(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210241640.6 (22)申请日 2022.03.11 (71)申请人 中国矿业大 学 地址 221116 江苏省徐州市大 学路1号 (72)发明人 冯晓巍　黄鹏　 (74)专利代理 机构 徐州苏越知识产权代理事务 所(普通合伙) 32543 专利代理师 刘振祥 (51)Int.Cl. G01N 21/63(2006.01) G01N 21/01(2006.01) G01N 21/84(2006.01) G01N 15/06(2006.01) E21C 39/00(2006.01) (54)发明名称 基于激光激励火花程度评估掘进迎头强度 的系统与方法 (57)摘要 一种基于激光激励火花程度评估掘进迎头 强度的系统与方法， 系统： 包括煤尘及瓦斯监测 单元、 远距离光纤传送单元、 激光发射单元、 辅助 气流清岩单元、 图像收集单元、 数据传输线、 图像 与数据处理单元和可视化显示单元； 激光发射单 元包括激光发射器、 激光传输光纤、 光纤接口和 激光头； 激光发射器的输入端与远距离传输书单 元中单模光纤连接， 其输出端与激光头连接。 方 法： 气体监测； 岩石预处理； 安装作业仪器； 激光 辐射与强度评估作业。 该系统能自动对激光辐射 岩石时产生的火花程度进行分析， 得出掘进迎头 处岩石的强度参数， 能为钻破 方案的选择提供可 靠的技术支持； 该方法步骤简单， 可结合激光辐 射与计算机信息技术， 提高硬岩强度评估的速度 与准确性。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 114609097 A 2022.06.10 CN 114609097 A 1.一种基于激光激励火花程度评估掘进迎头强度的系统， 其特征在于， 包括煤尘及瓦 斯监测单元(2)、 远距离光纤传送单元(1)、 激光发射单元(3)、 辅助气流清岩单元(4)、 图像 收集单元(5)、 数据传输线(6)、 图像与数据处 理单元(7)和可视化显示单 元(8) 所述煤尘及瓦斯监测单元(2)包括煤尘浓度测量仪(2 ‑2)和瓦斯含量测定仪(2 ‑1)； 所 述煤尘浓度测量仪(2 ‑2)设置在靠近掘进迎头处， 用于测定煤尘浓度； 所述瓦斯浓度测定仪 的探测管置入提前钻好的探测孔中， 用于测定 煤层或岩体中的瓦斯浓度； 所述远距离光纤传送单元(1)由光纤收发器和单模光纤组成， 所述单模光纤的输入端 与光纤收发器的光口连接； 所述激光发射单元(3)安装在掘进机附加机械臂的固定位置上， 其包括激光发射器(3 ‑ 1)、 激光传输光纤(3 ‑2)、 光纤接口(3 ‑4)和激光头(3 ‑3)； 所述激光发射器(3 ‑1)的输入端与 远距离传输书 单元(1)中单模光纤的输出端连接， 其输出端通过激光传输光纤(3 ‑2)和光纤 接口(3‑4)与激光头(3 ‑3)连接， 所述激光头(3 ‑3)靠近掘进迎 头处的岩石(9)的设置； 所述辅助气流清岩单元(4)包括高压氮气瓶(4 ‑3)、 气泵(4 ‑2)和喷嘴(4 ‑1)； 所述高压 氮气瓶(4 ‑3)中装有高压纯氮； 所述气泵(4 ‑2)上连接有气压计， 其进气口通过高压进气管 路与高压氮气瓶(4 ‑3)的气口连接， 其出气口通过高压出气管路与喷嘴(4 ‑1)的输入端连 接； 所述喷嘴(4 ‑1)靠近掘进迎头处的岩石(9)的设置， 用于向掘进迎头处的岩石(9)上的辐 射区域喷吹高压氮气； 所述图像收集单元(5)为带有存储卡的工业高速摄像机， 其安装在掘进机附加的机械 臂固定位置上， 且靠近掘进迎头处的岩石(9)的设置， 用于收集激光辐射过程中岩石 上方产 生的火花喷溅的图像与视频 数据， 并进行存 储； 所述数据传输线(6)用于传送数据信息； 所述图像与数据处理单元(7)通过数据传输线(6)分别与图像收集单元(5)和可视化显 示单元(8)的数据接口连接， 图像与数据处理单元(7)的内部存储有火花剧烈系数和岩石质 量指数耦合数据的数据库， 用于对图像 收集单元(5)所收集的图像与视频数据中的火花程 度进行分析处理， 并将火花程度与数据库进 行匹配， 同时， 将匹配结果 发送给可视化显示单 元(8)进行实时显示； 所述可视化显示单 元(8)为具有数据接口 的显示器。 2.根据权利要求1所述的一种基于激光激励火花程度评估掘进迎头强度的系统， 其特 征在于， 所述激光头(3 ‑3)为单排或多排激光头 。 3.根据权利要求2所述的一种基于激光激励火花程度评估掘进迎头强度的系统， 其特 征在于， 所述图像与数据处 理单元(7)为工业计算机 。 4.一种基于激光激励火花程度评估掘进迎头强度的方法， 包括如权利要求1至3任一项 所述的基于 激光激励火花 程度评估掘进迎 头强度的系统， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤一： 气体监测； S11： 在靠近掘进迎头的岩壁或煤壁中开钻瓦斯浓度探测孔， 并组装瓦斯含量测定仪 (2‑1)和煤尘浓度测量仪(2 ‑2)； S12： 将煤尘浓度测量仪(2 ‑2)设置在靠近掘进迎头处， 用于测定煤尘浓度； 将瓦斯浓度 测定仪的探测管置入提前钻好的探测孔中， 用于测定 煤层或岩体中的瓦斯浓度； S13： 进行瓦斯和煤尘的浓度测定， 读取瓦斯含量测定仪(2 ‑1)和煤尘浓度测量仪(2 ‑2)权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114609097 A 2的示数， 确保作业在瓦斯含量1％以下、 煤尘浓度在5 0g/m3以下时进行， 保证作业 安全； 步骤二： 岩石预处 理； 预先将掘进迎 头处的岩石(9)做磨平处 理， 保证激光辐射区域内岩石的平整度； 步骤三： 安装作业仪器； S31： 将激光发射器(3 ‑1)、 激光传输光 纤(3‑2)、 光纤接口(3 ‑4)、 激光头(3 ‑4)和图像收 集单元(5)安装在掘进机附加的机械臂固定位置上， 并保证上述各部件之间的相对位置一 定且易于调节； S32： 通过远距离光纤传送单元(1)中的单模光纤将光信号传送至深部矿井的掘进工作 面， 并由接口连接到激光 发射单元(3)中的激光发射器(3 ‑1)上， 为激光发射器(3 ‑1)提供持 续稳定的脉冲光源， 并通过激光传输光纤(3 ‑2)和光纤接口(3 ‑4)建立激光发射器(3 ‑1)和 激光头(3 ‑4)的连接； 利用数据传输线(6)建立图像收集单元(5)与图像与数据处理单元(7) 之间的通信连接、 利用数据传输线(6)建立图像与数据处理单元(7)和可视化显示单元(8) 之间的通信连接； 步骤四： 激光辐射与强度评估作业； S41： 调节激光头(3 ‑3)相对于掘进迎 头处的岩石表面的距离和角度； S42： 启动电源， 使激光发射器(3 ‑1)自动发射出的高能激光光束经激光头(3 ‑3)以一定 距离和角度向掘进迎头处的岩石(9)表面辐射， 通过高能激光束的辐射作用， 使掘进迎头处 的岩石(9)表面的温度急剧升高， 并发生热破裂、 熔化和汽化的现象， 产生高温熔融物和等 离子体蒸汽； 同时， 通过辅助气流清岩单元(4)的气流冲吹作用下， 将高温熔融物和等离子 体蒸汽清理出融蚀孔， 并在掘进迎头处的岩石(9)表面形成明显的火花喷溅现象； 该过程 中， 通过图像收集单元(5)实时拍摄记录掘掘进迎头处的岩石(9)产生的火花喷溅图像数 据， 并通过 数据传输线(6)传送至图像与数据处 理单元(7)； S43： 图像与数据处理单元(7)在接收到图像收集单元(5)所收集的图像数据后， 先以图 像中融蚀孔的中心区域为圆心， 由内而外的在图像中划分出多个同心 圆， 多个同心 圆至少 包括第一同心圆R1(7 ‑1)和第二同心圆R2(7 ‑2)， 并分析统计出图像中火花(10)的最大溅射 半径Rmax(7 ‑3)和火花(10)总数量Nmax， 分析统计出第一同心圆R1(7 ‑1)内的火花数量N1和 第二同心圆R2(7 ‑2)内的火花数量 N2， 直至最多统计到第二十个同心圆R20的火花数量 N20； 再结合数据库中存储的火花剧烈系数和岩石质量指数耦合数据进行对比分析， 并根据 对比结果得出掘进迎头强度评估结论和操作建议， 然后将分析结果转化为图表或图像信 息， 最后传送至可视化显示单 元(8)； S44： 可视化显示单元(8)对掘进迎头强度评估结论和操作建议进行实时显示， 以呈现 给相关人员参 考。 5.根据权利要求4所述一种基于激光激励火花程度评估掘进迎头强度的方法， 其特征 在于， 在步骤四中， 迎 头强度评估结论和操作建议包 含岩石RMR指标和掘进参数建议。 6.根据权利要求5所述一种基于激光激励火花程度评估掘进迎头强度的方法， 其特征 在于， 在步骤四中， 同心圆的数量 为20个， 且相邻同心圆的半径差值 为3cm。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114609097 A 3