钻孔成像装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种成像装置。本实用新型所要解决的技术问题是提供一种钻孔成像装置，该装置能够利用内置三维罗盘的钻孔成像仪探头对钻孔形成全景摄像，获得连续完整的钻孔孔壁裂隙平面展开图和三维柱状图，提高测得的钻孔裂隙空间产状的准确性。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：钻孔成像装置，包括钻孔成像仪主机、钻孔成像仪探头、深度计数器、探头推杆、居中器及数据处理器，钻孔成像仪探头内设有三维罗盘，所述钻孔成像仪主机与深度计数器及数据处理器相连，钻孔成像仪探头的顶部设有居中器，钻孔成像仪探头的底部设置有探头推杆，钻孔成像仪探头与深度计数器相连。本实用新型适用于探测钻孔内裂隙空间产状。
【专利说明】钻孔成像装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种成像装置，尤其是涉及一种可探测钻孔内裂隙空间产状的钻孔成像装置。
【背景技术】
[0002]随着我国经济和科学技术的飞速发展，对能源特别是煤炭、石油和天然气的需求也日渐增长。近10年来，中国煤炭的生产和消费量呈持续快速增加趋势，是世界第一煤炭生产和消费大国。然而，我国煤矿地质条件极其复杂，煤矿地应力高，变化梯度大，瓦斯含量高且透气性差，煤与瓦斯突出严重，开采难度大，重特大事故特别是瓦斯突出事故尚未得到有效遏制，煤矿安全生产问题突出。
[0003]瓦斯突出与瓦斯在煤层孔隙或裂隙中的流动密切相关，而煤岩体裂隙的空间产状对研究瓦斯在煤层中的流动规律至关重要。同时，石油和天然气(页岩气等)的开采与它们在岩层孔隙或裂隙中的渗透密切相关，而岩体中裂隙的空间产状对研究石油和天然气(页岩气等)在岩层中的渗透规律也至关重要。因此，可以通过获取裂隙空间产状来研究瓦斯、石油等在煤体或岩体中的流动(渗透)规律，进而提高煤炭、石油及天然气的生产率，并保证生产安全。
[0004]煤岩体中的裂隙场是瓦斯运移或渗流的主要通道，其几何及物理特性是瓦斯解吸、富集、运移的先决条件，裂隙场的演化发育情况将直接影响着煤岩体的渗透性以及瓦斯在破断煤岩体中的渗流情况。但是目前大量的研究工作主要集中在煤的渗透属性及瓦斯运移基本规律，并没有考虑工作面前方由于支撑压力变化和卸载效应导致的煤岩体高度破裂产生的复杂的裂隙网络对渗透性的影响，同时也无法从定量的角度评价该情况下煤层渗透性的变化情况。煤岩体结构在高应力强卸荷作用下如何演化以及如何控制岩体的力学行为，如何描述裂隙场的空间展布规律、揭示其迹长、开度等尺度关系、以实现对采动裂隙场更深层次的描述与建模都是亟待解决的问题。
[0005]为了探明工作面高强度开采条件下煤岩体裂隙网络分布特征及演化规律，考虑流-固耦合作用下煤层内瓦斯运移的机制以及采动裂隙作用下的瓦斯流动模型及其数值方法，进一步完善理论模型及测试技术，实现采动裂隙对煤岩体内瓦斯流动影响的研究，必须寻求一种能够测量煤岩体裂隙空间产状与分布的方法和技术。因此需要利用可探测孔内裂隙空间产状的钻孔成像装置，然而，目前在现场测量煤岩体裂隙采用的钻孔成像仪探头中不带三维罗盘，存在以下问题:
[0006]①在钻孔成像仪探头在向钻孔内推送过程中会发生旋转，会导致在视频图像数据后处理过程中每一帧图像展开成平面图时的剖线位置不一样，因此将每一帧平面展开图拼凑在一起时就会发生错位，得不到连续完整的钻孔孔壁裂隙平面展开图和三维柱状图。
[0007]②钻孔的方位角和倾角是打钻前人为确定的定值，而钻孔并非一条绝对的直线，其方位角和倾角也并非保持不变，钻孔可能会因为钻头弯曲或煤层地质条件等因素的影响而发生弯曲，且打钻时钻孔方位角和倾角跟预先设定的值必然存在一定偏差。该问题直接导致钻孔实际方位角和倾角值跟计算时采用的值存在较大的误差，最终导致测得的钻孔裂隙空间产状会有较大的误差。
[0008]因此，增强钻孔成像仪探头的拍摄技术和数据后处理软件技术手段，提高当前井下钻孔岩层或煤层物理几何参数监测手段的实用性和精确性是亟待解决的问题。
[0009]此外，在矿井施工过程中常会用到居中器，居中器可以将滚轮或其他相应主体部件扶正居中。
实用新型内容
[0010]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种钻孔成像装置，该装置能够利用内置三维罗盘的钻孔成像仪探头对钻孔形成全景摄像，获得连续完整的钻孔孔壁裂隙平面展开图和三维柱状图，提高测得的钻孔裂隙空间产状的准确性。
[0011]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:钻孔成像装置，包括钻孔成像仪主机、钻孔成像仪探头、深度计数器、探头推杆、居中器及数据处理器，钻孔成像仪探头内设有三维罗盘，所述钻孔成像仪主机与深度计数器及数据处理器相连，钻孔成像仪探头的顶部设有居中器，钻孔成像仪探头的底部设置有探头推杆，钻孔成像仪探头与深度计数器相连。
[0012]具体的，钻孔成像仪探头的底部也设有居中器。
[0013]作为上述技术方案的优选方案，所述居中器包括滚轮，滚轮的直径与钻孔的孔径相匹配。
[0014]具体的，还包括数据线，所述钻孔成像仪主机与深度计数器通过数据线相连。
[0015]具体的，深度计数器包括计数滑轮以及扶正线槽，数据线的一端连接在钻孔成像仪探头，其另一端依次先后穿过深度计数器的计数滑轮的切点以及扶正线槽，然后与钻孔成像仪主机连接。
[0016]进一步的，还包括测距线，测距线连接在钻孔成像仪探头与深度计数器之间。
[0017]具体的，所述钻孔成像仪主机包括图形显示模块、数据存储模块及主控制模块，主控制模块分别与图形显示模块及数据存储模块相连接。
[0018]具体的，所述钻孔成像仪主机包括电源模块，所述电源模块为蓄电池。
[0019]进一步的，本装置还包括充电器，所述充电器与电源模块相连。
[0020]优选的，所述钻孔成像仪主机还包括调光控制模块，所述调光控制模块与主控制模块相连接。
[0021]本实用新型的有益效果是:本实用新型的集成度高，内置三维罗盘的钻孔成像仪探头可实现全景摄像，自动准确记录钻孔方位角、倾角以及探头推送时相对于孔口处旋转的角度(滚角)，清晰度高，能够自动准确校准深度，可对所有的观测孔全方位、全柱面观测成像。有效克服现有钻孔成像仪由于探头旋转或者钻孔方位角和倾角改变而无法利用后处理软件得到钻孔孔壁连续完整的裂隙产状和分布的弊端，同时大大改善井下试验设备安装以及试验视频图像数据采集的条件。本实用新型适用于探测钻孔内裂隙空间产状。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本实用新型钻孔成像装置在井下使用时的安装示意图；[0023]图2是本实用新型钻孔成像装置的原理结构示意图；
[0024]图3是本实用新型钻孔成像装置的钻孔成像仪探头的结构示意图；
[0025]图4是钻孔成像仪探头中的三维罗盘的原理结构示意图；
[0026]图5是钻孔成像仪探头中的三维罗盘的测量原理的角度与坐标示意图；
[0027]图6是本实用新型的数据处理器处理图像数据的工作原理示意图；
[0028]图7是本实用新型的深度计数器的结构示意图；
[0029]其中，I为钻孔成像仪主机，2为钻孔成像仪探头，3为深度计数器，4为探头推杆，5为居中器，6为数据线，7为数据处理器，8为充电器，91为巷道，92为岩层，93为煤层，90为钻孔，10为主控制模块,11为调光控制模块，12为图形显示模块,13为数据存储模块，21为三维罗盘，22为居中器接口，23为护头套管，24为玻璃透光管，25为LED白光发光二极管及摄像头安装套管，26为信号板安装套筒，27为三维罗盘套筒，28为护尾套管，31为计数滑轮，32为扶正线槽，30为主机，311为第一滑轮，312为第二滑轮，33为缺口，34为信号发射孔，35为支架，36为底座，37为线槽边柱，O-XYZ为地理坐标系，Ο-xyz为罗盘(载体)坐标系，Hx、Hy、Hz是三轴磁阻传感器测出的罗盘坐标系X、y、z轴的地磁场强度分量；gx、gy是姿态角加速度传感器测得的罗盘坐标系X、y轴的重力加速度分量；A/D代表模拟数字信号转换器；N-S轴表示地理南北极轴线；N’-S’轴表示地磁南北极轴线；α表示方位角，定义为罗盘前进方向(X轴)在水平面XOY上的投影与地理北极ON的夹角，从ON开始顺时针方向为正，范围为O~360° ；Φ表示倾角，定义为罗盘前进方向(X轴)与其在水平面XOY上的投影的夹角，上仰为正，下俯为负，范围为-90°~90° ; Θ表示滚角，定义为罗盘平面上与前进方向垂直的方向(y轴)与其在水平面上投影的夹角，右转为正，左转为负，范围为-180°~180° ;α ’表示磁方位角，定义为罗盘前进方向(X轴)在水平面XOY上的投影与地磁北极0Ν’的夹角；β表示磁偏角；L为从本装置拍摄的视频中提取每一帧图像的长度，其范围在Imm < L < 5mm ;d为钻孔的孔径`；η为拼接整个钻孔孔壁平面图或三维柱状图所需图像的帧数；θ2，…，0?分别为第1，2，…，η帧图像中心位置对应的钻孔成像仪探头的滚角。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图及实施例，详细描述本实用新型的技术方案。
[0031]如图1~图2所示，本实用新型的钻孔成像装置，包括钻孔成像仪主机1、钻孔成像仪探头2、深度计数器3、探头推杆4、居中器5及数据处理器7，钻孔成像仪探头2内设有三维罗盘，所述钻孔成像仪主机I与深度计数器3及数据处理器7相连，钻孔成像仪探头2的的顶部设有居中器5，钻孔成像仪探头2的底部设置有探头推杆4，钻孔成像仪探头2与深度计数器3相连。
[0032]由于在井下使用时，数据处理器7可以与钻孔成像仪主机I相连，便于及时处理数据；也可以将钻孔成像仪探头2探测到的图像传输并保存在钻孔成像仪主机I中，待在井下探测完毕之后，回到地面后进行数据的处理工作。因此，图1中可以放置数据处理器7，也可以在安装时不放置数据处理器7。
[0033]为了增强居中效果，钻孔成像仪探头2的顶部和底部分别连接有居中器5，居中器5的滚轮直径与钻孔的孔径相匹配，具体而言，居中器5的滚轮直径与钻孔的孔径可以相当，居中器5的滚轮直径也可以略小于钻孔的孔径，一般而言，居中器5的滚轮直径相较于钻孔孔径小5~15mm左右比较适宜，最合适的是居中器5的滚轮直径比钻孔孔径小10mm，以便使得钻孔成像仪探头2中心线与钻孔中心线重合，防止因钻孔成像仪探头2左右晃动或摆动而造成摄取的钻孔孔壁四周图像亮度不同。此外，也可以只在钻孔成像仪探头2底部连接有居中器5。
[0034]钻孔成像仪主机I包括调光控制模块11、图形显示模块12、数据存储模块13及主控制模块10，主控制模块10分别与调光控制模块11、图形显示模块12及数据存储模块13。钻孔成像仪主机I的电源模块可以为蓄电池，便于携带，并在巷道中使用。进一步的，本装置还包括充电器8，所述充电器8与蓄电池连接，可以反复对蓄电池进行充电，以便节约成本，提闻环保性。
[0035]钻孔成像仪探头2整体结构如图3所示，其一端或两端设有居中器接口 22，以便与居中器5相连接。护头套管23及护尾套管28分别保护钻孔成像仪探头2的顶部与底部。LED白光发光二极管及摄像头安装套管25中的LED白光发光二极管发出的光束可以通过玻璃透光管24照射到钻孔孔内，用于照明。该探头的三维罗盘套筒27内还安装有三维罗盘21，用以自动记录钻孔的方位角和倾角，以及钻孔成像仪探头2的滚角。信号板安装套筒26里的信号板用于获取并传输摄像数据。
[0036]在具体使用过程中，深度计数器3 —般固定安放在巷道底板上距离观测孔口较近的地方，位置固定不变，以便在钻孔成像仪探头推送过程中方便准确地记录钻孔深度数据；钻孔成像仪主机I可以安放在深度计数器3附近；钻孔成像仪主机I和钻孔成像仪探头2之间用数据线6连接，且该数据线须穿过深度计数器3的两个计数滑轮31的切点处以及扶正线槽，且在测量过程中使深度计数器3和钻孔成像仪探头2之间的数据线始终保持绷紧拉直状态。在探测测量过程中，通过探头推杆4逐渐向钻孔内推进钻孔成像仪探头2，钻孔成像仪探头2自动记录钻孔方位角和倾角，并时刻记录钻孔成像仪探头2相对于钻孔口位置的旋转角度(滚角)，而后将测得的图像数据传输给钻孔成像仪主机1，并存储在钻孔成像仪主机I的数据存储模块中，最后传输给计算机，利用数据处理器7对其处理得到连续完整的钻孔孔壁三维空间裂隙网络。此外，可以在钻孔成像仪探头2与深度计数器3之间连接有测距线，测距线在本装置使用时始终保持绷紧拉直状态，以便保证计数准确。钻孔成像仪探头2与钻孔成像仪主机I之间可以采用无线连接方式进行数据信号传输。
[0037]本装置的钻孔成像仪探头2的管径可以根据钻孔孔径不同而进行改制，适应性强。
[0038]如图4所示是三维罗盘的原理结构示意图，三维罗盘能够自动监测钻孔的空间姿态以及钻孔成像仪探头2的滚角，其测量原理如下:
[0039]把三维罗盘相对于地理坐标系的X、Y、Z三个轴绕逆时针转动角度分别定义为滚角Θ、倾角Φ和方位角α，相关角度与坐标如图5所示。根据姿态角加速度传感器测得的重力加速度在罗盘坐标系的X轴和I轴方向的分加速度分别为gx和gy，可以直接计算得到钻孔的倾角φ和滚角Θ，计算关系式如下:
[0040]
^ = -arcsin(gv/g)
[0041]θ - arcsinig, /geos(69)
[0042]设三轴磁阻传感器测量到的磁场矢量值在罗盘坐标系(Ο-xyz)中对应的坐标为(Hx, Hy, Hz)，分解到地理坐标系(O-XYZ)中对应坐标为(Hx，HY, Hz)。当三维罗盘在运动过程中发生滚角θ和倾角φ时，利用方向余弦法，通过乘以滚角θ和倾角φ所引起的方向余弦
矩阵可以得到罗盘坐标系与地理坐标系间的转换关系式如下:
[0043]
【权利要求】
1.钻孔成像装置，其特征在于，包括钻孔成像仪主机(I)、钻孔成像仪探头(2)、深度计数器(3)、探头推杆(4)、居中器(5)及数据处理器(7)，钻孔成像仪探头(2)内设有三维罗盘，所述钻孔成像仪主机(I)与深度计数器(3 )及数据处理器(7 )相连，钻孔成像仪探头(2 )的顶部设有居中器(5)，钻孔成像仪探头(2)的底部设置有探头推杆(4)，钻孔成像仪探头(2)与深度计数器(3)相连。
2.如权利要求1所述的钻孔成像装置，其特征在于，钻孔成像仪探头(2)的底部也设有居中器(5)。
3.如权利要求1所述的钻孔成像装置，其特征在于，所述居中器(5)包括滚轮，滚轮的直径与钻孔的孔径相匹配。
4.如权利要求1所述的钻孔成像装置，其特征在于，还包括数据线，所述钻孔成像仪主机(I)与深度计数器(3 )通过数据线(6 )相连。
5.如权利要求4所述的钻孔成像装置，其特征在于，深度计数器(3)包括计数滑轮以及扶正线槽，数据线的一端连接在钻孔成像仪探头(2)，其另一端依次穿过深度计数器(3)的计数滑轮的切点以及扶正线槽，然后与钻孔成像仪主机(I)连接。
6.如权利要求1所述的钻孔成像装置，其特征在于，还包括测距线，测距线连接在钻孔成像仪探头(2)与深度计数器(3)之间。
7.如权利要求1所述的钻孔成像装置，其特征在于，所述钻孔成像仪主机(I)包括图形显示模块、数据存储模块及主控制模块，主控制模块分别与图形显示模块及数据存储模块相连接。
8.如权利要求1所述的钻孔成像装置，其特征在于，所述钻孔成像仪主机(I)包括电源模块，所述电源模块为蓄电池。
9.如权利要求8所述的钻孔成像装置，其特征在于，还包括充电器(8)，所述充电器(8)与电源模块相连。
10.如权利要求9所述的钻孔成像装置，其特征在于，所述钻孔成像仪主机(I)还包括调光控制模块，所述调光控制模块与主控制模块相连接。
【文档编号】E21B49/00GK203669861SQ201420022619
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日
【发明者】钟江诚, 谢晶, 高明忠, 帅春, 高春玉, 谭强, 徐晓练, 李圣伟 申请人:四川大学