基于声波的矿山钻孔综合参数监测方法及装置

292 编辑：中冶有色技术网来源：山东理工大学

2023-12-21 10:31:50

权利要求书： 1.一种基于声波的矿山钻孔综合参数监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S110、将具有声波采集功能的监测装置固定在钻机上；

S120、利用所述监测装置采集、记录钻机施工全过程中的声波信号；

S130、提取所述声波信号的幅度和频率特征，进行钻机施工全过程状态分析，监测施工参数；

所述步骤S130具体包括：

S131、提取所述声波信号的幅度和频率特征，绘制振幅?时间变化曲线和频率?时间变化曲线；

S132、结合振幅?时间变化曲线和频率?时间变化曲线，判断施工全过程中的施工环节，绘制施工环节时序图；所述施工环节为钻机待机、钻杆安装、钻机怠速、钻杆钻进、钻杆更换、退钻、吸钻或卡钻；

S133、根据施工环节时序图，对单个和多个钻孔施工全过程状态进行分析，判断包括钻机工作状态、施工进度、施工效率、施工对象强度和应力状态在内的施工状态，监测钻机施工参数。

2.根据权利要求1所述的矿山钻孔综合参数监测方法，其特征在于，对于同一台钻机，不同时间和不同施工过程，所述监测装置的固定位置保持不变；对于不同钻机，所述监测装置固定在钻机的相同位置。

3.根据权利要求1所述的矿山钻孔综合参数监测方法，其特征在于，所述监测装置与钻机施工同步工作，依次记录每一个钻孔施工过程的声波信号，进行一定的施工周期后，读取所述监测装置中的声波数据进行分析。

4.根据权利要求1所述的矿山钻孔综合参数监测方法，其特征在于，提取所述声波信号的幅度和频率特征过程中，分别利用滤波工具对振幅和频率特征进行滤波，以过滤包括人声、其他设备声音在内的杂乱声波。

5.根据权利要求1所述的矿山钻孔综合参数监测方法，其特征在于，所述监测的钻机施工参数包括钻孔进尺、每个钻孔的施工时间、每个钻孔的施工效率、施工的进度和故障判断；

根据施工环节时序图中的换钻杆次数与钻杆长度的乘积得到钻孔进尺；

根据每个钻孔开始钻杆钻进到开始退钻的时间间隔，判断每个钻孔的施工时间；

根据所述每个钻孔的施工时间和钻孔进尺，计算每个钻孔的施工效率；

根据施工环节时序图中退钻的次数判断完成钻孔的数量，以此确定施工的进度；

根据施工环节时序图中是否出现卡钻，判断施工过程中的故障。

6.根据权利要求1?5任一项所述的矿山钻孔综合参数监测方法，其特征在于，当施工一个新的区域或使用不同型号的钻机时，施工一个示范钻孔，记录并分析声波得到标准施工环节时序图，辅助监测其他钻孔施工过程的参数。

7.根据权利要求1?5任一项所述的矿山钻孔综合参数监测方法，其特征在于，所述方法采用了矿山钻孔综合参数监测装置；装置具体包括：高性能磁铁、监测装置本体和上位机；

所述高性能磁铁固定在监测装置本体上，用于将所述监测装置本体吸附在铁质钻机上；

所述监测装置本体通过高性能磁铁吸附在铁质钻机上，用于采集、存储矿山钻孔全过程中的声波信号；

所述上位机，用于根据监测装置本体采集的声波信号，提取所述声波信号的幅度和频率特征，进行钻机施工全过程状态分析，监测施工参数。

8.根据权利要求7所述的矿山钻孔综合参数监测方法，其特征在于，所述监测装置本体包括，

声波采集器，用于采集和记录矿山钻孔全过程中声波信号并转化数字声波数据，输出到数据仓；

数据仓，连接所述声波采集器，用于存储所述声波采集器采集的数字声波数据，并给所述监测装置供电；

数据接口，用于连接数据仓与上位机，读出所述数据仓内存储的数字声波数据；

保护罩，使用缓冲吸音材料制成，包裹并密封声波采集器和数据仓。

9.根据权利要求8所述的矿山钻孔综合参数监测方法，其特征在于，所述缓冲吸音材料为发泡材料。

说明书：一种基于声波的矿山钻孔综合参数监测方法及装置技术领域[0001] 本发明涉及工业监测技术领域，尤其是一种基于声波的矿山钻孔综合参数监测方法及装置。

背景技术[0002] 在矿山行业中，打钻孔是一种常见的施工方法，常用于煤岩体卸压、地质探测、探放水、抽放瓦斯等，特别是在冲击地压防治过程中，经常作为最主要的防治手段。钻孔施工

的一般工艺流程为：连接压风管路?安装钻杆?启动钻机?向煤岩体中钻孔?钻杆将要全部进

入钻孔时停钻、换钻杆?继续钻进，依次循环直至钻至设计深度?回转钻杆?拆钻杆，依次循

环直至钻杆全部拔出?停钻机。钻孔施工过程中，施工效率、钻孔进尺、钻机工作状态、钻杆

与煤岩体接触状态、钻孔内卡钻、吸钻等现象无法或不易监测记录和描述，而且经常出现施

工过程中，虚报钻孔进尺等弄虚作假的情况，严重影响了钻孔施工效率和工程效果。

发明内容[0003] 鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于声波的矿山钻孔综合参数监测方法及装置，对钻孔施工进行全过程进行监测。

[0004] 本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：[0005] 一种基于声波的矿山钻孔综合参数监测方法，包括以下步骤：[0006] S110、将具有声波采集功能的监测装置固定在钻机上；[0007] S120、利用所述监测装置采集、记录钻机施工全过程中的声波信号；[0008] S130、提取所述声波信号的幅度和频率特征，进行钻机施工全过程状态分析，监测施工参数。

[0009] 进一步地，对于同一台钻机，不同时间和不同施工过程，所述监测装置的固定位置保持不变；对于不同钻机，所述监测装置固定在钻机的相同位置。

[0010] 进一步地，所述监测装置与钻机施工同步工作，依次记录每一个钻孔施工过程的声波信号，进行一定的施工周期后，读取所述监测装置中的声波数据进行分析。

[0011] 进一步地，所述步骤S130具体包括：[0012] S131、提取所述声波信号的幅度和频率特征，绘制振幅?时间变化曲线和频率?时间变化曲线；

[0013] S132、结合振幅?时间变化曲线和频率?时间变化曲线，判断施工全过程中的施工环节，绘制施工环节时序图；所述施工环节为钻机待机、钻杆安装、钻机怠速、钻杆钻进、钻

杆更换、退钻、吸钻或卡钻；

[0014] S133、根据施工环节时序图，对单个和多个钻孔施工全过程状态进行分析，判断包括钻机工作状态、施工进度、施工效率、施工对象强度和应力状态在内的施工状态，监测钻

机施工参数。

[0015] 进一步地，提取所述声波信号的幅度和频率特征过程中，分别利用滤波工具对振幅和频率特征进行滤波，以过滤人声、其他设备声音等杂乱声波。

[0016] 进一步地，所述监测的钻机施工参数包括钻孔进尺、每个钻孔的施工时间、每个钻孔的施工效率、施工的进度和故障判断；

[0017] 根据施工环节时序图中的换钻杆次数与钻杆长度的乘积得到钻孔进尺；[0018] 根据每个钻孔开始钻杆钻进到开始退钻的时间间隔，判断每个钻孔的施工时间；[0019] 根据所述每个钻孔的施工时间和钻孔进尺，计算每个钻孔的施工效率；[0020] 根据施工环节时序图中退钻的次数判断完成钻孔的数量，以此确定施工的进度；[0021] 根据施工环节时序图中是否出现卡钻，判断判断施工过程中的故障。[0022] 进一步地，当施工一个新的区域或使用新型号的钻机时，施工一个示范钻孔，记录并分析声波得到标准施工环节时序图，辅助监测其他钻孔施工过程的参数。

[0023] 一种基于声波的矿山钻孔综合参数监测装置，包括：高性能磁铁、监测装置本体和上位机；

[0024] 所述高性能磁铁固定在监测装置本体上，用于将所述监测装置本体吸附在铁质钻机上；

[0025] 所述监测装置本体通过高性能磁铁吸附在铁质钻机上，用于采集、存储矿山钻孔全过程中的声波信号；

[0026] 所述上位机，用于根据监测装置本体采集的声波信号，提取所述声波信号的幅度和频率特征，进行钻机施工全过程状态分析，监测施工参数。

[0027] 进一步地，所述监测装置本体包括，[0028] 声波采集器，用于采集和记录矿山钻孔全过程中声波信号并转化数字声波数据，输出到数据仓；

[0029] 数据仓，连接所述声波采集器，用于存储所述声波采集器采集的数字声波数据，并给所述监测装置供电；

[0030] 数据接口，用于连接数据仓与上位机，读出所述数据仓内存储的数字声波数据；[0031] 保护罩，使用缓冲吸音材料制成，包裹并密封声波采集器和数据仓。[0032] 进一步地，所述缓冲吸音材料为橡胶或发泡材料。[0033] 本发明有益效果如下：[0034] 本发明充分考虑了矿山钻孔规律，利用声波信号，分析钻孔施工过程中的施工各环节状态，实现钻孔施工全过程监测，有效掌握钻孔施工过程和钻机工作状态，判别钻孔施

工的各个环节，分析钻机工作状态、施工对象(煤岩体)强度和应力状态、工人施工效率，对

虚报钻孔进尺等弄虚作假行为可有效进行监督，保证工程质量。为矿山钻孔监测提供了一

种成本低，简单、方便且可靠的监测方法和装置。

附图说明[0035] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

[0036] 图1为本发明实施例中矿山钻孔综合参数监测方法流程图；[0037] 图2为本发明实施例中矿山钻孔综合参数监测装置组成示意图。具体实施方式[0038] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

[0039] 本发明实施例提供了一种基于声波的矿山钻孔综合参数监测方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

[0040] S110、将具有声波采集功能的监测装置固定在钻机上；[0041] 具体的，监测装置具有声波采集功能，通过将监测装置固定在钻机上，采集、存储钻孔过程中的声波信号；

[0042] 监测装置在钻孔施工前安装，其固定位置以不影响钻机正常工作为准；[0043] 优选的，为钻机的侧面；[0044] 特殊的，监测装置的固定位置对于同一台钻机不同时间和不同施工过程中，所述监测装置的固定位置保持不变；对于不同钻机，所述监测装置固定在钻机的相同位置；

[0045] 特殊的，监测装置可以包括高性能磁铁，通过高性能磁铁的吸附作用，将综合参数监测装置本体吸附在铁质钻机上。

[0046] 通过高性能磁铁即满足将监测装置固定在钻机上，是检测装置紧贴钻机更好的采集声波信号；同时也满足好拆卸，方便采集声波信号的上传；并且不破坏钻机外壳和结构，

对钻机本身没有任何破坏。

[0047] S120、监测装置采集、记录钻机施工全过程中的声波信号；[0048] 监测装置与钻孔施工同步工作，依次记录每一个钻孔施工过程的声波信号；[0049] 进行一定的施工周期后，将监测装置连接上位机读取所述监测装置中的声波数据进行分析；

[0050] 其中，施工周期为一个生产班或一个圆班，也可以根据施工钻孔数量或施工时间进行自定义。

[0051] S130、上位机读出声波信号，进行钻孔施工全过程状态分析；[0052] 具体包括：[0053] S131、提取所述声波信号的幅度和频率特征，绘制振幅?时间变化曲线和频率?时间变化曲线；

[0054] 提取声波信号的振幅特征信息，绘制振幅?时间变化曲线；[0055] 提取声波信号的频率特征信息，绘制频率?时间变化曲线；[0056] 具体的，通过包络检测算法，得到振幅相对于时间变化；[0057] 具体的，采用FFT提取声波信号每一个时间点的频率；[0058] 特殊的，在绘制曲线的过程中，分别利用滤波工具对得到的振幅和频率信息进行滤波，得到平滑的曲线。

[0059] S132、结合振幅?时间变化曲线和频率?时间变化曲线，判断施工全过程中的施工环节，绘制施工环节时序图；所述施工环节为钻机待机、钻杆安装、钻机怠速、钻杆钻进、钻

杆更换、退钻、吸钻或卡钻；

[0060] 根据振动幅度和频率的特征不同，判断每种工况，如表1所示：[0061] 表1幅度和频率特征与工况、声音对照表[0062][0063] 结合上表中的幅度和频率特点，确定出施工全过程中的各施工环节；并根据出现时间点，绘制施工环节时序图。

[0064] S133、根据施工环节时序图，对单个和多个钻孔施工全过程状态进行分析，判断施工状态，监测钻机施工参数；

[0065] 其中施工状态包括钻机工作状态、施工进度、施工效率、施工对象强度和应力状态等；

[0066] 监测的钻机施工参数包括钻孔进尺、每个钻孔的施工时间、每个钻孔的施工效率、施工的进度和故障判断；

[0067] 1)监测钻机施工时间和钻孔进尺[0068] 根据每个钻孔开始钻杆钻进到开始退钻的时间间隔，判断每个钻孔的施工总时间；

[0069] 根据两次换钻杆的时间判断1根钻杆的钻进时间；[0070] 根据每个钻孔钻探过程中换钻杆的次数与钻杆长度的乘积判断钻孔进尺；[0071] 通过以上监测的参数，可全过程监测钻孔施工质量，避免出现钻孔施工深度不足和弄虚作假现象。

[0072] 2)监测施工进度[0073] 根据从开始钻进到完成各个钻孔钻进的时间和进尺，根据完成钻孔的数量来判断施工的进度。

[0074] 3)监测施工效率[0075] 根据各钻杆的钻探时间来判断每根钻杆的钻进效率和每个钻孔的每个钻孔的施工效率；

[0076] 根据每个钻孔的钻探时间和钻孔进尺来判断每个钻孔的施工效率；根据一个周期内总的满足施工要求的钻孔个数，来计算工段施工效率。

[0077] 4)监测在施工过程中有无故障[0078] 根据施工环节时序图中是否出现卡钻等故障特征判断施工过程中是否有设备故障；

[0079] 5)监测单孔局部施工对象强度和应力状态[0080] 根据各单个钻孔施工环节时序图中，钻进频率和幅度的变化程度判断钻孔处施工对象局部范围的强度和应力状态；一般情况下，频率较高且幅度较高时，施工对象局部范围

强度较低或应力相对较低；反之，则施工对象局部范围强度较高或应力相对较高；

[0081] 6)监测多钻孔大范围施工对象强度和应力状态[0082] 基于单孔局部施工对象强度和应力状态监测方法，根据一个区域内多个钻孔施工环节时序图中，多个钻孔钻进频率和幅度的变化程度判断该大范围区域内施工对象的强度

和应力状态；

[0083] 特殊的，当施工一个新的区域或使用新型号的钻机时，施工一个示范钻孔，记录并分析声波得到标准施工环节时序图，辅助监测其他钻孔施工过程的参数。

[0084] 一种基于声波的矿山钻孔综合参数监测装置，如图2所示，包括：高性能磁铁和监测装置本体、上位机(图中未示出)；

[0085] 高性能磁铁固定在监测装置本体上，用于将监测装置本体吸附在铁质钻机上；[0086] 监测装置本体通过高性能磁铁吸附在铁质钻机上，用于采集、存储矿山钻孔过程中的声波信号。

[0087] 具体的，监测装置本体包括，声波采集器、数据仓、数据接口、工作按钮、指示灯和保护罩；

[0088] 其中，数据仓包括外壳，外壳内设置有数据存储器、主板和电池。[0089] 具体的，声波采集器，用于采集和记录矿山钻孔过程中声波并转化数字信号，输出到数据存储器；声波采集器的采集精度高，采集的声波频率范围覆盖钻孔过程中所有声波

频率范围，声波采集器与高强磁铁紧密相邻，安装后，高强磁铁吸附在铁质钻机上，声波采

集器采集通过高强磁铁传来的声波信号；

[0090] 数据仓与声波采集器相连，用于存储声波采集器采集的声波信号；内置的数据存储器，用于存储声波采集器输出的声波数字信号；可选的，数据存储器可以是包括SD卡、TIF

卡在内的数据存储卡，其容量大于32GB；

[0091] 内置的电池，用于给包括声波采集器和数据存储器在内的部件供电，续航时间不小于72小时；为可充电电池，并通过数据接口与外接电源连接，进行充电；电池采用本安型

电路设计，适用于矿井中高瓦斯和易燃易爆环境；

[0092] 主板，用于承托各电子元器件，包括数据存储器等，连接声波采集器、数据接口、电源、工作指示灯和工作按钮，管理监测装置的控制关系和时序关系；

[0093] 数据接口，用于连接上位机，读出数据存储器内存储的声波数字信号，进行数据分析；数据接口可以是包括串行接口、1394接口或USB接口在内的数据接口；

[0094] 工作按钮，用于控制监测装置本体的工作，为非自锁按钮，当监测装置本体处于非工作状态时，按压一次工作按钮，监测装置工作，采集、存储声波信号；当监测装置本体处于

工作状态时，按压一次工作按钮，监测装置本体停止工作；

[0095] 指示灯，安装在保护罩外，指示监测装置本体的工作状态；[0096] 保护罩，使用缓冲吸音材料制成，用于包裹声波采集器和数据仓，除了起到保护声波采集器的作用外，还具有消除声波采集器和铁质钻机间的震动和杂音的功能；

[0097] 可选的，缓冲吸音材料为橡胶或发泡材料。[0098] 特殊的，监测装置本体除了数据接口外全封闭，做到防尘、防水；并且，数据接口设有防尘防水塞，在不与上位机连接时，防尘防水塞封住数据接口，起到防尘、防水功能，在与

上位机连接时，才拔开防尘防水塞。

[0099] 上位机，用于根据监测装置本体采集的声波信号，提取所述声波信号的幅度和频率特征，进行钻机施工全过程状态分析，监测施工参数。

[0100] 该装置实施例与方法实施例基于相同的发明构思，上位机提取所述声波信号的幅度和频率特征，进行钻机施工全过程状态分析，监测施工参数的过程与方法实施例中相同，

此处不再重复。

[0101] 综上所述，本发明实施例的基于声波的矿山钻孔综合参数监测方法和装置，利用声波信号，分析钻孔施工过程中的施工各环节状态，实现钻孔施工全过程监测，有效掌握钻

孔施工过程和钻机工作状态，判别钻孔施工的各个环节，分析钻机工作状态、施工对象(煤

岩体)强度和应力状态、工人施工效率，对虚报钻孔进尺等弄虚作假行为可有效进行监督，

保证工程质量。为矿山钻孔监测提供了一种成本低，简单、方便且可靠的监测方法和装置。

[0102] 本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所

述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

[0103] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，

都应涵盖在本发明的保护范围之内。