鉆孔成像裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種成像裝置。本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種鉆孔成像裝置，該裝置能夠利用內(nèi)置三維羅盤的鉆孔成像儀探頭對鉆孔形成全景攝像，獲得連續(xù)完整的鉆孔孔壁裂隙平面展開圖和三維柱狀圖，提高測得的鉆孔裂隙空間產(chǎn)狀的準確性。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：鉆孔成像裝置，包括鉆孔成像儀主機、鉆孔成像儀探頭、深度計數(shù)器、探頭推桿、居中器及數(shù)據(jù)處理器，鉆孔成像儀探頭內(nèi)設(shè)有三維羅盤，所述鉆孔成像儀主機與深度計數(shù)器及數(shù)據(jù)處理器相連，鉆孔成像儀探頭的頂部設(shè)有居中器，鉆孔成像儀探頭的底部設(shè)置有探頭推桿，鉆孔成像儀探頭與深度計數(shù)器相連。本實用新型適用于探測鉆孔內(nèi)裂隙空間產(chǎn)狀。
【專利說明】鉆孔成像裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種成像裝置，尤其是涉及一種可探測鉆孔內(nèi)裂隙空間產(chǎn)狀的鉆孔成像裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對能源特別是煤炭、石油和天然氣的需求也日漸增長。近10年來，中國煤炭的生產(chǎn)和消費量呈持續(xù)快速增加趨勢，是世界第一煤炭生產(chǎn)和消費大國。然而，我國煤礦地質(zhì)條件極其復(fù)雜，煤礦地應(yīng)力高，變化梯度大，瓦斯含量高且透氣性差，煤與瓦斯突出嚴重，開采難度大，重特大事故特別是瓦斯突出事故尚未得到有效遏制，煤礦安全生產(chǎn)問題突出。
[0003]瓦斯突出與瓦斯在煤層孔隙或裂隙中的流動密切相關(guān)，而煤巖體裂隙的空間產(chǎn)狀對研究瓦斯在煤層中的流動規(guī)律至關(guān)重要。同時，石油和天然氣(頁巖氣等)的開采與它們在巖層孔隙或裂隙中的滲透密切相關(guān)，而巖體中裂隙的空間產(chǎn)狀對研究石油和天然氣(頁巖氣等)在巖層中的滲透規(guī)律也至關(guān)重要。因此，可以通過獲取裂隙空間產(chǎn)狀來研究瓦斯、石油等在煤體或巖體中的流動(滲透)規(guī)律，進而提高煤炭、石油及天然氣的生產(chǎn)率，并保證生產(chǎn)安全。
[0004]煤巖體中的裂隙場是瓦斯運移或滲流的主要通道，其幾何及物理特性是瓦斯解吸、富集、運移的先決條件，裂隙場的演化發(fā)育情況將直接影響著煤巖體的滲透性以及瓦斯在破斷煤巖體中的滲流情況。但是目前大量的研究工作主要集中在煤的滲透屬性及瓦斯運移基本規(guī)律，并沒有考慮工作面前方由于支撐壓力變化和卸載效應(yīng)導(dǎo)致的煤巖體高度破裂產(chǎn)生的復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)對滲透性的影響，同時也無法從定量的角度評價該情況下煤層滲透性的變化情況。煤巖體結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力強卸荷作用下如何演化以及如何控制巖體的力學(xué)行為，如何描述裂隙場的空間展布規(guī)律、揭示其跡長、開度等尺度關(guān)系、以實現(xiàn)對采動裂隙場更深層次的描述與建模都是亟待解決的問題。
[0005]為了探明工作面高強度開采條件下煤巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)分布特征及演化規(guī)律，考慮流-固耦合作用下煤層內(nèi)瓦斯運移的機制以及采動裂隙作用下的瓦斯流動模型及其數(shù)值方法，進一步完善理論模型及測試技術(shù)，實現(xiàn)采動裂隙對煤巖體內(nèi)瓦斯流動影響的研究，必須尋求一種能夠測量煤巖體裂隙空間產(chǎn)狀與分布的方法和技術(shù)。因此需要利用可探測孔內(nèi)裂隙空間產(chǎn)狀的鉆孔成像裝置，然而，目前在現(xiàn)場測量煤巖體裂隙采用的鉆孔成像儀探頭中不帶三維羅盤，存在以下問題:
[0006]①在鉆孔成像儀探頭在向鉆孔內(nèi)推送過程中會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，會導(dǎo)致在視頻圖像數(shù)據(jù)后處理過程中每一幀圖像展開成平面圖時的剖線位置不一樣，因此將每一幀平面展開圖拼湊在一起時就會發(fā)生錯位，得不到連續(xù)完整的鉆孔孔壁裂隙平面展開圖和三維柱狀圖。
[0007]②鉆孔的方位角和傾角是打鉆前人為確定的定值，而鉆孔并非一條絕對的直線，其方位角和傾角也并非保持不變，鉆孔可能會因為鉆頭彎曲或煤層地質(zhì)條件等因素的影響而發(fā)生彎曲，且打鉆時鉆孔方位角和傾角跟預(yù)先設(shè)定的值必然存在一定偏差。該問題直接導(dǎo)致鉆孔實際方位角和傾角值跟計算時采用的值存在較大的誤差，最終導(dǎo)致測得的鉆孔裂隙空間產(chǎn)狀會有較大的誤差。
[0008]因此，增強鉆孔成像儀探頭的拍攝技術(shù)和數(shù)據(jù)后處理軟件技術(shù)手段，提高當前井下鉆孔巖層或煤層物理幾何參數(shù)監(jiān)測手段的實用性和精確性是亟待解決的問題。
[0009]此外，在礦井施工過程中常會用到居中器，居中器可以將滾輪或其他相應(yīng)主體部件扶正居中。
實用新型內(nèi)容
[0010]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種鉆孔成像裝置，該裝置能夠利用內(nèi)置三維羅盤的鉆孔成像儀探頭對鉆孔形成全景攝像，獲得連續(xù)完整的鉆孔孔壁裂隙平面展開圖和三維柱狀圖，提高測得的鉆孔裂隙空間產(chǎn)狀的準確性。
[0011]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:鉆孔成像裝置，包括鉆孔成像儀主機、鉆孔成像儀探頭、深度計數(shù)器、探頭推桿、居中器及數(shù)據(jù)處理器，鉆孔成像儀探頭內(nèi)設(shè)有三維羅盤，所述鉆孔成像儀主機與深度計數(shù)器及數(shù)據(jù)處理器相連，鉆孔成像儀探頭的頂部設(shè)有居中器，鉆孔成像儀探頭的底部設(shè)置有探頭推桿，鉆孔成像儀探頭與深度計數(shù)器相連。
[0012]具體的，鉆孔成像儀探頭的底部也設(shè)有居中器。
[0013]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述居中器包括滾輪，滾輪的直徑與鉆孔的孔徑相匹配。
[0014]具體的，還包括數(shù)據(jù)線，所述鉆孔成像儀主機與深度計數(shù)器通過數(shù)據(jù)線相連。
[0015]具體的，深度計數(shù)器包括計數(shù)滑輪以及扶正線槽，數(shù)據(jù)線的一端連接在鉆孔成像儀探頭，其另一端依次先后穿過深度計數(shù)器的計數(shù)滑輪的切點以及扶正線槽，然后與鉆孔成像儀主機連接。
[0016]進一步的，還包括測距線，測距線連接在鉆孔成像儀探頭與深度計數(shù)器之間。
[0017]具體的，所述鉆孔成像儀主機包括圖形顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊及主控制模塊，主控制模塊分別與圖形顯示模塊及數(shù)據(jù)存儲模塊相連接。
[0018]具體的，所述鉆孔成像儀主機包括電源模塊，所述電源模塊為蓄電池。
[0019]進一步的，本裝置還包括充電器，所述充電器與電源模塊相連。
[0020]優(yōu)選的，所述鉆孔成像儀主機還包括調(diào)光控制模塊，所述調(diào)光控制模塊與主控制模塊相連接。
[0021]本實用新型的有益效果是:本實用新型的集成度高，內(nèi)置三維羅盤的鉆孔成像儀探頭可實現(xiàn)全景攝像，自動準確記錄鉆孔方位角、傾角以及探頭推送時相對于孔口處旋轉(zhuǎn)的角度(滾角)，清晰度高，能夠自動準確校準深度，可對所有的觀測孔全方位、全柱面觀測成像。有效克服現(xiàn)有鉆孔成像儀由于探頭旋轉(zhuǎn)或者鉆孔方位角和傾角改變而無法利用后處理軟件得到鉆孔孔壁連續(xù)完整的裂隙產(chǎn)狀和分布的弊端，同時大大改善井下試驗設(shè)備安裝以及試驗視頻圖像數(shù)據(jù)采集的條件。本實用新型適用于探測鉆孔內(nèi)裂隙空間產(chǎn)狀。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型鉆孔成像裝置在井下使用時的安裝示意圖；[0023]圖2是本實用新型鉆孔成像裝置的原理結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3是本實用新型鉆孔成像裝置的鉆孔成像儀探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4是鉆孔成像儀探頭中的三維羅盤的原理結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖5是鉆孔成像儀探頭中的三維羅盤的測量原理的角度與坐標示意圖；
[0027]圖6是本實用新型的數(shù)據(jù)處理器處理圖像數(shù)據(jù)的工作原理示意圖；
[0028]圖7是本實用新型的深度計數(shù)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]其中，I為鉆孔成像儀主機，2為鉆孔成像儀探頭，3為深度計數(shù)器，4為探頭推桿，5為居中器，6為數(shù)據(jù)線，7為數(shù)據(jù)處理器，8為充電器，91為巷道，92為巖層，93為煤層，90為鉆孔，10為主控制模塊,11為調(diào)光控制模塊，12為圖形顯示模塊,13為數(shù)據(jù)存儲模塊，21為三維羅盤，22為居中器接口，23為護頭套管，24為玻璃透光管，25為LED白光發(fā)光二極管及攝像頭安裝套管，26為信號板安裝套筒，27為三維羅盤套筒，28為護尾套管，31為計數(shù)滑輪，32為扶正線槽，30為主機，311為第一滑輪，312為第二滑輪，33為缺口，34為信號發(fā)射孔，35為支架，36為底座，37為線槽邊柱，O-XYZ為地理坐標系，Ο-xyz為羅盤(載體)坐標系，Hx、Hy、Hz是三軸磁阻傳感器測出的羅盤坐標系X、y、z軸的地磁場強度分量；gx、gy是姿態(tài)角加速度傳感器測得的羅盤坐標系X、y軸的重力加速度分量；A/D代表模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器；N-S軸表示地理南北極軸線；N’-S’軸表示地磁南北極軸線；α表示方位角，定義為羅盤前進方向(X軸)在水平面XOY上的投影與地理北極ON的夾角，從ON開始順時針方向為正，范圍為O~360° ；Φ表示傾角，定義為羅盤前進方向(X軸)與其在水平面XOY上的投影的夾角，上仰為正，下俯為負，范圍為-90°~90° ; Θ表示滾角，定義為羅盤平面上與前進方向垂直的方向(y軸)與其在水平面上投影的夾角，右轉(zhuǎn)為正，左轉(zhuǎn)為負，范圍為-180°~180° ;α ’表示磁方位角，定義為羅盤前進方向(X軸)在水平面XOY上的投影與地磁北極0Ν’的夾角；β表示磁偏角；L為從本裝置拍攝的視頻中提取每一幀圖像的長度，其范圍在Imm < L < 5mm ;d為鉆孔的孔徑`；η為拼接整個鉆孔孔壁平面圖或三維柱狀圖所需圖像的幀數(shù)；θ2，…，0?分別為第1，2，…，η幀圖像中心位置對應(yīng)的鉆孔成像儀探頭的滾角。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖及實施例，詳細描述本實用新型的技術(shù)方案。
[0031]如圖1~圖2所示，本實用新型的鉆孔成像裝置，包括鉆孔成像儀主機1、鉆孔成像儀探頭2、深度計數(shù)器3、探頭推桿4、居中器5及數(shù)據(jù)處理器7，鉆孔成像儀探頭2內(nèi)設(shè)有三維羅盤，所述鉆孔成像儀主機I與深度計數(shù)器3及數(shù)據(jù)處理器7相連，鉆孔成像儀探頭2的的頂部設(shè)有居中器5，鉆孔成像儀探頭2的底部設(shè)置有探頭推桿4，鉆孔成像儀探頭2與深度計數(shù)器3相連。
[0032]由于在井下使用時，數(shù)據(jù)處理器7可以與鉆孔成像儀主機I相連，便于及時處理數(shù)據(jù)；也可以將鉆孔成像儀探頭2探測到的圖像傳輸并保存在鉆孔成像儀主機I中，待在井下探測完畢之后，回到地面后進行數(shù)據(jù)的處理工作。因此，圖1中可以放置數(shù)據(jù)處理器7，也可以在安裝時不放置數(shù)據(jù)處理器7。
[0033]為了增強居中效果，鉆孔成像儀探頭2的頂部和底部分別連接有居中器5，居中器5的滾輪直徑與鉆孔的孔徑相匹配，具體而言，居中器5的滾輪直徑與鉆孔的孔徑可以相當，居中器5的滾輪直徑也可以略小于鉆孔的孔徑，一般而言，居中器5的滾輪直徑相較于鉆孔孔徑小5~15mm左右比較適宜，最合適的是居中器5的滾輪直徑比鉆孔孔徑小10mm，以便使得鉆孔成像儀探頭2中心線與鉆孔中心線重合，防止因鉆孔成像儀探頭2左右晃動或擺動而造成攝取的鉆孔孔壁四周圖像亮度不同。此外，也可以只在鉆孔成像儀探頭2底部連接有居中器5。
[0034]鉆孔成像儀主機I包括調(diào)光控制模塊11、圖形顯示模塊12、數(shù)據(jù)存儲模塊13及主控制模塊10，主控制模塊10分別與調(diào)光控制模塊11、圖形顯示模塊12及數(shù)據(jù)存儲模塊13。鉆孔成像儀主機I的電源模塊可以為蓄電池，便于攜帶，并在巷道中使用。進一步的，本裝置還包括充電器8，所述充電器8與蓄電池連接，可以反復(fù)對蓄電池進行充電，以便節(jié)約成本，提聞環(huán)保性。
[0035]鉆孔成像儀探頭2整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其一端或兩端設(shè)有居中器接口 22，以便與居中器5相連接。護頭套管23及護尾套管28分別保護鉆孔成像儀探頭2的頂部與底部。LED白光發(fā)光二極管及攝像頭安裝套管25中的LED白光發(fā)光二極管發(fā)出的光束可以通過玻璃透光管24照射到鉆孔孔內(nèi)，用于照明。該探頭的三維羅盤套筒27內(nèi)還安裝有三維羅盤21，用以自動記錄鉆孔的方位角和傾角，以及鉆孔成像儀探頭2的滾角。信號板安裝套筒26里的信號板用于獲取并傳輸攝像數(shù)據(jù)。
[0036]在具體使用過程中，深度計數(shù)器3 —般固定安放在巷道底板上距離觀測孔口較近的地方，位置固定不變，以便在鉆孔成像儀探頭推送過程中方便準確地記錄鉆孔深度數(shù)據(jù)；鉆孔成像儀主機I可以安放在深度計數(shù)器3附近；鉆孔成像儀主機I和鉆孔成像儀探頭2之間用數(shù)據(jù)線6連接，且該數(shù)據(jù)線須穿過深度計數(shù)器3的兩個計數(shù)滑輪31的切點處以及扶正線槽，且在測量過程中使深度計數(shù)器3和鉆孔成像儀探頭2之間的數(shù)據(jù)線始終保持繃緊拉直狀態(tài)。在探測測量過程中，通過探頭推桿4逐漸向鉆孔內(nèi)推進鉆孔成像儀探頭2，鉆孔成像儀探頭2自動記錄鉆孔方位角和傾角，并時刻記錄鉆孔成像儀探頭2相對于鉆孔口位置的旋轉(zhuǎn)角度(滾角)，而后將測得的圖像數(shù)據(jù)傳輸給鉆孔成像儀主機1，并存儲在鉆孔成像儀主機I的數(shù)據(jù)存儲模塊中，最后傳輸給計算機，利用數(shù)據(jù)處理器7對其處理得到連續(xù)完整的鉆孔孔壁三維空間裂隙網(wǎng)絡(luò)。此外，可以在鉆孔成像儀探頭2與深度計數(shù)器3之間連接有測距線，測距線在本裝置使用時始終保持繃緊拉直狀態(tài)，以便保證計數(shù)準確。鉆孔成像儀探頭2與鉆孔成像儀主機I之間可以采用無線連接方式進行數(shù)據(jù)信號傳輸。
[0037]本裝置的鉆孔成像儀探頭2的管徑可以根據(jù)鉆孔孔徑不同而進行改制，適應(yīng)性強。
[0038]如圖4所示是三維羅盤的原理結(jié)構(gòu)示意圖，三維羅盤能夠自動監(jiān)測鉆孔的空間姿態(tài)以及鉆孔成像儀探頭2的滾角，其測量原理如下:
[0039]把三維羅盤相對于地理坐標系的X、Y、Z三個軸繞逆時針轉(zhuǎn)動角度分別定義為滾角Θ、傾角Φ和方位角α，相關(guān)角度與坐標如圖5所示。根據(jù)姿態(tài)角加速度傳感器測得的重力加速度在羅盤坐標系的X軸和I軸方向的分加速度分別為gx和gy，可以直接計算得到鉆孔的傾角φ和滾角Θ，計算關(guān)系式如下:
[0040]
^ = -arcsin(gv/g)
[0041]θ - arcsinig, /geos(69)
[0042]設(shè)三軸磁阻傳感器測量到的磁場矢量值在羅盤坐標系(Ο-xyz)中對應(yīng)的坐標為(Hx, Hy, Hz)，分解到地理坐標系(O-XYZ)中對應(yīng)坐標為(Hx，HY, Hz)。當三維羅盤在運動過程中發(fā)生滾角θ和傾角φ時，利用方向余弦法，通過乘以滾角θ和傾角φ所引起的方向余弦
矩陣可以得到羅盤坐標系與地理坐標系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式如下:
[0043]
【權(quán)利要求】
1.鉆孔成像裝置，其特征在于，包括鉆孔成像儀主機(I)、鉆孔成像儀探頭(2)、深度計數(shù)器(3)、探頭推桿(4)、居中器(5)及數(shù)據(jù)處理器(7)，鉆孔成像儀探頭(2)內(nèi)設(shè)有三維羅盤，所述鉆孔成像儀主機(I)與深度計數(shù)器(3 )及數(shù)據(jù)處理器(7 )相連，鉆孔成像儀探頭(2 )的頂部設(shè)有居中器(5)，鉆孔成像儀探頭(2)的底部設(shè)置有探頭推桿(4)，鉆孔成像儀探頭(2)與深度計數(shù)器(3)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的鉆孔成像裝置，其特征在于，鉆孔成像儀探頭(2)的底部也設(shè)有居中器(5)。
3.如權(quán)利要求1所述的鉆孔成像裝置，其特征在于，所述居中器(5)包括滾輪，滾輪的直徑與鉆孔的孔徑相匹配。
4.如權(quán)利要求1所述的鉆孔成像裝置，其特征在于，還包括數(shù)據(jù)線，所述鉆孔成像儀主機(I)與深度計數(shù)器(3 )通過數(shù)據(jù)線(6 )相連。
5.如權(quán)利要求4所述的鉆孔成像裝置，其特征在于，深度計數(shù)器(3)包括計數(shù)滑輪以及扶正線槽，數(shù)據(jù)線的一端連接在鉆孔成像儀探頭(2)，其另一端依次穿過深度計數(shù)器(3)的計數(shù)滑輪的切點以及扶正線槽，然后與鉆孔成像儀主機(I)連接。
6.如權(quán)利要求1所述的鉆孔成像裝置，其特征在于，還包括測距線，測距線連接在鉆孔成像儀探頭(2)與深度計數(shù)器(3)之間。
7.如權(quán)利要求1所述的鉆孔成像裝置，其特征在于，所述鉆孔成像儀主機(I)包括圖形顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊及主控制模塊，主控制模塊分別與圖形顯示模塊及數(shù)據(jù)存儲模塊相連接。
8.如權(quán)利要求1所述的鉆孔成像裝置，其特征在于，所述鉆孔成像儀主機(I)包括電源模塊，所述電源模塊為蓄電池。
9.如權(quán)利要求8所述的鉆孔成像裝置，其特征在于，還包括充電器(8)，所述充電器(8)與電源模塊相連。
10.如權(quán)利要求9所述的鉆孔成像裝置，其特征在于，所述鉆孔成像儀主機(I)還包括調(diào)光控制模塊，所述調(diào)光控制模塊與主控制模塊相連接。
【文檔編號】E21B49/00GK203669861SQ201420022619
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】鐘江誠, 謝晶, 高明忠, 帥春, 高春玉, 譚強, 徐曉練, 李圣偉 申請人:四川大學(xué)