驱动电路5电气连接。

通过设置的倾角传感器，可有效的实现对各连接套轴当前与水片间倾斜角度检测，从而间接实现由导向杆对钻孔倾斜角度检测的目的，并通过相连两个连接套轴内倾角传感器检测的角度差，判断相邻连接套轴之间的角度差，从而实现判断钻孔的同轴度及钻孔部分沉降数据；同时通过设置的弯曲传感器实现对相邻两连接套轴岁钻孔分布方向发生弯曲形变时的形变量，从而协助倾角传感器对相邻连接套轴之间的角度差进行判断，从而进一步实现对钻孔沉降数据精确采集判断。

值得注意的，所述操控基座1包括承载转运平台101、伸缩驱动机构102、导向座103、导向套104、角度传感器105、转台机构106、升降驱动机构107、承载机架108、驻锄109、储物箱100及操控台110，所述储物箱100至少一个并与承载转运平台101上端面连接，所述承载机架108为轴向截面呈矩形的框架结构，其下端面通过转台机构106与承载转运平台101前端面铰接，承载机架108轴线与水平面呈0°—90°夹角，所述升降驱动机构107嵌于承载机架108内并与承载机架108同轴分布，升降驱动机构107上端面位于承载机架108上端面外并通过转台机构106与导向座103下端面铰接，所述导向座103为横断面呈“凵”字形槽状结构，导向座103内设一个与其轴线平行分布的导向套104，所述导向杆2后半部嵌于导向套104内，与导向套104同轴分布并滑动连接，且导向杆2后端面与伸缩驱动机构102间连接并同轴分布，且伸缩驱动机构102与承载转运平台1上端面，所述驻锄109至少两个，环绕承载机架108轴线均布并与承载机架108外侧面连接，所述转台机构106中，每个转台机构106均设至少一个角度传感器105，所述承载转运平台101、伸缩驱动机构102、角度传感器105、转台机构106、升降驱动机构107及驻锄109均与驱动电路5电气连接，所述驱动电路5通过操控台110与承载机架108外侧面。

进一步优化的，所述伸缩驱动机构102和升降驱动机构107为电动伸缩杆、液压伸缩杆、气压伸缩杆、齿轮齿条机构及丝杠机构中的任意一种，所述承载转运平台101为轮式、履带式全地形车中的任意一种。

本实施例中，所述驱动电路5为基于可编程控制器为基础的电路系统，且驱动电路5另设超声波探伤仪51、应急驱动电源52及串口通讯机构53。

如图6所示，基于煤矿钻孔质量综合动态监控装置的钻孔监控方法，包括以下步骤：

S1，设备预制，首先对操控基座、导向杆、检测环、检测套、驱动电路进行组装装配，得到监控装置，并根据待检测钻孔数量设置相应导向杆及与导向杆连接相关设备的数量及结构，然后由操控基座将监控装置转移至待检测钻孔位置，最后对操控基座进行强制定位，同时将驱动电路外部的动力系统间连通，同时在操控基座强制定位中，一方面由承载转运平台的制动系统对承载转运平台进行强制定位 ；另一方面通过转台机构调整承载机架及导向底座与水平面的夹角，同时由升降驱动机构调整导向座高度，使得导向套与待检测钻孔间同轴分布，并在完成调节后通过驻锄对承载机架进行定位；

其中在进行设备装配中，可在操控基座的储物箱内放置多个用于检测作业用的导向杆、检测环、检测套、驱动电路及操控基座中相关配件，以满足对多个钻孔进行检测作业的需要。

S2,快速检测作业，S1步骤收，由操控基座的伸缩驱动机构驱动导向套内设置的导向杆插入到钻孔内，并使导向杆的检测环与钻孔孔壁相抵并对导向杆进行支撑，在导向杆插入到钻孔内的过程中，一方面通过检测环设置的压力应变片和压力传感器，对检测环各硬质环套与钻孔孔壁间压力进行检测，初步获得钻孔孔壁结构数据，另一方面通过检测套设置的监控摄像头、照明灯对钻孔内环境及钻孔孔壁结构进行视频拍摄观测、通过超声波探头对钻孔孔壁内裂痕分布状态进行初步检测、通过倾角传感器、弯曲传感器对钻孔轴线方向结构形变状态进行初步检测；从而获得钻孔结构初步检测数据，并由驱动电路汇总传输；

S3，持续观测，完成S2步骤后，当钻孔孔壁发生形变时，一方面由检测套设置的监控摄像头、照明灯对钻孔内环境及钻孔孔壁结构进行视频拍摄观测、通过超声波探头对钻孔孔壁内裂痕分布状态进行检测，并将检测结果输送至驱动电路，由孔壁结构变化对钻孔结构未来状态进行预判；另一方面由检测环设置的压力应变片和压力传感器，对检测环各硬质环套与钻孔孔壁间压力进行检测；同时由检测套的倾角传感器和弯曲传感器对钻孔局部沉降状态进行检测；并将检测结果输送至驱动电路，从而获得当前钻孔实际状态数据。

重点说明的，所述S3步骤中，在进行持续检测作业时，可将承载机架与承载转运平台分离，使得承载机架通过驻锄定位满足对导向杆状态强制定位检测作业的需要，同时将承载转运平台转运至其他工作位置，并将承载转运平台储物箱内的备用设备进行再次组装，并返回至S1步骤进行新钻孔检测。

本发明结构集成化、模块化程度高，可有效的满足多种使用环境、地质条件下对钻孔质量、状态进行临时检测及场地定点检测，并在检测过程中可全面有效的对钻孔分布方向及深度进行检测的同时，另可对钻孔壁碎裂、塌方、钻孔因地质沉降导致钻孔发生位移形变状态进行精确检测，从而全面获得钻孔质量数据信息。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。