一种水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法与流程
1.本发明涉及水力冲孔技术领域，特别是指一种水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法。
背景技术：
2.水力冲孔是指利用钻机打钻时喷射的水射流在突出的煤层内冲出煤炭和瓦斯或诱导可控制的小型突出，以造成煤体卸压，排放瓦斯，消除采掘突出危险的方法。
3.煤岩赋存深度、赋存区域构造的不同，会导致煤岩围压的改变，使煤岩的力学表现发生变化。在前期的煤矿开采之前，虽然会钻探取得煤层的赋存深度与地质构造相应资料，通过地质勘探对煤岩层的应力条件与煤岩力学性质进行测定，为煤矿的后续开采提供参考及指导。但是在实际的水力冲孔过程中，至今无法得出冲孔过程中高压水对煤岩的动态破碎的变化规律，其原因如下：（1）现有的模拟软件无法完全模拟出高压水的变化状态，因此，得出的高压水对煤岩的冲击造成的应力变化并不能完全反应实际状况；而且，钻杆在钻机的作用下旋转及上下移动，模拟软件的前置条件过多，缺乏考虑工程现场地质条件的多变形，难以通过计算机数据数据处理体现洞穴的动态及最终形态。
4.（2）水力冲孔有两种方式，一种是从煤层顶板至煤层底板的冲孔方式，破碎煤渣不能及时排出，钻孔成孔过程中孔壁周围煤体伴随新的裂隙发生变形，同时煤体在返排煤渣水的软化作用下强度降低，两者共同作用下极易出现堵孔现象。
5.另一种是从煤层底板至煤层顶板的冲孔方式，只有岩段钻孔承担排渣工作，岩段钻孔稳定性较强，且排渣孔段长度较短，煤渣水能有效排出孔洞，不易出现堵孔现象。但是，孔洞的形态随着冲孔时间的持续而发生变化，由于水力自下而上的冲击作用，孔洞内破碎脱落的煤岩会在煤层底板堆积，而不能及时排出钻孔，则煤岩的实际破碎量不能通过现有技术准确测得；现有技术中计算水力冲孔扩孔体积时，普遍采用冲出孔洞外的煤渣质量除以原煤密度计算，因此，无法在水力冲孔的过程中准确地测量水力冲孔扩孔体积，更无法获得其破碎规律；（3）正是由于无法在水力冲孔的过程中准确地测量破碎量，现有技术中采用的测量方式是，在冲孔结束后通过钻孔窥视仪测量，对孔洞最终形态进行测量；现有技术中的这种测量方式，不仅不能掌握水力冲孔的动态测量规律，而且在冲孔结束后，采用高压水冲击孔洞在封闭空间产生的水雾无法排除，长期弥漫在孔洞内部，使得钻孔窥视仪无法穿透水雾，难以实现对孔洞形态的准确测量，自然也无法在冲孔后得到准确的测量数据。
技术实现要素：
6.针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法，解决了现有技术无法在水力冲孔的过程中测量高压水破碎煤岩变化规律的技术问题。
7.本技术的技术方案为：一种水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法，使用与钻杆相连的高压水冲孔喷头进行冲孔，钻杆与钻孔外煤矿钻机相连，所述高压水冲孔喷头上设置激光测距模块，激光测距模块的测距光线沿高压水冲孔喷头的高压射流方向设置，位于钻孔外的钻杆上设置旋转角度刻度和轴向长度刻度，与旋转角度刻度对应设置有角度监测模块，与轴向长度刻度对应设置有轴向监测模块，角度监测模块、轴向监测模块、激光测距模块均与控制模块相连，控制模块通过预设的高压水冲孔喷头尺寸参数、计时模块、轴向监测模块、角度监测模块建立高压水冲孔喷头的喷头喷孔的时间-空间坐标，控制模块通过激光测距模块将所述喷头喷孔空间坐标与测距结果相互匹配建立孔洞的动态三维数据，控制模块通过存储模块存储动态三维数据、通过显示模块显示动态三维数据的图像。
8.进一步地，所述钻杆旋转一圈的时间周期为t，当钻杆的轴向位置不变时，则第t秒与第2t秒、第3t秒测得的数据均为同一点数据，将第2t秒测得的数据分别与第t秒测得的数据、第3t秒测得的数据进行对比，通过对比判断第2t秒测得数据是否为可信数据，若第2t秒测得的数据大于第t秒测得的数据且小于第3t秒测得数据，则判定为未受到冲击破碎飞溅的煤渣颗粒影响而获得的可信数据。
9.进一步地，当钻杆的轴向位置往复变化时，控制钻杆轴向往复伸缩的时间周期与钻杆旋转一圈的时间周期均为t，则第t秒与第2t秒、第3t秒测得的数据均为同一点数据，将第2t秒测得的数据分别与第t秒测得的数据、第3t秒测得的数据进行对比，通过对比判断第2t秒测得数据是否为可信数据，若第2t秒测得的数据大于第t秒测得的数据且小于第3t秒测得数据，则判定为未受到冲击破碎飞溅的煤渣颗粒影响而获得的可信数据。
10.进一步地，在煤矿钻机的作用下，所述钻杆在转动的同时轴向上下往复运动，随着钻杆的转动，具有轴向高度差的转动冲击平面的部分煤岩未受到冲击破碎，未冲击破碎岩层部分的测量数据缺失，采用相邻时间冲击时的测量数据完善本次冲击时未受到冲击部分的测量数据。
11.进一步地，所述高压水冲孔喷头内设置有与控制模块相连的触发开关，当有高压水通过高压水冲孔喷头时，控制模块接收到触发开关的反馈信号，控制模块控制激光测距模块工作；当高压水冲孔喷头内没有高压水通过时，控制模块无法接收到触发开关的反馈信号，控制模块控制激光测距模块停止工作。
12.进一步地，所述触发开关为红外距离传感器或压力传感器或流速传感器。
13.进一步地，所述角度监测模块包括高清摄像机或双目摄像机或转角传感器或角度传感器。
14.进一步地，所述轴向监测模块包括距离传感器或高清摄像机或双目摄像机，当轴向监测模块为距离传感器时，位于钻孔外的钻杆上设置有测量块，距离传感器沿钻杆的轴向方向设置且与测量块相对应。
15.进一步地，以钻杆转一圈的时间周期为一个单元刻度，并以此刻度对测量数据进行分类归纳，利用弧度制对各个单元刻度的测量数据进行圆周刻画，得到圆周分布的测量数据，利用煤矿钻机拉动钻杆往复运动的长度以及在冲孔过程中增加的钻杆建立z轴，对圆周分布的测量数据进行空间分布。
16.本发明提供了一种水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法，不仅能
够在冲孔的过程中得到钻孔的准确数据，而且可以得出岩层应力条件，煤岩性质的变化对冲孔过程的影响，同时能够准确地获得不同煤岩层应力条件下的冲孔效果。本发明通过推广应用，可以得到煤岩的不同力学表现，在同等水压及不同水压下的高压水冲击作用下的破碎规律；高压水对煤岩的冲击破坏影响的数据统计之后，为煤岩力学变化、高压水对煤岩冲击破坏影响的研究提供了数据支撑。本发明可克服水雾对测量的干扰，利用测量数据对冲孔洞穴进行画像，得出孔洞三维图像及对应数据，激光通过高压水媒介，实现对冲孔过程中孔洞动态变化的测量。
17.另外，本发明还能实时反应煤岩破碎状况，孔洞的形态随着时间发生变化，即同时反应了孔洞破碎脱落的速度及脱落体量，而返孔煤渣排除孔洞外的排出体量可以在巷道内动态测量。孔内煤岩脱落与排渣在时间上的差异，反映了煤渣的排渣速度；脱落体量与排出体量的差异，可间接得出残留在孔洞内的煤渣体量。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1：本发明的结构示意图；1：钻杆；2：高压水冲孔喷头；3：钻孔；4：煤矿钻机；41：钻机夹持部；5：角度监测模块；6：轴向监测模块。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.一种水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法，如图1所示，使用与钻杆1相连的高压水冲孔喷头2进行冲孔，钻杆1与钻孔3外煤矿钻机4相连，所述高压水冲孔喷头2上设置激光测距模块，激光测距模块的测距光线沿高压水冲孔喷头2的高压射流方向设置。激光测距模块在测量孔洞时，光线会沿着高压水的方向延伸，不仅不会受到水雾的影响，而且在高压水射流的作用下，乱石渣土也不会阻挡光线的延伸，能够准确地测量孔洞的数据。
22.位于钻孔3外的钻杆1上设置旋转角度刻度和轴向长度刻度，与旋转角度刻度对应设置有角度监测模块5，与轴向长度刻度对应设置有轴向监测模块6。角度监测模块5能够与旋转角度刻度形成对照关系，实时监测钻杆1所处的周向位置，根据钻杆1及高压水冲孔喷头2的自身参数特征，可以间接获得各个高压喷头喷孔在时间轴上的周向位置；轴向监测模
块6能够与轴向长度刻度形成对照关系，实时监测钻杆1所述的深度信息，根据钻杆1及高压水冲孔喷头2的自身参数特征，可以间接获得各个高压喷头喷孔在时间轴上的轴向位置信息。
23.所述角度监测模块5、轴向监测模块6、激光测距模块均与控制模块相连，控制模块通过预设的钻杆1和高压水冲孔喷头2尺寸参数、计时模块、轴向监测模块6、角度监测模块5建立高压水冲孔喷头2的喷头喷孔的时间-空间坐标，控制模块通过激光测距模块将所述喷头喷孔空间坐标与测距结果相互匹配建立孔洞的动态三维数据，控制模块通过存储模块存储动态三维数据、通过显示模块显示动态三维数据的图像。
24.具体地，以钻杆1转一圈的时间周期为一个单元刻度，并以此刻度对测量数据进行分类归纳，利用弧度制对各个单元刻度的测量数据进行圆周刻画，得到圆周分布的测量数据，利用煤矿钻机4拉动钻杆1往复运动的长度以及在冲孔过程中增加的钻杆建立z轴，对圆周分布的测量数据进行空间分布。
25.作为一种优选的实施方式，所述钻杆1旋转一圈的时间周期为t，当钻杆1的轴向位置不变时，则第t秒与第2t秒、第3t秒测得的数据均为同一点数据。将第2t秒测得的数据分别与第t秒测得的数据、第3t秒测得的数据进行对比，通过对比判断第2t秒测得数据是否为可信数据。若第2t秒测得的数据大于第t秒测得的数据且小于第3t秒测得数据，则判定为未受到冲击破碎飞溅的煤渣颗粒影响而获得的可信数据。
26.作为一种优选的实施方式，当钻杆1的轴向位置往复变化时，控制钻杆1轴向往复伸缩的时间周期与钻杆1旋转一圈的时间周期均为t，则第t秒与第2t秒、第3t秒测得的数据均为同一点数据。将第2t秒测得的数据分别与第t秒测得的数据、第2t秒测得的数据进行对比，通过对比判断第2t秒测得数据是否为可信数据。若第2t秒测得的数据大于第t秒测得的数据且小于第3t秒测得数据，则判定为未受到冲击破碎飞溅的煤渣颗粒影响而获得的可信数据。
27.作为一种优选的实施方式，在煤矿钻机4的作用下，所述钻杆1在转动的同时轴向上下往复运动，随着钻杆1的转动，具有轴向高度差的转动冲击平面的部分煤岩未受到冲击破碎，未冲击破碎岩层部分的测量数据缺失，采用相邻时间冲击时的测量数据完善本次冲击时未受到冲击部分的测量数据。
28.作为一种优选的实施方式，所述高压水冲孔喷头2内设置有与控制模块相连的触发开关，当有高压水通过高压水冲孔喷头2时，控制模块接收到触发开关的反馈信号，控制模块控制激光测距模块工作；当高压水冲孔喷头2内没有高压水通过时，控制模块无法接收到触发开关的反馈信号，控制模块控制激光测距模块停止工作。
29.优选地，所述触发开关为红外距离传感器或压力传感器或流速传感器。
30.作为一种优选的实施方式，所述角度监测模块5包括高清摄像机或双目摄像机或转角传感器或角度传感器。所述轴向监测模块6包括距离传感器或高清摄像机或双目摄像机。当轴向监测模块6为距离传感器时，位于钻孔3外的钻杆1上设置有测量块，距离传感器沿钻杆1的轴向方向设置且与测量块相对应。
31.本发明提供了不仅能够在冲孔的过程中得到钻孔的准确数据，而且可以得出岩层应力条件，煤岩性质的变化对冲孔过程的影响，同时能够准确地获得不同煤岩层应力条件下的冲孔效果。本发明通过推广应用，可以得到煤岩的不同力学表现，在同等水压及不同水
压下的高压水冲击作用下的破碎规律；高压水对煤岩的冲击破坏影响的数据统计之后，为煤岩力学变化、高压水对煤岩冲击破坏影响的研究提供了数据支撑。本发明可克服水雾对测量的干扰，利用测量数据对冲孔洞穴进行画像，得出孔洞三维图像及对应数据，激光通过高压水媒介，实现对冲孔过程中孔洞动态变化的测量。
32.另外，本发明还能实时反应煤岩破碎状况，孔洞的形态随着时间发生变化，即同时反应了孔洞破碎脱落的速度及脱落体量，而返孔煤渣排除孔洞外的排出体量可以在巷道内动态测量。孔内煤岩脱落与排渣在时间上的差异，反映了煤渣的排渣速度；脱落体量与排出体量的差异，可间接得出残留在孔洞内的煤渣体量。
33.本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。
34.以上内容显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的有益效果。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法，使用与钻杆（1）相连的高压水冲孔喷头（2）进行冲孔，钻杆（1）与钻孔（3）外煤矿钻机（4）相连，其特征在于：所述高压水冲孔喷头（2）上设置激光测距模块，激光测距模块的测距光线沿高压水冲孔喷头（2）的高压射流方向设置，位于钻孔（3）外的钻杆（1）上设置旋转角度刻度和轴向长度刻度，与旋转角度刻度对应设置有角度监测模块（5），与轴向长度刻度对应设置有轴向监测模块（6），角度监测模块（5）、轴向监测模块（6）、激光测距模块均与控制模块相连，控制模块通过预设的高压水冲孔喷头（2）尺寸参数、计时模块、轴向监测模块（6）、角度监测模块（5）建立喷头喷孔的时间-空间坐标，控制模块通过激光测距模块将所述喷头喷孔空间坐标与测距结果相互匹配建立孔洞的动态三维数据，控制模块通过存储模块存储动态三维数据、通过显示模块显示动态三维数据的图像。2.根据权利要求1所述的水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法，其特征在于：所述钻杆（1）旋转一圈的时间周期为t，当钻杆（1）的轴向位置不变时，则第t秒与第2t秒、第3t秒测得的数据均为同一点数据，将第2t秒测得的数据分别与第t秒测得的数据、第3t秒测得的数据进行对比，通过对比判断第2t秒测得数据是否为可信数据，若第2t秒测得的数据大于第t秒测得的数据且小于第3t秒测得数据，则判定为未受到冲击破碎飞溅的煤渣颗粒影响而获得的可信数据。3.根据权利要求1所述的水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法，其特征在于：当钻杆（1）的轴向位置往复变化时，控制钻杆（1）轴向往复伸缩的时间周期与钻杆（1）旋转一圈的时间周期均为t，则第t秒与第2t秒、第3t秒测得的数据均为同一点数据，将第2t秒测得的数据分别与第t秒测得的数据、第3t秒测得的数据进行对比，通过对比判断第2t秒测得数据是否为可信数据，若第2t秒测得的数据大于第t秒测得的数据且小于第3t秒测得数据，则判定为未受到冲击破碎飞溅的煤渣颗粒影响而获得的可信数据。4.根据权利要求1-3任一项所述的水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法，其特征在于：在煤矿钻机（4）的作用下，所述钻杆（1）在转动的同时轴向上下往复运动，随着钻杆（1）的转动，具有轴向高度差的转动冲击平面的部分煤岩未受到冲击破碎，未冲击破碎岩层部分的测量数据缺失，采用相邻时间冲击时的测量数据完善本次冲击时未受到冲击部分的测量数据。5.根据权利要求4所述的水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法，其特征在于：所述高压水冲孔喷头（2）内设置有与控制模块相连的触发开关，当有高压水通过高压水冲孔喷头（2）时，控制模块接收到触发开关的反馈信号，控制模块控制激光测距模块工作；当高压水冲孔喷头（2）内没有高压水通过时，控制模块无法接收到触发开关的反馈信号，控制模块控制激光测距模块停止工作。6.根据权利要求5所述的水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法，其特征在于：所述触发开关为红外距离传感器或压力传感器或流速传感器。7.根据权利要求1-3、5-6任一项所述的水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法，其特征在于：所述角度监测模块（5）包括高清摄像机或双目摄像机或转角传感器或角度传感器。8.根据权利要求7所述的水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法，其特征在于：所述轴向监测模块（6）包括距离传感器或高清摄像机或双目摄像机，当轴向监测模
块（6）为距离传感器时，位于钻孔（3）外的钻杆（1）上设置有测量块，距离传感器沿钻杆（1）的轴向方向设置且与测量块相对应。9.根据权利要求1-3、5-6、8任一项所述的水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法，其特征在于：以钻杆（1）转一圈的时间周期为一个单元刻度，并以此刻度对测量数据进行分类归纳，利用弧度制对各个单元刻度的测量数据进行圆周刻画，得到圆周分布的测量数据，利用煤矿钻机（4）拉动钻杆（1）往复运动的长度以及在冲孔过程中增加的钻杆建立z轴，对圆周分布的测量数据进行空间分布。
技术总结
本发明公开了一种水力冲孔过程中高压水破碎煤岩变化规律的测量方法，使用高压水冲孔喷头、钻杆、煤矿钻机，高压水冲孔喷头上设置激光测距模块，测距光线沿喷头喷孔的射流方向设置，与钻杆配合设置有角度监测模块、轴向监测模块，控制模块通过预设的高压水冲孔喷头尺寸参数、计时模块、轴向监测模块、角度监测模块建立喷头喷孔的时间-空间坐标，控制模块通过激光测距模块将喷头喷孔的空间坐标与测距结果相互匹配建立孔洞的动态三维数据，控制模块通过存储模块存储动态三维数据、通过显示模块显示动态三维数据的图像。本发明不仅能够在冲孔的过程中得到钻孔的准确数据，而且可以得出岩层应力条件、煤岩性质的变化对冲孔过程的影响。响。响。
