一种井下钻孔测距、防尘定点取样装置的制作方法

本实用新型涉及一种煤样或岩样的取样工具，具体为一种井下钻孔测距、防尘定点取样装置。

背景技术：

瓦斯是在我国煤矿事故中占据较大比例，尤其是对于高瓦斯和突出矿井来说，其事故多会产生群死群伤，造成的后果十分惨痛。为此，瓦斯的消突和治理是保障矿井安全生产的基本准绳，进行瓦斯抽采是一种经济、环保、安全、高效的方法和手段。瓦斯抽采之后的效果验证是煤矿进行开采之前的重要环节和依据。钻孔长度的计量通过人工数钻杆的方式进行确定，减少因人为导致的误差，实现钻孔长度计量的智能化、精准化。如何定点、精确取到指定方位和深度的煤样对于准确检验抽采效果是否达标至关重要。同时，在钻孔取样的过程中，产生的粉尘对井下空气和人员健康产生不利的影响，通过一定的技术手段和措施，将防尘工作应用到钻孔取样的全过程，确保井下人员提供良好的工作环境。

目前，对于长距离的定点取样，通过千米钻机可以实现轨迹位置的定点追踪。对于中短距离的定点取样，由于千米钻机价格昂贵，设备的搬运困难，以及取样地点条件的限制，导致千米钻机在中短距离的定点取样难以实现。在当前的中短距离取样过程中存在以下问题：

1）现有的中短距离取样过程中，采用取样时打钻孔的方式，一般在布置完抽采管路，并进行抽采工作之后，进行效果验证时，才重新找方位角和位置打钻孔，这种方式费时费力。

2）现有的中短距离取样过程中，虽然普通钻机体积和价格与千米钻机相比较小，但是在移动、搬运过程中仍然不便，钻机底座与巷道地面摩擦产生一定的磨损。

3）现有的中短距离取样过程中，对于钻杆在煤层中的位置和方位轨迹的不准确性仍然存在，无法精准的测定钻头的位置，进而对于预定取样位置难以做到定点取样。

4）现有的中短距离取样过程中，从钻头进入煤/岩体到取样位置，都会产生一定量的钻屑从钻孔中流出，大量的粉尘进入巷道中，影响巷道风流的质量和工作人员的身心健康。

5）现有的中短距离取样过程中，钻孔长度的计量通过人工数钻杆的方式，尚未实现智能化、精准化，人为因素引起的误差较大且精度较低。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种井下钻孔测距、防尘定点取样装置，以解决现有技术存在移动钻机过程中劳动强度较大和移动对钻机底座磨损严重的问题；钻孔长度的计量通过人工数钻杆的方式，尚未实现智能化、精准化，人为因素引起的误差较大且精度较低；取样过程中的钻杆位置、方位和轨迹的不确定，以及是否取得预定位置煤样问题；取样过程中由于钻屑从钻孔中流出，粉尘等有害物质随风流进入巷道中，影响巷道内空气质量和工作人员的健康等问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种井下钻孔测距、防尘定点取样装置，包括钻机、钻杆、钻孔测距仪、防尘导流罩、预留导向管和钻屑除尘器，预留导向管固定安装在钻孔的孔口处，预留导向管的外端伸出钻孔，防尘导流罩上部设置在预留导向管上，防尘导流罩下端口与钻屑除尘器的进口连接，钻杆安装在钻机上，钻杆穿过钻屑除尘器同轴向伸入到预留导向管内，钻孔测距仪固定设置在钻机上，钻孔测距仪的测试部与钻杆外圆表面接触。

钻机包括钻机本体、底座、液压支架和减震支撑轮，钻机本体安装在底座上，减震支撑轮安装在底座底部的四周，液压支架设置在底座的底部。

防尘导流罩包括罩壳、导流管和取样管，罩壳的相对两侧开设有用于穿过预留导向管的通孔，罩壳上设有用于封堵通孔并与钻杆滑动密封配合的带毛毡密封圈，导流管竖向设置，导流管上端与罩壳底部连接，取样管的进口与导流管的下部连接，导流管下端口与钻屑除尘器的进口连接，取样管的出口低于取样管的进口，取样管上在邻近导流管处设有第一闸板阀，导流管上在邻近取样管且位于取样管下方的第二闸板阀。

预留导向管上部设有沿轴线方向设有若干个定位块，相邻定位块之间形成定位槽，罩壳的一侧壁穿过预留导向管后挂接在一个定位槽内。

钻孔测距仪包括箱体、显示屏、球形滚轮、传感器和处理器，箱体一侧固定安装在钻机本体上，箱体的相对两侧开设有用于穿过钻杆的穿孔，球形滚轮、传感器和处理器均安装在箱体内，显示屏设置在箱体外侧面，球形滚轮为橡胶材质，球形滚轮与钻杆的圆周表面接触，传感器用于监测球形滚轮的速度方向和大小，处理器通过控制线分别与传感器和显示屏连接。

采用上述技术方案，本实用新型的一种井下钻孔测距、防尘定点取样装置的工作方法，包括以下步骤：

（1）在布置抽采管路过程中，利用所用的装备和仪器，确定钻孔的方位角和深度，使用钻机预先在钻取点钻取0.5-1m深的钻孔，采用聚氨酯将预留导向管固定在钻孔内，预留导向管的外端伸出钻孔，为之后的钻孔取样检验抽采效果作准备；

（2）当抽采工作完成之后，进行钻孔取样工作时，预留导向管凝固后，转动钻杆使得钻头靠近预留导向管，移动和调节钻机位置，将钻杆方向与预留导向管的方位角保持一致；

（3）当带有减震支撑轮的钻机移动至指定位置之后，操作液压支架，使液压支架向下伸长与地面接触，从而确保钻机的稳定；

（4）转动钻机本体，将钻杆从预留导向管位置往后转动收回；将防尘导流罩上的通孔套到预留导向管上，并使罩壳的前侧位于相邻两个定位孔之间的定位槽内，这样就将防尘导流罩定位，预留导向管的外端口位于罩壳内部；

（5）在钻机本体前方安装可实现定点取样的钻孔测距仪；

（6）再次转动钻机本体，使钻杆穿过钻孔测距仪和罩壳内部，向煤/岩壁预留导向管方向移动；

（7）当钻杆的钻头穿过预留导向管到达煤/岩体时，启动钻孔测距仪，在显示屏上开始进行计时和位移的显示和记录；

（8）关闭第一闸板阀，打开第二闸板阀，启动钻机本体，钻机本体驱动钻杆对钻孔进行钻进作业，钻屑通过预留导向管落入到罩壳当中，再由导流管进入钻屑除尘器中，从而减少巷道风流中的粉尘；

（9）及时观察显示屏上位移数据的变化情况，当显示屏上的位移到达预定取样位置的附近时，降低钻杆前进的速率，避免错过取样位置的煤样获取；

（10）打开第一闸板阀，关闭第二闸板阀，煤样在罩壳内流入导流管的上部，再顺着取样管中流出，取出煤样罐进行接煤，实现定点取样。

步骤（4）在固定防尘导流罩时，在罩壳上方的煤/岩壁上打入锚杆，锚杆的外端头与罩壳的顶部后侧之间连接拉线。

钻孔测距仪测距的原理和方法为：

钻杆在钻进过程中，钻杆转动并驱动球形滚轮转动，将球形滚轮的速度进行分解，产生沿钻杆轴向的钻速和沿钻杆径向前进/后退方向的速度，同时，在沿钻杆径向前进/后退方向的速度在处理器内进行数学积分计算，得到不同时刻下钻杆沿径向方向的位移，以数值的方式通过显示屏上的显示出来，从而确定钻杆在煤层中的位置和方位轨迹，精准的确定出钻头的位置，进而实现对于预定取样位置的定点取样；

其中，传感器监测的万向测试滚轮的速度v分解成沿钻杆轴向的钻速vn和沿钻杆径向前进/后退方向的速度vs；其中关系之间为：

在沿钻杆径向前进/后退方向的速度通过进行数学积分，得到不同时刻t下钻杆沿径向方向的位移l；

钻孔长度l（钻孔）、钻孔测距仪测定钻杆移动的位移l以及钻机至煤岩体壁面钻孔处l（钻机—钻孔）之间的关系：

当钻孔测距仪在进入煤岩体时启动，l（钻孔）=l；

当钻孔测距仪在钻机穿过其内部时启动，l（钻孔）=l-l（钻机—钻孔）。

与现有技术相比，本实用新型通过采用先进行预留取样钻孔的方式，在布置抽采管路过程中，利用所用的装备和仪器，确定钻孔的方位角和深度，使用钻机预先钻取所需的方位角并记录钻孔取样的深度，最后采用聚氨酯将预留导向管固定。预留导向管长度较短，并不影响定点取样过程中钻孔深度的确定，仅为起到确定方位角和钻孔位置的作用。避免在效果验证时，打钻孔出现重新利用设备寻找方位角和位置，造成费时费力现象的发生。

本实用新型通过在钻机本体下方底座的底部安装有减震支撑轮，降低了在移动、搬运过程中劳动强度，减小了底座与巷道地面摩擦产生的磨损程度，减缓了由于地面不平引起的晃动幅度，避免钻机在搬运过程中的倾倒、损坏，从而增加了钻机整体的使用寿命。

本实用新型通过在减震支撑轮外部安装有可伸缩的液压支架。当钻机移动至钻头指向预留导向管时，由于打钻过程中会对底座产生一定的作用力，使用减震支撑轮不能较好的固定钻机。因此，在减震支撑轮外部安装有可伸缩的液压支架，当钻机位置确定后，转动液压支架，使其伸至与内部减震支撑轮同高的位置，从而保证钻机的稳定。

本实用新型通过在钻机本体的前方安装可实现定点取样的钻孔测距仪。钻孔测距仪包括一个表面采用橡胶材质的球形滚轮、用于测试球形滚轮转速的传感器、处理器和显示屏。表面采用橡胶材质的球形滚轮通过与钻杆之间的摩擦作用，产生与钻杆同步速度的大小和方向；传感器可将球形滚轮产生的速度方向和大小传输至处理器，处理器可根据速度的方向，将速度进行分解，产生沿钻杆轴向的钻速和沿钻杆径向前进/后退方向的速度，同时，在沿钻杆径向前进/后退方向的速度通过进行数学积分，得到不同时刻下钻杆沿径向方向的位移，可以以数值的方式显示出来。通过观察显示屏上的数据，可以确定钻杆在煤层中的位置和方位轨迹，精准的确定出钻头的位置，进而实现对于预定取样位置的定点取样。

本实用新型通过在钻机前方安装钻孔测距仪。在显示屏上可随时观察钻头到达的位置，由于钻杆的钻头位置在进入煤/岩体时，才进行钻孔测距仪的启动和记录，因此，从此处开始记录的钻杆前进位移等于钻孔长度。若从钻机穿过钻孔测距仪开始启动，在计量钻孔的长度时，需将钻头进入煤/岩体之前的钻杆位移减去。通过使用钻孔测距仪，实现了钻孔长度的智能化、精准化，提高了钻孔长度计量的精确度，减少了因人工数钻杆引起的误差，保证了数据的精确性、真实性和客观性。

本实用新型通过利用定位槽将罩壳与预留导向管进行连接，并通过拉线将罩壳固定，罩壳底部连接有导流管，导流管连接有取样管，导流管下端口连接钻屑除尘器。从钻头进入煤/岩体到取样位置的过程中，都会伴随一定量的钻屑产生，从钻孔中流出，通过预留导向管，进入到罩壳，再经导流管向下进入到钻屑除尘器。避免了大量的粉尘进入巷道中，影响巷道内空气的质量和工作人员的健康。当钻头到达取样位置附近，打开第一闸板阀，关闭第二闸板阀，煤样从取样管中流出，取出煤样罐进行接煤，实现定点取样。

附图说明

图1是本实用新型在工作时的结构示意图；

图2是图1中钻孔测距仪的内部结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本实用新型的实施例。

如图1和图2所示，一种井下钻孔测距、防尘定点取样装置，包括钻机、钻杆1、钻孔测距仪、防尘导流罩、预留导向管2和钻屑除尘器3，预留导向管2固定安装在钻孔4的孔口处，预留导向管2的外端伸出钻孔4，防尘导流罩上部设置在预留导向管2上，防尘导流罩下端口与钻屑除尘器3的进口连接，钻杆1安装在钻机上，钻杆1穿过钻屑除尘器3同轴向伸入到预留导向管2内，钻孔测距仪固定设置在钻机上，钻孔测距仪的测试部与钻杆1外圆表面接触。

钻机包括钻机本体5、底座6、液压支架7和减震支撑轮8，钻机本体5安装在底座6上，减震支撑轮8安装在底座6底部的四周，液压支架7设置在底座6的底部。

防尘导流罩包括罩壳9、导流管10和取样管11，罩壳9的相对两侧开设有用于穿过预留导向管2的通孔，罩壳9上设有用于封堵通孔并与钻杆1滑动密封配合的带毛毡密封圈12（用于封堵罩壳9，避免粉尘溢出而影响工作环境），导流管10竖向设置，导流管10上端与罩壳9底部连接，取样管11的进口与导流管10的下部连接，导流管10下端口与钻屑除尘器3的进口连接，取样管11的出口低于取样管11的进口，取样管11上在邻近导流管10处设有第一闸板阀13，导流管10上在邻近取样管11且位于取样管11下方的第二闸板阀14。

预留导向管2上部设有沿轴线方向设有若干个定位块15，相邻定位块15之间形成定位槽16，罩壳9的一侧壁穿过预留导向管2后挂接在一个定位槽16内。

钻孔测距仪包括箱体17、显示屏18、球形滚轮19、传感器20和处理器21，箱体17一侧固定安装在钻机本体5上，箱体17的相对两侧开设有用于穿过钻杆1的穿孔，球形滚轮19、传感器20和处理器21均安装在箱体17内，显示屏18设置在箱体17外侧面，球形滚轮19为橡胶材质，球形滚轮19与钻杆1的圆周表面接触，传感器20用于监测球形滚轮19的速度方向和大小，处理器21通过控制线分别与传感器20和显示屏18连接。

一种井下钻孔4测距、防尘定点取样装置的工作方法，包括以下步骤：

（1）在布置抽采管路过程中，利用所用的装备和仪器，确定钻孔4的方位角和深度，使用钻机预先在钻取点钻取0.5-1m深的钻孔4，采用聚氨酯将预留导向管2固定在钻孔4内，预留导向管2的外端伸出钻孔4，为之后的钻孔取样检验抽采效果作准备；

（2）当抽采工作完成之后，进行钻孔取样工作时，预留导向管2凝固后，转动钻杆1使得钻头靠近预留导向管2，移动和调节钻机位置，将钻杆1方向与预留导向管2的方位角保持一致；

（3）当带有减震支撑轮8的钻机移动至指定位置之后，操作液压支架7，使液压支架7向下伸长与地面接触，从而确保钻机的稳定；

（4）转动钻机本体5，将钻杆1从预留导向管2位置往后转动收回；将防尘导流罩上的通孔套到预留导向管2上，并使罩壳9的前侧位于相邻两个定位孔之间的定位槽16内，这样就将防尘导流罩定位，预留导向管2的外端口位于罩壳9内部；

（5）在钻机本体5前方安装可实现定点取样的钻孔测距仪；

（6）再次转动钻机本体5，使钻杆1穿过钻孔测距仪和罩壳9内部，向煤/岩壁22预留导向管2方向移动；

（7）当钻杆1的钻头穿过预留导向管2到达煤/岩体时，启动钻孔测距仪，在显示屏18上开始进行计时和位移的显示和记录；

（8）关闭第一闸板阀13，打开第二闸板阀14，启动钻机本体5，钻机本体5驱动钻杆1对钻孔4进行钻进作业，钻屑通过预留导向管2落入到罩壳9当中，再由导流管10进入钻屑除尘器3中，从而减少巷道风流中的粉尘；

（9）及时观察显示屏18上位移数据的变化情况，当显示屏18上的位移到达预定取样位置的附近时，降低钻杆1前进的速率，避免错过取样位置的煤样获取；

（10）打开第一闸板阀13，关闭第二闸板阀14，煤样在罩壳9内流入导流管10的上部，再顺着取样管11中流出，取出煤样罐进行接煤，实现定点取样。

步骤（4）在固定防尘导流罩时，在罩壳9上方的煤/岩壁22上打入锚杆23，锚杆23的外端头与罩壳9的顶部后侧之间连接拉线24。

本实用新型中的钻孔测距仪测距的原理和方法为：

钻杆1在钻进过程中，钻杆1转动并驱动球形滚轮19转动，将球形滚轮19的速度进行分解，产生沿钻杆1轴向的钻速和沿钻杆1径向前进/后退方向的速度，同时，在沿钻杆1径向前进/后退方向的速度在处理器21内进行数学积分计算，得到不同时刻下钻杆1沿径向方向的位移，以数值的方式通过显示屏18上的显示出来，从而确定钻杆1在煤层中的位置和方位轨迹，精准的确定出钻头的位置，进而实现对于预定取样位置的定点取样；

其中，传感器20监测的万向测试滚轮的速度v分解成沿钻杆1轴向的钻速vn和沿钻杆1径向前进/后退方向的速度vs；其中关系之间为：

在沿钻杆1径向前进/后退方向的速度通过进行数学积分，得到不同时刻t下钻杆1沿径向方向的位移l；

钻孔4长度l（钻孔4）、钻孔测距仪测定钻杆1移动的位移l以及钻机至煤岩体壁面钻孔4处l（钻机—钻孔）之间的关系：

当钻孔测距仪在进入煤岩体时启动，l（钻孔）=l；

当钻孔测距仪在钻机穿过其内部时启动，l（钻孔）=l-l（钻机—钻孔）。

需要着重指出的是，本实用新型中的器件均为已知硬件，市场上均可以购置，其具体构造及型号不再赘述。上述已知硬件中分别内置有已知软件实现各自的功能。本实用新型所实现的报警信号处理功能是由选择的硬件设备及其相互之间的连接关系带来的，不需要进行程序控制上的改进，即不需要设计新的软件。

以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。