一种凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置及探测方法与流程

1.本发明属于矿山开采技术领域，尤其涉及一种凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置及探测方法。

背景技术：

2.目前，由于对掌子面前方地质条件了解不清，隧道施工就带有很大盲目性，施工中经常出现预料不到的塌方、冒顶、涌水等事故。这些事故一旦发生，轻则影响工期，增加工程投资，重则砸毁机械设备，甚至造成人员伤亡，而且事故发生后的处理工作难度较大。隧道超前地质预报：就是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料，并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析、研究，从而对施工掌子面前方岩体情况或成灾可能性做出预报。以往超前地质预报需要通过取芯进行岩性分析，从而得出前方岩石的节理，岩性，力学参数等数据。钻进时间长，取样分析慢，往往耽误施工进度。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
4.现有的超前地质预报方式需要通过取芯或大型仪器进行岩性分析，钻进时间长，取样分析慢，往往耽误施工进度。

技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置及探测方法。
6.本发明是这样实现的，一种凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置包括：钻杆、位置记录模块、仪器仓和探头；
7.所述位置记录模块设置在仪器仓外侧，用于记录整体装置在孔内的直线位移，根据设置的起始点，确定整体装置在孔内的位置；
8.所述仪器仓为空心圆筒形，左端通过螺纹与钻杆连接，右端通过螺纹与探头连接；
9.所述仪器仓内设置有可充电电池、储存单元、电子电路和外部数据接口，所述可充电电池用于给位置记录模块和探头供电，储存单元用于记录位置记录模块的位置信息和探头录制的视频，所述外部数据接口用于与外部设备连接，读取视频数据，并作为充电电池的充电接口；
10.所述探头用于录制全孔视频，并通过ahd传输模块将录制的视频传输至储存单元。
11.进一步，所述位置记录模块包括可伸缩弹性轮、光栅编码器、电子电路和储存单元；所述可伸缩弹性轮与孔壁接触，可伸缩弹性轮旋转的同时带动光栅编码器的轮子旋转，光栅编码器用于记录旋转的角度，将物理位移信号转换成电信号后通过电子电路传输至储存单元。
12.进一步，所述探头外侧套设有柔性扶正器，所述柔性扶正器用于扶正探头，使探头位于钻孔中心位置。
13.进一步，所述柔性扶正器为梭形橡胶体。
14.进一步，所述外部数据接口外侧安装有橡胶塞。
15.进一步，所述钻杆中间为空心结构，两端分别有公螺纹和母螺纹，凿岩台车通过自动加接钻杆将整体装置送入孔内。
16.进一步，所述探头前端中间设置有摄像头，所述摄像头外围环形分布有若干led灯。
17.进一步，所述探头由qsp2型材加工，直径小于55mm，前端设置有用于密封和耐压的树脂玻璃。
18.本发明的另一目的在于提供一种凿岩台车超前地质预报孔视频探测方法，所述凿岩台车超前地质预报孔视频探测方法包括：
19.步骤一，当形成的冲击孔后，提出钻头，将视频探测装置通过螺纹连接在钻杆前端，一段一段地送入孔内；
20.步骤二，光栅编码器设置为反转，反转不发出脉冲信号，当到达孔底后，开始往外连续提拉钻杆，可伸缩弹性轮正转，开始发出脉冲信号；
21.步骤三，可伸缩弹性轮旋转的同时带动光栅编码器的轮子旋转，光栅编码器记录旋转的角度，通过计算转换成视频探测装置在孔内的直线位移，根据设置的起始点，可确定录像装置在孔内的位置；
22.步骤四，光栅编码器将物理位移信号转换成电信号后通过电子电路传输至存储单元；
23.步骤五，探测完成后，结合计算的位移，将图像进行孔内位置的标定，根据图像获取地层裂缝、构造信息，部分信息需人工干预对数据进行处理后得到结果加入报告中，最终用户得到图像及文字分析报告。
24.进一步，所述光栅编码器由光源、光码盘和光敏元件组成，光源为一个发光二极管，与光敏原件二者分布在光栅盘的两侧，光栅盘为一定直径的开孔圆板，与被测量的转轴同轴；当在光栅盘上开一个孔时，光栅盘转动一圈，光敏元件就检测到一个信号，表示转轴转动一圈。记录脉冲信号为m，滚轮的直径为d，则装置的位移为l＝π*m*d。
25.结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
26.第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
27.本发明在凿岩台车超前30米左右的探孔内通过微型探头自动获取孔内岩层的视频图像信息，形成孔内岩样3d图像，通过图像观测断层裂隙产状及发育情况；观测含水断层、溶沟溶洞、含水层出水口位置等；观测和定量分析岩层走向、厚度、倾向、倾角，层内夹矸及与顶板岩层的离层、裂缝程度等；及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧洞涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使工程单位提前做好施工准备，保证施工安全，同时还可节约大量资金。
28.第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
29.本发明能够在凿岩台车钻进的超前地质预报孔内快速获取地层图像信息，并通过图像来判断地层裂隙等，及时发现掌子面前方的不良地质体，提醒施工人员做安全预防措施。这种方法操作简单，周期短，成本低。
30.第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
31.本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：可以替代现有隧道超前探测技术，大幅度节约成本，缩短施工周期，提高判断准确度。
32.(2)本发明的技术方案填补了国内业内技术空白：通过检索可知本发明的技术方案填补了国内隧道超前探测视频法技术的空白。
33.(3)本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：隧道超前探测一直是科研工作人员想要解决的难题，目前的方法有的周期长，有的操作复杂精度不高。本发明技术方案解决了人们一直渴望解决的快速、准确、操作便捷的超前探测技术难题。
附图说明
34.图1是本发明实施例提供的凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置的结构示意图；
35.图2是本发明实施例提供的凿岩台车超前地质预报孔视频探测方法的流程图；
36.图中：1、围岩；2、钻杆；3、可伸缩弹性轮；4、光栅编码器；5、外部数据接口；6、储存单元；7、可充电电池；8、柔性扶正器；9、探头；10、摄像头；11、led灯。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
38.一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
39.如图1所示，本发明实施例提供的凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置包括钻杆2、位置记录模块、仪器仓、探头9和柔性扶正器8。
40.所述钻杆2是中间为空心，两端分别有公、母螺纹，凿岩台车(图中未画出)通过自动加接钻杆将整体装置送入孔内；
41.所述位置记录模块由可伸缩弹性轮3、光栅编码器4、电子电路和储存单元6组成。可伸缩弹性轮3与孔壁接触，可伸缩弹性轮3旋转的同时带动光栅编码器4的轮子旋转，光栅编码器4记录旋转的角度，通过计算转换成录像装置在孔内的直线位移，根据设置的起始点，可确定录像装置在孔内的位置。光栅编码器4将物理位移信号转换成电信号后通过电子电路传输至储存单元。
42.仪器仓为一空心圆筒形，左端通过螺纹与钻杆2连接，右端通过螺纹与探头9连接。仪器仓内有可充电电池7、储存单元6、电子电路和外部数据接口5。可充电电池7用于给光栅编码器4和探头9供电，储存单元6用于记录光栅编码器4检测的位置信息和探头9录制的视频。工作时，外部数据接口5用橡胶塞堵住，装置提出至孔口时，打开橡胶塞，插入u盘，读取
视频数据，同时外部数据接口5也是可充电电池的充电接口。
43.所述探头9由qsp2型材加工，直径小于55mm，前置树脂玻璃密封和耐压。定向俯角360度，水平155度，防光折射，耐压3mpa以上。视频传输模块为ahd传输模块，水下可见度大于0.5m。探头用于录制全孔视频，并通过ahd传输模块将录制的视频传输至储存单元。
44.所述柔性扶正器8用于扶正探头9，使其位于钻孔中心位置，由梭形橡胶做成。
45.考虑到超前孔为冲击孔，孔壁不光滑，则在摄像头前端装上梭形的柔性扶正器，既能保证摄像头在孔内的中心轴上，又能防止摄像头在移动过程中卡顿。在装置后端装上可伸缩性弹性轮，使滚轮可以紧贴孔内壁，防止打滑现象导致位移测量不准确，在遇到障碍时也能顺利通过。为进一步减小位移测量的误差，在后端安装三个可伸缩弹性轮，每一个滚轮上安装一个观点编码器，分别计算位移，然后取三者的平均值。
46.如图2所示，本发明实施例提供的凿岩台车超前地质预报孔视频探测方法包括：
47.s101，当形成的冲击孔后，提出钻头，将视频探测装置通过螺纹连接在钻杆前端，一段一段地送入孔内；
48.s102，光栅编码器设置为反转，反转不发出脉冲信号，当到达孔底后，开始往外连续提拉钻杆，可伸缩弹性轮正转，开始发出脉冲信号；
49.s103，可伸缩弹性轮旋转的同时带动光栅编码器的轮子旋转，光栅编码器记录旋转的角度，通过计算转换成视频探测装置在孔内的直线位移，根据设置的起始点，可确定录像装置在孔内的位置；
50.s104，光栅编码器将物理位移信号转换成电信号后通过电子电路传输至存储单元；
51.s105，探测完成后，结合计算的位移，将图像进行孔内位置的标定，根据图像获取地层裂缝、构造信息，部分信息需人工干预对数据进行处理后得到结果加入报告中，最终用户得到图像及文字分析报告。
52.通过采用拖动过程中弹性轮的转动，编码器计数的方式测量位移，实现超前孔内摄像头的定位，从而确定某一地质特征的位置。编码器采用光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械转动转换成脉冲或数字量的传感器，由光源、光码盘和光敏元件组成。光源为一个发光二极管，与光敏原件二者分布在光栅盘的两侧，光栅盘为一定直径的开孔圆板，与被测量的转轴同轴。当在光栅盘上开一个孔时，光栅盘转动一圈，光敏元件就检测到一个信号，表示转轴转动一圈。记录脉冲信号为m，滚轮的直径为d，则装置的位移为l＝π*m*d。
53.相对传统大口径竖井而言，凿岩台车超前地质预报孔具有口径小(直径只有φ64mm)、接近水平状态等特点，这将给孔内成像带来具大的挑战。需要研发小口径高清探头；需要利用凿岩台车将探头自动送入水平超前探测孔内(为了施工安全，掌子面不允许有施工人员)；探头录制的视频图像要确定其方位及相对孔口的深度。上述这些是本发明的技术难点，其优点是方法简单、直观、工期短、且成本低，作为凿岩台车的一个补充装备，可大幅度提高施工安全性。
54.二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
55.本发明在实验室还有部他矿区进行了试验和示范应用，为现场施工提供了可靠的
超前地质预报。
56.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
57.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置，其特征在于，所述凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置包括：钻杆、位置记录模块、仪器仓和探头；所述位置记录模块设置在仪器仓外侧，用于记录整体装置在孔内的直线位移，根据设置的起始点，确定整体装置在孔内的位置；所述仪器仓为空心圆筒形，左端通过螺纹与钻杆连接，右端通过螺纹与探头连接；所述仪器仓内设置有可充电电池、储存单元、电子电路和外部数据接口，所述可充电电池用于给位置记录模块和探头供电，储存单元用于记录位置记录模块的位置信息和探头录制的视频，所述外部数据接口用于与外部设备连接，读取视频数据，并作为充电电池的充电接口；所述探头用于录制全孔视频，并通过ahd传输模块将录制的视频传输至储存单元。2.如权利要求1所述的凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置，其特征在于，所述位置记录模块包括可伸缩弹性轮、光栅编码器、电子电路和储存单元；所述可伸缩弹性轮与孔壁接触，可伸缩弹性轮旋转的同时带动光栅编码器的轮子旋转，光栅编码器用于记录旋转的角度，将物理位移信号转换成电信号后通过电子电路传输至储存单元。3.如权利要求1所述的凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置，其特征在于，所述探头外侧套设有柔性扶正器，所述柔性扶正器用于扶正探头，使探头位于钻孔中心位置。4.如权利要求3所述的凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置，其特征在于，所述柔性扶正器为梭形橡胶体。5.如权利要求1所述的凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置，其特征在于，所述外部数据接口外侧安装有橡胶塞。6.如权利要求1所述的凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置，其特征在于，所述钻杆中间为空心结构，两端分别有公螺纹和母螺纹，凿岩台车通过自动加接钻杆将整体装置送入孔内。7.如权利要求1所述的凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置，其特征在于，所述探头前端中间设置有摄像头，所述摄像头外围环形分布有若干led灯。8.如权利要求1所述的凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置，其特征在于，所述探头由qsp2型材加工，直径小于55mm，前端设置有用于密封和耐压的树脂玻璃。9.一种用于实施权利要求1～8任意一项所述的凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置的凿岩台车超前地质预报孔视频探测方法，其特征在于，所述凿岩台车超前地质预报孔视频探测方法包括：步骤一，当形成的冲击孔后，提出钻头，将视频探测装置通过螺纹连接在钻杆前端，一段一段地送入孔内；步骤二，光栅编码器设置为反转，反转不发出脉冲信号，当到达孔底后，开始往外连续提拉钻杆，可伸缩弹性轮正转，开始发出脉冲信号；步骤三，可伸缩弹性轮旋转的同时带动光栅编码器的轮子旋转，光栅编码器记录旋转的角度，通过计算转换成视频探测装置在孔内的直线位移，根据设置的起始点，可确定录像装置在孔内的位置；步骤四，光栅编码器将物理位移信号转换成电信号后通过电子电路传输至存储单元；步骤五，探测完成后，结合计算的位移，将图像进行孔内位置的标定，根据图像获取地
层裂缝、构造信息，部分信息需人工干预对数据进行处理后得到结果加入报告中，最终用户得到图像及文字分析报告。10.如权利要求9所述的凿岩台车超前地质预报孔视频探测方法，其特征在于，所述光栅编码器由光源、光码盘和光敏元件组成，光源为一个发光二极管，与光敏原件二者分布在光栅盘的两侧，光栅盘为一定直径的开孔圆板，与被测量的转轴同轴；当在光栅盘上开一个孔时，光栅盘转动一圈，光敏元件就检测到一个信号，表示转轴转动一圈。记录脉冲信号为m，滚轮的直径为d，则装置的位移为l＝π*m*d。

技术总结

本发明属于矿山开采技术领域，公开了一种凿岩台车超前地质预报孔视频探测装置及探测方法，位置记录模块设置在仪器仓外侧，仪器仓为空心圆筒形，左端通过螺纹与钻杆连接，右端通过螺纹与探头连接；所述仪器仓内设置有可充电电池、储存单元、电子电路和外部数据接口；所述探头用于录制全孔视频，并通过AHD传输模块将录制的视频传输至储存单元。本发明通过微型探头自动获取孔内岩层的视频图像信息，形成孔内岩样3D图像，通过图像观测断层裂隙产状及发育情况；并通过图像来判断地层裂隙等，及时发现掌子面前方的不良地质体，提醒施工人员做安全预防措施，凿岩台车超前地质预报孔视频探测方法操作简单，周期短，成本低。成本低。成本低。