[发明专利]一种面向智慧矿山的瓦斯钻孔方法及其机器人系统

权利要求书

1.一种面向智慧矿山的瓦斯抽采钻孔机器人系统，其特征在于，包括钻孔子系统（1）、巷道连续管作业机（2）和巷道定位子系统（3）；巷道连续管作业机（2）分别与钻孔子系统（1）和巷道定位子系统（3）相连接；

所述钻孔子系统（1）包括从孔口到孔底依次连接的连续管（4）、钻孔爬行器（5）、定向器（6）、孔底动力钻具（7）和钻头（8）；所述连续管（4）中安装有电缆（11），所述连续管（4）穿过巷道上的注入头（15）与巷道连续管作业机（2）相连接；

所述巷道连续管作业机（2）包括滚筒（13）、电机（14）、钻井液泵（16）、水箱（17）和穿电缆连续管密封接头（18）；所述电机（14）通过驱动装置与滚筒（13）连接，驱动滚筒旋转；所述连续管（4）缠绕在滚筒（13）上，连续管（4）中电缆（11）一端与钻孔子系统连接，电缆（11）另一端穿过穿电缆连续管密封接头（18）与供电和通信设备连接；所述钻井液泵（16）一端与水箱（17）相连接，另一端与连续管（4）相连接；所述穿电缆连续管密封接头（18）设置在滚筒（13）与钻井液泵（16）之间的连续管（4）上，将电缆引出连续管（4）同时不发生泄漏；

所述巷道定位子系统（3）包括检波器（19）、三轴磁通门A（20）和浅孔（21）；所述浅孔（21）内安装有多个接地电缆（22）阵列；所述检波器（19）、三轴磁通门A（20）和浅孔（21）分别通过线缆与巷道连续管作业机（2）相连接；

所述钻孔子系统还有另一结构，包括从孔口到孔底依次连接的连续管（4）、随钻测量短接（12）、电动孔底马达（9）、定向孔底马达（10）和钻头（8）；所述随钻测量短接（12）包括三轴磁通门B、三轴加速度计和多轴陀螺仪；靠近所述钻头（8）位置安装有永磁材料（23）；

所述瓦斯抽采钻孔机器人系统存在一种瓦斯钻孔方法，所述瓦斯钻孔方法包括以下步骤：

瓦斯抽采钻孔机器人系统的钻孔爬行器（5）与注入头（15）共同联合驱动连续管（4）驱动孔底动力钻具（7）和钻头（8）进行钻孔，并在瓦斯钻孔中进行前进和后退；

在钻孔工作中，利用液压或电力驱动的方式控制定向器（6）的可控弯接头弯曲角度，配合孔底动力钻具（7）和钻头（8）更好地钻孔；

随着钻孔工作的深入，使用钻孔子系统（1）的所述另一结构，随钻测量短接（12）同步测量瓦斯钻孔轨迹参数，对钻孔轨迹和钻孔子系统（1）的动静姿态进行测量和计算；

钻孔子系统（1）中的永磁材料（23）与巷道定位子系统（3）相配合进行钻头（8）的磁定位，提高瓦斯钻孔轨迹的测量精度；

在巷道中布置检波器（19）阵列，检波器（19）采用三分量检波器，测量钻井过程中钻头接触孔底时产生的微小振动信号，通过微震时差定位模型与孔眼轨迹计算模型融合的方式，考虑随钻测量短接（12）距离钻头的长度和钻杆指向，计算钻孔接单根或者钻进时的孔底的三维坐标；

所述提高瓦斯钻孔轨迹测量精度的磁定位方式分为主动磁定位和被动磁定位两种；所述被动磁定位具体方法为：将永磁材料（23）有向安装在钻孔子系统（1）的钻头（8）附近，形成有向磁场阵列，巷道定位子系统（3）中的三轴磁通门A（20）接收并测量有向磁场阵列发出的强磁信号，所述强磁信号随时间和钻头方位变化而变化；所述主动磁定位具体方法为：在钻井和停钻过程中，浅孔（21）内安装的多个接地电缆（22）阵列分别按照设定的顺序及组合通入交流电，利用钻孔子系统（1）三轴磁通门B记录磁场的方位变化情况。

2.根据权利要求1所述的一种面向智慧矿山的瓦斯抽采钻孔机器人系统，其特征在于，所述定向器（6）接头为可控弯接头，所述可控弯接头采用液压或者电力驱动的方式进行接头弯度的调节。

3.根据权利要求1所述的一种面向智慧矿山的瓦斯抽采钻孔机器人系统，其特征在于，所述注入头（15）安装在巷道上的孔口位置。

4.根据权利要求1所述的一种面向智慧矿山的瓦斯抽采钻孔机器人系统，其特征在于，所述注入头（15）驱动方法具体为：通过算法模型、钻孔爬行器（5）的驱动力参数和钻孔爬行器（5）测量的拉力参数，得到注入头（15）施加力最优的数值和变化规律；所述施加力为注入头（15）对连续管（4）施加的推出孔底的推力和拉出孔的拉力。