用于探测巷道围岩地质的勘探支架、勘探装置和勘探方法

摘要

本发明公开了一种用于探测巷道围岩地质的勘探支架、勘探装置和勘探方法。勘探装置包括激光测距仪、LTD探地雷达和勘探支架。所述勘探支架包括移动支架、轴向旋转支架、径向旋转支架和驱动装置。轴向旋转支架架设于移动支架上，且与移动支架构成转动配合，径向旋转支架与轴向旋转支架成十字交叉。径向旋转支架沿其自身轴向可伸缩。驱动装置驱动轴向旋转支架旋转且带动径向旋转支架旋转。本发明相比现有技术具有以下优点：本发明的一种用于探测巷道围岩地质的勘探支架、勘探装置和勘探方法可对巷道断面进行连续精确勘探，且可对探测结果进行精确定位，有助于形成准确有效的区域内巷道围岩三维地质变化图。

说明书

技术领域

本发明涉及巷道围岩勘探领域，尤其涉及的是一种用于探测巷道围岩地质 的勘探支架、勘探装置和勘探方法。

背景技术

巷道围岩是一个极其复杂的地质体，岩层复杂多变，存在断层、褶曲等各种 复杂的地质构造，一切与围岩有关的工作，如工作面开采、巷道布置、巷道支护 设计等，都离不开对区域内围岩地质特征的充分了解。探地雷达系统将高频 (100～1000MHz或更高)电磁波以宽频带脉冲形式由发射天线向被探测物发射， 根据反射波信号的时延形状及频谱特性等参数，可以解译出目标深度、介质结构 及性质，在数据处理的基础上，应用数字图像的恢复与重建技术，对探测目标进 行成像处理，以期达到对探测目标真实和直观的再现。

根据电磁波在地下介质的传播规律，在区域内通过多次布点，探地雷达可以 对区域内岩层、空洞、断层、地质结构、地下水以及地下矿藏等目标进行查找和 描述，对区域内的巷道围岩地质变化形初步的认知，合理的划分区域内巷道围岩 的类型，着重注意对地质异常区域的处理，指导矿井的绿色安全高效开采。目前 区域内巷道围岩地质变化的探地雷达勘探装置，存在以下不足：现有的勘探装置， 一般采用人工推拉，劳动强度大，费力；此外，没有充分考虑连续探测过程中巷 道断面的变化，勘探过程不稳定，无法对巷道断面进行连续精确勘探；现有的勘 探操作中，测线布置少，无法对巷道断面探测结果进行精确定位；通过现有的勘 探装置勘探巷道围岩，无法形成区域内准确有效的巷道围岩三维地质变化图。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种用于探测巷道围岩地质 的勘探支架、勘探装置和勘探方法，可对巷道断面进行连续精确勘探。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于探测巷道围岩地质的勘探支 架，包括移动支架、轴向旋转支架、径向旋转支架和驱动装置，所述轴向旋转支 架架设于所述移动支架上，且与所述移动支架构成转动配合，所述径向旋转支架 与所述轴向旋转支架成十字交叉，所述径向旋转支架沿其自身轴向可伸缩；所述 驱动装置驱动所述轴向旋转支架旋转，且带动所述径向旋转支架旋转。

作为上述方案的进一步优化，所述轴向旋转支架包括转轴和两个承托基座， 所述转轴呈圆柱状，且转轴的两端设有细长杆状的轴头；所述承托基座沿长度方 向内设转轴槽，所述转轴两端的轴头对应穿过所述承托基座上的转轴槽，架设在 两承托基座上，所述转轴通过轴头与承托基座构成转动配合。

作为上述方案的进一步优化，其中一个所述承托基座的端部外侧面上设有角 度刻度盘，对应穿过所述承托基座上的转轴槽的轴头的端部设有方位指针，随着 所述轴头旋转，带动所述方位指针在所述角度刻度盘上转动。

作为上述方案的进一步优化，所述驱动装置包括电机和皮带，所述电机固定 在一承托基座上，且电机的输出轴轴线与转轴的轴线相平行，所述转轴的外圆周 面上在靠近电机输出轴的一侧设置有皮带轮槽，所述皮带连接电机输出轴和皮带 轮槽，所述驱动装置驱动转轴旋转。

作为上述方案的进一步优化，所述径向旋转支架包括固定杆和伸缩杆，转轴 上设有第一限位孔，设于径向旋转支架下部的固定杆穿过第一限位孔，所述固定 杆中套设伸缩杆且伸缩杆与固定杆构成滑动配合；所述固定杆中还设置有驱动所 述伸缩杆沿固定杆的杆长方向滑动的伸缩机构，所述伸缩机构调节伸缩杆的伸 缩。

作为上述方案的进一步优化，所述伸缩机构包括拉线、缠线轮和圆柱弹簧， 所述圆柱弹簧设置在固定杆内部，且圆柱弹簧设于伸缩杆的下方，所述拉线的一 端与伸缩杆的底部固定连接，另一端穿过圆柱弹簧后绕设在固定杆中的缠线轮 上；所述缠线轮可沿垂直于固定杆杆长的方向移动，固定杆上设有供防止缠线轮 回弹的定位卡槽，所述缠线轮通过旋转控制伸缩杆的伸缩。

作为上述方案的进一步优化，所述移动支架包括三角架和连接横杆，两个所 述三角架之间固定连接有连接横杆，所述三角架的支撑脚上设有滚轮，且支撑脚 上设有第一固定孔，通过将固定钢钎(15)插入第一固定孔(14)内固定移动支 架。

一种用于探测巷道围岩地质的勘探装置，包括激光测距仪、LTD探地雷达和 勘探支架，所述LTD探地雷达包括收发天线和便携式主机，所述收发天线设于径 向旋转支架的上端，所述激光测距仪设于轴向旋转支架的转轴上，所述激光测距 仪通过可旋转的转轴测量转轴中心到巷壁的距离，所述便携式主机与收发天线电 性连接，所述收发天线通过可伸缩的径向旋转支架紧贴巷壁进行探测。

作为上述方案的进一步优化，伸缩杆的杆头部设有可旋转固定托盘，所述可 旋转固定托盘与伸缩杆构成转动配合；所述收发天线固定在可旋转固定托盘上。

用于探测巷道围岩地质的勘探装置的勘探方法，包括如下步骤：

(S1)、对待观测的巷道围岩，布置测线，并对巷道围岩的断面测线和巷道 轴向测线进行标识；

(S2)、组装用于探测巷道围岩地质的勘探装置；

(S3)、利用勘探装置勘探巷道断面形状和断面面积在连续观测过程的改变： 根据方位指针在角度刻度盘上的转动角度，手动旋转转轴，每旋转一次角度，利 用激光测距仪测量转轴中心到巷壁的距离，并记录数据，直至完成整个巷道断面 的观测，后推动勘探装置到下一个观测线，根据记录的数据和几何关系，利用绘 图软件绘制三维图，确定测线巷巷道断面形状和断面面积的变化；

(S4)、观测巷道断面内任意位置的地质变化：推动勘探装置于测量位置， 将固定钢钎对应插入第一固定孔内，固定勘探装置的相对位置，根据激光测距仪 观测得到的距离，调整缠线轮，促使在距离最大处收发天线紧贴巷壁；控制电机 使固定杆在巷道断面内匀速旋转，并记录旋转时间，根据LTD探地雷达获取的数 据图像上的距离与中心轴的旋转角度存在的线性关系，利用绘图软件绘制的三维 图，将探测结果在图纸上进行精确定位；

(S5)、观测巷道轴向的地质变化，探测定位：调整缠线轮保证在距离最大 处，使得收发天线紧贴巷壁，将转轴固定在设定的角度，通过滚轮滚动移动支架， 匀速推动整个勘探装置，将探测结果在图纸上进行定位；

(S6)、绘制区域内有效的巷道围岩三维地质变化图：沿着巷道断面测线和 巷道轴向测线对区域内巷道围岩地质变化进行密集观测，将探测结果在图纸上进 行定位，形成区域内的巷道围岩三维地质变化图。

与已有技术相比，本发明的一种用于探测巷道围岩地质的勘探支架、勘探装 置和勘探方法的有益效果体现在：

1、本发明的一种用于探测巷道围岩地质的勘探支架，可通过移动支架水平 移动；轴向旋转支架和径向旋转支架成十字交叉状，通过驱动装置控制轴向旋转 支架和径向旋转支架旋转。

2、本发明的一种用于探测巷道围岩地质的勘探支架，承托基座的端部外侧 面上设有角度刻度盘，对应穿过承托基座上的转轴槽的轴头的端部设有方位指 针，轴头旋转带动方位指针在角度刻度盘上转动，可直观的观测轴向旋转支架的 转动角度。

3、本发明的一种用于探测巷道围岩地质的勘探装置，收发天线设于径向旋 转支架的上端，激光测距仪设于轴向旋转支架的转轴上，激光测距仪通过可旋转 的转轴测量转轴中心到巷壁的距离，收发天线通过可伸缩的径向旋转支架紧贴巷 壁探测，轴向旋转支架和径向旋转支架成十字交叉状设置于移动支架上，保证激 光测距仪和收发天线在勘探过程中的稳定性；手动转动轴向旋转支架，激光测距 仪可对巷道断面形状和断面面积进行连续精确地观测，有助于形成准确有效的区 域内巷道围岩三维地质变化图。

4、本发明的一种用于探测巷道围岩地质的勘探装置，移动支架上设有滚轮 和固定钢钎，当需要沿着巷道的轴向方向进行探测时，可以推动移动支架，滚轮 的设置极大地降低了探测工作人员的劳动强度；此外，当推送到探测位置时，进 行断面内观测，可采用固定钢钎将本勘探装置固定，匀速旋转转轴，能够对巷道 断面探测结果进行精确定位。

5、本发明的一种用于探测巷道围岩地质的勘探装置，收发天线设置在伸缩 杆的杆头部，伸缩杆和固定杆之间设置有伸缩机构，伸缩机构包括圆柱弹簧、拉 线和缠线轮，本勘探装置利用圆柱弹簧的推力使收发天线与巷道内壁保持紧密接 触；同时利用伸缩杆的自由伸缩，可使设备适应不同的巷道断面形状和尺寸；此 外，本装置中的收发天线通过可旋转固定托盘固定在伸缩杆的杆头部，从而使得 收发天线在巷道断面内旋转时具有一定的柔性和调节度，极大地提高了本勘探装 置的适用性。

6、本发明的一种用于探测巷道围岩地质的勘探装置，驱动装置通过直流调 速正反转电机驱动皮带带动轴向旋转支架旋转，通过皮带传动，不但实现了减速 的效果，而且简化了驱动结构，使得转动过程较为平稳，确保了探测结果的精确 性。

7、使用本发明的一种用于探测巷道围岩地质的勘探方法，可观测巷道断面 形状和断面面积在连续观测过程的改变；可观测任意巷道断面内的地质变化，并 实现探测结果的精确定位；可观测巷道轴线方向任意位置的地质变化；可绘制区 域内有效的巷道围岩三维地质变化图。

附图说明

图1为本发明的用于探测巷道围岩地质的勘探装置的工作状态结构示意图。

图2为本发明的用于探测巷道围岩地质的勘探装置的主视图。

图3为本发明的用于探测巷道围岩地质的勘探装置的侧视图。

图4为图3的A-A剖视图。

图5为移动支架的滚轮的结构示意图。

图6a为缠线轮的结构示意图。

图6b为缠线轮的剖面图。

图7a为可旋转固定托盘的主视图。

图7b为可旋转固定托盘的侧视图。

附图中各部件的标记为：三脚架11、连接横杆12、滚轮13、第一固定孔14、固 定钢钎15、转轴2、第一限位孔21、轴头22、皮带轮槽23、方位指针24、固定 盖板25、第一卡槽26、承托基座3、端部凹槽31、U型销301、角度刻度盘32、 电机4、皮带5、固定杆61、第二卡槽601、伸缩杆62、圆柱弹簧71、拉线72、 缠线轮73、激光测距仪6、收发天线7、综合控制电缆701、可旋转固定托盘8、 电源控制台9、便携式主机10、巷道断面测线101、巷道轴向测线102。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。

一种用于探测巷道围岩地质的勘探支架，包括移动支架、轴向旋转支架、径 向旋转支架和驱动装置。轴向旋转支架架设于移动支架上，且与移动支架构成转 动配合，径向旋转支架与轴向旋转支架成十字交叉，径向旋转支架沿其自身轴向 可伸缩；驱动装置驱动轴向旋转支架旋转，且带动径向旋转支架旋转。具体参见 图1-图4，图1为本发明的用于探测巷道围岩地质的勘探装置的工作状态结构示 意图。图2为本发明的用于探测巷道围岩地质的勘探装置的主视图。图3为本发 明的用于探测巷道围岩地质的勘探装置的侧视图。图4为图3的A-A剖面图。

移动支架包括三角架11和连接横杆12，两个三角架11之间固定连接有连 接横杆12。连接横杆12通过螺栓螺母固定连接在两个三角架11之间，增强移 动支架的稳定性。参见图5，三角架11的支撑脚上设有滚轮13，便于推动移动 支架，省力。支撑脚上设有第一固定孔14，第一固定孔14内插有固定钢钎15。 需要相对固定移动支架时，将固定钢钎15穿过第一固定孔14，扎入地面，相对 固定移动支架。

轴向旋转支架包括转轴2和承托基座3，转轴2的两端分别设有一个承托基 座3。其中，转轴2呈圆柱状，且转轴2的两端设有细长杆状的轴头22。参见图 4，承托基座3沿长度方向内设转轴槽，转轴2两端的轴头22对应穿过承托基座 3上的转轴槽，架设在两承托基座3上，转轴2通过轴头22与承托基座3构成 转动配合。其中，轴向旋转支架通过承托基座3架设于移动支架上。参见图3， 一个承托基座3的端部外侧面上设有角度刻度盘32，对应穿过该承托基座3上 的转轴槽的轴头22的端部设有方位指针24，随着该轴头22旋转，带动方位指 针24在角度刻度盘32上转动。另一个承托基座3的端部设有端部凹槽31，当 需要固定转轴2时，将U型销301插入端部凹槽31中，将转轴2的轴头22卡死。

驱动装置包括电机和皮带，电机4固定在一承托基座3上，且电机4的输 出轴轴线与转轴2的轴线相平行，转轴2的外圆周面上在靠近电机输出轴的一侧 设置有皮带轮槽23，皮带5连接电机输出轴和皮带轮槽23，驱动装置驱动转轴 2旋转。本优选施例中，电机4为直流调速正方转电机，电机4通过螺母固定在 承托基座3的下侧，电机4与电源控制台9电性连接，通过电源控制台9操控电 机4的正反转和电机转速。

径向旋转支架包括固定杆61和伸缩杆62，转轴2上设有第一限位孔21， 设于径向旋转支架下部的固定杆61穿过第一限位孔21，固定杆61中套设伸缩 杆62且伸缩杆62与固定杆61构成滑动配合。本优选实施例中，固定杆61的中 端的外环上设有一个挡圈，第一限位孔21的外延上设有限位槽，固定杆61穿过 第一限位孔21，且固定杆61上的挡圈对应卡设于限位槽中，第一限位孔21的 外围设有固定盖板25，将固定盖板对应卡合，通过螺栓将固定杆61进一步加强 固定于转轴2上。固定杆61中还设置有驱动伸缩杆62沿固定杆61的杆长方向 滑动的伸缩机构，伸缩机构调节伸缩杆62的伸缩。

伸缩机构包括拉线72、缠线轮73和圆柱弹簧71。圆柱弹簧71设置于固定 杆61内部，且圆柱弹簧71设于伸缩杆62的下方，拉线72的一端与伸缩杆62 的底部固定连接，另一端穿过圆柱弹簧71后绕设在固定杆61中的缠线轮73上， 缠线轮73与固定杆61的底部存有间距。缠线轮73可沿垂直于固定杆61杆长的 方向移动，固定杆61上设有供防止缠线轮73回弹的定位卡槽，缠线轮73通过 旋转控制伸缩杆62的伸缩。如图6a和图6b所示，图6a为缠线轮的结构示意图。 图6b为缠线轮的剖面图。

本发明还公开了一种用于探测巷道围岩地质的勘探装置，包括激光测距仪 6、LTD探地雷达和勘探支架。LTD探地雷达包括收发天线7和便携式主机10， 收发天线7设于径向旋转支架的上端，激光测距仪6设于轴向旋转支架的转轴2 上，激光测距仪6通过可旋转的转轴2测量转轴中心到巷壁的距离。LTD探地雷 达10与收发天线7电性连接，收发天线7通过可伸缩的径向旋转支架紧贴巷壁 探测。具体参见图1-图4，勘探支架为上文中描述的一种用于探测巷道围岩地质 的勘探支架。

转轴2上设有第一卡槽26，激光测距仪6卡设于第一卡槽26中。当转轴2 距离某处的巷壁较近时，通过转动缠线轮73，使拉线72缠绕在缠线轮73上， 从而固定杆61中的拉线72长度缩短，拉线72随即克服圆柱弹簧71的弹力将伸 缩杆62向下拉，伸缩杆62在拉线72的拉力下回缩到固定杆61的中空杆腔中， 从而伸缩杆21伸出在外侧的杆身变短；当转轴2距离某处的巷壁较远时，反向 操作即可，因此本发明中的这种结构有利于勘探装置适应不同的巷道断面形状和 尺寸。当杆长长度需要固定时，左右移动缠线轮73，使得缠线轮73固定在固定 杆61上的定位卡槽里即可。

收发天线7设于径向旋转支架的上端。便携式主机10与收发天线7通过综 合控制电缆701电性连接。便携式主机10便于携带，操作人员可移动操作。固 定杆61上设有第二卡槽601，综合控制电缆701卡设于第二卡槽601中，将综 合控制电缆701一端拉直固定在固定杆61上，尽量避免电缆的电磁信号对收发 天线的影响。参见图7a和图7b，图7a为可旋转固定托盘的主视图。图7b为可 旋转固定托盘的侧视图。设于径向旋转支架的上部的伸缩杆62的杆头部设有可 旋转固定托盘8，可旋转固定托盘8与伸缩杆62构成转动配合。收发天线7固 定在可旋转固定托盘8上。使得收发天线在巷道断面内旋转时具有一定的柔性和 调节度，极大地提高了本勘探装置的适用性。

本发明的一种基于用于探测巷道围岩地质的勘探装置该探测设备可进行如 下观测任务：1)观测巷道断面形状和断面面积在连续观测过程的改变；2)观测 任意巷道断面内的地质变化，并实现探测结果的精确定位；3)观测巷道轴线方 向任意位置的地质变化；4)绘制区域内有效的巷道围岩三维地质变化图。

本发明还公开了一种基于用于探测巷道围岩地质的勘探装置的勘探方法，包 括如下步骤：

(S1)、根据观测任务和观测区域的大小，合理布置测线，布置巷道断面测 线101、巷道轴向测线102,并对巷道断面测线和巷道轴向测线进行标识。

(S2)、按照设备图纸，在井下巷道完成本发明的一种基于用于探测巷道围岩 地质的勘探装置组装。

(S3)、利用勘探装置勘探巷道断面形状和断面面积在连续观测过程的改变： 根据方位指针在角度刻度盘上的转动角度，转动轴向旋转支架，旋转转轴，每旋 转一次角度，利用激光测距仪测量转轴中心到巷壁的距离，并记录数据，直至完 成整个巷道断面的观测，后推动勘探装置到下一个观测线，旋转转轴观测，根据 记录的数据和几何关系，利用绘图软件绘制三维图，确定测线巷道断面形状的变 化和巷道断面面积。

(S4)、观测巷道断面内任意位置的地质变化：推动勘探装置于测量位置， 相对固定移动支架，将固定钢钎对应插入第一固定孔内，固定勘探装置的相对位 置，根据激光测距仪观测得到的距离，调整径向旋转支架自身轴向长度，促使收 发天线紧贴巷壁。通过调整缠线轮调节伸缩杆的伸缩，促使在距离最大处收发天 线紧贴巷壁；控制电机旋转转轴，轴向旋转支架带动固定杆在巷道断面内匀速旋 转，记录旋转时间，根据LTD探地雷达获取的数据图像上的距离与中心轴的旋转 角度存在的线性关系，利用绘图软件绘制的三维图，将探测结果在图纸上进行精 确定位。

(S5)、观测巷道轴向的地质变化，探测定位：通过缠线轮调节伸缩杆的伸 缩保证在距离最大处，使得收发天线紧贴巷壁，固定转轴与承托基座的相对位置， 固定在设定的角度，通过滚轮移动移动支架，匀速推动勘探装置探测，并将探测 结果在图纸上进行定位。

(S6)、绘制区域内有效的巷道围岩三维地质变化图：沿着巷道断面测线和巷 道轴向测线对区域内巷道围岩地质变化进行密集观测，将探测结果在图纸上进行 定位，形成区域内的巷道围岩三维地质变化图。

一种基于用于探测巷道围岩地质的勘探装置的勘探方法，通过测线的密集布 置，利用本发明的用于探测巷道围岩地质的勘探装置，观测巷道断面形状和断面 面积在连续观测过程的中改变，实现巷道断面探测结果的精确定位和形成有效的 区域内巷道围岩三维地质变化图。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而 且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发 明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性 的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要 求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的 任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方 式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领 域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组 合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。