一种矿山井下钻孔探测仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种矿山井下钻孔探测仪，包括钻孔数据采集模块，所述钻孔数据采集模块包括金属外壳探头及设置于金属外壳探头内的摄像单元、自然伽玛单元、孔斜测量单元、传输与控制单元；所述摄像单元设置于金属外壳探头的顶部；所述摄像单元包括设置于金属外壳探头顶部的垂向摄像头或设置于金属外壳探头侧壁的侧向摄像头或者二者结合。本实用新型对井下各类钻孔进行探测包括分层岩性、厚度、岩层软硬程度、岩石孔隙、裂隙、出水点、顶板离层情况。针对常见的沉积岩地层而言，本系统能够区分沉积地层的主要岩性如粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、铝土泥岩、碳质泥岩、煤层、灰岩、火成岩等岩性及其分层厚度。
【专利说明】一种矿山井下钻孔探测仪
【技术领域】
[0001]本实用新型属于钻孔探测设备【技术领域】，涉及一种矿山井下钻孔探测仪。
【背景技术】
[0002]目前，在地质勘探中对钻孔进行地层岩性探测常规做法主要是利用物探测井手段，并已经成为行业标准。常利用多种测井手段(如自然伽玛、自然电位、密度、视电阻率、双收时差、井径等)探测，通常规定必须四种以上参数才能准确判断地层岩性。然而，对矿山井下环境及超小口径钻孔(如锚索孔一般直径只有28_)进行岩性探测而言，由于当前技术条件限制，绝大多数测井仪器设计尺寸不能设计到足够小(便于携带、在狭小环境使用)，功耗也不能降至足够低。上述多种参数综合测井确定岩性的探测方法就不能实现。
[0003]视频摄像技术在钻孔探测方面是一种新型技术，具有可视化、直观特点，能够查明钻孔中岩层的裂隙发育程度、含水层富水性等。随着摄像分辨率提高和摄像设备的微型化，视频摄像技术的已经能够在超小口径孔中使用。但在岩层岩性识别方面有明显不足之处:(I)受人眼识别能力与钻孔施工质量影响大(井壁光滑度、岩层软硬等)，仅凭照片或视频不能很好地区分相近岩性，如粉砂岩、泥岩。(2)受拍摄条件限制(比如拍摄角度、光线、钻孔介质、钻孔淋滴水)，视频或照片的判读差异会很大。由于受上述限制，只根据视频摄像技术对井下径钻孔进行岩性识别与定量分层是不可靠的。
实用新型内容
[0004]本实用新型解决的技术问题在于提供一种矿山井下钻孔探测仪，通过采集包括视频数据在内的多种数据，为综合判断地层岩性提供依据。
[0005]本实用新型是通过以下技术方案来实现:
[0006]一种矿山井下钻孔探测仪，包括通过传输线缆连接的钻孔数据采集模块和深度计量与存储控制模块；
[0007]所述的钻孔数据采集模块，包括探头及设置于探头内的摄像单元、孔斜测量单元和传输与控制单元；摄像单元、孔斜测量单元分别与传输与控制单元相连接，分别将其所采集的数据发送至传输与控制单元，由传输与控制单元发送至深度计量与存储控制模块；传输与控制单元上还设有对摄像单元、孔斜测量单元进行操作的控制件；
[0008]所述的深度计量与存储控制模块,包括深度计量单元、显示单元、数据存储单元、控制电路单元和电源单元；所述深度计量单元，计量传输线缆的延伸长度，获取钻孔探测深度相关数据；所述显示单元与控制电路单元相连，采集并显示传输与控制单元发送的测量数据或视频数据；所述的数据存储单元与控制电路单元相连，并设有数据导出接口。
[0009]所述的摄像单元包括设置于探头顶部的垂向摄像头和/或设置于探头侧壁的侧向摄像头，垂向摄像头、侧向摄像头中均设有LED光源；
[0010]摄像单元将其采集的视频数据，经传输与控制单元发送给显示单元和数据存储单元，分别进行显示和存储。
[0011]所述的孔斜测量单元，测量钻孔的方位角、倾斜角，包括磁传感器、加速度传感器、A/D转换器及数据调理电路；
[0012]孔斜测量单元将其采集的钻孔的方位角、倾斜角数据，经传输与控制单元发送给数据存储单元，分别进行显示和存储。
[0013]所述的探头内还设有采集地层自然伽玛数据的自然伽玛单元，包括晶体、光电倍增管、高压模块及数据调理电路；自然伽玛单元与传输与控制单元相连接，将其所采集的数据发送至传输与控制单元，由传输与控制单元发送至深度计量与存储控制模块，分别进行显示和存储。
[0014]所述的摄像单元位于探头的最前端，传输与控制单元位于探头的最后端。
[0015]所述的深度计量单元采用光电编码器，连续计量线缆长度，获取钻孔探测深度相关数据；
[0016]深度计量单元将采集的深度相关数据，发送给显示单元和数据存储单元，分别进行显示和存储。
[0017]所述的显示单元包括液晶显示屏和/或数码管，以及显示驱动电路；液晶显示屏显示视频数据和/或钻孔深度、孔斜方位、倾斜数据，数码管用于显示深度数据。
[0018]所述电源单元与控制电路单元相连，对深度计量与存储控制模块和/或钻孔数据采集模块供电；
[0019]所述的控制电路单元，对钻孔数据采集模块与深度计量与存储控制模块之间的数据传输、深度计量单元、显示单元、数据存储单元、控制电路单元和电源单元进行数据处理与控制。
[0020]所述还包括与深度计量与存储控制模块相连接的数据处理模块，通过数据存储单元对视频数据、自然伽玛、钻孔方位角、倾斜角数据下载，并进行处理。
[0021]所述的探头后端还设有金属推送杆。
[0022]与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果:
[0023]本实用新型提供的矿山井下钻孔探测仪，使用电子视频摄像技术进行孔壁视频录像与拍摄照片，同时采集钻孔的孔斜数据，包括钻孔的孔段的方位角、倾斜角，并进一步采用自然伽玛物探测井技术采集岩层自然核放射特性，进而利用这些数据进行综合判断实现对矿山井下钻孔岩性识别与岩层厚度的定量划分、裂隙发育程度、含水层富水性，为井巷工程及其它相关钻孔进行地层岩性探测的应用提供技术手段。
[0024]本实用新型提供的矿山井下钻孔探测仪，一方面本实用新型可以同步获取钻孔视频、钻孔方位角、倾斜角丰富的信息，以及进一步的自然伽玛采集的地层自然伽玛数据，为矿山技术工作提供决策依据；另一方面单就本实用新型对矿山井下钻孔探测岩性与分层厚度，主要是针对常见的沉积岩地层而言，能够区分沉积地层的主要岩性如粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、招土泥岩、碳质泥岩、煤层、灰岩、火成岩等岩性及其分层厚度。如果能配合一个临近区域的地质勘查钻孔或已揭露的地层资料作为岩性识别的标准参考，将可以区分更多的岩层岩性，效果也将更准确。
[0025]本实用新型提供的矿山井下钻孔探测仪，其所涉及的微型摄像、自然伽玛、孔斜测量元器件，已经能够满足矿山井下小尺寸、低功耗的需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本实用新型的结构示意图；
[0027]图2为本实用新型探测系统的探测方法的具体实施步骤示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述，所述是对本实用新型的解释而不是限定。
[0029]参见图1，本实用新型提供的矿山井下钻孔探测仪，包括通过传输线缆连接的钻孔数据采集模块和深度计量与存储控制模块；
[0030]所述的钻孔数据采集模块，包括探头及设置于探头内的摄像单元、孔斜测量单元和传输与控制单元；摄像单元、孔斜测量单元分别与传输与控制单元相连接，分别将其所采集的数据发送至传输与控制单元，由传输与控制单元发送至深度计量与存储控制模块；传输与控制单元上还设有对摄像单元、孔斜测量单元进行操作的控制件；
[0031]所述的深度计量与存储控制模块,包括深度计量单元、显示单元、数据存储单元、控制电路单元和电源单元；所述深度计量单元，计量传输线缆的延伸长度，获取钻孔探测深度相关数据；所述显示单元与控制电路单元相连，采集并显示传输与控制单元发送的测量数据或视频数据；所述的数据存储单元与控制电路单元相连，并设有数据导出接口。
[0032]所述的摄像单元包括设置于探头顶部的垂向摄像头和/或设置于探头侧壁的侧向摄像头，垂向摄像头、侧向摄像头中均设有LED光源；
[0033]摄像单元将其采集的视频数据，经传输与控制单元发送给显示单元和数据存储单元，分别进行显示和存储。
[0034]所述的孔斜测量单元，测量钻孔的方位角、倾斜角，包括磁传感器、加速度传感器、A/D转换器及数据调理电路；
[0035]孔斜测量单元将其采集的钻孔的方位角、倾斜角数据，经传输与控制单元发送给数据存储单元，分别进行显示和存储。
[0036]所述的摄像单元位于探头的最前端，传输与控制单元位于探头的最后端。
[0037]进一步的，所述的探头内还设有采集地层自然伽玛数据的自然伽玛单元，包括晶体、光电倍增管、高压模块及数据调理电路；自然伽玛单元与传输与控制单元相连接，将其所采集的数据发送至传输与控制单元，由传输与控制单元发送至深度计量与存储控制模块，分别进行显示和存储。
[0038]所述的深度计量单元采用光电编码器，连续计量线缆长度，获取钻孔探测深度相关数据；
[0039]深度计量单元将采集的深度数据，发送给显示单元和数据存储单元，分别进行显示和存储。
[0040]所述的显示单元包括液晶显示屏、数码管和显示驱动电路，液晶显示屏显示视频数据、钻孔深度、孔斜方位、倾斜数据，数码管用于显示深度数据。
[0041]所述电源单元与控制电路单元相连，对深度计量与存储控制模块和/或钻孔数据采集模块供电(钻孔数据采集模块也可设立单独的电源，或者在其单独电源不能工作时由电源单元再进行供电);
[0042]所述的控制电路单元，对钻孔数据采集模块与深度计量与存储控制模块之间的数据传输、深度计量单元、显示单元、数据存储单元、控制电路单元和电源单元进行数据处理与控制。
[0043]就当前技术条件而言，本实用新型涉及的微型摄像、自然伽玛、孔斜测量元器件，已经能够满足矿山井下小尺寸、低功耗的需要。本实用新型方法的基本原理如下:
[0044]首先，利用钻孔孔斜测量技术、自然伽玛测井技术对钻孔所揭露岩层的大多数层位进行岩性确定，同时定量确定分层厚度。钻孔孔斜测量获取钻孔真实的方位角、倾斜角，进而结合岩层的产状(地层走向、倾向、倾角)进行计算能够对上述自然伽玛曲线确定的岩层厚度进行校正，得到真正的岩层厚度。
[0045]自然伽玛在地质勘探中是一种重要的测井方法，属于放射性测井方法之一。放射性测井是唯一能够确定岩石及其孔隙流体化学元素含量的测井方法。它根据岩石及其孔隙流体和井内介质的核物理性质，来确定岩石类型，研究钻井地质剖面。自然伽玛既可在裸眼井又可在套管井内进行测量；测量结果不受井内介质的限制。对于沉积岩尤其是煤系地层来讲，自然伽玛可以很好地用于区分岩性、地层分层厚度的定量划分、计算地层的泥质含量(计算出“砂泥比”)。
[0046]定量计算岩层厚度的理论依据是自然伽玛曲线具有如下特性:1.上下围岩的放射性含量相同时，曲线关于地层重点对称；2.高放射性地层，对着地层中心曲线有一极大值，并随地层厚度的增加而增大。厚度大于三倍的井径时，极大值为常数，此时只与岩石的自然放射性强度成正比，且由曲线的半幅点确定的地层厚度为地层厚度。
[0047]其次，结合电子摄像技术，确定自然伽玛不能区分的其余岩层岩性，并且二者相互配合来弥补单一参数测井技术的不足。如前所述，依靠单一自然伽玛测井参数尚且不能区分一些物性相近的岩层岩性(但可以准确分层、确定层厚)，这些岩层主要是砂岩、煤层、石灰岩它们在曲线特征上都具有低自然伽玛和低“砂泥比”特征，凭借自然伽玛三者不能区分，需要配合其他手段进一步确定。本实用新型利用电子摄像技术与自然伽玛测井配合，可以区分三者之间的物性差别，从而分辨岩性。
[0048]电子摄像技术的具体应用为:
[0049]I)利用具备微距效果的高分辨率微型摄像头(或摄像机)，在钻孔内拍摄沿钻孔方向(称之为“垂向视频”)和垂直钻孔方向(称之为“侧向视频”或“侧向照片”)的孔壁视频和照片。
[0050]2)利用“深度计量与存储控制模块”采集的深度数据，对视频和照片进行深度数据标识处理，如在视频、照片上标识出当前钻孔深度。
[0051]3)将视频/照片与自然伽玛曲线同深度数据进行对比:对于自然伽玛确定的层位岩性可以在视频或照片上进行进一步确认和验证；对上述三种不易区分的岩性的区分可以在测井曲线上可能的煤层、石灰岩、砂岩层位观察同深度的视频或照片，三者有着明显的视觉差异:煤层呈黑色且井壁不完整，石灰岩呈灰色且井壁完整，砂岩呈浅灰色或灰色且井壁出现明显颗粒状。从而可以分辨出自然伽玛不能识别的部分岩性。在确定岩性的基础上，利用自然伽玛准确划分出岩层厚度。
[0052]4)垂向视频能够反映钻孔“井径”变化。当钻头钻进到硬质岩层(如砂岩、石灰岩、火成岩)时，孔径会缩小；而当钻头遇到软岩层(如泥岩、粉砂质泥岩、煤层)时，孔径就会变大；在岩性变化处往往井径会发生变化。
[0053]5)判断“井径”变化，视频中若显示孔壁较为整齐、大颗粒突出不多或很少、有钻头钻进时留下的黑色螺旋状条带、岩层细层很明显，此时可以判断为孔径扩大(视觉也可感受到孔径在扩大)，由此可以初步判断为粉砂质泥岩、粉砂岩或泥岩；而当视频出现明显的凸凹不平、大颗粒状物质出现较多时，可以判断为孔径在缩小(视觉也可感受到孔径在缩小)，由此可以初步判断为砂岩、石灰岩岩性。这样，与自然伽玛曲线配合相互验证和弥补技术手段上的不足，可以基本解决钻孔岩性探测问题。
[0054]利用视频摄像技术与自然伽玛探测技术相结合的方式可以基本解决井下钻孔探测问题。它是在利用自然伽玛、钻孔孔斜数据来定量划分岩层厚度、区分主要岩性(砂岩类、泥岩类)结合视频摄像技术的可视化、直观性来共同实现岩层岩性的定量识别。
[0055]进一步的，所提供的矿山井下钻孔探测仪，可以采用“存储式”(在采集数据时仪器不对数据进行处理和显示，数据在采集完成后另有专门程序处理)、“直读式”(仪器同时具备采集和处理原始数据功能，在现场能看到结果)或二者混合模式。
[0056]图1所示给出的系统图是“存储式”的，所以矿山井下钻孔探测仪还包括有与深度计量与存储控制模块相连接的数据处理模块，通过数据存储单元对视频数据、自然伽玛、钻孔方位角、倾斜角数据下载，并进行处理。
[0057]具体的，钻孔数据采集模块:集成电子摄像单元、自然伽玛单元、孔斜测量单元、传输与控制单元、电源单元(可选，可以与深度计量与存储控制模块共用电源)，将其放置在一个直径足以进入矿山井下钻孔的金属外壳探头(探测锚索孔的探头直径一般小于26_)中，用于完成对钻孔井壁视频、数字照片、孔斜数据及地层自然伽玛数据的采集。此模块进一步说明如下:
[0058]I)探头直径一般小于25mm，以便可以顺利进出；
[0059]2)摄像单元可以采用垂向、侧向两路设计(至少一路垂向视频)。垂向视频可以全方位观测井壁岩性情况，反映“井径”变化。采集数据可以集中存储到一个存储器或分别存储。如果采用“直读式”或复合设计，在探头中可以只安装摄像头，摄像与显示控制电路可以放置到深度计量与存储控制模块中。
[0060]3)自然伽玛单元用于采集地层自然伽玛放射性数据。与传输与控制单元相连接，采集数据可以单独存储也可与上述视频数据统一存储。
[0061]4)孔斜测量单元用于连续或分段采集钻孔的方位角、倾斜角。
[0062]5)传输与控制单元读取摄像单元的影像数据、自然伽玛单元调理数据及孔斜测量单元所测量到的方位角与倾角调理数据，获得视频、自然伽玛数据、方位角、仰俯角和侧滚角，并发送至深度计量与存储控制单元，在需要时保存；用于对整个探头操作的电路控制，如总电源开关、数据采集、调理、传输等。
[0063]6)电源模块负责给探头部分的电路供电，电源也可以深度计量与存储控制模块中共享，通过连接线缆为探头供电。
[0064]深度计量与存储控制模块:使用成熟的深度数据采集技术(如光电旋转编码器)完成时间与深度同步数据的采集；完成对钻孔数据采集模块的数据存储；完成视频数据的显示；仪器的工作状态控制；仪器的供电等；包括深度计量单元、显示单元、数据存储单元、控制电路单元、电源单元；
[0065]所述深度计量单元，采用光电编码器，连续计量线缆长度，获取钻孔探测深度数据；所述显示单元与控制电路单元相连，包括液晶显示屏、数码管(可选)、显示驱动电路，用于显示钻孔数据采集模块摄像单元的视频数据，还可以同时显示钻孔深度、孔斜方位、倾斜数据，数码管用于显示深度数据；数据存储单元用于存储视频、自然伽玛、方位角、倾斜角的数据；控制电路单元，实现整个系统开启、工作、停止、数据存储的控制；所述电源单元完成对所述深度计量与存储控制模块、钻孔数据采集模块的供电。
[0066]数据处理模块:完成视频、数字照片、自然伽玛原始数据的收集、孔斜测量数据的收集并与深度数据同步，计算砂泥比，在此基础上根据完成岩层岩性识别与厚度定量划分，输出钻孔岩性柱状图、孔斜剖面图、孔斜平面图等功能。
[0067]所述钻孔数据采集模块与深度计量与存储控制模块间采用传输线缆连接、探头设有用于人工推送钻孔数据采集模块的金属推送杆。推送杆直径一般不超过20_，每节长度以10mm为适宜，采用两端采用丝扣或其他方式相连。
[0068]如图2所示，本实用新型对钻孔探测，包括如下步骤:
[0069]I)现场数据采集:连接与推送模块4将钻孔数据采集模块I (即仪器探头)按照基本均匀的速度送入钻孔中，按照设定的同步采集时间设置，同步开启深度计量与存储控制模块2，完成从孔口到孔底全部钻孔深度的垂向视频、侧向视频/照片、自然伽玛及深度数据采集；采集数据可以集中存储到一个存储单元，或分别进行存储。
[0070]2)数据初步处理:对采集的数据通过数据处理模块3进行数据收集，需要处理的数据包括深度同步数据、侧向/垂向视频、侧向数字照片、自然伽玛、孔斜方位角、倾角等。处理内容包括:利用深度数据对这些数据进行深度时间同步(在测井技术中常称之为“数据刻度”)，使视频、照片、自然伽玛、孔斜数据与深度时间有精确的对应关系，视频、照片必要时进行适当剪辑。
[0071]3)岩性与分层厚度确定:对上述处理完毕的数据首先利用自然伽玛结合孔斜数据进行计算，绘制自然伽玛、“砂泥比”曲线，利用自然伽玛、“砂泥比”曲线并结合视频进行综合判别，绘制出岩性柱状剖面。岩性与分层厚度判读过程如下:(I)利用自然伽玛、“砂泥比”曲线，划分出地层分层并初步判断其岩性，对每一个分层同步播放等深度的垂向、侧向视频(照片)，同时利用垂向视频“井径”变化，结合曲线特征，验证分层岩性正确性，在确定岩性正确判断后，确定其厚度。(2)对上述判断完成的分层厚度，按照比例尺(如1:200/1:500)绘制钻孔岩性柱状。(3)如有需要将岩性柱状输出成图片(位图、jpg)保存或输出CAD格式。(4)根据孔斜数据，绘制生成孔斜剖面图、孔斜平面图，如有需要可以输出成图片(位图、jpg、PNG)保存或输出CAD格式。
[0072]以上所述仅为本实用新型的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本实用新型说明书而对本实用新型技术方案采取的任何等效的变换，均为本实用新型的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种矿山井下钻孔探测仪，其特征在于，包括通过传输线缆连接的钻孔数据采集模块和深度计量与存储控制模块； 所述的钻孔数据采集模块，包括探头及设置于探头内的摄像单元、孔斜测量单元和传输与控制单元；摄像单元、孔斜测量单元分别与传输与控制单元相连接，分别将其所采集的数据发送至传输与控制单元，由传输与控制单元发送至深度计量与存储控制模块；传输与控制单元上还设有对摄像单元、孔斜测量单元进行操作的控制件； 所述的深度计量与存储控制模块，包括深度计量单元、显示单元、数据存储单元、控制电路单元和电源单元；所述深度计量单元，计量传输线缆的延伸长度，获取钻孔探测深度相关数据；所述显示单元与控制电路单元相连，采集并显示传输与控制单元发送的测量数据或视频数据；所述的数据存储单元与控制电路单元相连，并设有数据导出接口。
2.如权利要求1所述的矿山井下钻孔探测仪，其特征在于，所述的摄像单元包括设置于探头顶部的垂向摄像头和/或设置于探头侧壁的侧向摄像头，垂向摄像头、侧向摄像头中均设有LED光源； 摄像单元将其采集的视频数据，经传输与控制单元发送给显示单元和数据存储单元，分别进行显示和存储。
3.如权利要求1所述的矿山井下钻孔探测仪，其特征在于，所述的孔斜测量单元，测量钻孔的方位角、倾斜角，包括磁传感器、加速度传感器、A/D转换器及数据调理电路； 孔斜测量单元将其采集的钻孔的方位角、倾斜角数据，经传输与控制单元发送给数据存储单元，分别进行显示和存储。
4.如权利要求1所述的矿山井下钻孔探测仪，其特征在于，所述的探头内还设有采集地层自然伽玛数据的自然伽玛单元，包括晶体、光电倍增管、高压模块及数据调理电路；自然伽玛单元与传输与控制单元相连接，将其所采集的数据发送至传输与控制单元，由传输与控制单元发送至深度计量与存储控制模块，分别进行显示和存储。
5.如权利要求1所述的矿山井下钻孔探测仪，其特征在于，所述的摄像单元位于探头的最前端，传输与控制单元位于探头的最后端。
6.如权利要求1所述的矿山井下钻孔探测仪，其特征在于，所述的深度计量单元采用光电编码器，连续计量线缆长度，获取钻孔探测深度相关数据； 深度计量单元将采集的深度相关数据，发送给显示单元和数据存储单元，分别进行显示和存储。
7.如权利要求1所述的矿山井下钻孔探测仪，其特征在于，所述的显示单元包括液晶显示屏和/或数码管，以及显示驱动电路；液晶显示屏显示视频数据和/或钻孔深度、孔斜方位、倾斜数据，数码管用于显示深度数据。
8.如权利要求1所述的矿山井下钻孔探测仪，其特征在于，所述电源单元与控制电路单元相连，对深度计量与存储控制模块和/或钻孔数据采集模块供电； 所述的控制电路单元，对钻孔数据采集模块与深度计量与存储控制模块之间的数据传输、深度计量单元、显示单元、数据存储单元、控制电路单元和电源单元进行数据处理与控制。
9.如权利要求1所述的矿山井下钻孔探测仪，其特征在于，所述的探头后端还设有金属推送杆。
【文档编号】E21B47/12GK204041056SQ201320674663
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年10月29日 优先权日:2013年10月29日
【发明者】马庆勋 申请人:西安科技大学