开采扰动地层深部空区随钻内窥探测系统及探测方法

本发明涉及地层探测，具体为一种开采扰动地层深部空区随钻内窥探测系统及探测方法。

背景技术：

1、地下空区的窥视成像要么是测量人员持有探测仪器直接进入地下空间开展探测工作，要么是通过事先打好的钻孔将仪器送入空区开展探测。然而，深部煤矿冒空区、井下救援现场的地下空区具有如下特点：(1)空区最大埋深可达千米；(2)上覆地层经历了剧烈开采扰动，不易形成稳定的钻孔通道；(3)探测人员不能直接进入地下空区现场；(4)空区位置存在随机性；(5)目标空区内部结构复杂、可视条件差。

2、对于深部煤矿开采，无论是工作面后方的冒落空区，还是井下事故的救援现场，测量人员都不可能直接进入，且由于目标空区的上覆岩层已经发生了剧烈的开采扰动破坏，地面打钻很难成孔，不能形成有效探测通道，难以将探测仪器送入目标空区。另外，对于应急救援工作，时间紧、任务重，若成孔、探测分别进行则效率低下，无法满足事故处理要求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供开采扰动地层深部空区随钻内窥探测系统，包括智能探杆、通缆钻杆、信号中继短节、地面控制终端、数据解译与空区重构成像软件系统和数据远程传输系统；

2、所述通缆钻杆自智能探杆上端至地面钻机相互连接形成通缆钻杆组合，所述通缆钻杆组合、智能探杆由上到下依次连接构成钻杆组件，所述通缆钻杆上端连接于通用钻机上，所述智能探杆下端连接有钻机钻头；

3、所述智能探杆包括上下分离式保护传动机构和仪器舱；

4、所述上下分离式保护传动机构下端与钻机钻头相连，上端与通缆钻杆连接，所述仪器舱设置于上下分离式保护传动机构内，上下分离式保护传动机构用于在钻进过程中保护内部仪器舱以及进入目标空区后伸出打开露出内部仪器舱，以便仪器舱对目标空区进行探测；

5、所述仪器舱内设有传感器组合包括热红外成像传感器、高清摄像头、声呐传感器、激光雷达以及音频双向传感器，所述传感器组合用于获取地下空区结构数据、地下空区摄像以及应急救援井地通讯，

6、所述信号中继短节为特制的通缆钻杆，间隔一定距离安装在通缆钻杆组合之间，所述中继短节包括信号中继器和中继电缆，所述中继电缆上下端分别与相邻的通缆钻杆连接，中间连接有所述信号中继器，所述信号中继器接收下端通缆钻杆传输电缆的电力载波信号，经过解调、预处理、增益放大、去噪、储存、调制等，将中继处理后的数据利用电力载波方式向上传输至上端通缆钻杆；

7、所述通缆钻杆相互之间连接形成电力和数据传输通道，下端与智能探杆连接，上端连接于钻机上，所述通缆钻杆内设有传输电缆，所述传输电缆与地面控制终端相连；所述传输电缆用于将传感器组合获取的数据电力载波传输至地面控制终端，所述地面控制终端通过数据解译与空区重构成像软件系统用于对传感器组合获取的数据进行三维建模，以获取地下空区三维结构模型；

8、所述数据远程传输系统与地面控制终端相连，将现场探测数据远程传输至云端和后台服务器，便于工作人员在云端和后台指挥所对进行现场数据的读取和分析，实现数据远程管理和通讯信息交互。。

9、进一步地，所述上下分离式保护传动机构包括可分离的上保护管、下保护管，所述仪器舱设置于上保护管、下保护管之间，所述独立旋转控制机构设置于所述上保护管内，所述独立旋转控制机构与仪器舱相连，所述独立旋转控制机构用于带动仪器舱转动，从而使所述仪器舱内传感器组合旋转探测地下空区，以获取地下空区结构数据。

10、进一步地，所述仪器舱包括仪器舱杆体，所述仪器舱杆体侧壁开设有安装孔，所述传感器组合镶嵌于所述仪器舱杆体的安装孔内，所述安装孔上还设有保护玻璃盖板。

11、进一步地，所述独立旋转控制机构，所述独立旋转控制机构包括三台步进控制电机，三台步进控制电机固定于所述上保护管内，所述仪器舱杆体端部设有从动齿所述步进控制电机端部通过齿轮与所述从动齿啮合，三台步进控制电机同步转动，从而带动所述仪器舱转动。

12、进一步地，所述地面控制终端包括依次相连的地面调制解调器和工控笔记本电脑，

13、所述地面调制解调器通过线缆与通缆钻杆连接，地面调制解调器用于解调传感器组合传递至地面控制终端的信号；所述工控笔记本电脑内置有数据解译与空区重构成像软件系统，工控笔记本电脑用于提取经过地面调制解调器解调后的信号，并通过数据解译与空区重构成像软件系统对解调后的信号进行建模，地下空区三维结构模型。

14、进一步地，所述内窥探测系统还包括包含互联网接入设备、云端服务器、远程服务器和远程客户端；互联网接入设备与地面控制终端相连，接收地面控制终端发送的信号，并将数据传输到云端服务器；所述远程服务器实时从云端服务器下载数据，并进行本地存储；远程客户端用于访问远程服务器，进行数据的读取和分析，实现数据更新、历史数据回放。

15、进一步地，所述通缆钻杆包括多节，通缆钻杆之间设有信号中继短节，所述信号中继短节内设有信号中继器和中继电缆，所述中继电缆与所述通缆钻杆内传输电缆相连，所述信号中继器用于接收下端通缆钻杆传递的载波信号，对载波信进行解调、数据预处理、增益放大和调制处理，并将处理后的数据向上端通缆钻杆传输。

16、本发明还提供一种开采扰动地层深部空区随钻内窥探测，该方法使用上述开采扰动地层深部空区随钻内窥探测系统，该方法包括如下步骤：

17、s1、开采扰动地层钻进：将包括通缆钻杆、智能探杆的钻杆组件钻进至目标空区；

18、s2：目标空区探测：智能探杆到达空区后，智能探杆展开使仪器仓露出，仪器仓转动，智能探杆内的传感器组合对目标空区进行全方位探测，获取探测数据；

19、s3：探测数据传输：传感器组合获取探测数据后，将探测数据调制，并将探测数据通过通缆钻杆以电力载波的形式发送至地面，在通缆钻杆形成的传输通道中间隔一定距离设置信号中继短节，信号中继短节将调制后的探测数据解调、预处理、增益放大和再次调制处理，并将再次调制处理后的探测数据继续向上端发送，最终探测数据经由通缆钻杆和信号中继短节发送至地面控制终端；；

20、s4：地下空区重构成像：地面控制终端对获取的数据解调，并建模从而地下空区三维结构模型，实现对地下空区结构形态的探测分析和井地救援通信；

21、s5：互联网数据远程传输，地面控制终端通过互联网数据传输系统将现场探测数据发送至云端服务器，远程服务器下载云端服务器数据，通过远程客户端访问远程服务器实现数据远程管理和通讯信息交互；

22、s6：空区形态评估与应急救援，通过步骤s4的地下空区重构成像对空区形态、环境、顶板结构进行评估，通过步骤s5实现救援现场地下空区生命探测、井上井下实时通讯。

23、本发明的有益效果为：该内窥探测系统将设置有多种传感器的仪器舱设置在智能探杆，将“钻进”与“窥视”合二为一，随钻随探解决深部开采扰动地层成孔护孔难、钻探分离效率低下的难题，提高地下空区探测效率，以方便地下救援。该内窥探测系统将设置有多种传感器的仪器舱集成多种传感器克服复杂各异环境条件对探测技术的限制，并可实时可视化井下空区现场、实现救援现场井上井下双向语音通话；跟管钻进技术和智能探杆保护密封装置，解决了深部开采强扰动地层钻进困难、护孔成孔难和仪器保护难题，具有很好的可靠性和适应性；该内窥探测系统搭载于通用通用钻机钻头后方，通过跟管钻进方式进入目标空区，实现随钻随探的钻探一体化内窥操作，并通过激光扫描和声呐联合作业，对地下空区内部结构进行重构成像，提高地下空区的准确性。