钻孔测量装置及测量方法与流程

本发明涉及一种测量装置及测量方法，尤其涉及一种钻孔测量装置及测量方法。

背景技术：

矿井作业时，煤与瓦斯突出能够在短时间内向采空区抛射大量的煤与瓦斯，极易造成人员伤亡及机械设备损坏，已成为威胁矿井安全高效生产的主要灾害事故之一。伴随着矿井仍以一定生产速度向深部延伸，瓦斯突出危险性愈加严重。瓦斯预抽是瓦斯灾害事故治理的根本手段，构建完善的矿井瓦斯预抽系统，实现矿井“采、掘、抽”平衡，是杜绝瓦斯安全事故发生的根本措施。瓦斯抽采钻孔作为矿井瓦斯抽采的基本载体，如何实现抽采钻孔轨迹的有效监测，避免瓦斯抽采盲区，对提高瓦斯抽采效率及全面遏制煤与瓦斯突出事故发生具有重要的意义。

目前，在煤矿井下钻孔轨迹测量方面，主要有钻孔轨迹测斜仪和定向钻孔随钻随测两种技术。其中，钻孔轨迹测斜仪需要现场工作人员待施钻完成之后，将钻杆退出，然后将测斜仪推入钻孔内部，进而实现钻孔轨迹的测量；这种方式在煤质松软条件下，易受煤质及重力作用影响，钻孔容易出现垮孔，难以实现测斜装置的回收及钻孔轨迹的有效测量；而定向钻机随钻随测技术，即在钻机施工钻进过程中，通过钻头前端的传感器实现钻孔轨迹的测量，受成本及适用条件限制，难以实现大面积推广应用。同时，虽然《防治煤与瓦斯突出细则》明确规定：预抽瓦斯钻孔应当测定钻孔轨迹，但现阶段针对易发生煤与瓦斯突出事故的松软煤层仍缺乏行之有效的钻孔分析及管理手段，而是基于理想状态的直线钻孔轨迹进行施工钻孔成图和抽采达标钻孔均匀度评判，易造成误判，留下安全隐患。因此，迫切需要一种有效的钻孔轨迹、孔深测量、管理、分析技术手段，提升矿井对瓦斯抽采钻孔施工质量的控制，进而提高矿井的瓦斯灾害防治能力。

基于以上问题，本发明提供一种钻孔测量装置及测量方法。该钻孔测量装置和测量方法利于避免因瓦斯抽采钻孔时的轨迹、孔深信息探测不准确导致遗留安全隐患，利于避免误判，利于实现煤矿井下瓦斯预抽钻孔信息的精准预测，利于提高对瓦斯抽采钻孔施工质量的控制，进而利于提高矿井的瓦斯灾害防治能力；且测量装置简单、测量方法可行，利于提高抽采效率，利于大面积推广使用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明涉及一种钻孔测量装置和测量方法，利于避免因瓦斯抽采钻孔时的轨迹、孔深信息探测不准确导致遗留安全隐患，利于避免误判，利于实现煤矿井下瓦斯预抽钻孔信息的精准预测，利于提高对瓦斯抽采钻孔施工质量的控制，进而利于提高矿井的瓦斯灾害防治能力；且测量装置简单、测量方法可行，利于提高抽采效率，利于大面积推广使用。

本发明的钻孔测量装置，包括钻孔孔深测定装置和钻孔轨迹测定装置；所述钻孔孔深测定装置和钻孔轨迹测定装置通过测量线相连接并分别用于对钻孔孔深及钻孔轨迹进行测量；所述测量线为柔性测量线并所述柔性测量线的规格及材质选择属于现有技术，如采用直径1.8-mm，抗拉强度不低于2200mpa的镀锌工业用柔性钢丝绳；

所述钻孔孔深测定装置包括收放单元和孔深计量单元；所述孔深计量单元如通过支架固定于所述收放单元上，利于形成对所述孔深计量单元的支撑的同时，不影响所述收放单元对测量线的收放；所述钻孔轨迹测定装置包括壳体ii和设置于所述壳体ii尾部并用于测量线固定的固定件；所述固定件优选为固定环，利于形成对测量线的固定；所述测量线从孔深计量单元内部穿过并两端分别绕接在所述收放单元及固定件上；在进行钻孔轨迹和钻孔孔深测量时，通过收放单元和连接所述收放单元与固定件的测量线将钻孔轨迹测定装置置于钻杆中空孔内，并通过触发所述钻孔孔深测定装置的孔深测量单元和钻孔轨迹测定装置的控制单元进行相应测量与处理后，得到钻孔轨迹和钻孔孔深数据信息，利于实现煤矿井下瓦斯预抽钻孔信息的精准预测，利于避免因瓦斯抽采钻孔时的轨迹、孔深信息探测不准确导致遗留安全隐患，利于避免因煤质及重力作用影响而造成的钻孔轨迹、孔深数据信息探测不明问题，利于避免误判，利于提高对瓦斯抽采钻孔施工质量的控制，进而利于提高矿井的瓦斯灾害防治能力。

进一步，所述壳体ii上沿圆周方向设置有内嵌降阻件的环形凹槽；内置于所述环形凹槽内的降阻件凸出于壳体ii外圆，用于形成所述钻孔轨迹测定装置与钻杆中空孔壁的滚动连接；所述降阻件如为球形降阻钢珠，所述降阻件高于环形凹槽的槽高(即槽深深度)并使得所述降阻件凸出于壳体ii外圆，利于形成壳体ii与钻杆中空孔壁的滚动连接，利于降低置于钻杆中空孔内的钻孔轨迹测定装置与钻杆中空孔壁间的摩擦阻力；

进一步，所述收放单元上嵌装有旋转把手，所述旋转把手固定于所述收放单元的旋转中心点处，用于测量线的收放；所述旋转把手优选为手摇式旋转曲柄把手，操作方便，成本低；所述手摇式旋转把手于收放单元上的固定连接属于现有技术，如通过螺杆、螺母连接在此不再赘述；所述旋转把手的一端连接于所述收放单元旋转时的中心点上并另一端形成自由端，利于手摇操作，利于测量线线的下方及回收；所述旋转把手的材质选择属于现有技术，如采用强度高硬度高的铸铁材质，在此不再赘述；

进一步，所述收放单元通过其下设置的支撑单元支撑；所述支撑单元为类三角形支撑结构，用于形成对所述收放单元及孔深测量单元的稳定支撑；利于所述收放单元及孔深测量单元的稳定支撑；所述收放单元为圆盘状；

进一步，所述孔深计量单元包括壳体i、设置于所述壳体i上的显示装置和控制面板及设置于所述壳体i内的控制单元i和动力提供单元i；所述控制单元i包括时钟信号单元i和数据处理单元i，分别用于计时和对得到的测量线长度数据进行处理；所述孔深计量单元的长度方向的两端设置有用于测量线穿过的穿线孔；所述动力提供单元i用于为所述孔深计量单元提供动力；所述孔深计量单元通过拐形支架固定于所述收放单元上，利于形成对所述孔深计量单元的支撑的同时，不影响所述收放单元对测量线的收放；

进一步，所述壳体ii9内设置有控制单元ii和动力提供单元ii；所述控制单元ii包括用于计时的时钟信号单元ii、加速度运动单元、角速度运动单元、信号放大滤波处理单元和用于处理钻孔轨迹数据的数据处理单元ii；所述加速度运动单元用于计算所述钻孔轨迹测定装置在三维坐标系中x、y、z轴方向的瞬时加速度与位移量；所述角速度运动单元用于计算所述钻孔轨迹测定装置在三维坐标系中x、y、z轴方向的加速度分量；所述信号放大滤波处理单元用于对数据信号进行增益放大处理并滤除噪声信号；所述动力提供单元ii用于为所述钻孔孔深测定装置提供动力。

本发明还提供一种测量方法，包括钻孔轨迹测量方法和钻孔孔深测量方法；所述钻孔轨迹测量方法和钻孔孔深测量方法采用如上所述的钻孔测量装置进行并具有如下测量步骤：

s1：利用井下回转钻机施工钻进瓦斯抽采钻孔；采用普通的井下回转钻机即可；

s2：触发时钟信号单元i与时钟信号单元ii工作，并分别记录钻孔孔深测定装置和钻孔轨迹测定装置的起始测定时间；

s3：测量钻孔轨迹数据信息；

s4：测量钻孔孔深数据信息；

s5：根据步骤s3和s4的测量结果，得到井下钻孔的钻孔轨迹及钻孔孔深数据信息；通过对钻孔轨迹和钻孔孔深的测量，利于实现煤矿井下瓦斯预抽钻孔信息的精准预测，利于避免因瓦斯抽采钻孔时的轨迹、孔深信息探测不准确导致遗留安全隐患，利于避免因煤质及重力作用影响而造成的钻孔轨迹、孔深数据信息探测不明问题，利于避免误判，利于提高对瓦斯抽采钻孔施工质量的控制，进而利于提高矿井的瓦斯灾害防治能力。

进一步，所述钻孔轨迹测量步骤包括：

s3-1：通过给予一定压力，将所述钻孔轨迹测定装置通过钻杆中空孔送入钻孔内部；

s3-2：触发加速度运动单元开始工作，计算出钻孔轨迹测定装置在三维oxyz空间位置坐标系中x、y、z轴方向的瞬时加速度与位移量；具体如下：

设定钻孔轨迹测定装置起始位置为预测原点o，令加速度运动单元采样时间间隔为△t，则在采样间隔时间范围内的位移量满足公式(1)：

其中，钻孔轨迹测定装置的运动速度满足公式(2)：

进而通过加速度运动单元计算得出钻孔轨迹测定装置在三维oxyz空间位置坐标系中x、y、z轴方向的瞬时加速度ax(i),ay(i),az(i)与位移量l；

s3-3：触发角速度运动单元开始工作，计算出钻孔轨迹测定装置在三维坐标系中x、y、z轴方向的加速度分量；针对钻孔轨迹测定装置在下放过程中易受装置转动和重力g影响而造成参考位置坐标系ox1y1z1与oxyz空间坐标系不重复的问题，可通过角速度运动单元记录钻孔测定装置运动姿态；假设钻孔轨迹测定装置所在参考位置坐标系ox1y1z1与oxyz空间坐标系之间的运动偏移量为τ，其中τ＝α+β+γ，则钻孔轨迹测定装置所在参考位置坐标系ox1y1z1在oxyz空间坐标系上的投影(τx，τy，τz)满足式(3)：

由上式求解可得到式(4)：

式(4)中，(τx，τy，τz)可由角速度运动单元直接测出，则重力g在oxyz空间坐标系的分量(gx，gy，gz)为式(5)：

计算因测量过程中装置转动和重力g作用影响，在oxyz空间坐标系中x,y,z轴方向的加速度分量(gx，gy，gz)；

s3-4：用s3-2中得到的瞬时加速度减去s3-3中得到的加速度分量，迭代运算求解得到钻孔轨迹测定装置在该时间节点处的空间位置运动信息；

s3-5：触发信号放大滤波单元开始工作，对步骤s3-2至s3-4获得的位移量及空间位置运动信息数据信号进行增益放大处理，并滤除噪声信号，得到钻孔轨迹测定装置的空间运动波形信息；

s3-6:利用钻孔轨迹数据处理单元对步骤s3-5获取的钻孔轨迹测量信息进行处理得到钻孔轨迹数据；

s3-7：待钻孔轨迹数据测量完成后，通过摇动旋转把手带动收放单元对钻孔轨迹测定装置进行回收。

进一步，所述钻孔孔深测量步骤包括：

s4-1：通过给予一定压力，将所述钻孔轨迹测定装置置于钻杆中空孔的同时，触发孔深计量单元开始工作，记录开始测量时间并通过固定件带动测量线向钻杆内部移动；

s4-2：待钻孔轨迹测定装置移动到钻杆中空孔的底部时，时钟信号单元i记录测量停止时间，钻孔孔深计量单元停止测量，利用数据处理单元i对测量线长度数据进行处理并得到钻孔孔深数据；

s4-3：待钻孔孔深数据测量完成后，通过摇动旋转把手带动收放单元对钻孔轨迹测定装置进行回收。

本发明的有益效果是：本发明的钻孔测量装置和测量方法是一种压入式结合拖拽式的测定装置及钻孔轨迹、钻孔孔深的测量方法，该测量装置和测量方法利于避免因瓦斯抽采钻孔时的轨迹、孔深信息探测不准确导致遗留安全隐患，利于避免因煤质及重力作用影响而造成的钻孔轨迹、孔深数据信息探测不明问题，利于避免误判，利于实现煤矿井下瓦斯预抽钻孔信息的精准预测，利于提高对瓦斯抽采钻孔施工质量的控制，进而利于提高矿井的瓦斯灾害防治能力；且测量装置简单、测量方法可行，利于提高抽采效率，及利于大面积推广使用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的钻孔孔深测定装置结构示意图；

图2为本发明的钻孔轨迹测定装置结构示意图；

图3为本发明的钻孔轨迹及钻孔孔深的测量流程示意图；

图4为本发明的钻孔轨迹信号放大滤波处理效果图；

图5为本发明的钻孔轨迹监测效果示意图。

具体实施方式

图1为本发明的钻孔孔深测定装置结构示意图，图2为本发明的钻孔轨迹测定装置结构示意图，图3为本发明的钻孔轨迹及钻孔孔深的测量流程示意图，图4为本发明的钻孔轨迹信号放大滤波处理效果图，图5为本发明的钻孔轨迹监测效果示意图，如图所示：本实施例的钻孔测量装置，包括钻孔孔深测定装置1和钻孔轨迹测定装置2；所述钻孔孔深测定装置1和钻孔轨迹测定装置2通过测量线6相连接并分别用于对钻孔孔深及钻孔轨迹进行测量；所述测量线6为柔性测量线并所述柔性测量线的规格及材质选择属于现有技术，如采用直径1.8-mm，抗拉强度不低于2200mpa的镀锌工业用柔性钢丝绳；

所述钻孔孔深测定装置1包括收放单元4和孔深计量单元5；所述孔深计量单元5如通过支架固定于所述收放单元4上，利于形成对所述孔深计量单元5的支撑的同时，不影响所述收放单元4对测量线6的收放；所述钻孔轨迹测定装置2包括壳体ii9和设置于所述壳体ii9尾部并用于测量线6固定的固定件10；所述固定件10优选为固定环，利于形成对测量线6的固定；所述测量线6从孔深计量单元5内部穿过并两端分别绕接在所述收放单元4及固定件10上；在进行钻孔轨迹和钻孔孔深测量时，通过收放单元4和连接所述收放单元4与固定件10的测量线6将钻孔轨迹测定装置2置于钻杆中空孔内，并通过触发所述钻孔孔深测定装置1的孔深测量单元5和钻孔轨迹测定装置3的控制单元进行相应测量与处理后，得到钻孔轨迹和钻孔孔深数据信息，利于实现煤矿井下瓦斯预抽钻孔信息的精准预测，利于避免因瓦斯抽采钻孔时的轨迹、孔深信息探测不准确导致遗留安全隐患，利于避免因煤质及重力作用影响而造成的钻孔轨迹、孔深数据信息探测不明问题，利于避免误判，利于提高对瓦斯抽采钻孔施工质量的控制，进而利于提高矿井的瓦斯灾害防治能力；所述钻杆未在图中画出。

本实施例中，所述壳体ii9上沿圆周方向设置有内嵌降阻件的环形凹槽12；内置于所述环形凹槽12内的降阻件11凸出于壳体ii9外圆，用于形成所述钻孔轨迹测定装置2与钻杆中空孔壁的滚动连接；所述降阻件11如为球形降阻钢珠，所述降阻件11高于环形凹槽12的槽高(即槽深深度)并使得所述降阻件11凸出于壳体ii9外圆，利于形成壳体ii9与钻杆中空孔壁的滚动连接，利于降低置于钻杆中空孔内的钻孔轨迹测定装置2与钻杆中空孔壁间的摩擦阻力。

本实施例中，所述收放单元4上嵌装有旋转把手3，所述旋转把手3固定于所述收放单元4的旋转中心点处，用于测量线6的收放；所述旋转把手3优选为手摇式旋转曲柄把手，操作方便，成本低；所述手摇式旋转把手3于收放单元4上的固定连接属于现有技术，如通过螺杆、螺母连接在此不再赘述；所述旋转把手3的一端连接于所述收放单元4旋转时的中心点上并另一端形成自由端，利于手摇操作，利于测量线6的下方及回收；所述旋转把手3的材质选择属于现有技术，如采用强度高硬度高的铸铁材质，在此不再赘述。

本实施例中，所述收放单元4通过其下设置的支撑单元7支撑；所述支撑单元7为类三角形支撑结构，用于形成对所述收放单元4及孔深测量单元5的稳定支撑；利于所述收放单元4及孔深测量单元5的稳定支撑；所述收放单元4为圆盘状。

本实施例中，所述孔深计量单元5包括壳体i、设置于所述壳体i上的显示装置和控制面板5-1及设置于所述壳体i内的控制单元i和动力提供单元i；所述控制单元i包括时钟信号单元i和数据处理单元i，分别用于计时和对得到的测量线长度数据进行处理；所述壳体i、显示装置、时钟信号单元i和数据处理单元i和动力提供单元i未在图中画出；所述孔深计量单元5的长度方向的两端设置有用于测量线6穿过的穿线孔；所述动力提供单元i用于为所述孔深计量单元5提供动力；所述孔深计量单元5通过拐形支架8固定于所述收放单元4上，利于形成对所述孔深计量单元5的支撑的同时，不影响所述收放单元4对测量线6的收放。

本实施例中，所述壳体ii9内设置有控制单元ii和动力提供单元ii；所述控制单元ii包括用于计时的时钟信号单元ii、加速度运动单元13、角速度运动单元14、信号放大滤波处理单元15和用于处理钻孔轨迹数据的数据处理单元ii16；所述加速度运动单元13用于计算所述钻孔轨迹测定装置2在三维坐标系中x、y、z轴方向的瞬时加速度与位移量；所述角速度运动单元14用于计算所述钻孔轨迹测定装置2在三维坐标系中x、y、z轴方向的加速度分量；所述信号放大滤波处理单元15用于对数据信号进行增益放大处理并滤除噪声信号；所述时钟信号单元ii未在图中画出；所述动力提供单元ii17用于为所述钻孔孔深测定装置2提供动力。

本实施例还提供一种测量方法，包括钻孔轨迹测量方法和钻孔孔深测量方法；所述钻孔轨迹测量方法和钻孔孔深测量方法采用如上所述的钻孔测量装置进行并具有如下测量步骤：

s1：利用井下回转钻机施工钻进瓦斯抽采钻孔；采用普通的井下回转钻机即可；

s2：触发时钟信号单元i与时钟信号单元ii工作，并分别记录钻孔孔深测定装置1和钻孔轨迹测定装置2的起始测定时间；

s3：测量钻孔轨迹数据信息；

s4：测量钻孔孔深数据信息；

s5：根据步骤s3和s4的测量结果，得到井下钻孔的钻孔轨迹及钻孔孔深数据信息；通过对钻孔轨迹和钻孔孔深的测量，利于实现煤矿井下瓦斯预抽钻孔信息的精准预测，利于避免因瓦斯抽采钻孔时的轨迹、孔深信息探测不准确导致遗留安全隐患，利于避免因煤质及重力作用影响而造成的钻孔轨迹、孔深数据信息探测不明问题，利于避免误判，利于提高对瓦斯抽采钻孔施工质量的控制，进而利于提高矿井的瓦斯灾害防治能力。

本实施例中，所述钻孔轨迹测量步骤包括：

s3-1：通过给予一定压力，将所述钻孔轨迹测定装置通过钻杆中空孔送入钻孔内部；

s3-2：触发加速度运动单元13开始工作，计算出钻孔轨迹测定装置在三维oxyz空间位置坐标系中x、y、z轴方向的瞬时加速度与位移量；具体如下：

设定钻孔轨迹测定装置起始位置为预测原点o，令加速度运动单元13采样时间间隔为△t，则在采样间隔时间范围内的位移量满足公式(1)：

其中，钻孔轨迹测定装置的运动速度满足公式(2)：

进而通过加速度运动单元13计算得出钻孔轨迹测定装置在三维oxyz空间位置坐标系中x、y、z轴方向的瞬时加速度ax(i),ay(i),az(i)与位移量l；

s3-3：触发角速度运动单元14开始工作，计算出钻孔轨迹测定装置在三维坐标系中x、y、z轴方向的加速度分量；针对钻孔轨迹测定装置2在下放过程中易受装置转动和重力g影响而造成参考位置坐标系ox1y1z1与oxyz空间坐标系不重复的问题，可通过角速度运动单元14记录钻孔测定装置运动姿态；假设钻孔轨迹测定装置2所在参考位置坐标系ox1y1z1与oxyz空间坐标系之间的运动偏移量为τ，其中τ＝α+β+γ，则钻孔轨迹测定装置2所在参考位置坐标系ox1y1z1在oxyz空间坐标系上的投影(τx，τy，τz)满足式(3)：

由上式求解可得到式(4)：

式(4)中，(τx，τy，τz)可由角速度运动单元直接测出，则重力g在oxyz空间坐标系的分量(gx，gy，gz)为式(5)：

计算因测量过程中装置转动和重力g作用影响，在oxyz空间坐标系中x,y,z轴方向的加速度分量(gx，gy，gz)；

s3-4：用s3-2中得到的瞬时加速度减去s3-3中得到的加速度分量，迭代运算求解得到钻孔轨迹测定装置2在该时间节点处的空间位置运动信息；

s3-5：触发信号放大滤波单元15开始工作，对步骤s3-2至s3-4获得的位移量及空间位置运动信息数据信号进行增益放大处理，并滤除噪声信号，得到钻孔轨迹测定装置的空间运动波形信息；

s3-6:利用钻孔轨迹数据处理单元对步骤s3-5获取的钻孔轨迹测量信息进行处理得到钻孔轨迹数据；

s3-7：待钻孔轨迹数据测量完成后，通过摇动旋转把手3带动收放单元4对钻孔轨迹测定装置2进行回收。

本实施例中，所述钻孔孔深测量步骤包括：

s4-1：通过给予一定压力，将所述钻孔轨迹测定装置2置于钻杆中空孔的同时，触发孔深计量单元开始工作，记录开始测量时间并通过固定件10带动测量线6向钻杆内部移动；

s4-2：待钻孔轨迹测定装置2移动到钻杆中空孔的底部时，时钟信号单元i记录测量停止时间，钻孔孔深计量单元5停止测量，利用数据处理单元i对测量线6长度数据进行处理并得到钻孔孔深数据；

s4-3：待钻孔孔深数据测量完成后，通过摇动旋转把手3带动收放单元4对钻孔轨迹测定装置2进行回收。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。