井下钻孔开孔方位角测量系统及测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种井下钻孔开孔方位角测量系统及测量方法，其中，系统包括标线器和测量主机，标线器上的两线光源发射装置产生两出射平面，第一出射平面用于与巷道中线对准，第二出射平面与测量主机上的感光面相交形成感光直线，通过测量主机内部处理系统测得感光直线与测量主机设定轴的夹角和自身倾角，从而计算得出钻孔开孔的方位角；本系统的标线器可以按钻场布置，一次安装，多次使用，而不必频繁移动、调整，在安装固定完成之后无手动操作步骤，能实现以往各种检查方法都未能实现的连续实时测量；本方法通过将巷道中线在水平面的投影平行移动到容易被利用的位置，使得钻孔方位角测量更加快捷直观。
【专利说明】井下钻孔开孔方位角测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及井下钻孔作业领域，特别涉及一种井下钻孔开孔方位角测量系统及测 量方法。
【背景技术】
[0002] 在井下进行钻探工程时，往往需要对钻孔的钻进方向进行精确设计。井下钻孔参 数主要有三个：钻孔方位角、钻孔倾角及钻孔深度，在施工时，钻机置于巷道内部，向侧壁打 钻，其中，钻孔倾角和钻孔深度可通过现有测量器直接测量得到，而钻进的方位角难以直接 测得，通常用与巷道中线的夹角来表示，与巷道中线的夹角具体为：开孔钻杆（或开孔直 线）水平面的投影与巷道中线在水平面的投影之间的夹角，其中，开孔钻杆（或开孔直线） 为露出巷道壁但尚未拆钻的钻杆。在巷道顶部一般每隔一段距离会有一个标记点，这些标 记点的连线就是巷道中线，巷道中线不一定与水平面平行，其方位角在挖掘巷道时已经由 现有光学方法较为准确的测定。
[0003] 现有技术中，常见的测量开孔钻杆水平面的投影与巷道中线在水平面的投影之间 的夹角的方位主要有以下几种：一种是吊线法，此方法为最为原始的纯手工方法，工具是量 角器、坡度规以及几根棉线，这种方法操作复杂、读数误差大、认为因素影响大，但由于尚未 发展出有效、可靠、便捷的测量方法，这种测量方法仍然一直在使用；另一种是地质罗盘法， 地面常见的地磁式罗盘拿到井下使用，由于井下巷道内，尤其是钻机附近铁磁性物质众多， 钻杆本身也带有磁性，将会对罗盘产生极大干扰，因此这种方法的测量误差极大；还有一种 手动式激光标线法：利用激光发散性小的特点，将巷道中线平行移动到开孔钻杆附近，然后 手工移动机械臂，对准参考激光，测量机械臂的转动角度即可得到待测夹角，这种测量方法 及其所用设备，操作仍然较为复杂，并同时伴有手动对准过程，但人为因素影响会带来很大 的人为误差。
[0004] 因此，需要对现有井下钻孔开孔方位角测量系统及方法进行改进，不仅提高测量 系统的操作简便性，减小人为因素的影响，增加在井下对钻孔开孔方位角的测量范围，而且 使用方法简单可靠，具有较高的测量精度。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供一种井下钻孔开孔方位角测量系统及方法，不仅可提高测 量系统的操作简便性，减小人为因素的影响，增加在井下对钻孔开孔方位角的测量范围，而 且使用方法简单可靠，具有较高的测量精度。
[0006] 本发明的井下钻孔开孔方位角测量系统，包括标线器和测量主机；标线器包括用 于产生与巷道中线重合的第一出射平面的线光源发射装置I和用于产生与测量主机相交 的第二出射平面的线光源发射装置II，第一出射平面与所述第二出射平面的延长交线与巷 道中线在水平面上的投影相平行，第一出射平面与第二出射平面间的夹角可调；测量主机 包括用于与第二出射平面相交的上感光平面和侧感光平面，上感光平面和侧感光平面的交 线形成方位角和倾角可与钻孔开孔直线方向一致的设定轴，测量主机还包括用于测量第二 出射平面照射到两感光平面各自形成的感光直线与设定轴之间的夹角的成像角度测量系 统和用于测量测量主机自身倾角的倾角测量仪。
[0007] 进一步，标线器的壳体的相对测量主机的侧面上设置有一连接座，连接座包括座 体和对应设置的两座臂，一可绕自身轴线转动的转轴与两座臂配合设置，线光源发射装置 II固定设置于所述转轴上并可随所述转轴转动。
[0008] 进一步，成像角度测量系统包括微处理器I，微处理器I包括：
[0009] 数据采集模块，用于读取感光阵列数据形成二维图像数组；
[0010] 图像处理与运算解析模块，用于图像数组二值化，并对图像数组中所有的点，根据 直线的霍夫变换公式完成霍夫变换，并解析出两感光直线的斜率；
[0011] 其中，数据采集模块与两感光平面上的感光阵列通过数据接口连接，图像处理模 块与数据采集模块连接，运算解析模块与图像处理模块连接。
[0012] 进一步，测量主机还包括：按键操作区，用于用户输入操作指令，所述操作指令包 括线光源发射装置II转动指令；
[0013] 微处理器I，还用于接收用户在操作区的按键信号并经识别后输出相应的控制信 号；
[0014] 无线传输模块I，用于无线传输线光源发射装置II转动控制信号；
[0015] 按键操作区与所述微处理器I连接，无线传输模块I与微处理器I双向通信连 接；
[0016] 所述标线器还包括：
[0017] 无线传输模块II，用于接收并传输所述线光源发射装置II转动控制信号；
[0018] 微处理器II，用于接收所述线光源发射装置II转动控制信号并触发电机工作；
[0019] 角度调节电机，用于驱动所述转轴绕自身轴线转动；
[0020] 无线传输模块II与所述无线传输模块I无线连接，所述微处理器II与所述无线传 输模块II双向通信连接。
[0021] 进一步，测量主机还包括一用于将测量主机的壳体在钻杆上靠置的固定装置，固 定装置包括与测量主机的壳体连接固定的U形连接架和与U形连接架配合设置并用于在测 量主机壳体下表面靠置在钻杆上时进行紧固的紧固件，紧固件包括紧固螺杆和紧固托板， 紧固螺杆螺纹穿过U形连接架的底板与紧固托板固定连接并可旋进紧固。
[0022] 进一步，标线器还包括用于水平检测的水平检测装置I。
[0023] 进一步，测量主机还包括用于水平检测的水平检测装置II。
[0024] 本发明还公开了一种井下钻孔开孔方位角测量方法，包括以下步骤：
[0025] 调节测量主机位置，使其横滚角为零，设定轴方位角、倾角与钻孔开孔直线一致；
[0026] 标线器上的线光源发射装置I产生第一出射平面，线光源发射装置II产生第二出 射平面，将第一出射平面对准巷道中线，作为操作辅助线；
[0027] 调整标线器位置，使第一出射平面与第二出射平面的交线与巷道中线在水平面上 的投影相互平行；
[0028] 调节两出射平面间夹角，同时观察水平检测装置I，使线光源发射装置I所在平 面与水平面平行，使第二出射平面照射到测量主机的两感光平面上；
[0029] 测量主机对第二出射平面照射到两感光平面各自所形成的感光直线与自身设定 轴之间的夹角进行测量，并测量自身倾角；
[0030] 根据测得的夹角值和倾角值，解算出钻孔开孔方位角。
[0031] 进一步，测量主机对第二出射平面照射到两感光平面各自所形成的感光直线与自 身设定轴之间的夹角进行测量的步骤包括：
[0032] 读取感光阵列数据形成二维图像数组；
[0033] 图像数组二值化；
[0034] 对图像数组中所有的点，根据直线的霍夫变换公式完成霍夫变换，并寻找最大霍 夫值，解析出感光直线斜率，得出两感光直线与设定轴夹角。
[0035] 本发明的有益效果：本发明的井下钻孔开孔方位角测量系统，标线器可以按钻场 布置，一次安装，多次使用，而不必频繁移动、调整，在安装固定完成之后无手动操作步骤， 能实现以往各种检查方法都未能实现的连续实时测量，且第一出射平面与第二出射平面间 的夹角可调，可根据测量主机安装位置调整线光源发射装置II出射角度，在实际应用中可 以降低标线器位置调整难度，增加自适应性。
[0036] 本发明的井下钻孔开孔方位角测量方法，将巷道中线在水平面的投影平行移动到 容易被利用的位置，根据第二出射平面照射到测量主机两感光面上形成的感光直线与设定 轴的夹角，以及设定轴以水平面为基准的倾角，可解算得到开孔钻杆的方位角，方法简单可 靠，自动化程度高，测量过程中人为因素影响较小，具有较高的测量精度。
[0037] 本发明的井下钻孔开孔方位角测量系统及其方法，相对于现有的地质罗盘测量 法，不受磁场干扰；相对于吊线测量法，操作简便；相对于手动式激光标线法，无手动对准 带来的误差，是一种快速、可靠、简便的测量系统和方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0038] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
[0039] 图1为本发明的井下钻孔开孔方位角测量系统的布置结构效果示意图；
[0040] 图2为本发明的井下钻孔开孔方位角测量系统的标线器的线光源发射装置I和 线光源发射装置II的出射平面示意图；
[0041] 图3为本发明的井下钻孔开孔方位角测量系统的标线器的线光源发射装置I和 线光源发射装置II的两出射平面延长线夹角示意图；
[0042] 图4为本发明的井下钻孔开孔方位角测量系统的第二出射平面照射到测量主机 两感光平面上时的效果示意图；
[0043] 图5为本发明的井下钻孔开孔方位角测量系统的结构布置图；
[0044] 图6为本发明的井下钻孔开孔方位角测量系统的标线器的结构示意图；
[0045] 图7为本发明的井下钻孔开孔方位角测量系统的测量主机的结构示意图；
[0046] 图8为本发明的井下钻孔开孔方位角测量系统的测量主机的模块框架图；
[0047] 图9为本发明的井下钻孔开孔方位角测量系统的标线器的模块框架图；
[0048] 图10为本发明的井下钻孔开孔方位角测量方法的步骤流程图。
【具体实施方式】
[0049] 如图所示：本实施例的井下钻孔开孔方位角测量系统，包括标线器1和测量主机 2 ;标线器1包括用于产生与巷道中线重合的第一出射平面1的线光源发射装置I 3和用于 产生与测量主机2相交的第二出射平面η的线光源发射装置II 4,第一出射平面1与所述第 二出射平面η的延长交线与巷道中线在水平面上的投影相平行，第一出射平面1与第二出 射平面η间的夹角可调；测量主机2包括用于与第二出射平面η相交的上感光平面和侧感 光平面，上感光平面和侧感光平面的交线形成方位角和倾角可与钻孔开孔直线方向一致的 设定轴（图中为CF连线位置），测量主机2还包括用于测量第二出射平面η照射到两感光 平面各自形成的感光直线与设定轴之间的夹角的成像角度测量系统和用于测量测量主机2 自身倾角的倾角测量仪；本实施例中，测量主机2和标线器1的壳体均为长方体结构，测量 主机2的上表面和两纵向侧表面均设置为感光面，在进行测量时，测量主机2对上感光平 面和一侧感光平面上形成的感光直线与设定轴的夹角进行测量，感光平面由感光点阵列构 成，每个感光点相当于一个小方块，第二出射平面η照射到感光平面上时被照射到的感光 点状态发生翻转，通过成像角度测量系统可以读取整个感光面的阵列数据，从中解析出感 光直线的斜率，从而得到感光直线与设定轴的夹角，另外，线光源发射装置I 3和线光源发 射装置II 4发射的激光线光源。
[0050] 本实施例中，标线器1的壳体5的相对测量主机2的侧面上设置有一连接座，连接 座包括座体6和对应设置的两座臂7, 一可绕自身轴线转动的转轴8与两座臂7配合设置， 线光源发射装置II 4固定设置于所述转轴8上并可随所述转轴8转动；转轴8通过一驱动电 机驱动，驱动电机设置在标线器1的壳体5上，通过转轴8的转动带动线光源发射装置II 4 转动，从而达到调节第二出射平面η与第一出射平面1间的夹角的目的，通过调节两出射平 面间的夹角，可视测量主机2的具体位置，对第二出射平面η进行调节，甚至不需移动标线 器1即可实现将第二出射平面η照射到测量主机2的感光平面上，大大降低了标线器1位 置的调整难度，并具有更高的使用范围。
[0051] 本实施例中，成像角度测量系统包括微处理器I，微处理器I包括：
[0052] 数据采集模块，用于读取感光阵列数据形成二维图像数组；
[0053] 图像处理与运算解析模块，用于图像数组二值化，并对图像数组中所有的点，根据 直线的霍夫变换公式完成霍夫变换，并解析出两感光直线的斜率；
[0054] 其中，数据采集模块与两感光平面上的感光阵列通过数据接口连接，图像处理模 块与数据采集模块连接，运算解析模块与图像处理模块连接。由感光点翻转产生的感光阵 列数据传输到微处理器I中，微处理器I根据直线的霍夫变换公式并依靠预先设置的程序 对感光阵列数据进行处理，并运算、解析出两感光直线的斜率，再根据反函数得出两感光直 线分别与设定轴的夹角；通过微处理器I内的模块完成感光直线斜率的解析，具有更加快 速便捷的优点，大大降低了通过人为计算造成的误差，另外，根据霍夫变换求得图像内直线 的斜率的具体过程，属于现有技术，在此不再赘述。
[0055] 本实施例中，测量主机2还包括：按键操作区，用于用户输入操作指令，所述操作 指令包括线光源发射装置II转动指令；操作指令还包括测量主机开关控制指令和时间设置 指令等；
[0056] 微处理器I，还用于接收用户在操作区的按键信号并经识别后输出相应的控制信 号；微处理器I对检测到的按键信号进行检测识别，识别后输出与按键信号相对应的控制 信号，当检测到用户选取操作与线光源发射装置II转动指令相对应设置的按键时，微处理 器I对该按键信号进行分析处理并输出线光源发射装置II转动控制信号；
[0057] 无线传输模块I，用于无线传输线光源发射装置II 4转动控制信号；
[0058] 按键操作区与所述微处理器I连接，无线传输模块I与微处理器I双向通信连 接；
[0059] 所述标线器还包括：
[0060] 无线传输模块II，用于接收并传输所述线光源发射装置II转动控制信号；
[0061] 微处理器II，用于接收所述线光源发射装置II转动控制信号并触发电机工作；
[0062] 角度调节电机，用于驱动转轴8绕自身轴线转动；
[0063] 无线传输模块II与所述无线传输模块I无线连接，所述微处理器II与所述无线传 输模块II双向通信连接。通过两无线传输模块完成对线光源发射装置II 4转动指令的传 输，达到根据测量主机2具体位置调节第二出射平面η出射角度的目的，且调节方便快捷， 无需再到标线器1上进行操作，降低了操作难度。
[0064] 本实施例中，测量主机2还包括一用于将测量主机2的壳体9在钻杆10上靠置的 固定装置，固定装置包括与测量主机2的壳体9连接固定的U形连接架11和与U形连接架 11配合设置并用于在测量主机2的壳体9下表面靠置在钻杆10上时进行紧固的紧固件，紧 固件包括紧固螺杆12和紧固托板13,紧固螺杆12螺纹穿过U形连接架11的底板与紧固托 板13固定连接并可旋进紧固；紧固托板为弧形板，与钻杆相适形，通过旋进紧固螺杆推动 紧固托板，将钻杆与测量主机下侧面紧靠，固定牢靠，操作方便，易于将测量主机紧紧靠置 在钻杆上。
[0065] 本实施例中，标线器1还包括用于水平检测的水平检测装置I 14 ;用于安装时保 证标线器ab直线所在平面与水平面平行，水平检测装置I为气泡等，属于现有技术，在此 不再赘述。
[0066] 本实施例中，测量主机2还包括用于水平检测的水平检测装置II 15 ;用于将放置 测量主机时，保证测量主机GF连线与水平面平行，水平检测装置II为气泡等，属于现有技 术，在此不再赘述。
[0067] 本发明还公开了一种井下钻孔开孔方位角测量方法，包括以下步骤：
[0068] 步骤S11、调节测量主机2位置，使其横滚角为零，设定轴方位角、倾角与钻孔开孔 直线一致；如图1所示，测量主机2靠置在钻杆10上，保持主机的指向（如CF连线）与钻 进方向一致，再调节测量主机2,同时观测水平检测装置II 15,使GF连线与水平面平行，GF 连线端为靠近巷道壁的一端，GF连线为测量主机2靠近巷道壁端上侧端线；
[0069] 步骤S12、标线器1上的线光源发射装置I 3产生第一出射平面1，线光源发射装 置II 4产生第二出射平面n，将第一出射平面1对准巷道中线，作为操作辅助线；
[0070] 步骤S13、调整标线器1位置，同时观察水平检测装置I 14,使线光源发射装置I 3 所在平面与水平面平行，使第一出射平面1与第二出射平面η的交线与巷道中线在水平面 上的投影相互平行；标线器1安装完成后，第二出射平面η与任何水平面的交线均平行于巷 道中线在水平面的投影（两个平行平面与第三个平面相交，其交线必然平行），本发明即是 通过这种方式，将巷道中线在水平面的投影平行移动到容易被利用的位置；
[0071] 步骤S14、调节两出射平面间夹角，使第二出射平面η照射到测量主机2的两感光 平面上；
[0072] 步骤S15、测量主机2对第二出射平面η照射到两感光平面各自所形成的感光直线 与自身设定轴之间的夹角进行测量，并测量自身倾角；
[0073] 步骤S16、根据测得的夹角值和倾角值，解算出钻孔开孔方位角。
[0074] 如图4所示，上感光平面与第二出射平面ηη成感光直线DQ，感光直线DQ与设定 轴成夹角β，侧感光平面与第二出射平面ηη成感光直线PQ，感光直线PQ与设定轴成夹角 α，测量主机2自身倾角为Θ，钻孔开孔方位角为γ，
[0075] 在直角三角形CQD中有：tan β = CD/CQ
[0076] 在三角形 CQP 中有：CQ/sin ( π - α - θ ) = CP/sin α
[0077] 所以：tan γ = CD/CP = (CQ*tan β ) / (CQ*sin a/sin ( π - α - θ ))
[0078] = tan β / (sin α / sin (π-α-θ))
[0079] = tan β *sin ( α + θ ) /sin α ,
[0080] 其中，倾角θ通过倾角传感器测得，α、β由微处理器I根据霍夫变换测得。
[0081] 本实施例中，测量主机2对第二出射平面η照射到两感光平面各自所形成的感光 直线与自身设定轴之间的夹角进行测量的步骤包括：
[0082] 读取感光阵列数据形成二维图像数组；
[0083] 图像数组二值化；
[0084] 对图像数组中所有的点，根据直线的霍夫变换公式完成霍夫变换，并寻找最大霍 夫值，解析出感光直线斜率，得出两感光直线与设定轴夹角。
[0085] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1. 一种井下钻孔开孔方位角测量系统，其特征在于：包括标线器和测量主机；所述标 线器包括用于产生与巷道中线重合的第一出射平面的线光源发射装置I和用于产生与测 量主机相交的第二出射平面的线光源发射装置II，所述第一出射平面与所述第二出射平面 的延长交线与巷道中线在水平面上的投影相平行，所述第一出射平面与所述第二出射平面 间的夹角可调；所述测量主机包括用于与所述第二出射平面相交的上感光平面和侧感光平 面，所述上感光平面和所述侧感光平面的交线形成方位角和倾角可与钻孔开孔直线方向一 致的设定轴，所述测量主机还包括用于测量第二出射平面照射到两感光平面各自形成的感 光直线与设定轴之间的夹角的成像角度测量系统和用于测量测量主机自身倾角的倾角测 量仪。
2. 根据权利要求1所述的井下钻孔开孔方位角测量系统，其特征在于：所述标线器的 壳体的相对测量主机的侧面上设置有一连接座，所述连接座包括座体和对应设置的两座 臂，一可绕自身轴线转动的转轴与两座臂配合设置，所述线光源发射装置II固定设置于所 述转轴上并可随所述转轴转动。
3. 根据权利要求2所述的井下钻孔开孔方位角测量系统，其特征在于：所述成像角度 测量系统包括微处理器I，所述微处理器I包括： 数据采集模块，用于读取感光阵列数据形成二维图像数组； 图像处理与运算解析模块，用于图像数组二值化，并对图像数组中所有的点，根据直线 的霍夫变换公式完成霍夫变换，并解析出两感光直线的斜率； 其中，数据采集模块与两感光平面上的感光阵列通过数据接口连接，图像处理模块与 数据采集模块连接，运算解析模块与图像处理模块连接。
4. 根据权利要求3所述的井下钻孔开孔方位角测量系统，其特征在于：所述测量主机 还包括：按键操作区，用于用户输入操作指令，所述操作指令包括线光源发射装置II转动指 令； 所述微处理器I，还用于接收用户在操作区的按键信号并经识别后输出相应的控制信 号； 无线传输模块I，用于无线传输线光源发射装置II转动控制信号； 所述按键操作区与所述微处理器I连接，所述无线传输模块I与微处理器I双向通信 连接； 所述标线器还包括： 无线传输模块II，用于接收并传输所述线光源发射装置II转动控制信号； 微处理器II，用于接收所述线光源发射装置II转动控制信号并触发电机工作； 角度调节电机，用于驱动所述转轴绕自身轴线转动； 所述无线传输模块II与所述无线传输模块I无线连接，所述微处理器II与所述无线传 输模块II双向通信连接。
5. 根据权利要求4所述的井下钻孔开孔方位角测量系统，其特征在于：所述测量主机 还包括一用于将测量主机的壳体在钻杆上靠置的固定装置，所述固定装置包括与测量主机 的壳体连接固定的U形连接架和与U形连接架配合设置并用于在测量主机壳体下表面靠置 在钻杆上时进行紧固的紧固件，所述紧固件包括紧固螺杆和紧固托板，所述紧固螺杆螺纹 穿过U形连接架的底板与紧固托板固定连接并可旋进紧固。
6. 根据权利要求5所述的井下钻孔开孔方位角测量系统，其特征在于：所述标线器还 包括用于水平检测的水平检测装置I。
7. 根据权利要求6所述的井下钻孔开孔方位角测量系统，其特征在于：所述测量主机 还包括用于水平检测的水平检测装置Π。
8. -种井下钻孔开孔方位角测量方法，其特征在于：包括以下步骤： 调节测量主机位置，使其横滚角为零，设定轴方位角、倾角与钻孔开孔直线一致； 标线器上的线光源发射装置I产生第一出射平面，线光源发射装置II产生第二出射平 面，将第一出射平面对准巷道中线，作为操作辅助线； 调整标线器位置，使第一出射平面与第二出射平面的交线与巷道中线在水平面上的投 影相互平行； 调节两出射平面间夹角，同时观察水平检测装置I，使线光源发射装置I所在平面与 水平面平行，使第二出射平面照射到测量主机的两感光平面上； 测量主机对第二出射平面照射到两感光平面各自所形成的感光直线与自身设定轴之 间的夹角进行测量，并测量自身倾角； 根据测得的夹角值和倾角值，解算出钻孔开孔方位角。
9. 根据权利要求8所述的井下钻孔开孔方位角测量方法，其特征在于：测量主机对第 二出射平面照射到两感光平面各自所形成的感光直线与自身设定轴之间的夹角进行测量 的步骤包括： 读取感光阵列数据形成二维图像数组； 图像数组二值化； 对图像数组中所有的点，根据直线的霍夫变换公式完成霍夫变换，并寻找最大霍夫值， 解析出感光直线斜率，得出两感光直线与设定轴夹角。
【文档编号】E21B47/0232GK104088626SQ201410325582
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】吴银成, 樊荣, 于庆, 刘京威 申请人:中煤科工集团重庆研究院有限公司