一种煤矿井下激光测量孔径装置及方法与流程

1.本发明属于煤矿井下瓦斯抽采技术领域，涉及一种煤矿井下激光测量孔径装置及方法。


背景技术：

2.煤矿瓦斯抽采是防止瓦斯超限的重要手段，而施工瓦斯抽采钻孔则是煤矿瓦斯治理的主要形式。瓦斯抽采钻孔是利用钻机带动钻头旋转，在煤层中形成钻孔。赋存在煤层中的瓦斯经过解吸附作用进入钻孔中，钻孔连接在瓦斯抽采专用管路上，通过调整负压大小实现瓦斯抽采目的。因此钻孔质量是瓦斯抽采不可忽视的因素。我国多数煤矿具有瓦斯压力大、地应力大，煤层松软等特点，施工完钻孔后，钻孔变形严重甚至出现塌孔现象，如何准确掌握已施工完成的钻孔孔径的真实数据，对分析地层稳定性、裂隙发育度、瓦斯流量衰减具有重要意义。
3.目前煤矿井下测量孔径的方法，一是参考钻头尺寸，该方法基于钻孔未发生变形的前提，适用于完整、稳定地层；二是借助地球物理测井相关仪器设备，通过电性、电磁波等参数计算孔径，该方法多用于油气钻井和地面钻井，缺陷是设备体积庞大、价格昂贵，对于煤矿井下有限空间适用性不足。因此亟需一种煤矿井下新型测量孔径装置，解决现有方法的局限性，以准确掌握地层特性，为后续钻孔施工提供指导。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种煤矿井下激光测量孔径装置及方法，以解决目前煤矿井下瓦斯抽采钻孔孔径测量设备适用性不足、体积庞大、价格昂贵等问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
6.一种煤矿井下激光测量孔径装置，包括测径装置、推送杆、数据线和显示器；
7.测径装置包括外筒、中心轴、支架i、激光器、接收透镜、支架ii、光电耦合元件和量程管；外筒内中轴线位置布设中心轴，中心轴一端与外筒端盖内壁中心固接；支架i中部固定在中心轴上，支架i三端头各连一个激光器，三个激光器紧贴外筒内壁且互呈120
°
分布；接收透镜嵌设在外筒侧壁，三个接收透镜互呈120
°
分布，每个接收透镜的主光轴均垂直于外筒中轴线；支架ii中部设在中心轴上，支架ii三端头各连一个光电耦合元件，三个光电耦合元件互呈120
°
分布；每个激光器与一个接收透镜和一个光电耦合元件组成一组测径单元，每组测径单元中，激光器与接收透镜连线平行于外筒中轴线，激光器发射的激光能穿过外筒上的通孔射到孔壁，再反射至接收透镜；接收透镜的主光轴垂直于其对应的光电耦合元件且接收透镜光心与光电耦合元件之间的距离为接收透镜的焦距，光电耦合元件前端沿与接收透镜光心平齐，透过接收透镜的激光能成像在光电耦合元件上并形成光斑；量程管套设在中心轴上并位于激光器和光电耦合元件之间；
8.所述推送杆末端与测径装置外筒端盖连接；数据线一端穿过推送杆接入测径装
置，另一端连接显示器。
9.本发明还包括如下技术特征：
10.具体的，所述激光器发射的激光与外筒中轴线夹角45
°
。
11.具体的，所述激光器包括保护罩、发光二极管、聚光透镜、出光口。
12.具体的，所述接收透镜嵌设在外筒侧壁的长条形通孔内，以能沿外筒轴向方向调节接收透镜位置。
13.具体的，所述支架ii在中心轴上的位置可调，以调节光电耦合元件轴向位置。
14.具体的，所述外筒侧壁设有侧开口，该侧开口与量程管相对，以调节量程管的量程。
15.一种所述的煤矿井下激光测量孔径装置的测量孔径方法，包括以下步骤：
16.步骤1：将推送杆穿过数据线后与测径装置固接，从孔口缓慢推送下入孔内，依次连接多根推送杆，直至到达需要测量的孔深位置，记录激光器出光口与接收透镜光心的距离、测径装置的外筒半径、激光与中轴线的夹角、接收透镜焦距；
17.步骤2：接入电源，显示器通电，数据线向孔内的测径装置供电，激光器发射激光；
18.步骤3：激光射入钻孔内，三个激光器发射的激光在钻孔内壁的反射点分别为点a、点b和点c，反射光线分别对应进入三个接收透镜并聚光后分别成像在三个光电耦合元件上，在每个光电耦合元件上形成一个光斑；得到光斑位置距离光电耦合元件前端沿的距离即光斑与接收透镜主光轴之间的距离；
19.则测径装置所测位置钻孔孔径为：
[0020][0021]
上式中，点a、点b和点c到测径装置中轴线的距离分别为a、b和c；a＝1+，b＝2+，c＝3+，其中，y1为点a与测径装置外壁之间的距离，y2为点b与测径装置外壁之间的距离，y3为点c与测径装置外壁之间的距离，r为测径装置半径。
[0022]
具体的，点a与测径装置外壁之间的距离y1通过下式联立求得：
[0023][0024]
y1＝(l-x1′
)tanθ
[0025]
其中，x1为点a对应的接收透镜在光电耦合元件上形成的光斑与接收透镜主光轴之间的距离，f为接收透镜焦距，l为激光器出光口与接收透镜光心之间的距离，x1′
为点a与接收透镜主光轴之间的距离，θ为激光与测径装置中轴线夹角；以上两式联立得到
[0026][0027]
具体的，点b与测径装置外壁之间的距离y2通过下式联立求得：
[0028][0029]
y2＝(l-x2′
)tanθ
[0030]
其中，x2为点b对应的接收透镜在光电耦合元件上形成的光斑与接收透镜主光轴
之间的距离，f为接收透镜焦距，l为激光器出光口与接收透镜光心之间的距离，x2′
为点b与接收透镜主光轴之间的距离，θ为激光与测径装置中轴线夹角；以上两式联立得到
[0031][0032]
具体的，点c与测径装置外壁之间的距离y3通过下式联立求得：
[0033][0034]
y3＝(l-x3′
)tanθ
[0035]
其中，x3为点c对应的接收透镜在光电耦合元件上形成的光斑与接收透镜主光轴之间的距离，f为接收透镜焦距，l为激光器出光口与接收透镜光心之间的距离，x3′
为点c与接收透镜主光轴之间的距离，θ为激光与测径装置中轴线夹角；以上两式联立得到
[0036][0037]
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0038]
(1)本发明体积小适用性强，显示器边长仅为160mm，测径装置半径仅为20mm，适用于煤矿井下狭小空间，便于存放和搬运。
[0039]
(2)本发明量程范围大(40～400mm)，可以满足目前井下常规瓦斯抽采钻孔(2)本发明量程范围大(40～400mm)，可以满足目前井下常规瓦斯抽采钻孔探放水钻孔爆破钻孔取芯钻孔的孔径测量。
[0040]
(3)本发明考虑了测径装置偏移因素，测量数据更加接近实际，借助三点共圆原理对所测距离数据进行转换，确保最终显示孔径更接近测点真实孔径。
[0041]
(4)本发明根据测得的孔径，结合推送杆下入深度、倾角、方位角等参数能绘制钻孔空间形态，为掌握钻孔变形和确定塌孔位置提供了有效方法。
[0042]
(5)本发明结构简单、成本低廉，核心部件测径装置用到简单的光学和数学原理，内部激光器、透镜、光电耦合元件等也已研究成熟且可以模块化应用，因此本发明成本可控，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
[0043]
图1是本发明整体结构示意图；
[0044]
图2是本发明测径装置示意图；
[0045]
图3是本发明激光器结构示意图；
[0046]
图4是本发明三个激光器布设示意图；
[0047]
图5是本发明接收透镜和光电耦合元件布设示意图；
[0048]
图6是显示器示意图；
[0049]
图7是相似三角形原理图；
[0050]
图8是孔径计算原理图。
[0051]
图中各个标号的含义为：
[0052]
1.测径装置，2.推送杆，3.数据线，4.显示器，5.孔壁；11.外筒，12.中心轴，13.支架i，14.激光器，15.接收透镜，16.支架ii，17.光电耦合元件，18.量程管；141.保护罩，142.
发光二极管，143.聚光透镜，144.出光口；171.光敏单元，172.电路层；41.防爆外壳，42.显示屏，43.参数显示区，44.电源接口，45.数据线接口。
具体实施方式
[0053]
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0054]
实施例1：
[0055]
如图1至图6所示，本实施例提供一种煤矿井下激光测量孔径装置，包括测径装置1、推送杆2、数据线3和显示器4。
[0056]
测径装置1，包括外筒11、中心轴12、支架i13、激光器14、接收透镜15、支架ii16、光电耦合元件17和量程管18；本实施例中，测径装置1整体长为100mm，直径为20mm，接收透镜为焦距f＝10mm的凸透镜；外筒11内中轴线位置布设中心轴12，中心轴12一端与外筒11端盖内壁中心固接；支架i13中部固定在中心轴12上，支架i13三端头各连一个激光器14，三个激光器14紧贴外筒11内壁且互呈120
°
分布；接收透镜15嵌设在外筒11侧壁，三个接收透镜15互呈120
°
分布，每个接收透镜15的主光轴均垂直于外筒11中轴线；支架ii16中部设在中心轴12上，支架ii16三端头各连一个光电耦合元件17，三个光电耦合元件17互呈120
°
分布；每个激光器14与一个接收透镜15和一个光电耦合元件17组成一组测径单元，每组测径单元中，激光器14与接收透镜15连线平行于外筒11中轴线，激光器14发射的激光能穿过外筒11上的通孔射到孔壁，再反射至接收透镜15；接收透镜15的主光轴垂直于其对应的光电耦合元件17且接收透镜15光心与光电耦合元件17之间的距离为接收透镜15的焦距，光电耦合元件17前端沿与接收透镜15光心平齐，透过接收透镜15的激光能成像在光电耦合元件17上并形成光斑；量程管18套设在中心轴12上并位于激光器14和光电耦合元件17之间。
[0057]
推送杆2末端与测径装置1外筒端盖连接；数据线3一端穿过推送杆2接入测径装置1，另一端连接显示器4。
[0058]
激光器14发射的激光与外筒11中轴线夹角45
°
。
[0059]
激光器14包括保护罩141、发光二极管142、聚光透镜143、出光口144。
[0060]
接收透镜15嵌设在外筒11侧壁的长条形通孔内，以能沿外筒11轴向方向调节接收透镜15位置。
[0061]
支架ii16在中心轴12上的位置可调，以调节光电耦合元件17轴向位置。
[0062]
外筒11侧壁设有侧开口，该侧开口与量程管18相对，以调节量程管18的量程。本实施例中，侧开口断面长40mm，宽6mm，其作用在于提供调整量程管定位螺钉的空间；
[0063]
显示器4包括防爆外壳41、显示屏42、参数显示区43、电源接口44、数据线接口45；显示器电源接口44与电源相接；数据线接口45处的数据线上设有开关；数据线能传输测量数据及输电。
[0064]
多个推送杆之间丝扣连接，推送杆与测径装置端盖丝扣相接。
[0065]
本实施例中的光电耦合元件，包括两层结构：上层为光敏单元(像素单元)，下层为电路层，电路层与数据线连接，向孔口显示器返回成像点距光电耦合元件前端沿(即接收透镜主光轴)的偏移量x。光电耦合元件外观为长方形薄片，长、宽、厚分别为：20mm、10mm、2mm。
[0066]
本实施例中，量程管包括量程外管、量程内管、定位螺钉、螺旋数据线。其中定位螺
钉包括四个：30mm、50mm、100mm、200mm，对应量程为：40～60mm、40～100mm、60～200mm、120～400mm。螺旋数据线实质为数据线的一部分，设计为螺旋状便于同量程内管同步伸缩。
[0067]
实施例2：
[0068]
本实施例提供一种实施例1中的煤矿井下激光测量孔径装置的测量孔径方法，包括以下步骤：
[0069]
使用装置之前，根据被测孔径预估大小，从侧开口用工具调整量程管上的定位螺钉位置，选择合适的量程；
[0070]
步骤1：将推送杆穿过数据线后与测径装置固接，从孔口缓慢推送下入孔内，依次连接多根推送杆，直至到达需要测量的孔深位置，记录激光器出光口与接收透镜光心的距离、测径装置的外筒半径、激光与中轴线的夹角、接收透镜焦距等固定参数；
[0071]
步骤2：接入电源，显示器通电，闭合数据线上的开关，数据线向孔内的测径装置供电，加在发光二极管两端的电压使二极管发出激光，产生光源，激光器发射激光；
[0072]
步骤3：激光经聚光透镜聚光后以线型方式射入钻孔内，在钻孔内壁发生漫反射，三个激光器发射的激光在钻孔内壁的反射点分别为点a、点b和点c，反射光线分别对应进入三个接收透镜并聚光后分别成像在三个光电耦合元件上，在每个光电耦合元件上形成一个光斑；光斑所在位置发生电荷聚集，形成高电位，经数字电路运算后，得到光斑位置距离光电耦合元件前端沿的距离即光斑与接收透镜主光轴之间的距离；并传至孔口显示器上，对数据进行处理后输出所测位置孔径；
[0073]
则测径装置所测位置钻孔孔径为：
[0074][0075]
上式中，点a、点b和点c到测径装置中轴线的距离分别为a、b和c；a＝1+，b＝2+，c＝3+，其中，y1为点a与测径装置外壁之间的距离，y2为点b与测径装置外壁之间的距离，y3为点c与测径装置外壁之间的距离，r为测径装置半径。
[0076]
如图8中，在
△
abc中，测得到上述钻孔孔径d。
[0077]
激光器、接收透镜、光电耦合元件的布置方式，形成相似三角形关系(图7)，利用相似三角形原理，点a与测径装置外壁之间的距离y1通过下式联立求得：
[0078][0079]
y1＝(l-x1′
)tanθ
[0080]
其中，x1为点a对应的接收透镜在光电耦合元件上形成的光斑与接收透镜主光轴之间的距离，mm，f为接收透镜焦距，mm，l为激光器出光口与接收透镜光心之间的距离，mm，x1′
为点a与接收透镜主光轴之间的距离，mm，θ为激光与测径装置中轴线夹角；以上两式联立得到
[0081]
同样利用相似三角形原理，点b与测径装置外壁之间的距离y2通过下式联立求得：
[0082][0083]
y2＝(l-x2′
)tanθ
[0084]
其中，x2为点b对应的接收透镜在光电耦合元件上形成的光斑与接收透镜主光轴之间的距离，mm，f为接收透镜焦距，mm，l为激光器出光口与接收透镜光心之间的距离，mm，x2′
为点b与接收透镜主光轴之间的距离，mm，θ为激光与测径装置中轴线夹角；以上两式联立得到
[0085]
同样利用相似三角形原理，点c与测径装置外壁之间的距离y3通过下式联立求得：
[0086][0087]
y3＝(l-x3′
)tanθ
[0088]
其中，x3为点c对应的接收透镜在光电耦合元件上形成的光斑与接收透镜主光轴之间的距离，mm，f为接收透镜焦距，mm，l为激光器出光口与接收透镜光心之间的距离，mm，x3′
为点c与接收透镜主光轴之间的距离，mm，θ为激光与测径装置中轴线夹角；以上两式联立得到
[0089]
本发明中激光器、接收透镜、光电耦合元件的布置方式考虑了测径装置偏离因素，即测径装置下入孔内之后，由于自身重力影响可能出现测径装置轴线偏离钻孔中心轴线，此时借助三点共圆原理，可以求解钻孔直径，计算原理如图7和8所示；当测径装置偏离至不与钻孔同轴时，若点a、点b和点c不在同一个截面圆内，可将三个点沿钻孔轴向方向投影至使其在同一个圆内且该圆所在平面与钻孔轴向垂直；点a、点b和点c到测径装置中心轴线的距离与其投影点到测径装置中心轴线的距离是一致的。
[0090]
本发明中，可在同一测点对推送杆旋转一定角度，多测几组数据，取平均值，所得结果更精确；测完一组数据后断开数据线上开关，继续加接推送杆并送入孔内，直至到达下一个测点位置，重复步骤1至步骤3；完成所有测点孔径测量后，断开显示器电源和数据线开关，缓慢提升推送杆，逐一卸掉推送杆，直至测径装置提离孔口。

技术特征：
1.一种煤矿井下激光测量孔径装置，其特征在于，包括测径装置(1)、推送杆(2)、数据线(3)和显示器(4)；测径装置(1)包括外筒(11)、中心轴(12)、支架i(13)、激光器(14)、接收透镜(15)、支架ii(16)、光电耦合元件(17)和量程管(18)；外筒(11)内中轴线位置布设中心轴(12)，中心轴(12)一端与外筒(11)端盖内壁中心固接；支架i(13)中部固定在中心轴(12)上，支架i(13)三端头各连一个激光器(14)，三个激光器(14)紧贴外筒(11)内壁且互呈120
°
分布；接收透镜(15)嵌设在外筒(11)侧壁，三个接收透镜(15)互呈120
°
分布，每个接收透镜(15)的主光轴均垂直于外筒(11)中轴线；支架ii(16)中部设在中心轴(12)上，支架ii(16)三端头各连一个光电耦合元件(17)，三个光电耦合元件(17)互呈120
°
分布；每个激光器(14)与一个接收透镜(15)和一个光电耦合元件(17)组成一组测径单元，每组测径单元中，激光器(14)与接收透镜(15)连线平行于外筒(11)中轴线，激光器(14)发射的激光能穿过外筒(11)上的通孔射到孔壁，再反射至接收透镜(15)；接收透镜(15)的主光轴垂直于其对应的光电耦合元件(17)且接收透镜(15)光心与光电耦合元件(17)之间的距离为接收透镜(15)的焦距，光电耦合元件(17)前端沿与接收透镜(15)光心平齐，透过接收透镜(15)的激光能成像在光电耦合元件(17)上并形成光斑；量程管(18)套设在中心轴(12)上并位于激光器(14)和光电耦合元件(17)之间；所述推送杆(2)末端与测径装置(1)外筒端盖连接；数据线(3)一端穿过推送杆(2)接入测径装置(1)，另一端连接显示器(4)。2.如权利要求1所述的煤矿井下激光测量孔径装置，其特征在于，所述激光器(14)发射的激光与外筒(11)中轴线夹角45
°
。3.如权利要求1所述的煤矿井下激光测量孔径装置，其特征在于，所述激光器(14)包括保护罩(141)、发光二极管(142)、聚光透镜(143)、出光口(144)。4.如权利要求1所述的煤矿井下激光测量孔径装置，其特征在于，所述接收透镜(15)嵌设在外筒(11)侧壁的长条形通孔内，以能沿外筒(11)轴向方向调节接收透镜(15)位置。5.如权利要求1所述的煤矿井下激光测量孔径装置，其特征在于，所述支架ii(16)在中心轴(12)上的位置可调，以调节光电耦合元件(17)轴向位置。6.如权利要求1所述的煤矿井下激光测量孔径装置，其特征在于，所述外筒(11)侧壁设有侧开口，该侧开口与量程管(18)相对，以调节量程管(18)的量程。7.一种如权利要求2至6任一权利要求所述的煤矿井下激光测量孔径装置的测量孔径方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将推送杆穿过数据线后与测径装置固接，从孔口缓慢推送下入孔内，依次连接多根推送杆，直至到达需要测量的孔深位置，记录激光器出光口与接收透镜光心的距离、测径装置的外筒半径、激光与中轴线的夹角、接收透镜焦距；步骤2：接入电源，显示器通电，数据线向孔内的测径装置供电，激光器发射激光；步骤3：激光射入钻孔内，三个激光器发射的激光在钻孔内壁的反射点分别为点a、点b和点c，反射光线分别对应进入三个接收透镜并聚光后分别成像在三个光电耦合元件上，在每个光电耦合元件上形成一个光斑；得到光斑位置距离光电耦合元件前端沿的距离即光斑与接收透镜主光轴之间的距离；则测径装置所测位置钻孔孔径为：
上式中，点a、点b和点c到测径装置中轴线的距离分别为a、b和c；a＝1+，b＝2+，c＝3+，其中，y1为点a与测径装置外壁之间的距离，y2为点b与测径装置外壁之间的距离，y3为点c与测径装置外壁之间的距离，r为测径装置半径。8.如权利要求7所述的煤矿井下激光测量孔径装置的测量孔径方法，其特征在于，点a与测径装置外壁之间的距离y1通过下式联立求得：y1＝(l-x1′
)tanθ其中，x1为点a对应的接收透镜在光电耦合元件上形成的光斑与接收透镜主光轴之间的距离，f为接收透镜焦距，l为激光器出光口与接收透镜光心之间的距离，x1′
为点a与接收透镜主光轴之间的距离，θ为激光与测径装置中轴线夹角；以上两式联立得到9.如权利要求7所述的煤矿井下激光测量孔径装置的测量孔径方法，其特征在于，点b与测径装置外壁之间的距离y2通过下式联立求得：y2＝(l-x2′
)tanθ其中，x2为点b对应的接收透镜在光电耦合元件上形成的光斑与接收透镜主光轴之间的距离，f为接收透镜焦距，l为激光器出光口与接收透镜光心之间的距离，2
x
′
为点b与接收透镜主光轴之间的距离，θ为激光与测径装置中轴线夹角；以上两式联立得到10.如权利要求7所述的煤矿井下激光测量孔径装置的测量孔径方法，其特征在于，点c与测径装置外壁之间的距离y3通过下式联立求得：y3＝(l-x3′
)tanθ其中，x3为点c对应的接收透镜在光电耦合元件上形成的光斑与接收透镜主光轴之间的距离，f为接收透镜焦距，l为激光器出光口与接收透镜光心之间的距离，x3′
为点c与接收透镜主光轴之间的距离，θ为激光与测径装置中轴线夹角；以上两式联立得到

技术总结
本发明公开了一种煤矿井下激光测量孔径装置及方法，包括测径装置、推送杆、数据线和显示器；测径装置包括外筒、中心轴、支架I、激光器、接收透镜、支架II、光电耦合元件和量程管；通过激光器、接收透镜和光电耦合元件组合求得光电耦合元件上光斑与接收透镜主光轴之间的距离，再结合预先测得的固定参数，根据相似三角形等原理，求得孔径。本发明能准确测量孔径，解决目前煤矿井下瓦斯抽采钻孔孔径测量设备适用性不足、体积庞大、价格昂贵等问题。价格昂贵等问题。价格昂贵等问题。


技术研发人员：马丁 王毅 段会军 张杰 白刚 刘修刚
受保护的技术使用者：中煤科工西安研究院（集团）有限公司
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/9/5